P R E F A

In ara noastr, ndeosebi n ultimii ani, industria chimic, cu ramura sa principal privind tehnologia i chimizarea petrolului i gazelor, a cunoscut o dezvoltare impetuoas. Conform cu politica statului nostru de dezvoltare multilateral a rii, n etapa actual i viitoare, industria chimic va fi orientat mai hotrt spre valorificarea superioar a materiilor prime i energiei; meninndu-se cantitatea de iei supus prelucrrii la nivelul anului 1980, se va ridica substanial gradul de chimizare a petrolului. Aceasta implic o preocupare susinut pentru nlocuirea tehnologiilor nvechite, perfecionarea agregatelor i instalaiilor, introducerea unor procedee tehnologice ct mai economice din punct de vedere energetic, astfel nct s se asigure diminuarea n continuare a consumurilor specifice.

In cadrul instalaiilor tehnologice din rafinrii i combinate petrochimice, utilajele de transfer de cldur (cuptoare tubulare, schimbtoare de cldur etc.) au o pondere deosebit.

Cursul Procese de transfer termic i utilaje specifice" constituie o disciplin de baz n pregtirea studenilor ca ingineri tehnologi pentru rafinrii i combinate petrochimice, precum i pentru institutele de proiectri i cercetri de profil. Acest curs se ocup cu studiul Cuptoarelor tubulare" i al Schimbtoarelor de cldur", specifice instalaiilor tehnologice, precedat de analiza Proceselor de combustie" i a Proceselor de transfer de cldur" corespunztoare acestor utilaje.

Avndu-se n vedere dezvoltarea deosebit, din anii notri, a industriei de prelucrare i chimizare a petrolului, precum i cerinele actuale privind modernizarea i mbuntirea performanelor tehnico-economice ale instalaiilor tehnologice, cursul conine elementele de baz

necesare dimensionrii aparaturii termice cu performane ridicate, respectiv analizrii tehnologice a aparaturii existente, n scopul mbuntirii performanelor acesteia, prin adoptarea unor msuri constructiv-funcionale.

In afara tratrii celor patru capitole de baz, lucrarea conine i anexe, cu date privind caracteristicile agenilor termici i exemple de dimensionare a unor utilaje termice caracteristice.

Cursul este adresat studenilor de la Facultatea de Tehnologia i Chimizarea Petrolului i Gazelor, din cadrul Institutului de Petrol i Gaze Ploieti.

Coninnd elemente de dimensionare i analiz a utilajelor de transfer termic, specifice instalaiilor tehnologice din combinatele petrochimice, cursul este util i studenilor altor faculti cu profil chimic sau mecano-chi-mic. De asemenea, este folositor inginerilor chimiti sau mecanici de utilaj chimic care lucreaz n diversele domenii specifice de proiectare, cercetare sau exploatare.

C U P R I N S

Prefa

1. Procese de combustie 9

1.1. Bilanul material al; proceselor de combustie 9 1.1.1. Compoziia elementar a combustibililor 12 1.1.2. Consumul de oxigen pentru ardere 13 1.1.3. Consumul de aer i coeficientul cantitii de aer . . . . . 15 1.1.4. Limitele de inflamabilitate 17 1.1.5. Cantitatea gazelor rezultate la arderea complet 19 1.1.6. Bilanul material al arderii incomplete 21 1.1.7. Analiza gazelor- de ardere 23 1.1.8. Stabilirea coeficientului cantitii de aer pe baza datelor

analizei gazelor arse uscate 25 1.1.9. Stabilirea compoziiei gazelor arse umede i a naturii com

bustibilului, pe baza datelor analizei gazelor arse uscate . . 26 1.1.10. Diagrama Ostwald pentru controlul arderii 27 1.1.11. Diagrame generale pentru controlul arderii amestecurilor

de hidrocarburi 30 1.2. Bilanul energetic al proceselor de combustie 32

1.2.1. Aplicarea primului principiu al termodinamicii reaciilor de ardere . 32

1.2.2. Arderea izobar-adiabatie, arderea izobar-politropic i omogenitatea fizic a relaiilor de bilan termic 35

1.2.3. Puterile calorice, superioar i inferioar a combustibililor 37 1.2.4. Pierderea de cldur cauzat de arderea incomplet . . . 41 1.2.5. Entalpia gazelor de ardere 42 1.2.6. Temperatura adiabatic a flcrii fr disocieri 47 1.2.7. Temperatura adiabatic a flcrii cu disocieri 49 1.2.8. Punctul de rou, neacid sau acid, al gazelor de ardere . . 55

2. Procese de transfer de cldur 60

2.1. Moduri i regimuri de transfer de cldur 60 2.2. Transferul de cldur prin conducie n regim staionar . . . 62

2.2.1. Legea lui Fourier 62 2.2.2 Conductivitatea termic 63 2.2.3. Conducia prin perei plani simpli 73 2.2.4. Analogia termoelectric 74 2.2.5. Conducia prin perei plani compui 75 2.2.6. Conducia prin perei cilindrici 76

5

2.2.9. Conducia ntr-un perete cilindric cu surs interioar de cldur 79

2.2.7. Conducia prin perei sferici 77 2.2.8. Conducia prin sol 78

2.3. Ecuaiile difereniale fundamentale ale conveciei 82 2.3.1. 'Ecuaia Navier-Stokes pentru curgerea forat 82 2.3.2. Fora ascensional i ecuaia Navier-Stokes pentru curgerea

liber 84 2.3.3. Noiuni elementare privind stratul limit fluidodinamic . . 87 2.3.4. Legea lui Newton i coeficientul de convecie 89 2.3.5. Ecuaia Newton-Fourier 91 2.3.6. Ecuaia Fourier-Kirchoff 91

2.4. Aplicarea teoriei similitudinii la studiul conveciei 93 2.4.1. Similitudinea corpurilor geometrice 93 2.4.2. Similitudinea proceselor fizice 95 2.4.3. Stabilirea criteriilor de similitudine pe baza ecuaiilor dife

reniale fundamentale 96 2.4.4. Relaiile criteriale generale ale conveciei fr schimbare de

faz, n regim staionar 99 2.4.5. Stabilirea criteriilor de similitudine prin metoda analizei

dimensionale 100 2.4.6. Importana aplicrii teoriei similitudinii la studiul conveciei 103

2.5. Date experimentale privind transferul de cldur prin convecie n regim staionar 104 2.5.1. Convecia forat fr schimbare de faz, n cazul seciunilor

de curgere constante 104 2.5.2. Convecia forat fr schimbare de faz, n cazul seciunilor

de curgere nelimitate 112 2.5.3. Convecia liber fr schimbare de faz 115 2.5.4. Convecia la fierberea lichidelor 119 2 5.5. Convecia la condensarea vaporilor : . 125 2.5.6. Transferul de cldur n straturile de particule 136

2.6. Transferul de cldur prin radiaie n regim staionar . . . . 141 2.6.1. Noiunile de baz ale radiaiei 141 2.6.2. Legile radiaiei termice 143 2.6.3. Schimbul de cldur prin radiaie ntre dou suprafee plane

paralele 147 2.6.4. Pierderea de cldur prin radiaie a unei suprafee convexe 150 2.6.5. Schimbul de cldur prin radiaie ntre dou corpuri oarecare 151 2.6.6. Absorbia radiaiilor solare 153 2.6.7. Radiaia gazelor 154 2.6.8. Radiaia flcrilor deschise 157

2.7. Schimbul global de cldur n regim staionar 158 2.7.1. Coeficienii globali de transfer de cldur 158 2.7.2. Izolarea termic a conductelor i aparatelor 162

3. Schimbtoare de cldur 168 3.1. Clasificri, tipuri i date constructive 168

3.1.1. Clasificri 168 3.1.2. Schimbtoare de cldur cu fascicul tubular n manta . . . 171 3.1.3. Date constructive 173

3.2. Diferena medie de temperatur 180 3.2.1. Schimbul de cldur n contracurent 180 3.2.2. Schimbul de cldur n echicurent 183 3.2.3. Variaiile temperaturilor fluidelor n schimbtor 184 3.2.4. Schimbul de cldur n curent mixt 186 3.2.5. Schimbul de cldur n curent ncruciat 190 3.2.6. Diferena de temperatur medie n timp 192 3.2.7. Diferena de temperatur medie n timp i spaiu . . . . 194

3.3. Temperaturile calorice i rezistenele termice ale depunerilor . . 196 3.3.1. Coeficienii globali de transfer de cldur practici . . . . 196 3.3.2. Temperaturile calorice ale fluidelor 197 3.3.3. Rezistenele termice specifice ale depunerilor 198

0

3.4. Schimbtoare de cldur fr transformare de faz 201 3.4.1. Principiile calculului termic 201 3.4.2. Relaii simple pentru calcularea coeficientului de convecie

exterior 204 3.4.3. Calculul fluidodinamie 207

3.0. Schimbtoare de cldur cu transformare de faz 209 3.5.1. Refierbtoare 209 3.5.2. Vaporizatoare 214 3.5.3. Condensatoare 218 3.5.4. Cristalizatoare 221

3.6. Schimbtoare cu tuburi cu suprafa extins 222 3.6.1. Rcitoare i condensatoare cu aer 223

3.6.1.1. Aspecte constructiv-funcionale 223 3.6.1.2. Calculul termic 228 3.6.1.3. Calculul aerodinamic 232

3.7. Schimbtoare de cldur prin contact direct 233 3.7.1. Turnuri de rcire a apei de recirculare 234

3.7.1.1. Proprietile aerului umed 234 3.7.1.2. Noiunile de baz ale transferului de mas . . . . 238 3.7.1.3. Schimbul de cldur n turnurile de rcire 240

3.7.2. Alte tipuri de schimbtoare prin contact direct 243

4. Cuptoare tubulare 246 4.1. Tipuri constructive de cuptoare tubulare 246 4.2. Sisteme de prenclzire a aerului la cuptoare 250 4.3. Sisteme recuperatoare de cldur din gazele de ardere 253 4.4. Recomandri privind dimensionarea cuptoarelor 255

4.4.1. Dimensiunile seciei de radiaie 255 4.4.2. Dimensiunile tuburilor 255 4.4.3. Tipuri de tuburi cu aripioare 256 4.4.4. Plasarea tuburilor fa de perete 256 4.4.5. Tipuri de arztoare i injectoare 257 4.4.6. Plasarea arztoarelor i injectoarelor fa de tuburi . . . . 258 4.4.7. Tipuri de ventilatoare 258

4 5. Bilanul termic i randamentul cuptoarelor 260 4.6. Dimensionarea seciei de radiaie 263

4.6.1. Stabilirea numrului de circuite n paralel 263 4.6.2. Alegerea tensiunii termice 264 4.6.3. Stabilirea dimensiunilor seciei de radiaie i a amplasrii

tuburilor 265 4.7. Verificarea tensiunii termice din secia de radiaie 266

4.7.1. Relaia de verificare a tensiunii termice 266 4.7.2. Coeficientul relativ de radiaie 269 4.7.3. Temperatura medie din focar 270 4.7.4. Temperatura medie a ecranului 270 4.7.5. Coeficientul de emisie a gazelor 271 4.7.6. Grosimea medie a stratului de gaze 272 4.7.7. Gradul de ecranare 273

4.8. Stabilirea temperaturii maxime a ecranului 274 4.9. Dimensionarea seciei de convecie 277

4.9.1. Coeficientul de transfer de cldur prin convecie . . . . 278 4.9.2. Coeficientul de transfer de cldur prin radiaia gazelor . . 280 4.9.3. Coeficientul de transfer de cldur prin radiaia pereilor . . 283 4.9.4. Diferena medie de temperatur 283 4.9.5. Verificarea numrului de iruri de tuburi 284

4.10. Dimensionarea prenclzitoarelor de aer 285 4.11. Dimensionarea generatoarelor de abur 288 4.12. Cderile de presiune pe circuitul materiei prime 290

4.12.1. Cderea de presiune n zona de vaporizare 290 4.12.2. Cderea de presiune n zona de nclzire 295 4.12.3. Diferena de presiune dinamic 295

4.13. Cderile de presiune pentru gazele de ardere i aer 297

7

4.14. Dimensionarea coului . . . . . . . . -. . .-. .'. . .. / . 302 4.15. Controlul i reglarea automat a cuptoarelor .' . . : '. " ;: . 306

4.15.1. Aparatura de control . ' . :. ./ . . / . 307 4.15.2. Circuitul de combustibil . . . . . . . . . .

; , 3 0 8

4.15.3. Protecia cuptorului . . . ..,'-, . . . . . . . . . -. . 308 4.15.4. Reglarea automat a cuptorului . . . . - , . . . . . . > .- . 310 4.15.5. Decocsarea cuptorului ' . . . . . . : . 311

Anexe. Metode de calcul specifice i exemple de dimensionare tehnologic 314 Anexa 1. Ageni termici de nclzire sau rcire . . . . . . . .--. . 314 Anexa i2. Eficiena schimbului de cldur i numrul de uniti de

transfer 328 Anexa 3. Metoda Delaware pentru calculul termic i fluidodinamic al

schimbtoarelor 337 Anexa 4. Dimensionarea tehnologic a unui refierbtor. termosifon.

vertical ,... . . . . 349 Anexa 5. Metoda Kern pentru calculul condensatoarelor de amestecuri

complexe . 356 Anexa 6. Dimensionarea tehnologic a unui rcjtor cu aer . . . . 362 Anexa 7. Calculul altor tipuri de schimbtoare cu suprafa extins 367 Anexa 8. Analiza tehnologic a schimbtoarelor de cldur 373 Anexa 9. Optimizarea schimbtoarelor de cldur . . . . .. . . . 376 Anexa 110. Dimensionarea unui cuptor de nclzire a. unui amestec gazos 391 Anexa 11. Particularitile cuptoarelor cu perei radiani . . . . . . . . . ' 409 Anexa 12. Calculul dispersiei S 0 2 din gazele de co . . . . ' " . . . , ;. 414 Anexa 13. Particularitile dimensionrii cuptoarelor de reacie . . . . . 418 Anexa 14. Dimensionarea unui cuptor de nclzire i vaporizarea parial

a ieiului . . . . '.,. 147 Bibliografie . . . . . ! . 357

1. PROCESE DE COMBUSTIE

Industria de prelucrare a petrolului, petrochimic i chimic este o foarte mare consumatoare de energie. Ea utilizeaz peste 25% din consumul total de energie din industrie, ocupnd primul loc dup industria siderurgic i metalurgic. Global, aproximativ 4/5 din energia necesar se obine prin arderea combustibililor.

Marea majoritate a instalaiilor tehnologice din rafinrii i combinate petrochimice conin cuptoare, recuperatoare de cldur de reacie, regeneratoare de catalizatori etc., n care au loc procese de combustie. De asemenea, se ntlnesc frecvent i recuperatoare de cldur sensibil din gazele de ardere.

Cunoaterea problemelor specifice proceselor de ardere (bilanul material, controlul arderii, bilanul termic etc.) este util pentru dimensionarea sau analiza tehnologic a aparatelor n care au loc astfel de procese i pentru conducerea n condiii ct mai bune a proceselor de ardere. n plus, cunotinele respective intervin n rezolvarea unor probleme de mare actualitate, privind economia general de energie, reducerea consumurilor de combustibili i nlocuirea, n rafinrii i combinate petrochimice, a combustibililor gazoi cu combustibili reziduali lichizi.

Arderea (combustia) este reacia chimic, puternic exotermic, de oxi-dare rapid a substanelor combustibile, care conin ca elemente principale carbonul i hidrogenul. Studiul arderii se poate face din punct de vedere static i dinamic, sau din punct de vedere termodinamic i cinetic. Prezentarea care urmeaz, privind procesele de combustie, se refer la aspectele statice i, respectiv, termodinamice ale arderii. Statica arderii se ocup cu stabilirea strii finale a sistemului, n funcie de starea sa iniial, iar termodinamica arderii cu transformrile energetice care nsoesc procesul de ardere. Pentru arderea n focare, nu snt interesante practic aspectele dinamice sau cinetice ale proceselor de combustie (desfurarea n timp a procesului, mecanismele de reacie, vitezele de reacie etc).

Cele ce urmeaz se refer la procesele de ardere cu aer, a combustibililor caracteristici ntlnii n rafinrii i combinate petrochimice.

1.1. BILANUL MATERIAL AL PROCESELOR DE COMBUSTIE

In aceast prim parte a studiului proceselor de combustie, se vor discuta problemele caracteristice de bilan material, ca de exemplu: consumul de oxigen i consumul de aer pentru arderea unui combustibil, caracteri-

9

zat prin compoziia sa elementar, limitele de inflamabilitate ale amestecurilor combustibile, cantitatea i compoziia produselor rezultate prin ardere, complet sau incomplet, analizele gazelor de ardere i controlul arderii prin intermediul datelor acestor analize.

1.1.1. COMPOZIIA ELEMENTARA A COMBUSTIBILILOR

n rafinrii i combinate petrochimice se utilizeaz obinuit combustibili gazoi (gaze naturale, gaze de rafinrie, gaze de schel) i combustibili lichizi (pcur). n prezent se recomand s se nlocuiasc, n msura posibilitilor, combustibilii gazoi, care pot fi valorificai superior, cu combustibili lichizi reziduali. Regenerarea catalizatorilor de cracare const n arderea cocsului depus pe particulele de catalizator, acest cocs fiind un combustibil solid caracteristic.

Combustibilii pot conine ca elemente chimice componente C, H, S, O i N i n plus umiditate i substane minerale complexe (acestea prin ardere formeaz cenua, compus n general din oxizi i carbonai de Na, Ca, Mg, Si, V i Fe).

Pentru calculele de combustie, compoziia unui combustibil se exprim prin fraciile masice ale carbonului (c), hidrogenului (h), sulfului (s), oxigenului (o), azotului (n), umiditii (w) i substanelor minerale (z)\coninute, suma acestora fiind egal cu unitatea:

(14) Determinarea compoziiei elementare a unui combustibil se poate face

pe cale experimental, prin analize de laborator. Pentru hidrocarburi pure, elementele componente fiind numai C i H,

fraciile masice ale elementelor pot fi calculate prin mprirea masei carbonului, respectiv a hidrogenului, dintr-un kgmol, la masa ntregului kgmol din hidrocarbura respectiv.

Pentru hidrocarbura Cni

m corespund:

Dintre hidrocarburi, CH4 are coninutul maxim de hidrogen, 25% mas. Acetilena (C2H2) are un coninut mic de hidrogen i anume 7,69% mas.

Compoziia elementar a unei hidrocarburi poate fi exprimat indirect i prin raportul masic H/C.

Pentru hidrocarbura CnH

m corespunde:

(1.3)

CH4 are pentru raportul masic H/C valoarea 0,3333, iar C2H2 are H/C=0,0833.

Pentru hidrocarburi, fracia masic a carbonului se coreleaz cu raportul masic H'C prin relaia:

10

In calculele de combustie, pentru combustibilii petrolieri lichizi, se obinuiete deseori neglijarea elementelor O i N, precum i a umiditii i substanelor minerale, n raport cu C i H, deoarece ele snt prezente in aceti combustibili n cantiti foarte mici. Coninutul de S fiind n majoritatea cazurilor sub lo/0 mas, iar comportarea sa fiind asemntoare cu cea a C, n privina consumului de 02 pentru ardere i a comportrii n analiza chimic a gazelor de ardere, pentru simplificarea calculelor se poate neglija i coninutul de S sau se poate nsuma coninutul de S la cel de C.

In lipsa determinrilor experimentale, combustibilii petrolieri lichizi, de la benzin la pcur, pot fi considerai amestecuri de hidrocarburi, iar compoziia lor elementar se poate calcula prin intermediul relaiei empirice:

(1.5) In aceast relaie, d]jj reprezint densitatea relativ a combustibilului

petrolier lichid n raport cu apa, ambele la 15C (mai exact 15,555C). Pentru valori dj* cuprinse ntre 0,7 i 1, corespund pentru c valori

cuprinse ntre 0,84 i 0,89. Densitatea relativ d poate fi calculat n funcie de densitatea re

lativ df, standardizat n ara noastr, prin relaia: (1.6)

Pentru combustibilii petrolieri lichizi, neglijndu-se numai prezena O i N, fracia masic a carbonului se poate calcula cu relaia:

(1.7)

Aceast relaie a lui c se simplific pentru hidrocarburi pure la forma ntlnit anterior.

Fig. 1.1

11

Raportul masic H/C, pentru combustibilii petrolieri lichizi, poate fi citit din figura 1.1, n funcie de djf i de factorul de caracterizare K. Se constat c valoarea lui H/C scade odat cu creterea densitii relative i odat cu scderea lui K (la parafine H/C are valori mai mari de-ct la aromate).

In figura 1.1 este trasat cu linie ntrerupt i variaia lui H/C n funcie de d\l, pe baza relaiei anterioare:

care nu ine seam de influena lui K. Se constat c aceast relaie corespunde cu aproximaie valorii K = 1 2 .

Corelndu-se analitic datele din figura 1.1 i nlocuindu-se, n relaia (1.7), H/C n funcie de K i d , se obine relaia cea mai complet a lui c pentru fraciunile petroliere lichide:

(1.8)

Dac pentru un gaz de schel nu se cunoate compoziia, ci numai densitatea sa relativ n raport cu aerul n aceleai condiii de temperatur i presiune (d), care se determin foarte uor experimental, gazul de schel se asimileaz cu un amestec de hidrocarburi parafinice C

nH2n+2

i compoziia sa elementar poate fi calculat n funcie de densitatea relativ.

(1.9) a

Pentru valori ale lui d cuprinse ntre 0,6 i 0,9 rezult pentru c valori cuprinse ntre 0,76 i 0,79.

Dac pentru un amestec oarecare de gaze se cunosc compoziia pe componeni, exprimat prin fraciile masice gh i compoziiile elementare ale componenilor, compoziia elementar a amestecului de gaze se poate calcula prin relaii de aditivitate de tipul:

(1.10)

n acelai caz, dac se cunoate compoziia pe componeni, exprimat prin fraciile molare y%, se poate calcula formula brut a combustibilului C

nH

mSpOTNt (din care n continuare se calculeaz uor compoziia

elementar) prin reiai de aditivitate de t ipul:

n care n t reprezint numrul de atomi de C, mL numrul de atomi de H e t c , n moleculele diverilor componeni ai amestecului.

12

1.1.2. CONSUMUL DE OXIGEN PENTRU ARDERE

In cazul unei hidrocarburi pure date, consumul de oxigen pentru arderea complet (oxidarea carbonului la C0 2 i a hidrogenului la H20) se poate exprima direct, pe baza reaciei stoechiometrice.

De exemplu, pentru arderea metanului

consumul de oxigen se poate exprima astfel:

n cele ce urmeaz se trateaz cazul general al arderii complete, sta-bilindu-se o relaie pentru calcularea cantitii minime de oxigen necesar, n funcie de compoziia elementar a combustibilului, elementele combustibile fiind C, H i S.

Pentru arderea carbonului: C + 0 , = C O ,

1 kmol C + l kmol 0 2 = 1 kmol C0 2 12 kg C + l kmol 0 2 - i l kmol C0 2

[ kg C -l c [" kmol 0,1 c rkmol_COj1 kg combj 12 |_kg comb.J 12Lkg comb.J Se reine consumul de 02 pentru arderea carbonului din combustibil:

c r kmol 02 "1 12 l_kg comb. J

Pentru arderea hidrogenului:

H 2 + - 0,=H,0 j 2 -

1 kmol H 2 + kmol O 2 =l[kmol H 20]

bil Se reine consumul de 02 pentru arderea hidrogenului din combusti-

kmol O2 '

13

Pentru arderea sulfului:

Se reine consumul de 02 pentru arderea sulfului din combustibil:

Oxigenul existent n combustibil:

reduce necesarul de 02 consumat din exterior. Pe baza celor anterioare, se poate scrie relaia consumului minim de

0 2, necesar arderii complete a combustibililor:

(1.12)

Consumul minim de 02 poate fi exprimat i n alte uniti de msur, ca de exemplu:

Prin condiii normale (indice N) se neleg: t=0C i presiunea normal atmosferic egal cu 1,01325 bar.

In cele ce urmeaz se prezint cteva observaii critice, valabile att pentru paragraful anterior ct i pentru cele urmtoare, observaii referitoare la unele valori numerice i la scrierea unor uniti de msur.

a) n lucrrile mai vechi, m3 n condiii normale se simboliza prin Nm3. n prezent, utilizndu-se S.I. de uniti de msur, N poate fi confundat cu newtonul. Se recomand simbolizarea m^ .

b) Este incorect exprimarea cantitii molare, la substanele cu molecule monoatomice, prin atom" sau multiplii acestuia, exprimare ntl-nit n mai multe lucrri. Atomul" nu a fost i nu este o unitate de msur.

c) n foarte multe lucrri anterioare introducerii unitilor S.I. (americane, sovietice, romneti etc), pentru a nu apare confuzii, expresia mol" era nsoit de o unitate de msur de mas (lbmol, gram-mol, ton-mol, Kgmol,). Mol"-ul introdus recent ca a aptea unitate fundamental a S.I. d natere la confuzii. ntr-o lucrare englezeasc despre uniti de msur, mol-ul (nu kmol-ul) este definit prin M kg (nu grame), corelndu-se unitatea fundamental mol cu unitatea fundamental kg. Pentru a se evita confuziile, se recomand scrierea expresiei mol mpreun cu unitatea de msur de mas corespunztoare cantitii exprimate (Kgmol, gmol).

d) Masa molecular (de la molecul) este o valoare relativ i nu are uniti de msur. Masa molar (de la mol) este o valoare absolut i are 14

uniti de msur. De exemplu, pentru CH 4 masa molar este egal cu 16 kg/kmol.

e) Pentru simplificare, n paragraful anterior s-au utilizat pentru masele atomice i masele moleculare ale substanelor numerele ntregi cunoscute. Valorile exacte snt, de exemplu: pentru C 12,01; pentru H2 2,016; pentru S 32,06 etc.

f) Tot pentru simplificare, s-au luat valorile rotunjite ale volumului molar normal i presiunii normale atmosferice. Valorile exacte ale acestor mrimi se gsesc n standardul romnesc corespunztor.

1.1.3. CONSUMUL DE AER l COEFICIENTUL CANTITII DE AER

Compoziia aerului atmosferic este variabil, depinznd de zon (poluat, nepoluat), de altitudine (coninutul de 0 2 scade cu creterea altitudinii) etc. De asemenea, coninutul de vapori de ap al aerului este variabil.

Pe lng N 2 i 0 2 , aerul conine i alte substane, aa cum rezult din urmtoarea analiz de aer uscat:

n calculele tehnice ale proceselor de combustie, aerul se consider uscat i avnd urmtoarea compoziie:

2 1 % voi (mol) 0 2 sau 23,3o/0 mas O a 79% voi (mol) N2 sau 76,7o/0 mas N2

100 100,0

Cunoscndu-se consumul minim de 0 2 pentru ardere i concentraia 0 2 n aerul tehnic, se poate scrie urmtoarea relaie pentru consumul minim de aer, necesar arderii complete a combustibililor:

(1.13)

Dac arderea decurge cu mai puin aer dect cel minim necesar, n gazele arse va fi prezent n primul rnd CO (produs de oxidare incomplet) i uneori chiar H 2, C etc. Arderea incomplet este ntlnit practic la regenerarea catalizatorilor de cracare (cldura degajat este mai mic, temperatura este mai redus i se protejeaz catalizatorul), la motoarele cu ardere intern cu piston cu aprindere prin scnteie (de exemplu, n

15

H H H

regimul de putere maxim) i la cuptoarele metalurgice (unde este necesar o atmosfer reductoare).

In general, n focarele cuptoarelor de rafinrie, generatoarelor de abur etc. se lucreaz cu o cantitate de aer mai mare dect cea minim necesar arderii complete. Acest lucru este necesar pentru evitarea arderii incomplete (pierderii de cldur, polurii atmosferei), deoarece arderea incomplet poate fi cauzat i de neomogenitatea amestecului aer-combustibil (lips de 0 2 n raport cu combustibilul n unele zone ale focarului). Un injector sau arztor de combustibil este cu att mai bun, cu cit realizeaz o ardere complet la un consum de aer ct mai apropiat Cie LimXn*

Pentru c practic arderea se face fie cu o cantitate de aer mai mare dect L

mln, fie cu o cantitate mai mic dect Lmln, este necesar introducerea unui coeficient al cantitii de aer, caracteristic. n plus, n practic ar fi foarte greu s se dozeze cantitatea de aer exact la valoarea L

min.

Se definete coeficientul cantitii de aer (a) prin raportul dintre consumul practic (real) de aer (L) i cantitatea minim de aer corespunztoare:

Acest coeficient are valori supraunitare la arderea cu un exces de aer i valori subunitare la arderea cu lips de aer.

Consumul practic de aer pentru arderea combustibililor se poate exprima, prin intermediul lui a, prin relaia:

(1.15)

Consumul practic de aer poate fi exprimat i n alte uniti de msur, ca de exemplu:

(29 reprezint masa molar medie rotunjit a aerului). Se nelege prin dozaj raportul dintre cantitatea de combustibil i can

titatea de aer corespunztoare. Dozajul se exprim obinuit n kg comb./kg aer i variaz invers proporional cu a:

Gradul de omogenizare a amestecului combustibil-aer este determinat de natura combustibilului (mai mare la combustibilii gazoi), de tipul arztoarelor sau injectoarelor, de construcia focarului etc.

Cu ct a este mai mic, cu att arderea este mai incomplet i cldura degajat este mai mic. Cu ct a este mai mare, cu att cantitatea de gaze de ardere este mai mare i, pentru aceeai temperatur la co, pierderile de cldur cu gazele arse evacuate n atmosfer snt mai mari. Creterea lui a conduce n plus i la scderea temperaturii flcrii, deci la un transfer de cldur mai redus.

Practica a artat c arderea n focare este optim la valori a de ordinul : a = l , 0 5 1 , 2 pentru combustibili gazoi; a = l , 2 1 , 4 pentru combustibili lichizi.

16

La regenerarea catalizatorilor de cracare a are valori cuprinse ntre 0,8 i 1. La arderea benzinei n motoare cu carburaie, n regimul de putere maxim, a are valori n jurul lui 0,9.

In unele lucrri n limba romn sau n limba englez, a este numit coeficient de exces" de aer. Aceast denumire corespunde cazului n care l, dar este improprie cazului n care arderea decurge cu lips de aer (n acest caz excesul" ar trebui s fie o valoare negativ). Noiunea de coeficient al cantitii de aer este mai potrivit pentru

Pentru un amestec de compoziie cunoscut, ambele limite de infla-mabilitate pot fi calculate cu aiutorul relaiei:

n care yt reprezint fracia molar a unui component n combustibil i li limita de inflamabilitate a componentului, exprimat n % voi.

Limitei inferioare de inflamabilitate i corespunde valoarea maxim a coeficientului cantitii de aer, la care poate avea loc arderea unui amestec combustibil, iar limitei superioare de inflamabilitate i corespunde valoarea minim a lui a.

Corelarea limitelor de inflamabilitate cu valorile limit ale coeficientului cantitii de aer se face prin urmtoarele relaii:

n care M este masa molar a combustibilului. Pentru un combustibil dat, limitele de inflamabilitate depind de tem

peratur, presiune, prezena altor substane i geometria sistemului (la volume mici). Cu creterea temperaturii amestecului combustibil-aer se lrgete domeniul de inflamabilitate (scade limita inferioar i crete limita superioar). De exemplu, pentru CH4 n aer, llnf la 300C reprezint numai 0,86 din linf la 100C, iar Z,up la 300C este de 1,13 ori mai mare dect l

mp la 100C. Cu creterea presiunii, limita superioar de inflamabilitate crete, iar

linf rmne constant. Limita inferioar de inflamabilitate n oxigen este practic aceeai ca

i n aer, dar limita superioar de inflamabilitate n oxigen este ntotdeauna mai mare dect n aer. Cteva exemple pentru ZTOp n condiiile ambiante: CH4 n aer 15% voi, iar n 0 2 60% voi; C4HJQ n aer 8,41% voi, iar n 02 40% voi.; C2H2 n aer 80% voi, iar n O, 93% voi.

Cunoaterea limitei inferioare de inflamabilitate n aer este interesant din punct de vedere practic, pentru a se cunoate dac arderea unui amestec este sau nu posibil (de exemplu: gazele de la regenerarea catalizatorilor de cracare, care conin CO, n amestec cu aer; gazele reziduale de la fabricarea negrului de fum din materii prime lichide, care conin H2 i CO, n amestec cu aer), sau pentru evitarea exploziilor n ncperile n care exist scpri de gaze combustibile (vapori), concentraia gazelor combustibile trebuind s se afle sub limita inferioar de inflamabilitate.

Iniierea arderii unui amestec combustibil, aflat n domeniul de inflamabilitate, se realizeaz prin intermediul unei flcri sau al unei scn-tei electrice, asigurndu-se local o temperatur cel puin egal cu temperatura minim de aprindere. Cteva valori ale temperaturii minime de aprindere, n aer, la presiunea atmosferic: H2 570C; CH4 580C; C2H2 305C; C4H1 0 420C; CO 610C. Temperatura minim de aprindere n 02 are valori ceva mai mici.

Pentru dimensionarea arztoarelor de combustibili gazoi este interesant variaia vitezei de propagare a arderii n interiorul tuburilor care

18

conin amestecuri combustibile, aflate n domeniul de inflamabilitate. Aceast vitez are valori sub, sau peste 1 m/s. Ea crete odat cu creterea temperaturii amestecului, cu creterea presiunii i cu creterea diametrului tubului. Viteza de propagare a arderii are valori minime la linj i Wp i valori maxime la o concentraie intermediar a combustibilului n amestecul cu aerul. Cteva exemple de concentraii corespunztoare vitezelor maxime de propagare a arderii: H2 42o/0 voi; CH4 10,5% voi; C2H4 7% voi; CO 43% voi. n cazul exploziilor, la amestecuri statice aflate n spaii mari, viteza de propagare a arderii este de ordinul 1 . .. 3 km/s.

1.1.5. CANTITATEA GAZELOR REZULTATE LA ARDEREA COMPLETA

La arderea complet ( a > l ) a unui combustibil, gazele rezultate din ardere pot conine urmtorii componeni:

C0 2 provenit din arderea carbonului coninut de combustibil; H 2 0 vapori de ap provenii din arderea hidrogenului coninut de

combustibil, din umiditatea iniial a combustibilului i, dac este cazul, din aburul utilizat pentru pulverizarea combustibilului;

S0 2 provenit din arderea sulfului coninut de combustibil; N2 provenit din aerul utilizat pentru ardere i din azotul coni

nut de combustibil; 02 provenit din excesul de aer utilizat pentru ardere. In paragraful 1.1.2., scriindu-se reaciile de ardere ale C, H2 i S, s-au

obinut i cantitile molare de C02, H 2 6 i S0 2 rezultate la arderea unui kg de combustibil.

Cantitatea de C0 2 rezultat la arderea combustibilului:

Cantitatea de H 2 0 rezultat la arderea combustibilului:

n care: w reprezint umiditatea combustibilului, n kg/kg comb., iar a cantitatea de abur de pulverizare, n kg/kg comb.

Pulverizarea combustibililor lichizi (pcur) n focare se face obinuit cu abur de 3 . . . 10 bar, utilizndu-se a = , 0 , l . . . 0,5 kg abur/kg comb. Pulverizarea se mai poate face cu aer comprimat sau mecanic, trecndu-se combustibil cu presiune ridicat prin orificii foarte mici.

n calculele tehnice ale arderii se neglijeaz umiditatea aerului atmo-

19

Cantitatea de S0 2 rezultat la arderea combustibilului:

Cantitatea de N2 prezent n produsele de ardere:

Primul termen reprezint azotul din aerul utilizat pentru ardere (79o/0 voi. sau mol), iar n coninutul de azot al combustibilului n kg/kg comb.

Cantitatea de 02 prezent n produsele de ardere:

Cantitatea de oxigen din produsele de ardere reprezint 2 1 % voi. sau mol din aerul n exces. De oxigenul prezent n combustibil s-a inut seam n calculul consumului de aer pentru ardere. Consumul de oxigen pentru oxidarea substanelor minerale se neglijeaz.

I

Cantitatea total de gaze arse (umede):

Dac nu se nsumeaz i cantitatea de vapori.de ap, se obine cantitatea de gaze arse uscate.

Avnd cantitile componenilor gazelor de ardere, poate fi calculat compoziia acestor gaze, exprimat prin fracii sau procente molare (vo-lumice) sau masice.

Masa molar medie a produselor rezultate prin ardere:

Volumul gazelor arse rezultate, n condiii normale:

Cantitatea total de gaze de ardere umede se poate exprima i prin bilanul material global al procesului de ardere, pentru un kg combus tibil:

20

Aceast relaie se utilizeaz obinuit pentru verificarea lui m. Pentru ca rezultatul s fie perfect, trebuie s se ia pentru aer masa molar exact, corespunztoare compoziiei admise:

1.1.6. BILANJUL MATERIAL AL ARDERII INCOMPLETE

Se analizeaz cazul ntlnit n practic, n care n gazele arse apare ca produs de ardere incomplet numai CO. n majoritatea cazurilor, CO apare n gazele arse mpreun cu CO,.

Apariia CO este cauzat n primul rnd de lipsa oxigenului (oc

Pentru aflarea cantitii de 02 din gazele arse se efectueaz un bilan al oxigenului.

pentru oc

1.1.7. ANALIZA GAZELOR DE ARDERE

I Terminarea direct a debitului de aer care alimenteaz un focar -. r r ru de realizat practic, spre deosebire de determinarea debitului de - : _ ; t i b i l . Cunoscndu-se debitul de combustibil i compoziia acestuia,

fi calculat numai debitul de aer minim necesar. Debitul real de aer care alimenteaz un focar poate fi stabilit numai dup cunoaterea valorii reale a coeficientului cantitii de aer cu care decurge arderea.

Controlul arderii, necesar conducerii corecte a unui proces de ardere, const n cunoaterea valorii practice a coeficientului cantitii de aer i a eventualei prezene n gazele arse a unor componeni rezultai prin ardere incomplet (obinuit CO) i se realizeaz prin analizarea gazelor arse.

Analiza gazelor arse se poate face cu analizoare: chimice, electrice, magnetice i cromatografice.

Unele tipuri de analizoare pot indica, sau chiar nregistra, continuu concentraia unui component din gazele arse (de exemplu, C 0 2 , 0 2 sau CO).

Analizorul chimic utilizat frecvent este analizorul Orsat, cu care se determin coninuturile procentuale volumice (molare) de C 0 2 , 0 2 i CO, in gazele arse uscate. n aparatul Orsat se introduc 100 cm 3 gaze de ardere uscate, la presiunea i temperatura ambiante, care snt barbotate n ordine printr-o soluie de KOH care reine C 0 2 (mpreun cu S0 2 ) , pr in-tr-o soluie de pirogalat de potasiu care reine 0 2 i printr-o soluie amo-tiacala de cupru care reine CO. Ceea ce rmne final este N 2 .

Analizoarele electrice conin puni electrice i se bazeaz pe fenomenele termoconductometrice. n figura 1.2. este prezentat schema de principiu a unei puni electrice, compus din: 1 surs de curent; , milivoltmetru; 3 rezisten reglabil i 4 celul de msurare. In condiiile ambiante, C 0 2 are o conductivitate termic sensibil mai mic dect ceilali componeni (biatomici) ai gazelor arse uscate (N2, 02 i CO), aa cum rezult din urmtoarele valori relative:

Pentru msurarea concentraiei C 0 2 , se trece iniial cu o pomp vibratoare un debit constant de aer prin celula 4, n care se afl o rezisten cald de platin, i se echilibreaz puntea prin intermediul reostatului 3. Se trece apoi prin celul un debit egal i la aceeai temperatur de gaze arse, uscate i rcite n prealabil. Conductivitatea termic a gazelor arse fiind mai mic dect cea a aerului, din cauza prezenei C 0 2 , rcirea rezistenei este mai redus i deci cresc temperatura i rezistena electric a firului de platin. Puntea se dezechilibreaz, proporional cu concentraia C 0 2 , i indicatorul milivoltmetrului indic pe o scal etalonat, direct, coninutul de C 0 2 n % voi.

23

Pentru msurarea concentraiei CO se utilizeaz 6 schem asemntoare. Prin celul se circul un amestec de gaze arse uscate i aer, ntr-o anumit proporie. Firul de platin are o temperatur de aproximativ 500C i catalizeaz oxidarea CO la G0 2. Se dezvolt cldur, cresc temperatura i rezistena electric a firului de platin i puntea se dezechilibreaz, proporional cu concentraia CO. Influena prezenei CO, este mic n acest caz. Pe scala milivoltmetrului se citete direct coninutul de CO n % voi.

Cu analizoarele electrice se determin deci coninutul procentual vo-lumic (molar) de C0 2 i (sau) CO n gazele arse uscate.

Analizoarele magnetice, de mai multe tipuri constructive, se bazeaz pe comportarea magnetic caracteristic a 02 i servesc la determinarea concentraiei volumice a 02 n gazele arse uscate, sau chiar umede, n domeniul 0,2 .. . 10o/0 voi 0 2 .

Oxigenul este o substan paramagnetic (este atras de un cmp magnetic), spre deosebire de C0 2 i N2 care snt diamagnetice. Susceptibilitatea magnetic a oxigenului este de 5 ori mai mare dect cea a aerului i de 150 ori mai mare dect cea a C0 2 i scade sensibil odat cu creterea temperaturii.

In figura 1.3. este prezentat schema de principiu a unui analizor magnetic, compus din: 1 camer inelar metalic, 2 eava transversal de sticl, 3 magnet permanent, 4 i 5 rezistene de platin pentru nclzire, 6 surs de curent, 7 rezisten reglabil i 8 mili-voltmetru. Se constat i n aceast schem prezena unei puni electrice.

Gazele arse de analizat, rcite n prealabil i eventual uscate, trec cu un debit constant prin camera 1. Cmpul magnetic atrage oxigenul din braul sting al camerei inelare, n care temperatura este redus. Rezistenele care nclzesc tubul de sticl, n dreapta magnetului, fac ca oxigenul s-i reduc sensibil susceptibilitatea magnetic i astfel apare n acest tub o circulaie de la stnga spre dreapta. Fluxul care circul reduce temperatura rezistenei 4 mai mult dect pe cea a rezistenei 5, n dreptul creia fluxul este mai cald, i puntea electric se dezechilibreaz, proporional cu concentraia 02 n gazele arse. Indicatorul milivoltmetrului

indic direct coninutul de O,, n % voi. Reostatul servete la echilibrarea iniial a punii electrice.

Analizoarele electrice i cele magnetice pot indica continuu compoziia gazelor arse, la un tablou de comand, i pot fi adaptate pentru nregistrarea acestei compoziii sau pentru reglarea automat a procesului de ardere, n funcie de compoziia gazelor arse.

Analizoarele cromatografice de gaze arse snt i ele de mai multe tipuri, marea lor majoritate servind la determinarea

compoziiei gazelor arse uscate. n ultimii ani s-au pus la punct i metode cromatografice pentru determinarea compoziiei gazelor arse umede, direct, dintr-o singur prob de gaze. Analiza cromatografic prezint o mare precizie, putndu-se stabili concentraii i de ordinul a 0,01% voi. Un alt avantaj al analizei cromatografice const n faptul c pot fi depistai individual diveri componeni combustibili aflai n cantiti mici n gazele arse (n afara CO) ca de, exemplu: H 2, CH 4, C 3 H 4 i C2H(;, rezultai prin descompunerea termic a unui combustibil lichid.

1.1.8. STABILIREA COEFICIENTULUI CANTITII DE AER, PE BAZA DATELOR ANALIZEI GAZELOR ARSE USCATE

n cele ce urmeaz se urmrete stabilirea valorii coeficientului cantitii din aer cu care are loc arderea, n funcie de concentraiile componenilor gazelor arse uscate, acestea coninnd C 0 2 , CO, 0 2 i N 2 . Aceste concentraii se stabilesc cu analizoare chimice (direct C 0 2 , O, i CO, iar prin diferen la o sut N2), cu analizoare cromatografice sau cu analizoare electrice (C0 2 i CO) plus magnetice (0 2).

Se noteaz cu Y"co2 Yo 2 i YCo % voi (mol) pentru componenii respectivi, n gazele arse uscate.

Coninutul de N2 se afl prin diferen:

Lundu-se ca baz 100 kgmol gaze arse uscate, oxigenul real consumat va fi: .

Pentru cazul considerat Yo., nu reprezint oxigenul n exces, deoarece arderea nu este complet. Pentru arderea complet, 1 kmol CO ar necesita 0,5 kmol 02 iar, pentru :baza admis, Y C o kmol CO ar necesita, ca arderea s fie complet, 0,5 Y

co [kmol 0 2 ] .

Oxigenul n exces, fa de oxigenul teoretic (minim) necesar arderii complete, va fi:

Coeficientul cantitii de aer fiind raportul ntre aerul practic consumat i aerul minim necesar arderii complete, sau raportul ntre oxigenul practic consumat i oxigenul minim necesar arderii complete (acesta este egal cu diferena dintre oxigenul practic consumat i oxigenul n exces fa de oxigenul minim), se poate exprima prin relaia:

25

Dac se nlocuiete YN2 n funcie de YCo2, Y 0 2 i ^co, se poate obine urmtoarea form a relaiei:

In cazul arderii complete, aceste relaii pot fi simplificate corespunztor (Yco=0).

. 1.1.9. STABILIREA COMPOZIIEI GAZELOR ARSE UMEDE SI A NATURII COMBUSTIBILULUI,

PE BAZA DATELOR ANALIZEI GAZELOR ARSE USCATE

Pentru baza admis anterior de 100 kgmol gaze arse uscate, din oxigenul total introdus:

pentru obinerea a Fco2 [kmol C02] s-au consumat:

iar pentru obinerea a Fco kmol CO s-au consumat:

Avndu-se n vedere c n gazele arse se gsesc:

prin bilanul oxigenului rezult cantitatea de 02 consumat pentru arderea hidrogenului:

i corespunztor cantitatea de vapori de ap:

Avnd cantitatea de vapori de ap corespunztoare celor 100 kmol gaze arse uscate, se poate calcula compoziia molar (volumic) a gazelor arse umede. In aceast situaie se neglijeaz umiditatea iniial a combustibilului i se consider c nu se face pulverizare cu abur (vaporii de ap provin numai din arderea hidrogenului coninut de combustibil).

Tot pentru baza admis, tiind c pentru 1 kmol O, corespund la ardere 4 kg hidrogen, masa hidrogenului ars se poate exprima prin relaia :

Pentru obinerea a Yco2 kmol C02, masa carbonului ars este egal cu:

26

iar pentru obinerea a YCo kmol CO:

In total, masa carbonului ars va fi:

Pe baza valorilor anterioare, rezult expresia raportului masic H/C - : r j combustibilul ars:

Dac combustibilul este o hidrocarbur sau un amestec de hidrocarburi (c+7i=l), se poate scrie i expresia fraciei masice a carbonului coninut de combustibil:

Aceast relaie, prin nlocuirea lui YJV2 , se poate aduce la forma:

Relaia lui c, n cazul n care valoarea acestuia este cunoscut, poate servi indirect la o verificare a corectitudinii datelor analizei gazelor arse.

1.1.10. DIAGRAMA OSTWALD PENTRU CONTROLUL ARDERII

Diagrama Ostwald se poate construi pentru oricare combustibil dat i coreleaz parametrii a, Yco2, Yo2 i ^co (% v l n gazele arse uscate). Aceast diagram este util pentru verificarea corectitudinii datelor de analiz a gazelor arse uscate, de exemplu, cele stabilite prin analiz chimic, dreptele corespunztoare valorilor YCo2, ^ o 2 i ^co trebuind s se intersecteze n acelai punct. Din diagram se poate citi direct valoarea lui a, n acest caz fiind suficiente numai valorile a dou concentraii (de exemplu, YCo2 i ^ o 2 stabilite cu analizor chimic, sau Yc c,2 i ^co stabilite cu analizor electric). Dac se admite c arderea este complet (YCo=0), este suficient cunoaterea concentraiei unui singur component (Yco2 sau Y 0 2 ) n gazele arse uscate.

Este bine s se fac verificarea datelor analizei chimice a gazelor arse uscate, pentru c de multe ori apar erori cauzate de: solubilitatea C0 2 n ap, neetaneitatea perfect a aparatului, variaia temperaturii gazelor n timpul analizei, scderea concentraiei soluiilor etc.

n figura 1.4. este prezentat n principiu diagrama Ostwald. Aceasta conine, n coordonate YCo2YD 2, o familie de drepte pentru valori con-

27

stane ale lui YCo i o familie de drepte pentru valori constante ale lui oc ( a ^ l ) . In figura 1.5. este redat diagrama Ostwald pentru CH4.

Diagrama are trei puncte caracteristice, n care parametrii au valorile din tabelul 1.2.

TABELUL 1.2

Parametrii caracteristici din diagrama Ostwald

Diagrama Ostwald se poate construi pentru oricare tip de combustibil. Pentru simplificare, n cele ce urmeaz se prezint modul de construire a diagramei pentru combustibilii de tipul c+h=l.

Se pornete de la cele dou relaii de baz stabilite anterior:

Intersecia dreptei Yc o

= 0 cu ordonata se afl fcnd n relaia lui c, Y"

c o=0 i YQo = 0 . Se obine valoarea maxim pe care o poate avea Ycqj

28

Interseciile dreptelor YCo=ct. cu abscisa se afl fcnd n relaia lui c, Y

co

a = 0 . Se obine:

Se constat c pentru Yc o

=.0 rezult Y 0 =21, indiferent de natura combustibilului, aceasta fiind valoarea maxim a lui Y 0 a .

Dreptele YCo=ct. snt paralele ntre ele i egal distanate. Dreapta Yx>=0 se traseaz prin dou puncte, iar celelalte drepte necesit pentru a fi trasate numai cte un singur punct.

Dac se elimin YCp ntre relaiile lui c i a i apoi se face Y C o 2 =0, se gsesc interseciile dreptelor a = c t . cu abscisa:

Dreptele a = c t . nu snt paralele ntre ele i trebuiesc trasate prin cte dou puncte. Pentru a se gsi valorile lui YCo2 n punctele de intersecie

ale acestor drepte cu dreapta Yc o

=0 ) > se elimin Yo2 ntre relaiile lui c i a i se face YCo='0. Se obine:

Ca verificare, se constat c pentru a = l se obine Yco.,

max.

Relaia anterioar se utilizeaz pentru a > l . Pentru dreptele de

Dac n relaia lui c se fac Yco2 =0 i Y0.2 =0 se obine valoarea maxim a lui Yco

i se constat c YComax este mai mare dect Ycos max-Dreptele neparalele de a = c t . au un pol comun, cu coordonatele YCo2

=200 i Yo2=100. Dac din relaiile lui a i c se elimin YCo, se constat n continuare c pentru Yo2 100 rezult YCo2 =200, indiferent de valorile lui a i c (polul este comun pentru toi combustibilii).

Acest pol fiind foarte ndeprtat de domeniul practic al diagramei, se poate simplifica construirea diagramei, stabilind numai interseciile dreptelor de

este redat i modul de utilizare a nomogramei. Dac se admite c arderea este complet (YCo=0) i se cunoate valoarea lui c, pentru stabilirea lui a este suficient s se determine experimental numai Yco2- Nomograma permite i citirea valorii maxime a lui YCo2 ' pornind de la valoarea oc=l, se merge pe vertical pn la valoarea lui c, apoi pe orizontal pn la curba Yco=0 i se citete pe vertical valoarea lui YCo2 mm-

In continuare, se prezint principiul construirii acestei nomograme. Eliminndu-se Yco2 ntre relaiile lui a i c, se obine:

Aceast relaie se poate scrie sub o form n care variabilele snt separate cte dou:

.31

Notndu-se cu A valoarea comun a celor doi membri ai egalitii, se constat c nomograma reprezint dou diagrame suprapuse: o familie de drepte c=ct. n coordonate Aa i o familie de curbe Y

c o= c t . n

coordonate AYCo2-Figurile 1.6. i 1.7. ar putea fi modificate, astfel nct natura combusti

bilului s se exprime, nu prin c, ci prin raportul masic H/C.

1.2. BILANUL ENERGETIC AL PROCESELOR DE COMBUSTIE

In aceast a doua parte a studiului proceselor de combustie, se vor discuta problemele caracteristice de bilan energetic, ca de exemplu: aplicarea primului principiu al termodinamicii reaciilor de ardere, puterile calorice ale combustibililor, entalpia gazelor rezultate din ardere, temperatura flcrii fr i cu disocieri i temperatura minim admisibil a gazelor de ardere (punctul de rou).

1.2.1. APLICAREA PRIMULUI PRINCIPIU AL TERMODINAMICII REACIILOR DE ARDERE

In cursul unei reacii chimice, schimbarea structurilor moleculare este nsoit i de un efect termic.

Cldura de reacie reprezint cldura schimbat cu mediul exterior, n cursul reaciei unitii' de cantitate de reactant principal, n condiii izobar-izotermice (cldura, de, reacie izobar) sau. izocor-izotermice (cldura ele reacie izocor), cu condiia ca reacia s se desfoare complet i precizndu-se strile de agregare ale substanelor care intr sau rezult din reacie. Se nelege prin reacie izotermic o reacie n care produsele reaciei se readuc la temperatura pe care au avut-o iniial reac-tanii, indiferent de variaia temperaturii ntre starea iniial i cea final.

Reaciile izobare se realizeaz obinuit n flux continuu (sistem dinamic), sau ntr-un cilindru cu piston mobil (sistem static), iar reaciile izo-core se realizeaz obinuit n bombe calorimetrice (sistem static).

Cldura de reacie corespunztoare reaciei de oxidare a unei substane combustibile se numete i cldur de ardere.

n cele ce urmeaz se utilizeaz convenia de semne din termodinamica chimic: cldur cedat-pozitiv (reacie exotermic) i cldur primi t-negativ (reacie endotermic); lucrul mecanic efectuat-negativ (cretere de volum, n sistem static) i lucrul mecanic consumat-pozitiv (scdere de volum, n sistem static).

Ecuaia general a primului principiu al termodinamicii, principiul conservrii i transformrii energiei, are urmtoarele forme, pentru un proces n flux continuu (sistem dinamic), respectiv pentru un proces n sistem static:

32

1.1.7. ANALIZA GAZELOR DE ARDERE

I Terminarea direct a debitului de aer care alimenteaz un focar -. r r ru de realizat practic, spre deosebire de determinarea debitului de - : _ ; t i b i l . Cunoscndu-se debitul de combustibil i compoziia acestuia,

fi calculat numai debitul de aer minim necesar. Debitul real de aer care alimenteaz un focar poate fi stabilit numai dup cunoaterea valorii reale a coeficientului cantitii de aer cu care decurge arderea.

Controlul arderii, necesar conducerii corecte a unui proces de ardere, const n cunoaterea valorii practice a coeficientului cantitii de aer i a eventualei prezene n gazele arse a unor componeni rezultai prin ardere incomplet (obinuit CO) i se realizeaz prin analizarea gazelor arse.

Analiza gazelor arse se poate face cu analizoare: chimice, electrice, magnetice i cromatografice.

Unele tipuri de analizoare pot indica, sau chiar nregistra, continuu concentraia unui component din gazele arse (de exemplu, C 0 2 , 0 2 sau CO).

Analizorul chimic utilizat frecvent este analizorul Orsat, cu care se determin coninuturile procentuale volumice (molare) de C 0 2 , 0 2 i CO, in gazele arse uscate. n aparatul Orsat se introduc 100 cm 3 gaze de ardere uscate, la presiunea i temperatura ambiante, care snt barbotate n ordine printr-o soluie de KOH care reine C 0 2 (mpreun cu S0 2 ) , pr in-tr-o soluie de pirogalat de potasiu care reine 0 2 i printr-o soluie amo-tiacala de cupru care reine CO. Ceea ce rmne final este N 2 .

Analizoarele electrice conin puni electrice i se bazeaz pe fenomenele termoconductometrice. n figura 1.2. este prezentat schema de principiu a unei puni electrice, compus din: 1 surs de curent; , milivoltmetru; 3 rezisten reglabil i 4 celul de msurare. In condiiile ambiante, C 0 2 are o conductivitate termic sensibil mai mic dect ceilali componeni (biatomici) ai gazelor arse uscate (N2, 02 i CO), aa cum rezult din urmtoarele valori relative:

Pentru msurarea concentraiei C 0 2 , se trece iniial cu o pomp vibratoare un debit constant de aer prin celula 4, n care se afl o rezisten cald de platin, i se echilibreaz puntea prin intermediul reostatului 3. Se trece apoi prin celul un debit egal i la aceeai temperatur de gaze arse, uscate i rcite n prealabil. Conductivitatea termic a gazelor arse fiind mai mic dect cea a aerului, din cauza prezenei C 0 2 , rcirea rezistenei este mai redus i deci cresc temperatura i rezistena electric a firului de platin. Puntea se dezechilibreaz, proporional cu concentraia C 0 2 , i indicatorul milivoltmetrului indic pe o scal etalonat, direct, coninutul de C 0 2 n % voi.

23

Pentru msurarea concentraiei CO se utilizeaz 6 schem asemntoare. Prin celul se circul un amestec de gaze arse uscate i aer, ntr-o anumit proporie. Firul de platin are o temperatur de aproximativ 500C i catalizeaz oxidarea CO la G0 2. Se dezvolt cldur, cresc temperatura i rezistena electric a firului de platin i puntea se dezechilibreaz, proporional cu concentraia CO. Influena prezenei CO, este mic n acest caz. Pe scala milivoltmetrului se citete direct coninutul de CO n % voi.

Cu analizoarele electrice se determin deci coninutul procentual vo-lumic (molar) de C0 2 i (sau) CO n gazele arse uscate.

Analizoarele magnetice, de mai multe tipuri constructive, se bazeaz pe comportarea magnetic caracteristic a 02 i servesc la determinarea concentraiei volumice a 02 n gazele arse uscate, sau chiar umede, n domeniul 0,2 .. . 10o/0 voi 0 2 .

Oxigenul este o substan paramagnetic (este atras de un cmp magnetic), spre deosebire de C0 2 i N2 care snt diamagnetice. Susceptibilitatea magnetic a oxigenului este de 5 ori mai mare dect cea a aerului i de 150 ori mai mare dect cea a C0 2 i scade sensibil odat cu creterea temperaturii.

In figura 1.3. este prezentat schema de principiu a unui analizor magnetic, compus din: 1 camer inelar metalic, 2 eava transversal de sticl, 3 magnet permanent, 4 i 5 rezistene de platin pentru nclzire, 6 surs de curent, 7 rezisten reglabil i 8 mili-voltmetru. Se constat i n aceast schem prezena unei puni electrice.

Gazele arse de analizat, rcite n prealabil i eventual uscate, trec cu un debit constant prin camera 1. Cmpul magnetic atrage oxigenul din braul sting al camerei inelare, n care temperatura este redus. Rezistenele care nclzesc tubul de sticl, n dreapta magnetului, fac ca oxigenul s-i reduc sensibil susceptibilitatea magnetic i astfel apare n acest tub o circulaie de la stnga spre dreapta. Fluxul care circul reduce temperatura rezistenei 4 mai mult dect pe cea a rezistenei 5, n dreptul creia fluxul este mai cald, i puntea electric se dezechilibreaz, proporional cu concentraia 02 n gazele arse. Indicatorul milivoltmetrului

indic direct coninutul de O,, n % voi. Reostatul servete la echilibrarea iniial a punii electrice.

Analizoarele electrice i cele magnetice pot indica continuu compoziia gazelor arse, la un tablou de comand, i pot fi adaptate pentru nregistrarea acestei compoziii sau pentru reglarea automat a procesului de ardere, n funcie de compoziia gazelor arse.

Analizoarele cromatografice de gaze arse snt i ele de mai multe tipuri, marea lor majoritate servind la determinarea

24

compoziiei gazelor arse uscate. n ultimii ani s-au pus la punct i metode cromatografice pentru determinarea compoziiei gazelor arse umede, direct, dintr-o singur prob de gaze. Analiza cromatografic prezint o mare precizie, putndu-se stabili concentraii i de ordinul a 0,01% voi. Un alt avantaj al analizei cromatografice const n faptul c pot fi depistai individual diveri componeni combustibili aflai n cantiti mici n gazele arse (n afara CO) ca de, exemplu: H 2, CH 4, C 3 H 4 i C2H(;, rezultai prin descompunerea termic a unui combustibil lichid.

1.1.8. STABILIREA COEFICIENTULUI CANTITII DE AER, PE BAZA DATELOR ANALIZEI GAZELOR ARSE USCATE

n cele ce urmeaz se urmrete stabilirea valorii coeficientului cantitii din aer cu care are loc arderea, n funcie de concentraiile componenilor gazelor arse uscate, acestea coninnd C 0 2 , CO, 0 2 i N 2 . Aceste concentraii se stabilesc cu analizoare chimice (direct C 0 2 , O, i CO, iar prin diferen la o sut N2), cu analizoare cromatografice sau cu analizoare electrice (C0 2 i CO) plus magnetice (0 2).

Se noteaz cu Y"co2 Yo 2 i YCo % voi (mol) pentru componenii respectivi, n gazele arse uscate.

Coninutul de N2 se afl prin diferen:

Lundu-se ca baz 100 kgmol gaze arse uscate, oxigenul real consumat va fi:

Pentru cazul considerat Yo., nu reprezint oxigenul n exces, deoarece arderea nu este complet. Pentru arderea complet, 1 kmol CO ar necesita 0,5 kmol 02 iar, pentru :baza admis, Y C o kmol CO ar necesita, ca arderea s fie complet, 0,5 Y

co [kmol 0 2 ] .

Oxigenul n exces, fa de oxigenul teoretic (minim) necesar arderii complete, va fi:

Coeficientul cantitii de aer fiind raportul ntre aerul practic consumat i aerul minim necesar arderii complete, sau raportul ntre oxigenul practic consumat i oxigenul minim necesar arderii complete (acesta este egal cu diferena dintre oxigenul practic consumat i oxigenul n exces fa de oxigenul minim), se poate exprima prin relaia:

25

Dac se nlocuiete YN2 n funcie de YCo2, Y 0 2 i ^co, se poate obine urmtoarea form a relaiei:

In cazul arderii complete, aceste relaii pot fi simplificate corespunztor (Yco=0).

. 1.1.9. STABILIREA COMPOZIIEI GAZELOR ARSE UMEDE SI A NATURII COMBUSTIBILULUI,

PE BAZA DATELOR ANALIZEI GAZELOR ARSE USCATE

Pentru baza admis anterior de 100 kgmol gaze arse uscate, din oxigenul total introdus:

pentru obinerea a YCo2 [kmol C02] s-au consumat:

iar pentru obinerea a YCo kmol CO s-au consumat:

Avndu-se n vedere c n gazele arse se gsesc: prin bilanul oxigenului rezult cantitatea de 02 consumat pentru arderea hidrogenului:

i corespunztor cantitatea de vapori de ap:

Avnd cantitatea de vapori de ap corespunztoare celor 100 kmol gaze arse uscate, se poate calcula compoziia molar (volumic) a gazelor arse umede. In aceast situaie se neglijeaz umiditatea iniial a combustibilului i se consider c nu se face pulverizare cu abur (vaporii de ap provin numai din arderea hidrogenului coninut de combustibil).

Tot pentru baza admis, tiind c pentru 1 kmol O, corespund la ardere 4 kg hidrogen, masa hidrogenului ars se poate exprima prin relaia :

Pentru obinerea a Yco2 kmol C02, masa carbonului ars este egal cu:

12 Yco2 kg C

26

iar pentru obinerea a YCo kmol CO: 12 Yco kg C.

In total, masa carbonului ars va fi: mc=12(YCo 2+Yco) [kg C] (1.51)

Pe baza valorilor anterioare, rezult expresia raportului masic H/C :--:r.. combustibilul ars:

Dac combustibilul este o hidrocarbur sau un amestec de hidrocarburi (c+7i=l), se poate scrie i expresia fraciei masice a carbonului coninut de combustibil:

Aceast relaie, prin nlocuirea lui YJV2 , se poate aduce la forma:

Relaia lui c, n cazul n care valoarea acestuia este cunoscut, poate servi indirect la o verificare a corectitudinii datelor analizei gazelor arse.

1.1.10. DIAGRAMA OSTWALD PENTRU CONTROLUL ARDERII

Diagrama Ostwald se poate construi pentru oricare combustibil dat i coreleaz parametrii a, Yco2, Yo2 i YCo (% v l n gazele arse uscate). Aceast diagram este util pentru verificarea corectitudinii datelor de analiz a gazelor arse uscate, de exemplu, cele stabilite prin analiz chimic, dreptele corespunztoare valorilor YCo2, Y 0 a i Y c o trebuind s se intersecteze n acelai punct. Din diagram se poate citi direct valoarea lui a, n acest caz fiind suficiente numai valorile a dou concentraii (de exemplu, YCo2 i Y 0 2 stabilite cu analizor chimic, sau Yc c,2 i YCo stabilite cu analizor electric). Dac se admite c arderea este complet (Y

c o=0), este suficient cunoaterea concentraiei unui singur compo

nent (Yco2 sau Y 0 2 ) n gazele arse uscate. Este bine s se fac verificarea datelor analizei chimice a gazelor arse

uscate, pentru c de multe ori apar erori cauzate de: solubilitatea C0 2 n ap, neetaneitatea perfect a aparatului, variaia temperaturii gazelor n timpul analizei, scderea concentraiei soluiilor etc.

n figura 1.4. este prezentat n principiu diagrama Ostwald. Aceasta conine, n coordonate YCo2YD 2, o familie de drepte pentru valori con-

27

stane ale lui YCo i o familie de drepte pentru valori constante ale lui oc ( a ^ l ) . In figura 1.5. este redat diagrama Ostwald pentru CH4.

Diagrama are trei puncte caracteristice, n care parametrii au valorile din tabelul 1.2.

Diagrama Ostwald se poate construi pentru oricare tip de combustibil. Pentru simplificare, n cele ce urmeaz se prezint modul de construire a diagramei pentru combustibilii de tipul c+h=l.

Se pornete de la cele dou relaii de baz stabilite anterior:

Intersecia dreptei Yc o

= 0 cu ordonata se afl fcnd n relaia lui c, Y"

c o=0 i YQo = 0 . Se obine valoarea maxim pe care o poate avea Ycqj

28

Interseciile dreptelor YCo=ct. cu abscisa se afl fcnd n relaia lui c, Y

co

a = 0 . Se obine:

Se constat c pentru Yc o

=.0 rezult Y 0 =21, indiferent de natura combustibilului, aceasta fiind valoarea maxim a lui Y 0 a .

Dreptele YCo=ct. snt paralele ntre ele i egal distanate. Dreapta Yx>=0 se traseaz prin dou puncte, iar celelalte drepte necesit pentru a fi trasate numai cte un singur punct.

Dac se elimin YCp ntre relaiile lui c i a i apoi se face Y C o 2 =0, se gsesc interseciile dreptelor a = c t . cu abscisa:

Dreptele a = c t . nu snt paralele ntre ele i trebuiesc trasate prin cte dou puncte. Pentru a se gsi valorile lui YCo2 n punctele de intersecie

ale acestor drepte cu dreapta Yc o

=0 ) > se elimin Yo2 ntre relaiile lui c i a i se face YCo='0. Se obine:

Ca verificare, se constat c pentru a = l se obine Yco.,

max.

Relaia anterioar se utilizeaz pentru a > l . Pentru dreptele de

Dac n relaia lui c se fac Yco2 =0 i Yo2 =0 se obine valoarea maxim a lui Yco

i se constat c YComax este mai mare dect Yco2 max-Dreptele neparalele de a = c t . au un pol comun, cu coordonatele YCo2

=200 i Yo2=100. Dac din relaiile lui a i c se elimin YCo, se constat n continuare c pentru Yo2 100 rezult YCo2 =200, indiferent de valorile lui a i c (polul este comun pentru toi combustibilii).

Acest pol fiind foarte ndeprtat de domeniul practic al diagramei, se poate simplifica construirea diagramei, stabilind numai interseciile dreptelor de

este redat i modul de utilizare a nomogramei. Dac se admite c arderea este complet (YCo=0) i se cunoate valoarea lui c, pentru stabilirea lui a este suficient s se determine experimental numai Yco2- Nomograma permite i citirea valorii maxime a lui YCo2 ' pornind de la valoarea oc=l, se merge pe vertical pn la valoarea lui c, apoi pe orizontal pn la curba Yco=0 i se citete pe vertical valoarea lui YCo2 mm-

In continuare, se prezint principiul construirii acestei nomograme. Eliminndu-se Yco2 ntre relaiile lui a i c, se obine:

Aceast relaie se poate scrie sub o form n care variabilele snt separate cte dou:

.31

Notndu-se cu A valoarea comun a celor doi membri ai egalitii, se constat c nomograma reprezint dou diagrame suprapuse: o familie de drepte c=ct. n coordonate Aa i o familie de curbe Y

c o= c t . n

coordonate AYCo2-Figurile 1.6. i 1.7. ar putea fi modificate, astfel nct natura combusti

bilului s se exprime, nu prin c, ci prin raportul masic H/C.

1.2. BILANUL ENERGETIC AL PROCESELOR DE COMBUSTIE

In aceast a doua parte a studiului proceselor de combustie, se vor discuta problemele caracteristice de bilan energetic, ca de exemplu: aplicarea primului principiu al termodinamicii reaciilor de ardere, puterile calorice ale combustibililor, entalpia gazelor rezultate din ardere, temperatura flcrii fr i cu disocieri i temperatura minim admisibil a gazelor de ardere (punctul de rou).

1.2.1. APLICAREA PRIMULUI PRINCIPIU AL TERMODINAMICII REACIILOR DE ARDERE

In cursul unei reacii chimice, schimbarea structurilor moleculare este nsoit i de un efect termic.

Cldura de reacie reprezint cldura schimbat cu mediul exterior, n cursul reaciei unitii' de cantitate de reactant principal, n condiii izobar-izotermice (cldura, de, reacie izobar) sau. izocor-izotermice (cldura ele reacie izocor), cu condiia ca reacia s se desfoare complet i precizndu-se strile de agregare ale substanelor care intr sau rezult din reacie. Se nelege prin reacie izotermic o reacie n care produsele reaciei se readuc la temperatura pe care au avut-o iniial reac-tanii, indiferent de variaia temperaturii ntre starea iniial i cea final.

Reaciile izobare se realizeaz obinuit n flux continuu (sistem dinamic), sau ntr-un cilindru cu piston mobil (sistem static), iar reaciile izo-core se realizeaz obinuit n bombe calorimetrice (sistem static).

Cldura de reacie corespunztoare reaciei de oxidare a unei substane combustibile se numete i cldur de ardere.

n cele ce urmeaz se utilizeaz convenia de semne din termodinamica chimic: cldur cedat-pozitiv (reacie exotermic) i cldur primi t-negativ (reacie endotermic); lucrul mecanic efectuat-negativ (cretere de volum, n sistem static) i lucrul mecanic consumat-pozitiv (scdere de volum, n sistem static).

Ecuaia general a primului principiu al termodinamicii, principiul conservrii i transformrii energiei, are urmtoarele forme, pentru un proces n flux continuu (sistem dinamic), respectiv pentru un proces n sistem static:

32

Starea unui sistem se definete prin: natur chimic, stare de agregare, temperatur i presiune.

In aceste relaii, termenii au urmtoarele semnificaii: Lj12 lucrul mecanic tehnic schimbat de sistem cu mediul exterior,

n cursul trecerii din starea iniial 1 n starea final 2;

L12 lucrul mecanic al variaiei de volum schimbat de sistem cu mediul exterior, n cursul trecerii din starea 1 n starea 2;

Ql2 cldura schimbat de sistem cu mediul exterior, n cursul transformrii 12; AU variaia energiei interne (sensibile) a sistemului n cursul transformrii; ntotdeauna A reprezint diferena ntre valoarra parametrului n starea final i valoarea parametrului n starea iniial;

AI variaia entalpiei (sensibile) a sistemului n cursul transformrii; AE

ch variaia energiei (interne) chimice a sistemului n cursul transformrii; AE variaia energiei poteniale (macroscopice) a sistemului n cursul transformrii;

AEW variaia energiei cinetice (macroscopice) a sistemului n cursul transformrii;

n studiul proceselor de ardere AEP i AEW pot fi neglijate. Intr-un proces obinuit de ardere izobar, n sistem dinamic (ardere

ntr-un focar), Ltl2=iO. Pentru o reacie de ardere izobar-izotermic, ecuaia de bilan energe

tic se reduce la forma:

care se poate scrie i astfel:

QPt T este cldura de reacie izobar la temperatura T; Iit T entalpia reactanilor la temperatura T; h, T entalpia produselor de reacie la temperatura T. Dac reacia ar decurge la T=0[K], entalpiile absolute 1X i I2 snt

nule i rezult concluzia:

Pentru o reacie de ardere izocor-izotermic (sistem static), ecuaia de bilan energetic se reduce la forma (L 1 2=0):

3 Procese de transfer termic 33

care se poate scrie i astfel:

QV,T este cldura de reacie izocor la temperatura T. Dac reacia ar decurge la T=0[K], energiile interne absolute Ut

i U2 snt nule i rezult concluzia:

Se constat deci c, la OK, Qp=Qy. La T>0[K], QP poate fi mai mare, egal, sau mai mic dect Qy.

Diferena dintre cele dou clduri de reacie, la o temperatur oarecare dat, se poate scrie astfel:

Se constat c diferena celor dou clduri de reacie depinde de variaia numrului de moli n cursul reaciei, pentru substanele n faz gazoas. Exemplificri pentru cteva reacii de ardere:

Cldurile de reacie snt n general variabile cu temperatura. n cele ce urmeaz se exemplific acest lucru pentru cldura de ardere izobar, care este frecvent utilizat practic.

Cldura de reacie izobar la o temperatur IV

Cldura de reacie izobar la o temperatur T2>T1:

Diferena acestor clduri de reacie:

Dup cum se tie, la presiune constant, n cazul n care nu exist schimbare de faz, AI se poate exprima prin relaia:

In consecin, relaia anterioar se poate scrie sub forma: I

n care: nt reprezint numrul de kgmol al unui component, iar C& cldura specific molar, izobar, medie ntre t

x i t2, a unui component.

34

Dac paranteza mare are o valoare pozitiv, cldura de reacie crete cu creterea temperaturii.

S-ar putea constata, de exemplu, c la arderea H2 cldura de reacie izobar crete odat cu creterea temperaturii i c la arderea CH4 cldura de reacie izobar scade pe msur ce crete temperatura (pn la aproximativ 600C).

Din expresia cldurii de reacie, de exemplu izobare:

se poate constata c partea dreapt a egalitii depinde numai de starea i de starea final a sistemului, fiind indiferent calea pe care se

ajunge de la starea iniial la cea final. Aceast constatare nu reprezint altceva dect cunoscuta lege a lui Hess.

Legea lui Hess poate fi enunat n mai multe feluri, ca de exemplu: efectul termic al unei reacii globale poate fi obinut prin nsumarea algebric a efectelor termice ale reaciilor pariale care compun reacia global.

Exemplificare a aplicrii legii lui Hess, pentru arderea C la C0 2 :

Observndu-se c relaia final (global) provine din nsumarea primelor dou relaii, se poate scrie:

Aceast egalitate a permis calcularea cldurii de ardere a C la CO care, spre deosebire de celelalte dou, nu se poate determina experimental, reacia respectiv neputndu-se realiza individual. Toate cele trei clduri de reacie trebuiesc luate la aceeai temperatur i la aceeai presiune.

Variaia cldurii de reacie izobare cu presiunea nu este interesant din punct de vedere practic.

Aplicarea principiului doi al termodinamicii reaciilor de ardere este de asemenea neinteresant practic, pentru arderea n focare.

1.2.2. ARDEREA IZOBAR-ADiABATIC, ARDEREA IZOBAR-POUTROPICA l OMOGENITATEA FIZICA A RELAIILOR DE BILAN TERMIC

Formele simplificate ale relaiilor de bilan energetic, n care apar numai Qli} Al sau A17 i AE(i se numesc i relaii de bilan termic.

Se poate imagina un focar orizontal, izolat termic perfect (sistem adia-batic), n care s decurg n flux continuu o ardere izobar i la care seciunea de intrare a amestecului combustibil i seciunea de ieire a gazelor de ardere s fie astfel alese nct viteza la intrare s fie egal cu viteza la ieire.

3* 35

Relaia bilanului energetic:

se simplific n acest caz la forma:

h, Tf este entalpia absolut a produselor de reacie la temperatura final (temperatura de evacuare este temperatura maxim atins n timpul arderii, deci temperatura flcrii), iar I

u T este entalpia absolut a reac-tanilor la temperatura iniial (temperatura de intrare n focar).

Expresia cldurii de reacie izobare, stabilit n paragraful anterior, se poate scrie astfel pentru temperatura de 0C: t

Eliminndu-se AEch ntre ultimele dou relaii (prin nsumare), re

zult : i

Parantezele din aceast relaie reprezint corespunztor, entalpia relativ a produselor de reacie la temperatura final i entalpia relativ a reactanilor la temperatura iniial, ambele exprimate n raport cu temperatura de origine 0C. Se mai remarc i c Qp corespunde temperaturii de 0C.

In calculele tehnice se lucreaz obinuit cu entalpii experimentale, stabilite relativ, n raport cu o origine admis arbitrar (entalpiile fraciunilor petroliere se exprim n raport cu faza lichid la 0C, entalpiile apei i aburului se exprim n raport cu faza lichid la 0C, entalpiile gazelor propriu-zise se exprim n raport cu faza gazoas la 0C). Originea unor entalpii este starea pentru care se admite entalpia egal cu zero. Dup cum se tie, n calcule intervin obinuit diferene de entalpii, iar valorile acestor diferene nu depind de originea admis.

Relaia anterioar se scrie obinuit sub forma simpl:

Ea arat c: entalpia gazelor de ardere la temperatura flcrii este egal cu suma dintre cldura de ardere izobar i entalpia amestecului combustibil la temperatura sa iniial. Entalpiile se exprim relativ fa de aceeai temperatur pentru care se ia Qp (obinuit 0C).

n focarul (secia de radiaie) al unui cuptor de exemplu, arderea decurge practic izobar. Aceast ardere este politropic, pentru c produsele de ardere cedeaz cldur ctre materia prim care circul prin tuburi i nedorit, prin perei, ctre mediul ambiant.

Relaia general a bilanului energetic pentru sisteme dinamice:

se simplific n acest caz la forma (AEP i AEW snt neglijabile):

n care: Q12 este cldura cedat de gazele de ardere, iar Te temperatura de evacuare din focar (T

e>Tt).

36

Eliminndu-se &Ech ntre aceast relaie i expresia cldurii de reac

ie izobare la 0C:

rezult urmtoarea relaie de bilan termic:

i n acest caz, parantezele reprezint entalpiile relative, exprimate fa de originea 0C.

Aceast relaie se scrie obinuit sub forma simpl:

Cldura cedat de gazele de ardere n focar este egal cu cldura de ardere izobar, plus entalpia amestecului combustibil la temperatura sa iniial i minus entalpia gazelor de ardere la temperatura de evacuare din focar.

Entalpiile se exprim relativ fa de aceeai temperatur pentru care se ia Qp (obinuit 0C).

In cele anterioare au fost stabilite dou relaii (formele simple) de bilan termic, pentru procesele de combustie izobar-adiabatice i respectiv izobar-politropice, relaii utilizate frecvent.

Aceste relaii trebuie s se aplice categoric n condiii de omogenitate dimensional, dar n plus aplicarea lor trebuie s se fac i n condiii de omogenitate fizic.

Prin omogenitate fizic a unei relaii de bilan termic se nelege exprimarea cldurii de reacie, a entalpiei reactanilor i a entalpiei produselor de reacie n raport cu aceeai stare de referin. Starea de referin se exprim prin strile de agregare ale tuturor componenilor, prin temperatur i prin presiune.

S-a constatat anterior c Qp, Ix i I2 trebuie s se exprime fa de aceeai temperatur (obinuit 0C). De asemenea, aceste mrimi trebuie s se exprime fa de aceeai presiune, aceasta fiind obinuit presiunea atmosferic (pentru diferene mici de presiune, poate fi neglijat influena presiunii asupra lui Qp, It i J2)- Dac la arderea unui combustibil lichid, de exemplu Q

v corespunde combustibilului n faz lichid i apei

rezultate din ardere n faz vapori (la temperatura de referin), atunci i entalpiile acestor componeni, care intr n I

r i respectiv I2, trebuie s

se exprime fa de aceleai stri de agregare la origine. Concret, entalpia vaporilor de ap se va exprima fat de origintea vapori la 0C i nu lichid la 0C.

1.2.3. PUTERILE CALORICE, SUPERIOAR l INFERIOAR ALE COMBUSTIBILILOR

Se nelege prin putere caloric (n literatura mai veche calorific) a unui combustibil, cldura degajat n cursul arderii complete a unitii de cantitate de combustibil (n majoritatea cazurilor kg; mai rar mj pentru combustibili gazoi sau kgmol), arderea decurgnd n condiii izo-bar-izotermice. Puterea caloric este deci cldura de reacie izobar, corespunztoare reaciei de ardere a unui combustibil.

37

Obinuit se utilizeaz puterile calorice corespunztoare condiiilor normale (p=l,013 bar i =0C). Se ntlnesc uneori i puteri calorice corespunztoare temperaturilor de 15, 18, 20 sau 25C. La diferene de temperatur de 15 . . . 25C, influena temperaturii asupra cldurii de reacie izobare este neglijabil.

Gazele rezultate prin arderea unui combustibil conin i vapori de ap, care pot proveni: din arderea hidrogenului coninut de combustibil, din umiditatea iniial a combustibilului, din aburul de pulverizare i din umiditatea iniial a aerului utilizat pentru ardere.

Prin aducerea gazelor arse la temperatura de origine a puterii calorice, vaporii de ap coninui vor condensa parial, gazele arse rmnnd final saturate cu vapori de ap la temperatura corespunztoare. Condensarea vaporilor de ap ncepe la punctul de rou al gazelor arse (temperatura de saturaie corespunztoare presiunii pariale a vaporilor de ap) i continu pe msura scderii temperaturii. Cldura cedat prin rcirea produselor de reacie depinde i de cantitatea de vapori de ap care condenseaz.

S-a constatat practic, la determinarea experimental a puterii calorice, c n gazele arse rmne final o cantitate de vapori de ap aproximativ egal cu cantitatea de vapori de ap coninui iniial de aerul utilizat pentru ardere. Cum la determinarea puterii calorice a combustibililor (lichizi) nu se face pulverizare cu abur, rezult c vaporii de ap provenii din arderea hidrogenului coninut de combustibil i din umiditatea iniial a combustibilului condenseaz integral.

Se numete putere caloric superioar, puterea caloric corespunztoare cazului n care condenseaz total vaporii de ap provenii din arderea hidrogenului coninut de combustibil i din umiditatea iniial a combustibilului.

Puterea caloric inferioar corespunde cazului n care vaporii de ap coninui de gazele arse nu ar condensa n timpul aducerii gazelor arse la temperatura de origine. S-a artat anterior c o cldur de reacie se definete i prin precizarea strilor de agregare ale reactanilor i ale produselor reaciei.

Combustibilii pentru care h=0 i w0, au numai o singur putere caloric.

Obinuit se determin experimental puterea caloric superioar, iar puterea caloric inferioar se calculeaz, inndu-se seam de faptul c diferena dintre puterile calorice este egal cu cldura cedat prin condensarea vaporilor de ap.

Notndu-se cu Hs [kJ/kg comb.] puterea caloric superioar, cu

Ht [kJ/kg comb.] puterea caloric inferioar, cu TOH2O [kg vapori ap/kg comb.] cantitatea de vapori de ap care condenseaz i cu r [kJ/kg vapori ap] cldura latent de condensare, se poate scrie urmtoarea relaie ntre puterile calorice:

Cantitatea de condens muto se stabilete experimental sau se calculeaz, n funcie de compoziia elementar a combustibilului, prin relaia:

Condensarea vaporilor de ap are loc pe un interval de temperatur, temperatura maxim fiind situat n majoritatea cazurilor n jurul a 40 . . . 60C, iar temperatura minim fiind temperatura de origine (obinuit 0C). Convenional se consider cldura latent de condensare (aceasta crete odat cu scderea temperaturii) aproximativ egal cu valoarea corespunztoare la 0C (se admite c vaporii se rcesc pn la 0CC i apoi condenseaz integral la aceast temperatur):

Mai exact, acest r reprezint, pentru intervalul trou . . . 0C, diferena

intre cldura cedat prin rcirea vaporilor, condensarea vaporilor i rcirea lichidului rezultat i cldura cedat numai prin rcirea vaporilor pe acelai interval de temperatur (cldura specific a lichidului este mai mare decf cldura specific a vaporilor).

In calculele tehnice se utilizeaz numai puterea caloric inferioar, din motive care vor fi prezentate ulterior.

Determinrile experimentale ale puterilor calorice ale combustibililor se fac cu calorimetre specifice.

Pentru combustibilii gazoi sau lichizi volatili, se utilizeaz calorimetre cu flux continuu de ap, de tip Junkers, manuale (exist i calorimetre automate care nregistreaz continuu puterea caloric a unui flux de combustibil gazos). La calorimetrele Junkers se msoar debitul de combustibil ars (arderea este complet), debitul de ap de rcire i debitul de condens acumulat din gazele de ardere. Suprafaa de schimb de cldur a calorimetrului asigur o foarte bun rcire a gazelor arse, astfel nct temperatura lor final este practic egal cu temperatura amestecului combustibil (condiii izotermice; presiunea este aproximativ egal cu presiunea atmosferic). Msurndu-se i diferena de temperatur cu care se nclzete apa, se calculeaz iniial H

s din bilanul termic:

n care: B este debitul de combustibil, D debitul de ap, C cldura specific a apei i At diferena de temperatur cu care se nclzete apa.

Cunoscndu-se debitul de condens, se calculeaz n continuare Ht. Pentru combustibilii solizi sau lichizi nevolatili, se utilizeaz bombe

calorimetrice. n aparat se introduc o cantitate cunoscut de combustibil i 02 sub presiune, iar arderea se declaneaz cu o scnteie electric. Cldura dezvoltat prin ardere este preluat de apa din calorimetru (cantitate cunoscut), pentru care se msoar creterea de temperatur, aceasta fiind foarte redus. Se calculeaz apoi puterea caloric a combustibilului (cldura de reacie izobar-izotermic), inndu-se seama de faptul c n bomba calorimetric arderea decurge izocor-izotermic. In ambele cazuri puterile calorice pot fi aduse la originea de 0C.

Pentru hidrocarburi gazoase i fraciuni petroliere lichide, Hi variaz cu aproximaie ntre limitele:

Puterea caloric scade, odat cu scderea coninutului de hidrogen al combustibilului, n cadrul aceleiai clase de hidrocarburi.

39

n tabelul 1.3 snt prezentate pentru mai multe substane combustibile, majoritatea hidrocarburi, valorile experimentale (acestea difer puin de la un autor la altul) ale puterii calorice inferioare, n condiii normale.

In lipsa datelor experimentale, puterea caloric inferioar a unui combustibil poate fi calculat cu suficient exactitate, cu ajutorul unor relaii empirice.

Pentru un combustibil de orice natur, cu compoziie elementar cunoscut:

Pentru un amestec de hidrocarburi parafinice gazoase n funcie de densitatea relativ:

Pentru d=0,6 . .. 0,9 rezult H*=49 530 . . . 47 690 [kJ/kg comb.] (Ht scade odat cu creterea densitii relative).

Pentru fraciuni petroliere lichide numai n funcie de densitatea relativ:

i

Pentru d\* =0,1... 1 rezult Ht=44 340 .. . 40 810 [kJ/kg comb.] (Ht scade odat cu creterea densitii relative).

Se reamintete c:

n continuare, se prezint relaii mai exacte pentru puterea caloric inferioar a fraciunilor petroliere lichide.

40

Pentru fraciuni petroliere lichide reziduale (pcur), n funcie de densitatea relativ i parial de compoziia elementar:

/15623 \ Ht= +24 300 j (1swz) +

+ 9 420s2 449u; [kJ/kg comb.] (1.83) Pentru fraciuni petroliere lichide distilate (de la benzin pn la mo

torin), n funcie de densitatea relativ, de factorul de caracterizare i parial de compoziia elementar:

[ 5 675 27 273 3 275/v "1 7 + - - - +5 013K-10 465 (1-s-w-z) + CO/kg comb.). Aceast valoare se poate calcula cu una din relaiile prezentate i anterior:

41

cnd apariia CO este datorat numai lipsei de oxigen (n acest caz a este numai subunitar), sau:

y c o

cnd prin analiza gazelor de ardere se cunoate caracterul real al arderii (n acest caz a poate fi eventual i supraunitar).

In concluzie, pierderea de cldur cauzat de oxidarea incomplet a carbonului se exprim prin relaia:

In cazul combustibililor de tipul c + 7 i = l , cum c din expresia lui x se poate exprima n funcie de datele analizei chimice a gazelor arse uscate, se poate ajunge la urmtoarea expresie a lui AH:

Aceast relaie permite calcularea lui AH numai pe baza datelor analizei gazelor arse uscate, fr a fi necesar s se cunoasc valoarea lui c.

Efectul termic al reaciei de ardere incomplet a unui combustibil (cu apariie de CO) este egal cu diferena dintre puterea caloric a combustibilului i pierderea de cldur cauzat de arderea incomplet:

1.2.5. ENTALPIA GAZELOR DE ARDERE

Entalpia gazelor de ardere se exprim obinuit ca valoare relativ fa de originea faz gazoas (inclusiv vaporii de ap) la 0C i presiunea normal atmosferic.

Entalpia gazelor arse umede, la o temperatur oarecare t, entalpia fiind o mrime aditiv, se exprim prin relaia:

n care: n4 reprezint numrul de kgmoli al unui component al gazelor arse rezultate la arderea unui kg de combustibil, iar C P j i cldura specific molar, izobar, a componentului respectiv, medie ntre 0 i tC i exprimat, n kJ/kmol C.

n tabelul 1.4 snt prezentate aceste clduri specifice medii, pentru toi componenii gazelor de ardere i n plus pentru aer i H2 (utile i 42

acestea pentru calculele de combustie). Ele corespund presiunii atmosfe-pentru fiecare component.

Corect, ar trebui ca CPi t s se utilizeze la presiunea parial a componentului respectiv, presiunea total fiind egal cu presiunea atmosferic.

I :ena presiunii, n domeniul presiunilor joase, asupra cldurilor spe-:e este ns neglijabil. Din expresia anterioar a entalpiei gazelor arse, se constat c la 0C

entalpia gazelor arse este nul i c aceast entalpie crete odat cu creterea temperaturii.

La dimensionarea cuptoarelor sau a recuperatoarelor de cldur din gazele arse, este necesar s se cunoasc entalpia gazelor arse la diverse temperaturi. In acest scop, este bine s se construiasc pentru combustibilul dat diagrama entalpie temperatur a gazelor arse, la una sau

i multe valori ale lui a. Diagramele it se construiesc obinuit pentru :-rea complet a combustibilului, deci pentru valori a > l . Aspectul

unei astfel de diagrame se red n figura 1.8 pentru CH4. Diagrama it se construiete astfel: se calculeaz produsele arderii

fcentru a = l i apoi entalpia lor la cteva temperaturi, reprezentndu-se fcurba respectiv pentru arderea teoretic. Pentru valori a > 1 se poate proceda n acelai mod, sau mai simplu se calculeaz cantitatea de aer

-ia exces i entalpia respectiv, aceasta adugndu-se la valorile cores-

43

punztoare la aceeai temperatur, calculate pentru a = l . In coordonate it, curbele de a = c t . au concavitatea n jos, pentru c Cp crete cu creterea temperaturii.

n figurile 1.9 i 1.10 se prezint un sistem de nomograme, cu ajutorul crora se poate stabili entalpia gazelor arse umede (t=0 . . . 2 000C), pentru combustibili de tipul c + h = l (c==0,75 . . . 0,95), arderea fiind complet sau incomplet (a =0,8 . . . 1,8), iar combustibilul fiind sau nu pulverizat cu abur (a=0 . . . 0,6 [kg/kg comb.]).

Entalpfa gazelor arse se obine prin nsumarea a trei valori citite n nomograme:

Valoarea it reprezint entalpia gazelor arse corespunztoare arderii teoretice {ardere complet, pentru l) i se citete din

figura 1.10, n funcie de c, a i t. De la valoarea lui c se coboar pe verti-

44

cal pn la valoarea lui a, se merge pe orizontal la sting pn la valoarea lui t i se coboar pe vertical pn la scara entalpiei.

In cazul arderii cu lips de aer ( a < l ) , ie are expresia:

Valoarea ia reprezint en-

talpia aburului de pulverizare din gazele de ardere i se citete din figura 1.9, n funcie de t i a.

Dac n gazele de ardere apare CO n prezen de 0 2, din cauza neomogenitii amestecului combustibil etc, la calculul entalpiei ar mai trebui adugat un termen de corecie:

n care y [kg C/kg comb.], reprezint fracia masic a carbonului oxidat incomplet, din alte cauze n afara lipsei de 0 2 . Valoarea lui Ai este ns practic neglijabil.

Relaiile de bilan termic, stabilite anterior pentru arderea izobar-adiabatic i respectiv izobar-politropic, se scriu obinuit sub urmtoarele forme:

termenii avnd semnificaiile cunoscute i fiind exprimai n kJ/kg comb.

ntotdeauna, n bilanurile termice ale proceselor de combustie, aa cum se vede i n relaiile anterioare, se

45

utilizeaz puterea caloric inferioar a combustibilului. Acest lucru este impus, nu de faptul c n majoritatea cazurilor practice gazele arse snt evacuate n atmosfer la >100C, cum se justific n unele cri, ci de necesitatea de a se respecta omogenitatea fizic a relaiilor de bilan termic. Aa cum s-a mai artat i anterior, omogenitatea fizic reprezint exprimarea tuturor termenilor relaiei n raport cu aceeai origine. Pentru c entalpia vaporilor de ap din gazele de ardere se exprim fa de originea faz vapori la 0C, este obligatoriu ca puterea caloric s se exprime fa de aceeai origine (puterea caloric inferioar la 0C), iar entalpia aburului de pulverizare s se exprime tot n raport cu faza vapori la 0C. Omogenitatea fizic se refer i la starea de agregare a combustibilului la temperatura de origine.

In ncheierea acestui paragraf referitor la entalpia gazelor de ardere, n care s-au ntlnit i cldurile specifice ale diverilor componeni, snt necesare cteva observaii privind terminologia.

Noiunea de coninut de cldur", care este ntlnit n multe cri i care obinuit nlocuiete noiunea de entalpie, nu este corect.

Noiunea de capacitate caloric specific", care de asemenea este mult ntlnit i care nlocuiete noiunea de cldur specific( masic, molar, volumic), nu este corect.

Ambele noiuni snt de natur flogistic i se menin de dou secole. Cldura a fost considerat iniial ca fiind un fluid invizibil (flogi