CALCULUL ARDERII COMBUSTIBILILOR - Ecuatiile stoechiometrice de ardere

CALCULUL ARDERII COMBUSTIBILILOR

Scopul arderii combustibililor organici in focarele generatoarelor de abur este acela de a obtine gaze de ardere calde care sǎ constituie agentul termic primar din cazan.

Arderea combustibililor organici este un proces exoterm in cadrul cǎruia se consumǎ combustibil si aer de combustie, generandu-se produse gazoase de ardere (gaze de ardere) si produse solide (cenusa si/sau zgura).

Gazele de ardere generate in focar au temperaturi ridicate, circa (1500 - 2000)oC. Ele parcurg succesiv suprafetele schimbǎtoare de cǎldurǎ ale cazanului, cedeazǎ cǎldura pe care o contin agentului secundar, apa care trebuie vaporizatǎ, si ajung in final sǎ pǎrǎseascǎ cazanul cu temperaturi in jurul a (130 - 150)oC.

Volumele de aer de combustie si de gaze de ardere rezultate se determinǎ in m³N si se raporteazǎ la unitatea de masǎ sau de volum de combustibil care arder. Calculele se efectueazǎ in ipoteza cǎ arderea este completǎ si perfectǎ. Ele sunt efectuate prin procedee stoechiometrice, fǎrǎ a trata reactiile chimice complexe de oxidare exotermǎ a combustibililor.

1. Ecuatiile stoechiometrice de ardere

Inainte de a trece la scrierea ecuatiilor de ardere trebuiesc reamintite cateva notiuni de bazǎ ce vor fi utilizate.

Volumul stoechiometric de aer de combustie reprezintǎ volumul de aer necesar arderii complete a combustibilului fǎrǎ ca in gazele de ardere sǎ mai rǎmanǎ oxigen.

Volumul stoechiometric de gaze de ardere corespunde volumului stoechiometric de aer.

Metrul cub normal, [m³N]. Starea normalǎ a unui gaz corespunde presiunii de 760 torr si temperaturii de 0oC.

Kilomolul este cantitatea de substantǎ a cǎrei masǎ exprimatǎ in kilograme este numeric egalǎ cu masa molecularǎ M a substantei respective.

Legea Avogadro = La o temperaturǎ si o presiune datǎ, un kilomol de gaz perfect ocupǎ acelasi volum. Pentru starea normalǎ volumul ocupat de un kilomol de gaz perfect este de 22,41 m³N/kmol, valoare care poate fi atribuitǎ si celeorlalte gaze pentru simplificarea calculelor. Rezultǎ cǎ volumul de 22,41 m³N din orice gaz sau de vapori de apǎ are masa exprimatǎ in kilograme egalǎ cu masa molecularǎ a substantei respective.

Arderea completǎ a carbonului

C+O₂→CO₂

1 kmol C +1 kmol O₂→1 kmol CO₂

12 kg C + 22,41 m ³ _N O ₂ → 22,41m ³ _N CO2

1 kg C + (22,41/12)m ³ _NO₂ → (22,41/12)m³_NCO

Arderea incompletǎ a carbonului

C + 0,5O₂→CO

1 kmol C + 0,5 kmol O₂ → 1 kmol CO

33

22,41 m_N ³ CH₄ + (2-22,41) m_N ³ O ₂ - 22,41 m³_N CO₂ + (2-22,41) m³_N H₂O (28)

1m³_NCH + 2 m³_N O₂ ^ 1 m³_N CO₂ + 2m³_N H₂O (29)

Arderea hidrocarburilor C_mH_n

C_mH_n +[m + (n/4)]O₂ - m CO₂ + (n/2)H₂O (30)

34

1kmolC_mH_n +[m + (n/4)]kmolO₂ -^■mkmol CO₂+(n/ 2)kmol H₂O (31) 22,41 m³_N C_mH_n + [m + (n/4)] 22,41 m³_N O₂ - 22,41 m m³_N CO₂ + 22,41 (n/2) m_N HO

(32)
1m³_NC_mH_n +[m + (n/4)] m³_N O₂ ^m m³_N CO₂ +(n/2) m³_N H₂O (33)

Volumul stoechiometric de aer de combustie

Volumul stoechiometric de oxigen necesar arderii se obtine din insumarea volumelor de oxigen necesare arderii componentilor combustibilului, din ecuatiile precedente.

Cazul combustibililor masici:

In cazul arderii unui combustibil masic, se considerǎ arderea unui kilogram de combustibil solid sau lichid, cu compozitia elementarǎ:

Cⁱ + Hi + Ni + Oi + Si +Mⁱ + Wi_t = 100% (34)

Volumul stoechiometric de oxigen necesar arderii este:

Vo₂ = (22,41 /12) C+ (22,41 /2. 2)Hi+ (22,41 /32)(Si -Oi) (35)

Instalatiile de ardere ale cazanelor sunt alimentate insǎ cu aer, nu cu oxigen. In aer, oxigenul are o participatie volumicǎ de 21%. Volumul stoechiometric de aer uscat necesar arderii unui kilogram de combustibil masic va fi in aceste conditii:

Vo_a = Vo /0,21 [m³_N aer/kg comb.] (36)

Cazul combustibililor gazosi:

In cazul arderii unui combustibil gazos, se considerǎ arderea unui metru cub normal de combustibil gazos, cu compozitia elementarǎ:

V_O^o ₂ = 0,5 (CO)^anh + 0,5 H₂ ^anh +1,5(H₂S)^anh + 2(CH₄)^anh +

+ [m + (n /4)]C_mH_n ]T^h - O₂ ^anh [m³_NO₂/ m³_N c.g.]

Volumul stoechiometric de aer corespunzǎtor este: Vo_a = Vo /0,21 [m_N ³ aer /kg comb.]

Calculele anterior prezentate sunt valabile in ipoteza cǎ aerul de combustie este uscat. Dacǎ insǎ aerul introdus in focareste umed, volumul stoechiometric de aer este mai mare, Vaumo>Vao, tocmai datoritǎ vaporilor de apǎ continuti. Pentru a tine cont de umiditatea absolutǎ x[kg H2O/kg aer uscat] a aerului, trebuie cunoscute temperatura acestuia, ta[oC] si umiditatea sa relativǎ, φa[%]. Cu valorile cunoscute pentru ta si φa se intrǎ in diagrama Molliere pentru aer umed si abscisa corespunzǎtoare intersectiei izotermei ta cu izohigra φa dǎ tocmai valoarea umiditǎtii absolute x[kg H2O/kg aer uscat].

Valoarea uzualǎ consideratǎ in calcule este x=10gr/kg si ea corespunde parametrilor aerului ta=25oC si φa=50%.

35

Dacǎ dorim rezultate mai exacte, apelǎm la relatiile de calcul care dau valoarea lui x:

x = 0,622 ϕ_ap_s /(p_b -ϕ_ap_s) [kg H₂O/kg aer usc] (38)

unde: - p_s[bar] = presiunea de saturatie a vaporilor de apǎ, determinatǎ din tabelul de abur in functie de t_a;

- pb[bar] = presiunea barometricǎ.

Volumul de vapori de apǎ din aerul umed este:

Vo_O=x ρ_aVo / ρ_{H O} [m_N ³ H₂O/kg comb.] (39)

unde: -/>_a[kg/m³N] = densitatea aerului in stare normalǎ, ρ_a = 1,2925 kg/m³N;

- ρ_{H O} [kg/m³N] = densitatea in stare normalǎ a vaporilor de apǎ, ρ_HO = 0,804

kg/m³N. Rezultǎ cǎ volumul stoechiometric de aer umed se calculeazǎ cu relatia:

V_a ^o_{u m} =V_a^o+xρ_aV_a^o/ρ_H2O = (1+xρ_aV_a^o /ρ_H2O)V_a^o = (1+1,61x ) V_a^o [ m_N ³/kg]

(40)

Volumul stoechiometric de gaze de ardere

Produsele rezultate in urma arderii combustibililor organici sunt gazele de ardere si compusii masici ai acesteia, anume cenusa sau zgura. Gazele de ardere, in functie de compozitia elementarǎ a combustibilului sunt dioxidul de carbon, apa, dioxidul de sulf si azotul. Determinarea volumelor componentelor gazelor de ardere se face apeland la ecuatiile stoechiometrice de ardere prezentate anterior.

Cazul combustibililor masici

Volumul de dioxid de carbon:

V_{CO 2} = (22,41/12)C [m³_N CO₂/ kg comb] (41)

Volumul de vapori de apa:

Apa din gazele de ardere are trei surse de provenientǎ, cu volumele lor aferente:

- Volumul de vapori de apǎ din arderea hidrogenului:

V_H2O=(22,41/2)Hⁱ+(22,41/18)Wⁱ [m³_NH₂O/kg] (42)

- Volumul de vapori de apǎ datorat umiditǎttii aerului de combustie:

V'_HO=p_b xVo_a /R_aT_aρ_{H O} [m³_N H₂O/kg comb.] (43)

- Volumul de vapori de apǎ datorat aburului folosit eventual pentru pulverizarea pǎcurii:
V^''=W /ρ_HO [m³_NH₂O/kg ] (44)

HO

Prin insumarea celor trei componente, obtinem volumul total de vapori de apǎ din gazele de ardere:

36

Vho =V_H ^' ₂o +Vho+Vho (45)

Vo_2O=22,41[(Hi/2) + (W_ti/R_aT_aρ_H2O+(W_p/ρ_H2O) [m³_NH₂O/kg comb] (46)

Volumul de dioxid de sulf

V_SO2 =(22,41/32)S_cⁱ [m³_N/kg]

Volumul de azot:

In gazele de ardere azotul provine din combustibil si din aerul de ardere, format in proportie de 79% din azot:

V_N^o ₂=(22,41/28)Nⁱ+0,79V_a^o [m³_N N₂/kg comb.] (48)

Volumul stoechiometric total de gaze de ardere uscate va fi:

V_g^o_u =V_CO2 +V_SO2 +Vo₂ =22,41(Cⁱ /12 + S_cⁱ/32 + Nⁱ /28) + 0,79V_a^o

Volumul total de gaze de ardere inclusiv vaporii de apǎ continuti:

Vo_ga =Vo_u+Vo_{2 O} [m³_N / kg comb.] (50)

In general, continutul de azot al combustibililor masici este foarte redus, in jurul valorii de Ni= 0,5%. El poate fi neglijat, caz in care vom avea un volum total de gaze de ardere :

Vo_ga = 0,79Vo +22,41(C /12 + Si_c/32 + Hi /2 + W_ti /18) (51)

(In relatia anterioarǎ au fost neglijati si vaporii de apǎ proveniti din aerul de combustie, V' _{H O} ca si cei din aburul tehnologic, V' _{H 2 O}).

Cazul combustibililor volumici

In cazul combustibililor gazosi relatiile generale de calcul a volumului gazelor de ardere sunt aceleasi ca si la combustibilii solizi, cu diferenta unitǎtii de mǎsurǎ care devine [m³N gaze de ardere/ m³N combustibil]. Volumele gazelor care se gǎsesc in gazele de ardere se deduc din ecuatiile de ardere pentru combustibilii gazosi, dupǎ cum urmeazǎ:

Volumul de dioxid de carbon

Dioxidul de carbon provine din arderea monoxidului de carbon, a hidrogenului sulfurat si a hidrocarburilor, dar si din compozitia insǎsi a combustibilului respectiv:

V_{CO 2} = (CO) ^anh + ∑ m(C_mH_n )^anh + (CO₂ )^anh [m_N ³ CO₂/ m³_N comb. ] (52)

Volumul de dioxid de sulf

Dioxidul de sulf rezultǎ din arderea hidrogenului sulfurat:

V_{SO 2} = ( H2S) [mN SO2/ mN comb.]

37

Volumul de azot

Volumul de azot din gazele de ardere se datoreste azotului din combustibil dar si a t

V_N^o = (N₂)^anh + 0,79V_a^o [m_N³ N₂ / m_N³ comb.]

(54)

Volumul vaporilor de apa

Volumul stoechiometric de vapori de apǎ este rezultatul arderii hidrogenului molecular, a celui sulfurat si a hidrocarburilor:

Vo_O= (H₂ ) ^anh + (H₂S)^anh + (n /2) ⋅ (C_mH_n)^anh [m³_N H₂O/m³_N comb. ] (55)

Volumul stoechiometric total de gaze de ardere uscate va fi:

(CO)^anh +(∑mC_mH_n )^anh + (CO₂)^anh + (H₂S)^anh + (N₂ )^anh + 0,79V_a^o [m³_N / m_N³ comb.]

Volumul stoechiometric total de gaze de ardere este:

(56) tt

_g^o_a=(CO) ^anh+∑[m + (n/2)](C_mH_n) ^anh+(CO₂) ^anh +

2(H₂S)^anh + N₂^anh + 0,79V_a^o + (H₂ )^anh [m_N³ / m_N³ comb.] (57)

Cǎnd nu este cunoscutǎ compozitia elementarǎ a combustibilului pot fi folosite asa numitele formule statistice pentru calculul volumelor de aer si de gaze de ardere:

V_a^o = aQ_iⁱ +b [m³_N aer / kg comb.] V_g ^o_a = cQ_iⁱ + d [m_N³ g.a./ kg comb.]

(58) (59)

In relatiile (38) si (59) Q_iⁱ , exprimatǎ in [MJ/kg] sau [MJ/m³N], este cǎldura inferioarǎ de ardere a combustibilului, iar a, b, c si d sunt constante care sunt publicate in diferite cǎrti de specialitate.

Tabelul 1

38

2. Arderea cu supliment de aer

Din cauza imperfectiunii arzatoarelor si focarelor nu pot fi realizate amestecuri omogene intre combustibil si oxidant, fapt pentru care probabilitatea de intalnire a atomilor de elemente combustibile cu atomi de oxigen este subunitara. Din acest motiv, in focare se introduce mai mult aer decat aerul minim necesar arderii, caz in care spunem ca arderea se desfasoara cu supliment de aer sau cu aer in exces.

Raportul dintre volumul de aer introdus in focar V_a si volumul de aer stoechiometric, Va se numeste raport de aer sau coeficient de exces de aer si se noteaza cu X sau cu a.

λ = V_a/Vo (60)

Valorile coeficientului excesului de aer 1 depind de o multime de factori, dintre care cei mai importanti sunt proprietatile combustibilului, modul sau de ardere si constructia focarului. Pentru focar el se noteaza cu h si are valori cuprinse in intervalul 1,05 si 1,7 si este recomandat in literatura de specialitate.

Daca notam cu D[kg abus/s] sarcina partiala a cazanului si cu D_n[kg abus/s] sarcina nominala a acestuia, pentru combustibili solizi la sarcini partiale de (50 - 70)% din cea nominala, avem:

λ _fD=λ_f+[0,7-(D/D_n)] (61)

iar pentru combustibili lichizi la sarcini de (30 - 50)% avem:

λ_fD=λ_f + 0,5[0,5-(D/D_n)] (62)

In instalatiile de ardere barometrica, circuitul gazelor de ardere este mentinut la depresiune atmosferica, pentru a preveni scaparile de gaze toxice, in special de monoxid de carbon in afara cazanului. Din acest motiv, aerul atmosferic patrunde prin neetanseitatile instalatiei, producand cresteri AXf ale raportului de aer, pe masura parcurgerii traseului gazelor de ardere. Valorile AXf variaza intre 0,02 si 0,2.

La sarcini partiale de functionare ale cazanului infiltratiile de aer fals in focar cresc dupa relatia:

Δ λ_fD=Δ λ_f(D_n /D) (5.63)

iar in celelalte zone ale canalului gazelor de ardere dupa relatia:

Δ λ_f =Δ λ(D_n/D)⁰,⁵ (5.64)

Volumul de aer de combustie este prin urmare pentru arderea cu excedent de aer,

V_a=λ_fVo (5.65)

Nu toate produsele de ardere sunt influientate de suplimentul de aer Xf , ele depinzand doar de compozitia elementara a combustibilului (CO₂, SO₂). Daca se tine cont de umiditatea aerului de combustie, x [kgH₂O/kg aer uscat], in cazul arderii cu supliment de aer se va modifica relatia de calcul pentru V^'' _{H O}. Aceasta devine:

V'_HO= p_bxλ_fVo / R_aT_aρ_{H O} [m³_N H₂O/ kg comb. ] (5.66)

si modifica in acelasi timp relatia care da volumul total de vapori de apa din gazele de ardere. Vom avea pentru arderea combustibililor masici:

39

V_HO= 22,41[(H/2)+ (W/18)]+ (p_bλ_fVox/R_aT_aρ_{H 2 O}) + (W_p /ρ_HO) [m³_N H₂O/kgcomb.]

(67) iar pentru combustibilii gazosi:

V_H2O = (H₂ )^anh + (H₂S)^an^h + (n /2)(C_mH_n )^anh + p_bxλ_fVo_a / R_aT_aρ_{H2 O} [m³_N H₂O/ m³_N comb.]

(68) Deosebit fatǎ de arderea stoechiometricǎ, datoritǎ suplimentului de aer mai apare o componentǎ in gazele de ardere, si anume volumul de oxigen liber, V_{O 2}:

V_{O 2} = 0,21( λ_f-1)Vo [m³_N O₂/ kg comb.] sau [m³_NO₂/m³_N comb.] (69)

O altǎ componentǎ al cǎrei volum se modificǎ, este volumul de azot din gazele de ardere, V_{N 2} :

- pentru combustibilii masici:

V_N = (22,41/28)N+ 0,79 λ_fVo [m³_NN₂/ kgcomb.] (70)

- pentru combustibilii gazosi:

V_N =N₂n^h +0,79λ_fVo [m³_NN₂/m³_Ncomb.] (71)

In aceste conditii, relatiile care dau volumul de gaze de ardere uscate, devin:

- pentru combustibilii masici:

V_gu =22,41[C/12) + (S_c/32) + (N/28)] + ( λ_f-0,21)Vo [m³_N/kgcomb.]

(72)

- pentru combustibilii gazosi:

V_gu = (CO)^anh+(∑mC_mH_n ) ^anh +(CO₂)^anh +(H₂S)^anh +N₂ ^anh +

+ ( λ_f-0,21)Vo_a [m³_N/m³_Ncomb.] (73)

Volumul total de gaze de ardere umede, in cazul arderii cu supliment de aer, este:

- pentru combustibilii masici:

V_ga=22,41[C/12) + (S_c/32) + (N/28) + (H/2) + (W/18)] + ( λ_f-0,21)V_ao +

+(p_bλ_fVo_ax/R_aT_aρ_{H2 O}) + (W_p/ρ_{H2 O}) [m³_N/kgcomb.] (74)

- pentru combustibilii gazosi:

V_ga = (CO)^anh +∑[m + (n/ 2)](C_mH_n )^anh + (CO₂ )^anh + 2(H₂S)^anh + N^a₂n^h + H₂ ^anh +

+( λ_f-0,21)V_ao + p_bxλ_fV_ao/R_aT_aρ_{H2 O} [m³_Nga/m³_Ncomb.] (75)

Si in cazul arderii cu supliment de aer pot fi utilizate formule statistice pentru determinarea volumului gazelor de ardere, atunci cand nu este cunoscutǎ analiza elementarǎ a combustibililor:

- pentru combustibili masici:

V_ga =0,238[b + a( λ-1)]Q_iⁱ +10-³W_ti [m³_N ga/ kgcomb.]

(76)

- pentru combustibili gazosi:

V_ga=(0,265λ + 0,034)Q_i^anh [m³_N ga/ kg comb.] (77)

40

Entalpia aerului si a gazelor de ardere

Incǎlzirea si rǎcirea gazelor de ardere in focarul si in canalelel de gaze ale generaytoarelor de abur, cu unele exceptii, are loc la presiune practic constantǎ, aproximativ egalǎ cu presiunea atmosfericǎ. Din acest motiv, in calculele termice ale agregatelor de cazan, cǎldura schimbatǎ intre fluidul calr, gazele de ardere si fluidul rece, (aer, apǎ, abur) reprezintǎ de fapt variatia de entalpie. Ca urmare, pentru proiectarea generatoarelor de abur si pentru prelucrarea rezultatelor obtinute din incercarea lor, este necesar sǎ se cunoascǎ entalpia produselor arderii, respectiv sǎ se traseze diagrama I_ga(t,λ).

La determinarea entalpiilor se utilizeazǎ cǎldurile specifice medii la presiune constantǎ raportate la unitatea de volum [kJ/m³N] in cazul aerului si a gazelor de ardere sau la unitatea de masǎ, [kJ/kg], in cazul cenusii si a zgurei.

Entalpia aerului de combustie stoechiometric este:

I_ao (t) = Vo_ai_a (t) [kJ / kg comb. sau kJ/m³_N comb. ] unde i_a(t) este entalpia specificǎ a aerului, care se determinǎ cu relatia:

i_a (t) = c_pa (t)⋅t [kJ /m_N³ ]

Entalpia aerului introdus excedentar in focar este:

I_a (t) = (λ-1)I_ao (t) [kJ / kg comb. sau kJ/m³_N comb.]

Entalpia volumului stoechiometric de gaze de ardere, o

compozitia acestora si este datǎ de relatia:

Io_ga (t ) = V_{CO 2} i_CO2 (t ) + V_H^o₂Oi_H2O (t ) + V^o_SO2i_{SO 2} (t ) + Voi_N2 (t ) [kJ / kg comb. sau kJ / m_N ³ comb.]

(81) unde i_{CO 2} (t),i_{H O}(t),i_{SO 2} (t),i_N (t) sunt entalpiile specifice ale componentelor prezente in gazele

de ardere, la temperatura t. Valorile acestora fac obiectul unor tabele specifice, prezente in literatura de specialitate.

Dacǎ se ard cǎrbuni, al cǎror continut de cenusǎ este A[%], o parte x_a din cenusǎ este antrenatǎ de gazele de ardere, ea avand entalpia:

I_cen (t) = x_a Ai_cen (t) [kJ / kg comb.]

(82)

41

In aceste conditii si dacǎ se ia in calcul si aerul suplimentar introdus pentru arderea completǎ a combustibilului cu coeficientul de exces λ , entalpia gazelor de ardere se calculeazǎ cu relatia:

I_ga(t,λ) = V_COo₀J_CO2(t) + Vo (t)+V_S ^o_{O 2} i_SO2(t)+ +Voi_N (t) + x_a(Ai /100)i_cen(t) + (λ-1)Io(t) [kJ/kgcomb.saukJ/m³_Ncomb.] (83)

In figura 8 este reprezentatǎ grafic functia I_ga(t,λ) construitǎ pentru un anumit tip de

combustibil, in cazul de fatǎ o pǎcurǎ, ,

acǎrei analizǎ este trecutǎ in diagramǎ. ^ Acest tip de diagramǎ se numeste ^ $6500 diagrama speciala I_ga(t, λ).Ea este

folositǎ mai ales pentru determinarea temperaturii gazelor de ardere de entalpie cunoscutǎ. Acest tip de diagramǎ poate fi construit numai dacǎ se cunoaste analiza elementarǎ a combustibilului.

In situatia in care compozitia elementarǎ a combustibilului nu este cunoscutǎ, se utilizeazǎ diagrama universala i (t,λ), utilizand cǎldura

de ardere a combustibilului, Q_iⁱ [kJ/kg] sau [kJ/m³N].

Aceastǎ diagramǎ se intocmeste statistic, ea reprezentand functia de temperaturǎ a entalpiei specifice a gazelor de ardere.

In locul raportului de aer λ , diagrama foloseste ca mǎrime de intrare volumul relativ de aer in exces Va^x :

V_a^{e x}=(λ-1)V_a^o100/[V_go_a+(λ-1)V_a^o]

[%]

(84) Mǎrimile V_ao si V_gao se pot determina cu relatiile statistice sau mai putin precis cu diagramele din figura 9.

Intre diagrama specialǎ I_ga(t,λ) si cea

universalǎ i_ga(t,λ) existǎ legǎtura directǎ:

I_ga(t,λ) = V_ga(λ)i_ga(t,λ) (85)

Volumul total de gaze de ardere se poate determina cu relatia:

V_ga (λ) = V_ga +(λ- 1)Vo (86)

Figura 9.

42

4. Entalpia gazelor de ardere cu recirculare

In diferite situatii, o parte Vgr din gazele de ardere sunt prelevate din focar pentru a fi folosite la uscarea si preincǎlzirea combustibilului care urmeazǎ sǎ fie introdus in focar. Dupǎ utilizare, aceste gaze sunt reintroduse in cazan, pe circuitul gazelor de ardere, intr-un loc aflat inaintea celui din care au fost

te. _V_g_ .

Aceastǎ recirculare a gazelor ~~^~~^|---- , ^gam A ^ga _>

atrage dupǎ sine modificarea valorii |_F

entalpiei gazelor de ardere. Pentru

determinarea entalpiei gazelor de

ardere in diferite portiuni ale traseului,

se incepe cu determinarea in modul

uzual a volumului V_ga si a entalpiei I_ga

a produselor de ardere Pentru Figura 10.

exemplificare, folosim desenul din

figura 10.

Dupǎ aceea, se tine seama de schimbarea provocatǎ de recirculare, proces caracterizat de factorul de recirculare r:

(87)

r =V_gr /V_ga

Pe traseul FA circulǎ volumul de gaze :

V_gam = V_ga + V_gr = (1 + r)V_ga [m³_N / kg sau m³_N/m³_N] (88)

Entalpia gazelor de ardere pe aceastǎ portiune de circuit este:

I_gan(t,λ)=I_ga(t,λ) + I_gr(t,λ) [kJ / kg sau kJ / m³_N] (89)

5. Temperatura adiabatica a gazelor de ardere

Temperatura adiabaticǎ a gazelor de ardere este o valoare teoreticǎ a temperaturii gazelor de ardere generate in focarul unui generator de abur si anume , temperatura pe care ar avea-o gazele de ardere in conditiile in care acestea nu ar schimba deloc cǎldurǎ cu peretii focarului. Acest lucru ar fi posibil dacǎ peretii focarului ar fi cǎptusti cu suprafete limitatoare perfect adiabatice.

Insǎ scopul prezentei focarului in componenta generatoarelor de abur este tocmai acela de a utiliza intr-un grad cat mai ridicat cǎldura gazelor de ardere generate, scop in care el este cǎptusit cu ecrane de tevi care sǎ fie capabile sǎ preia cat mai multǎ cǎldurǎ de la gaze. Schimbul de cǎldurǎ incepe imediat dupǎ formarea gazelor de ardere, astfel incat temperatura din focar nu va ajunge niciodatǎ la valoarea temperaturii adiabatice calculate.

Temperatura adiabaticǎ este o valoare teoreticǎ, folositǎ ca referintǎ pentru aprecierea calitǎtii arderii desfǎsuratǎ in conditii reale cu arderea care s-ar desfǎsura in conditii teoretice. Ea nu poate fi determinatǎ experimental, ci se calculeazǎ cu ajutorul entalpiei maxime a gazelor de ardere.

Pentru determinarea prin calcul a temperaturii adiabatice a gazelor de ardere considerǎm incinta unui focar delimitatǎ de suprafete adiabatice. Pentru aceastǎ incintǎ scriem o ecuatie de bilant termic intre cantitǎtile de cǎldurǎ introduse si cele evacuate, considerand temperatura de referinǎ 0oC si presiunea de referintǎ 0,1013 MPa.

43

In cazul arderii combustibililor fluizi, precum si pentru combustibilii solizi mǎcinati se poate scrie:

Q_iⁱ+i_c+W_ab ( i_ab-2510)+(1-0,01q₄)I_aum(λ ^'_p,t_p)+Q_MV =

= (1-0,01q₄)I_ga(t_ad,λ_f) + Q_5t+Q_5m+Q_5f+Q₃+Q₄ + Q₆ [kJ / kg sau MJ / m³_N]

(90) unde:

-  Q_iⁱ in [kJ/kg sau MJ/m³_N] este cǎldura inferioarǎ de ardere a combustibilului, determinatǎ pentru proba initialǎ;

-  i_o in [kJ/kg sau MJ/m³_N] este entalpia specificǎ a combustibilului la intrarea in focar;

i_c = c_ct_c [kJ / kg sau kJ / m³_N ]

-  c_c in [kJ/kg K sau kJ/m³N] este cǎldura specificǎ a combustibilului;

-  t_o [Co] este temperatura combustibilului introdus in focar;

-  W_ab [kg abur/kg comb.] este cantitatea de abur folositǎ pentru pulverizarea pǎcurii sau a prafului de cǎrbune;

-  i_ab[kJ/kg] este entalpia specificǎ a aburului introdus in focar;

-  q₄[%] reprezintǎ pierderile relative de cǎldurǎ ale cazanului datorate arderii fizic

incomplete;

-  X _p si A_f sunt rapoaetele de aer la iesirea din preincǎlzitorul de aer si respectiv in focar;

-  t"_p [oC] este temperatura aerului la iesirea din preincǎlzitor;

- I_aum( λ ^'p, t ^'p) [kJ /kg comb. sau MJ/m³_N comb.] este entalpia aerului umed de

coeficient de exces λ ^' _p si cu temperatura t corespunzǎtor unitǎtii de masǎ sau de volum de

combustibil;

-  Qmv [kJ/kg comb.] partea de energie electricǎ de antrenare a morii ventilator care trece in cǎldura inmagazinatǎ de un kilogram de cǎrbune;

-  tmax [oC] temperatura maximǎ a gazelor de ardere;

- I_ga(t_max,λ_f)[kJ/kgcomb. sau MJ/m³_N comb.] este entalpia gazelor de ardere cu

raport de aer A_f si la temperatura t_max;

- Q5t,Q5m,Q5f [kJ/kg comb. sau MJ/m³_N comb.] sunt pierderi de cǎldurǎ in exterior

prin peretii turnurilor de uscare a prafului de cǎrbune, prin peretii morii de cǎrbune si ai focarului cazanului;

-    Q₃ [kJ /kg comb. sau MJ /m³_N comb.] pierderi de cǎldurǎ datoritǎ arderii chimic incomplete;

-    Q₄ [kJ /kg comb. sau MJ /m³_N comb.] pierderi de cǎldurǎ datoritǎ arderii fizic incomplete;

44

- q₆ [kJ/kg] - pierderi de cǎldurǎ relative provocate de evacuarea la temperatura

mediului a produselor masice de ardere;

Marimea t_ad pe care trebuie sa o determinam nu poate fi explicitat& in ecuatia (90), pentru ca nu sunt cunoscute functiile analitice de temperatura ale caldurilor specifice. Pentru aflarea temperaturii maxime se pot utiliza o metoda analitica de aproximare succesiva si o metoda grafica care foloseste diagrama I_ga(t,A) construita pentru amestecul de combustibili

utilizati de cazan.

In cazul abordarii procedeului analitic, initial se adopta o valoare t_max cu care se verifica respectarea ecuatiei (90) , la nevoie procedand prin iteratie. Aceasta metoda este mai indicata atunci cand se utilizeaza calculatorul electronic. Cand se calculeaza manual, se poate utiliza diagrama specialǎ i (t,A) a amestecului de combustibili utilizati. Ecuatia (90)

se expliciteaza in functie de I_ga(t_ad,A_f) si cunoscand aceasta marime, cu ajutorul diagramei I_ga(t,A) se determina direct valoarea temperaturii t_max..

45