Calculul Caracteristicilor Tehnice și Energetice ale Gazelor Combustibile și ale Elementelor Arderii Lor

Compoziţia gazelor naturale cu care este alimentată localitatea şi conţinutul de umiditate d (kg/m3) în gaze la 0°C şi 101,3 kPa.

Nr.

poz. Compoziţia gazelor, în % d, kg/m3

CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 CO2 N2

27 93.3 4 0.6 0.4 0.3 0,1 1,3 0,0172

Parametrii de funcţionare a arzătoarelor de vatră, turbionare şi cu injector.

Nr.

poz. Arzătoare de

vatră Arzătore cu injector

Presiune joasă Presiune medie

Puterea

termică a centralei

termice

Aceşti parametri ale arzătoarelor cu injecţie de presiune joasă, prezentate în tabel, sunt prevăzute pentru dimensionarea arzătoarelor maşinilor de gătit.

1) Noţiuni generale privind arderea combustibilului gazos.

Arderea este o reacţie chimică exotermă, prin care elementele combustibile se combină rapid cu oxigenul (proces de oxidare). Din acest proces rezultă gaze de ardere, care constituie agentul purtător de căldură.

Arderea combustibilului gazos reprezintă un ansamblu de procese chimice, aerodinamice şi termice complicate. Fenomenul de ardere necesită existenţa unor procese de schimb de căldură şi masă, care pun în contact şi pregătesc amestecul de combustibil cu oxigenul, unor procese de încălzire a agenţilor care intră în reacţie, pînă la temperaturi care fac o dezvoltare suficient de rapidă a reacţiei chimice şi a unor reacţii termice, care au loc în condiţiile impuse de concentraţiile, presiunile şi temperaturile existente în spaţiul de ardere.

Procesele de schimb de masă şi căldură joacă un rol esenţial în fenomenele de aprindere, de propagare a frontului de flacără şi de stabilitate a arderii şi determină de asemenea în mare măsură dimensiunile geometrice ale flăcării (lungimea flăcării), cîmpurile de temperatură şi concentraţie în flacără, precum şi proprietăţile radiate ale acesteia.

Procesul de schimb de masă şi căldură este influenţat atît de condiţiile aerodinamice de curgere a fluidului ce reacţionează, cît şi de procesele chimice care atrag după sine schimbarea temperaturii şi compoziţiei amestecului, a proprietăţilor fizice ale agenţilor etc.

În procesul de ardere din majoritatea instalaţiilor rolul principal revine factorului fizic, deoarece la temperaturi întîlnite în focare, viteza de reacţie chimică este forte mare. Factorii fizici care determină schimbul de masă şi căldură sunt influenţaţi de procesele de difuziune, de conductivitate termică şi de viscozitate etc.

1.1 Aspectul fizic al arderii.

În general, arderea cuprinde două procese importante:

− amestecarea combustibilului cu oxigenul;

− desfăşurarea reacţiilor chimice de ardere;

Timpul necesar pentru arderea combustibilului cuprinde: τ1- timpul necesar pentru realizarea contactului fizic dintre combustibil şi oxidant, τ2- timpul pentru desfăşurarea reacţiei chimice de ardere.

În cazul în care combustibilul este amestecat cu oxidantul într-un proces separat care precedează faza de ardere, arderea se desfăşoară într-un amestec omogen, iar timpul caracteristic fazei de amestecare τ1=0.

În cazul în care, în camera de ardere combustibilul şi oxidantul sunt introduşi separat, astfel încît înainte de a se desfăşura reacţia de ardere trebuie să se producă prin difuziune contactul între combustibil şi oxidant, timpul caracteristic fazei de amestecare, denumit timp de difuziune este τ1≠0. Valoarea timpului de difuziune depinde de următorii factori:

1. regimul curgerii, realizat de jeturile de combustibil şi oxidant: laminar, turbulent, turbulent cu schimb de căldură;

2. concentraţiile relative ale substanţelor, C;

3. temperatura, T;

4. valoarea constantelor cinetice: conductivitate termică λ, W/mK cu relaţia λ(dT/dx)=-q, difuzia moleculară D, m2/s cu dependenţa de temperatură D=Do(T/To)n, difuzia termică DT, proporţională cu gradientul de temperatură dT/dx, difuzia turbulentă Dt definită de relaţia Dt= l∙u'.

După preponderenţa unuia sau celuilalt timp component se disting următoarele procese de ardere:

1) Arderea cinetică- cînd timpul necesar desfăşurării stadiului fizic al procesului τ1 este cu mult mai mic decît timpul necesar desfăşurării reacţiilor chimice τ2, pentru care τt≈τ2. Conform metodei cinetice amestecarea are loc într-un dispozitiv special, de obicei injector şi în zona de ardere se introduce amestecul pregătit gata, omogen. Flacăra este scurtă, albăstruie cu temperatura 1400-1600°C.Acest principiu de ardere se folosesc la arzătoarele de presiune joasă şi medie(3-90kPa), cu un debit de la 12-120 m3/h. Viteza totală a procesului de ardere depinde de proprietăţile fizice şi cinetice ale amestecului combustibil: energia de activare, concentraţia, coeficienţii de conductibilitate termică, temperatura şi presiunea realizată în zona de ardere. Arderea cinetică este caracterizată de o stabilitate joasă, de aceea organizarea procesului de ardere necesită utilizarea procedeelor artificiale de stabilizare a frontului de aprindere.