izgaranje

IZGARANJE TIRELI:TIRELI: NAUKA O TOPLINI IINAUKA O TOPLINI II

1. Način izgaranja

Način izgaranja goriva:1. U zatvorenom prostoru2. U otvorenom prostoru


2.Kemijska reakcija goriva

Slika 2A. Kemijska reakcija metana CH4Samo s kisikom O2

CH4 + 2 O2 CO2 + 2H2O + toplina

3CH4 + 6 O2 3CO2 + 6H2O + 3 x toplina

Sa zrakom (79% N2 i 21% O2)CH4 + 2 (O2+ N2 79/21)

CO2 + 2H2O + N2 (2x79/21)+ toplina

3CH4 + 6 (O2+ N2 79/21) 3CO2 + 6H2O + 3N2 (2x79/21)+ 3 x toplina


3. Zatvoreno izgaranje u benzinskom motoru

Slika 3A. Izgaranje goriva u benzinskom motoru

Komprimiranu smjesu gora i zraka zapaljuje iskra svjećice


4. Zatvoreno izgaranje u dizelskom motoru

Slika 4A. Izgaranje goriva u dizelskom motoru

U komprimirani zrak uštrcano gorivo se samozapaljujeće zapaljuje


5.Zatvoreno izgaranjeu plinskim turbinama i kotlovima

Slika 5A. Izgaranje u komori plinske turbine ili u ložištu generatora i kotlova


6. Pretvorba toplinske energije

Slika 6. Pretvorba toplinske energije

Ogrjevni spremnik-Toplina nastala izgaranjem goriva i zraka za izgaranje (Q’H)

Rashladni spremnik-okolinaOdvedena toplina u okolinu (Q’C)

Toplinski stroj-pretvara toplinsku energiju u mehanički rad Wnett

IZGARANJE

7. Zapaljenje goriva otvorenim plamenom

Slika 7 A. Zapaljenje goriva otvorenim plamenom


8. Uvjeti za izgaranje

U gorivima izgaraju: vodik (H), ugljik (C) i sumpor (S) kao elementi ili u spojevima

Za uspostavu procesa oslobađanja toplinske energije iz goriva neophodna su dva uvjeta: temperatura paljenja goriva (gorivih para) i dovoljna količina kisika.

Temperatura paljenja goriva je ona temperatura kod koje započinje proces oslobađanja toplinske energije, a razlikuje se s obzirom na način započinjanja procesa: -samozapaljenje bez prisutstva izvora paljenja (temperature samozapaljenja) i -paljenje uz prisutstvo inicijalnog (izvora) paljenja (temperature plamišta).


9. Elementarni sastav goriva

Općenito, gorivo sadrži elemente koje u jedinici kg/kg označujemo s sadržajem:

vodika u 1 kg goriva označavamo sa h kgh/kggugljika u 1 kg goriva označavamo sa c kgc/kggsumpora u 1 kg goriva označavamo sa s kgs/kggkisika u 1 kg goriva označavamo sa o kgo/kggdušika u 1 kg goriva označavamo sa n kgn/kggvlage u 1 kg goriva označavamo sa w kgw/kggpepela u 1 kg goriva označavamo sa a kga/kgg

Općenito, možemo pisati da 1 kg goriva sadrži:

h+c+s+o+n+w+a=1


10. Izgaranje vodika

1 kmol H2 + 0,5 kmol O2 = 1 kmol H2O + 2,416 ×102 MJ

Pretvaranjem u druge jedinice dobiva se:2 kg H2 + 16 kg O2 = 18 kg H2O + 2,416 ×102 MJ1 kg H2 + 0,25 kmol O2 = 0,5 kmol H2O + 1,208 ×102 MJ1 kg H2 + 22,4/4 mn

3 O2 = 22,4/2 mn3 H2O + 1,208 ×102 MJ


11.Izgaranje ugljika

1 kmol C +1 kmol O2 = 1 kmol CO2 + 4,09 ×102 MJ

Pretvaranjem u druge jedinice dobiva se:

12 kg C +32 kg O2 = 44 kg CO2 + 4,09 ×102 MJ1 kg C +1/12 kmol O2 = 1/12 kmol CO2 + 0,34 ×102 MJ1 kg C +22,4/12 mn

3 O2 = 22,4/12 mn3 CO2 + 0,34 ×102 MJ


12. Izgaranje sumpora

1 kmol S +1 kmol O2 = 1 kmol SO2 + 3,348 ×102 MJ


32 kg S +32 kg O2 = 64 kg SO2 + 3,348 ×102 MJ1 kg S +1/32 kmol O2 = 1/32 kmol SO2 + 0,105 ×102 MJ1 kg S +22,4/32 mn

3 O2 = 22,4/32 mn3 SO2 + 0,105 ×102 MJ


13. Nepotpuno izgaranje ugljika

Kod izgaranja ugljika C može se dogoditi da iz razloga manjka kisika O2nastupi nepotpuno izgaranje u CO, tada vrijedi:

1 kmol C +0,5 kmol O2 = 1 kmol CO + 1,247 ×102 MJ


12 kg C +16 kg O2 = 28 kg CO + 1,247 ×102 MJ1 kg C +1/24 kmol O2 = 1/12 kmol CO + 0,104 ×102 MJ1 kg C +22,4/24 mn

3 O2 = 22,4/12 mn3 CO + 0,104 ×102 MJ


14. Izgaranje ugljičnog monoksida

Naknadno može CO izgarati u CO2 ili kod plinovitih goriva udio CO izgara u CO2 , tada vrijedi:

1 kmol CO +0,5 kmol O2 = 1 kmol CO2+ 2,847 ×102 MJPretvaranjem u druge jedinice dobiva se:

28 kg CO +16 kg O2 = 44 kg CO2 + 2,847 ×102 MJ1 kg CO +1/56 kmol O2 = 1/28 kmol CO2 + 0,102 ×102 MJ1 kg CO +22,4/56 mn

3 O2 = 22,4/28 mn3 CO2+ 0,102×102 MJ


15. Količina kisika za izgaranje krutih i kapljevitih goriva

Minimalna količina kisika za izgaranje krutih i kapljevitih gorivaizgaranje vodika H2

h kg H2+(1/4) h kmol O2 = (1/2)h kmol H2O+ h×1,208 ×102 MJizgaranje ugljika Cc kg C+(1/12) c kmol O2 = (1/12)c kmol CO2+ c×0,34 ×102 MJizgaranje sumpora Ss kg S +(1/32) s kmol O2 = (1/32)s kmol SO2+ s×0,105 ×102 MJ

Ako u gorivu već postoji udio kisika (o) onda za tu istu količinu dovodimo manje kisika za izgaranje (-o/32)

Općenito se može pisati:Omin= h/4 + c/12 + s/32 - o/32 kmol O2/kgg

Omin= 22,4(h/4 + c/12 + s/32 - o/32) mn3 O2/kgg


16.Karakteristika goriva “σ”

Često se goriva uspoređuju preko "karakteristike goriva-σ"

Omin= (c/12) σ kmol O2/kgg

gdje je:

σ= 1 + 3[h-(o-s)/8]/c bez dimenzije


17. Količina zraka za izgaranje

Kako se za izgaranje koristi kisik iz zraka u kojem je sadržan u prostornom udjelu od 21% (r=0,21), ostatak je dušik N2 u prostornom udjelu r=0,79. Maseni odnos je 23:77.

Minimalno potrebna količina zraka za potpuno izgaranje iznosi:Lmin = Omin/0,21 za dimenzije kmolzraka /kgg ili mn

3zraka/kgg

Lmin = Omin/0,23 za dimenzije kgzraka /kgg

Ako su goriva poznata kao spoj CxHyOz minimalno potrebna količina kisika za izgaranje (naprimjer C10H20) iznosi:

Omin = (x + y/4 - z/2) kmolkisika / kmolgoriva


18. Računski primjer (1 sat ZD)

Jedan (1) kmol goriva metana (CH4) izgara potpuno s faktorom pretičkazraka dvostruko većim od teoretskog.

Odrediti potrebnu količinu kisika i zraka za izgaranje

Rješenje:

Minimalno potrebna količina kisika:Omin = (x+y/4-z/2)=1+4/4-0/2=2 kmol O2/kmolgoriva

Količina zraka za izgaranje:L= 2 ⋅Omin/0,21= 2⋅2/0,21= 19,05 kmolzraka /kmolg


19. Sastav plinovitih goriva

Prostorni udio (kmol / kmolgoriva) pojedinih komponenti u plinovitom gorivu označavamo sa:udio ugljičnog dioksida CO2 sa CO2'udi ugljičnog monoksida CO sa CO'udio vodika H2 sa H2'udio kisika O2 sa O2'udio dušika N2 sa N2'ili općenito udio CxHy sa CxHy'

tada vrijedi:CO2' + CO' + H2' + O2' + N2' + CxHy' = 1


20. Kisik i zrak za izgaranje plinovitih goriva

Minimalna potrebna količina kisika za izgaranje 1 kmol plinovitih goriva iznosi:

Omin =0,5(CO'+ H2')+2CH4' + 3C2H4' +Σ(x+y/4) CxHy'- O2‘ kmolO2 /kmolg

Minimalno potrebna količina zraka za potpuno izgaranje iznosi:

Lmin = Omin/0,21 za dimenzije kmolzraka / kmolg


21. Faktor pretička zraka “λ”

Višak zraka ili faktor pretička zraka označava se sa λ, pa stvarna dovedena količina zraka za izgaranje iznosi:

L = λ ·Lmin

vrijednosti faktora pretička zraka iznose:

λ = 1,05….1,20 generatori pare i kotloviλ = 1,50….1,90 dizelski motoriλ = 1,00….1,20 benzinski motoriλ = 2,00….4,00 plinske turbine


22. Bilansa mase i toplinekod izgaranja

Ulaz mase:Masa goriva + masa zraka

Izlaz mase:Masa plinova izgaranja + masa pepela

Ulaz topline: toplina goriva + toplina zraka

Izlaz topline:toplina plinova+ toplina pepela

Prostor izgaranja Zrak za izgaranjeGorivo(c,h,s,n,o,w)

Plin

ovi i

zgar

anja

Pep

eo (a

)


23. Volumen plinova izgaranja

Volumen vlažnih plinova izgaranja iznosi:

Vvl = Vs + VH2O

gdje je: Volumen H2O ;VH2O = h/2 + w/18 kmolH2O/kgg


24.Volumen suhih plinova izgaranja

Vs = VCO2 + VSO2 + VO2 + VN2 kmol plinova/ kgg

Volumen CO2 ; VCO2 = c/12 kmol CO2/kgg

Volumen SO2 ; VSO2 = s/32 kmol SO2/kgg

Volumen O2 ; VO2 = (λ - 1)Omin kmol O2/kgg

Volumen N2 ; VN2 = n/28 + 0,79 λ Lmin kmol N2/kgg

Za pretvaranje u druge jedinice koristimo: 1 kmol = 22,4 nm3 = m kg


25. Volumni udjeli u plinovima izgaranja

Volumni udjeli u suhim plinovima izgaranja:rCO2=VCO2/Vs; rSO2=VSO2/Vs; rO2=VO2/Vs; rN2=VN2/Vs

Zbroj volumnih udjela za suhe plinove:rCO2 + rSO2 + rO2 + rN2 =1

Volumni udio vodene pare u vlažnim plinovima izgaranja:rH2O=VH2O/Vvl

Zbroj volumnih udjela za vlažne plinove izgaranja:rCO2 + rSO2 + rO2 + rN2 + rH2O =1


26.Volumen plinova izgaranja za plinovita goriva

VH2O = H2' + Σ(y/2)(CxHy')+H2O' kmol H2O/ kmol g

Oznake (,) odnose se na prostorne udjele u plinovitom gorivu!

Volumen suhih plinova za potpuno izgaranje iznosi:

Vs = VCO2 + VO2 + VN2 kmol plinova/ kmol g

Volumen CO2 ; VCO2 = Σx(CxHy') kmol CO2/ kmol g

Volumen O2 ; VO2 = (λ - 1)Omin kmol O2/ kmol g

Volumen N2 ; VN2 = N2' + 0,79 λ Lmin kmol N2/ kmol g


27. Prostorni udjeli plinova izgaranja

Za pretvaranje u druge jedinice koristimo; 1 kmol = 22,4 nm3 = m kg

Prostorni udjeli bilo kojeg plina u ukupnoj količini plinovima izgaranja iznose:za suhe plinove izgaranja za vlažne plinove izgaranjarCO2= VCO2/ Vs rH2O = VH2O/Vvl

rO2 = VO2/ Vs

rN2 = VN2/ Vs

rCO2 + rO2 + rN2 = 1 rCO2 + rO2 + rN2 + rH2O = 1

Odnosi se na Vs odnosi se na Vvl


28. Ostwaldov trokut izgaranja

(točka A) (λ=1; %O2=0:rCO2= VCO2/Vs = (c/12)/(c/12 + s/32 + n/28 + 0,79 Lmin)

(točka B) (%O2=21 ; 1/λ=0)

(točka C) ( ugljik C izgara u CO; λ= 1 ):rCO= VCO/Vs = (c/12)/(c/12 + s/32 + n/28 + 0,79 Lmin +

c/24)rO2= VO2/ Vs = rCO/2

Svako gorivo zahtjeva crtanje “svojeg” trokuta izgaranja.Idealno je da točka izaranja M bude u točki gdje je:(λ=1; %O2=0), pa je udio CO2 u plinovima izgaranja

najveći.

Općenito se može pisati za faktor pretička zraka:

λ=L/ Lmin

Izgaranje bez CO uz lambda>1

Točka B(1/lambda)=0

Točka A (1/lambda)=1%CO u

plino

vima i

zgara

nja

%O2 u plinovima izgaranja %O2 =21(bez izgaranja-čisti zrak)

%O2 =0

Izgaranje uz lambda=1

Točka C(lambda=1, CO2=0,COmax; rO2=0,5 COmax)

%C

O2

u pl

inov

ima

izga

ranj

a

%CO2 =0

%CO2 max

Točka D (lambda>1, CO=0)

%O2

%CO2

%CO

(1/lambda)

Točka M ucrtana na temelju mjerenja u plinovima izgaranja:%O2 kao rO2%CO2 kao rCO2%CO kao rCO

vrijednost (1/lambda) se očitava a potom se izračuna pretičak zraka(lambda)

Točka M


29.Određivanje količine i faktora pretička zraka za izgaranje iz poznatog sastava plinova

izgaranja

Iz poznatog sasatav plinova izgaranja, prostorni udjeli iznose:rCO2 + rCO + rSO2 + rO2 + rN2 =1 udjeli (r) uvrštavaju se u

% ili u kmol!

A×CxHy + B×O2 + C×N2 ► rCO2 ×CO2 + rCO×CO + rO2 ×O2 + rN2 ×N2 + D×H2O

Bilansa ugljika: x×A = rCO2 + rCO► A= (rCO2 + rCO)/xBilansa dušika: C = rN2 ► C= rN2

Bilansa kisika: 79/21= C/B ► B= (21/79)×CBilansa vodika: D = (y/2)×A


30.Određivanje količine i faktora pretička zraka za izgaranje iz poznatog sastava plinova izgaranja

Stoga se može pisati:

CxHy+(B/A)×O2+(C/A)×N2 ►►(rCO2/A)×CO2 + (rCO/A)×CO+(rO2/A)×O2+(rN2/A) ×N2+ (D/A)×H2O

Potrebna količina zraka za izgaranje za nastale plinove izgaranja iznosi:L = (B/A)×32+(C/A)×28 kgzraka/kmol g

Kako je Lmin=Omin/0,21 = (x+y/4)/0,21

Tada je faktor pretička zraka: λ= L/Lmin


31.Određivanje količine, faktora pretička zraka i sastav goriva za izgaranje iz poznatog sastava

plinova izgaranja (4sat-08.03.04 RI, ZD)

bilansa goriva i zraka prije izgaranja i bilansu plinova izgaranja:CxHy + B× O2 + C×N2 ►rCO2 ×CO2 + rCO×CO + rO2 ×O2 + rN2 ×N2 + D×H2O

Bilansa ugljika: x = rCO2 + rCO

Bilansa dušika: C = rN2 ►C= rN2

Bilansa kisika: 79/21= C/B ►B= (21/79)×CBilansa vodika: D = (y/2) ►y= 2×D


32.Određivanje količine, faktora pretička zraka i sastav goriva za izgaranje iz poznatog sastava

plinova izgaranja

Stoga se može pisati: CxHy+B×O2+C×N2 ►rCO2×CO2 + rCO×CO+rO2×O2+rN2 ×N2+ D×H2OPotrebna količina zraka za izgaranje:

L = B×32+C×28 kgzraka/kmol goriva

Volumen od 1 kmolg pretvoreno u masu kg iznosi: x×12+ y×1Lmin=Omin/0,21 = (x+y/4)/0,21 kmolzraka/kmolgoriva

λ= L/Lmin

Sastav goriva iznosi: ugljik c: x×12/ (x×12+ y×1) vodik h: y×1/ (x×12+ y×1)


33.Približne vrijednosti faktora pretička zraka

Općenito za nepotpuno izgaranje i za poznate sastave plinova izgaranja približno vrijedi:

λ=21/[21-79 (rO2 - 0,5 rCO) /rN2]iliλ≈ 21/ (21- %O2)

λ≈ CO2max / CO2


Računski primjer 1.

Jedan (1) kmol goriva metana (CH4) izgara potpuno sa pretičkom zraka dvostruko većim od teoretskog pri okolnom pitisku od 1030 hPa.Odrediti

Volumen i masu plinova izgaranjaTemperaturu plinova izgaranja na kojoj bi se vodena para ukapljilaRješenje:Količina zraka za izgaranje

Miniimalno potrebna količina kisika: Omin = (x+y/4-z/2)=1+4/4-0/2=2 kmol O2/kmolgoriva

Količina zraka za izgaranje: L= 2 ⋅Omin/0,21= 2⋅2/0,21= 19,05 kmolzraka /kmolg

Volumen i masa plinova izgaranjaVCO2 = Σ x (Cx Hy

´) = 1 kmol CO2/kmolgoriva = 44 kg CO2VO2 = (λ-1) Omin = (2-1) 2 = 2 kmol O2/kmolgoriva = 64 kg O2VN2 = N2’ + 0,79 L = 0+0,79⋅19,05= 15,05 kmol N2/kmolgoriva = 421,4 kg N2VH2O = H2’ + Σ y/2 (Cx Hy

´) +H2O’=0+4/2+0=2 kmol H2O= 36 kg H2O Temperatura plinova izgaranja na kojoj bi se vodena para ukaplji

Parcijalni pritisak vodene pare u plinovima izgaranja iznosi:PH2O= P ⋅ rH2OPH2O= P⋅ rH2O = P⋅VH2O/( VCO2+ VO2+ VCO2 + VH2O)==1030⋅2/(1+2+15,05+2)=1030⋅0,09975=102,75 hPa

Iz parnih tabela za 102,75 hPa očitamo temperaturu zasićene pare 46,5 0C koja predstavlja ujedno temperaturu početka ukapljivanja pri hlađenju plinova izgaranja.


Računski primjer 2.

Primjer:Bezolovni benzin Eurosuper 95 (CxHy) izgara stvarajući plinove izgaranja volumnog sastava:rCO2=14% ; rO2 =0,5% ; rCO=0,27% (izmjereno na tehničkom pregledu vozila). Ostatak do 100 % sadržaj je dušika koji se ne mjeri. U gorivu nema kisika ni dušika.Odrediti: faktor pretička zraka pri izgaranju goriva i sastav benzina (udio C i H)Rješenje:Udio dušika iznosi: 100-(14+0,5+0,27)=85,23Iz bilanse CxHy + B⋅ O2 + C⋅N2 ⇒ rCO2 ⋅CO2 + rCO⋅CO + rO2 ⋅O2 + rN2 ⋅N2 + D⋅H2OdobivamoBilansa ugljika: x = rCO2 + rCO=14+0,27=14,27Bilansa dušika: C = rN2 =85,23 ⇒C= rN2 =85,23Bilansa kisika: 79/21= C/B ⇒B= (21/79)⋅C=22,656Bilansa vodika: D = (y/2) ⇒y= 2⋅D


Računski primjer 2. -nastavak

Stoga se može pisati: B= rCO2 + rCO/2+ rO2+D/222,656=14+0,27/2+0,5+D/2 ⇒D= 16,04 ⇒y= 2⋅D=32,08

Sada možemo uvrstiti u CxHy+B⋅O2+C⋅N2 ⇒ rCO2⋅CO2 + rCO⋅CO+rO2⋅O2+rN2 ⋅N2+ D⋅H2Ote pisati: C14,27H32,08+22,656⋅O2+85,23⋅N2 ⇒14⋅CO2 + 0,27⋅CO+0,5⋅O2+85,23 ⋅N2+ 16,04⋅H2OPotrebna količina zraka za izgaranje za nastale plinove izgaranja iznosi:

L = (B⋅32+C⋅28)/(xּmc+yּmH2) =L=(22,656⋅32+85,23⋅28)/(14,27 ּ12+32,08ּ1 (=15,3 kgzraka/kg gorivaKako je Lmin=Omin/o,21 = (14,27+32,08/4)/0,21=106,14 kmolzraka/kmolgoriva

ili Lmin=106,14 ּ28,96)/14,27ּ12+32,08ּ1=(15,118 kgzraka/kg goriva

Tada je:λ= L/Lmin =15,3/15,118=1,012

Sastav goriva iznosi:ugljik c: x⋅12/ (x⋅12+ y⋅1)= 14,27⋅12/ (14,27⋅12+ 32,08⋅1)=84,22vodik h: y⋅1/ (x⋅12+ y⋅1)= 32,08⋅1/ (14,27⋅12+ 32,08⋅1)=15,78

izgaranje

Documents

faktora pretika zraka

druge jedinice koristimo

kmol goriva metana

plinovima izgaranja

gdje je

volumni udjeli

kmol o2

bilansa duika