ΑΤΜΟΛΕΒΗΤΕΣ - ΑΤΜΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΑΤΜΟΛΕΒΗΤΕΣ - ΑΤΜΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ Η ΚΑΥΣΗ ΣΕ ΑΤΜΟΠΑΡΑΓΩΓΟΥΣ ΥΠΟ: ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΑΛΕΞΗ Διπλ/χου Ναυπηγού Μηχανολόγου Μηχανικού Ε.Μ.Π. Διδ/ρος Μηχανολόγου Μηχανικού Ε.Μ.Π. 2004

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Γενικά 2. Χαρακτηριστικές θερμοκρασίες 3. Η διεργασία της καύσης 3.1 Στοιχειομετρική Καύση 3.2 Καύση με περίσσεια αέρα 3.3 Ατελής καύση 4. Θερμογόνος δύναμη 5. Θερμοτεχνικά μεγέθη 5.1 Πυκνότητα αερίων 5.2 Ειδική θερμότητα αερίων υπό σταθερή πίεση 5.3 Θεωρητική θερμοκρασία καύσης 5.4 Πραγματική θερμοκρασία καύσης 6. Διαγράμματα καύσης Ασκήσεις

3 Η ΚΑΥΣΗ ΣΕ ΑΤΜΟΠΑΡΑΓΩΓΟΥΣ 1. Γενικά Σύμφωνα με τον Α θερμοδυναμικό νόμο, κάθε θερμική μηχανή για να λειτουργήσει είναι απαραίτητη ή ύπαρξη αφενός μίας δεξαμενής υψηλής θερμοκρασίας, απ όπου η μηχανή παραλαμβάνει θερμότητα και αφετέρου μιας δεξαμενής χαμηλής θερμοκρασίας όπου η μηχανή αποβάλλει την υπόλοιπη θερμότητα. Στη φύση δύσκολα μπορεί κανείς να συναντήσει και τις δύο παραπάνω δεξαμενές ταυτόχρονα. Έτσι εάν θέλει κάποιος να παράγει μηχανικό έργο με τη βοήθεια μιας θερμικής μηχανής θα πρέπει να διαμορφώσει τις κατάλληλες συνθήκες. Συνήθως σαν δεξαμενή αποβολής θερμότητας χρησιμοποιείται το περιβάλλον (αέρας, νερό λιμνών κ.λ.π.). Επομένως θα πρέπει να δημιουργήσουμε τεχνητά τη δεξαμενή υψηλής θερμοκρασίας. Τούτο επιτυγχάνεται με την καύση των διαφόρων καυσίμων. Με τον όρο καύση χαρακτηρίζουμε κάθε εξώθερμη χημική αντίδραση καυσίμων υλών με το οξυγόνο, που πραγματοποιείται με τόση ταχύτητα ώστε η εκλυόμενη θερμότητα να είναι τεχνικά εκμεταλλεύσιμη. Η οξείδωση π.χ. του σιδήρου στο περιβάλλον, είναι εξώθερμη χημική αντίδραση, αλλά η ταχύτητα εξέλιξης της αντίδρασης είναι σε πολύ μικρή ταχύτητα με αποτέλεσμα η εκλυόμενη θερμότητα να είναι πραγματικά μη εκμεταλλεύσιμη. Τα διάφορα καύσιμα δεν αποτελούνται αποκλειστικά από καύσιμες ύλες, που κατά βάσει είναι ο άνθρακας, το υδρογόνο και το θείο, αλλά και από αδρανή, δηλαδή ύλες που δεν μετέχουν στην καύση, όπως είναι η τέφρα στα στερεά καύσιμα ή το άζωτο και το διοξείδιο του άνθρακα στα αέρια καύσιμα. Κατά την καύση η χημική ενέργεια του καυσίμου μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Το απαιτούμενο οξυγόνο για την καύση λαμβάνεται από τον αέρα του περιβάλλοντος. Εάν υπάρχει και οξυγόνο στο καύσιμο, δεχόμαστε ότι και αυτό παίρνει μέρος στην αντίδραση της καύσης.

4 2. Χαρακτηριστικές θερμοκρασίες Για να επιτευχθεί η καύση ενός καυσίμου υλικού είναι απαραίτητη, εκτός από την παρουσία του οξυγόνου και μια πηγή έναυσης (π.χ σπινθηριστής). ΤΡΙΠΤΥΧΟ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ = ΚΑΥΣΙΜΟ ΟΞΥΓΟΝΟ ΕΝΑΥΣΗ Η οξείδωση του καυσίμου είναι πραγματοποιήσιμη σε όλες τις θερμοκρασίες, αλλά στις χαμηλές θερμοκρασίες το φαινόμενο εξελίσσεται με τόσο αργό ρυθμό ώστε η θερμότητα που εκλύεται στο περιβάλλον να μην επαρκεί για την σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας του καυσίμου. Επομένως πάνω από μία ορισμένη θερμοκρασία ή αποδιδόμενη θερμότητα από την καύση, υπερτερεί εκείνης που αποδίδεται στο περιβάλλον. Τόσο οι χημικές ιδιότητες όσο και οι φυσικές, είναι εκείνες που καθορίζουν αποφασιστικά την ταχύτητα της χημικής αντίδρασης. Υπάρχουν τρεις θερμοκρασίες που ενδιαφέρουν τη μελέτη της καύσης. Αυτές είναι: Σημείο (θερμοκρασία) ανάφλεξης Είναι η κατώτερη θερμοκρασία στην οποία αν θερμανθεί ένα καύσιμο, κάτω από ορισμένες συνθήκες, αναφλέγεται αν προσεγγίσουμε μια πηγή θερμότητας (φλόγα), αλλά δεν συνεχίζει να καίγεται όταν απομακρυνθεί η πηγή. Το σημείο ανάφλεξης είναι χρήσιμο από την άποψη της ασφάλειας του καυσίμου κατά την αποθήκευση του σε δεξαμενές. Σημείο (θερμοκρασία) καύσης Είναι η κατώτερη θερμοκρασία στην οποία αν θερμανθεί ένα καύσιμο κάτω από ορισμένες συνθήκες, αναφλέγεται αν προσεγγίσουμε μία πηγή θερμότητας και συνεχίζει να καίγεται και μετά την απομάκρυνση της πηγής. Σημείο (θερμοκρασία) αυτανάφλεξης Είναι η κατώτερη θερμοκρασία στην οποία αν θερμανθεί ένα καύσιμο αναφλέγεται κάτω από ορισμένες συνθήκες χωρίς την προσέγγιση κάποιας πηγής θερμότητας. 3. Η διεργασία της καύσης 3.1 Στοιχειομετρική καύση Με τον όρο στοιχειομετρική ή τέλεια καύση εννοούμε την καύση ενός καυσίμου με τόσο οξυγόνο όσο απαιτείται για την οξείδωση των στοιχείων του καυσίμου. Στην

5 πράξη όμως, λόγο της ύπαρξης λίγο πολύ δυσμενών συνθηκών, για να επιτευχθεί τέλεια καύση απαιτείται περίσσεια οξυγόνου (αέρα). Όσο οι συνθήκες γίνονται δυσμενέστερες, τόσο περισσότερο οξυγόνο απαιτείται για τέλεια καύση. Οι σημαντικότερες εξισώσεις που λαμβάνουν μέρος στην καύση ενός καυσίμου, ανάλογα βέβαια με τη σύστασή του, είναι: Για τον άνθρακα C C + O 2 CO 2 1m 3 C + 1m 3 O 2 1m 3 CO 2 1m 3 C + 4,762m 3 L oτ 1m 3 CO 2 + 3,762m 3 N 2 12,010 kg C + 32kg O 2 44,010kg CO 2 1kg C + 2,665kg O 2 3,665kg CO 2 1kg C + 11,48kg L oτ 3,665kg CO 2 + 8,815kg N 2 Για το υδρογόνο H 2 H O2 H 2 O 1m 3 H m 3 O 2 1m 3 H 2 O 1m 3 H 2 + 2,381m 3 L oτ 1m 3 H 2 O + 1,881m 3 N 2 1 2,016kg H kg O 2 18,016kg H 2 O 2 1kg H 2 + 7,936kg O 2 8,936kg H 2 O 1kg H ,194kg L oτ 8,936kg H 2 O + 26,258kg N 2 Για το θείο S S + O 2 SO 2 1m 3 S + 1m 3 O 2 1m 3 SO 2 1m 3 S + 4,762m 3 L oτ 1m 3 SO 2 + 3,762m 3 N 2 32,066kg S + 32kg O 2 64,066kg SO 2 1kg S + 0,998kg O 2 1,998kg SO 2 1kg S + 4,300kg L oτ 1,998kg SO 2 + 3,302kg N 2

6 Για το μονοξείδιο του άνθρακα CO CO O2 = CO 2 1m 3 CO m 3 O 2 1m 3 CO 2 1m 3 H 2 + 2,381m 3 L oτ 1m 3 CO 2 + 1,881m 3 N 2 28,010kg CO kg O 2 44,010kg CO 2 1kg CO + 0,571kg O 2 1,571kg CO 2 1kg CO + 2,460kg L oτ 1,571kg CO 2 + 1,889kg N 2 Για το υδρόθειο H 2 S H 2 S O2 = H 2 O + SO 2 1m 3 H 2 S m 3 O 2 1m 3 H 2 O + 1m 3 SO 2 1m 3 H 2 S + 7,143m 3 L oτ 1m 3 H 2 O + 1m 3 SO 2 + 5,643m 3 N 2 34,082kg H 2 S m 3 O 2 18,016kg H 2 O + 64,066kg SO 2 1kg H 2 S + 1,408kg O 2 0,529kg H 2 O + 1,880kg SO 2 1kg H 2 + 6,068kg L oτ 0,529kg H 2 O + 1,880kg SO 2 + 4,660kg N 2 Για το μεθάνιο CH 4 CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O 1m 3 CH 4 + 2m 3 O 2 1m 3 CO 2 + 2m 3 H 2 O 1m 3 CH 4 + 9,523m 3 L oτ 1m 3 CO 2 + 2m 3 H 2 O+ 7,523m 3 N 2 16,042kg CH m 3 O 2 44,010kg CO ,016kg H 2 O 1kg CH 4 + 3,990kg O 2 2,743kg CO 2 + 2,246kg H 2 O 1kg CH ,189kg L oτ 2,743kg CO 2 + 2,246kg H 2 O+ 13,199kg N 2 Για το αιθυλένιο C 2 H 4 C 2 H 4 + 3O 2 = 2CO 2 + 2H 2 O 1m 3 C 2 H 4 + 3m 3 O 2 2m 3 CO 2 + 2m 3 H 2 O 1m 3 C 2 H ,286m 3 L oτ 2m 3 CO 2 + 2m 3 H 2 O+ 11,286m 3 N 2 28,052kg C 2 H O ,010kg CO ,016kg H 2 O 1kg C 2 H 4 + 3,422kg O 2 3,138kg CO 2 + 1,284kg H 2 O 1kg C 2 H ,743kg L oτ 3,138kg CO 2 + 1,2846kg H 2 O+ 11,321kg N 2

7 Για το αιθάνιο C 2 H 6 C 2 H O2 = 2CO 2 + 3H 2 O 1m 3 C 2 H m 3 O 2 2m 3 CO 2 + 3m 3 H 2 O 1m 3 C 2 H ,667m 3 L oτ 2m 3 CO 2 + 3m 3 H 2 O+ 13,167m 3 N ,068kg C 2 H O ,010kg CO ,016kg H 2 O 2 1kg C 2 H 6 + 3,725kg O 2 2,927kg CO 2 + 1,798kg H 2 O 1kg C 2 H ,049kg L oτ 2,927kg CO 2 + 1,798kg H 2 O+ 12,324kg N 2 Για το προπάνιο C 3 H 8 C 3 H 8 + 5O 2 = 3CO 2 + 4H 2 O 1m 3 C 3 H 8 + 5m 3 O 2 3m 3 CO 2 + 4m 3 H 2 O 1m 3 C 3 H ,809m 3 L oτ 3m 3 CO 2 + 4m 3 H 2 O+ 18,809m 3 N 2 44,094kg C 3 H kg O ,010kg CO ,016kg H 2 O 1kg C 3 H 8 + 3,629kg O 2 2,994kg CO 2 + 1,634kg H 2 O 1kg C 3 H ,634kg L oτ 2,994kg CO 2 + 1,634kg H 2 O+ 12,005kg N 2 Για το βουτάνιο C 4 H C 4 H 10 + O2 = 4CO 2 + 5H 2 O 2 1m 3 13 C 4 H 10 + m 3 O 2 4m 3 CO 2 + 5m 3 H 2 O 2 1m 3 C 4 H ,952m 3 L oτ 4m 3 CO 2 + 5m 3 H 2 O+ 24,452m 3 N ,120kg C 4 H kg O ,010kg CO ,016kg H 2 O 2 1kg C 4 H ,753kg O 2 2,271kg CO 2 + 1,240kg H 2 O 1kg C 4 H ,861kg L oτ 2,271kg CO 2 + 1,240kg H 2 O+ 9,108kg N 2 Θεωρούμε ότι ο αέρας περιέχει μόνο οξυγόνο και άζωτο με τις παρακάτω συστάσεις: Κατά μάζα σύσταση: 23,21% Ο 2 76,79% Ν 2 Κατά όγκο σύσταση: 21% Ο 2 79% Ν 2

8 Από τις παραπάνω εξισώσεις καύσης για 1kg, στερεού ή υγρού και για 1Nm 3 αερίου καυσίμου, προκύπτουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά μεγέθη: Απαιτούμενος ξηρός αέρας L οt για στοιχειομετρική καύση Προσθέτουμε τις ποσότητες m 3 L οt ή kg L οt από τις αντίστοιχες εξισώσεις καύσης, αφού πολλαπλασιαστούν οι ποσότητες αυτές με την κατ όγκο σύσταση ή την κατά μάζα σύσταση του κάθε συστατικού στο καύσιμο. Εάν ο αέρας έχει υγρασία w, τότε η απαιτούμενη ποσότητα του υγρού αέρα για στοιχειομετρική καύση θα είναι: L o =L ot (1+w) Απαιτούμενο οξυγόνο Ο 2 για στοιχειομετρική καύση Προσθέτουμε τις ποσότητες m 3 O 2 ή kg O 2 από τις αντίστοιχες εξισώσεις καύσης, αφού πολλαπλασιαστούν οι ποσότητες αυτές με την κατ όγκο σύσταση ή την κατά μάζα σύσταση του κάθε συστατικού στο καύσιμο. Ο υπολογισμός του απαιτούμενου για την στοιχειομετρική καύση οξυγόνου μπορεί να υπολογιστεί και από την περιεκτικότητα του αέρα σε οξυγόνο, δηλαδή: Ο 2 = 0,2321 L oτ kg O 2 / kg καυσίμου ή Ο 2 = 0,21 L oτ m 3 O 2 / Nm 3 καυσίμου Βεβαίως εάν το καύσιμο περιέχει οξυγόνο, αυτό θα πρέπει να αφαιρείται από το απαιτούμενο οξυγόνο, διότι και αυτό προσφέρεται για την καύση. Ο 2 στα καυσαέρια Από το απαιτούμενο Ο 2 για καύση με περίσσεια αέρα, εάν αφαιρέσουμε το απαιτούμενο Ο 2 για στοιχειομετρική καύση προκύπτει το οξυγόνο στα καυσαέρια σε m 3 O 2 / Nm 3 καυσίμου ή kg O 2 / kg καυσίμου. Η 2 Ο στα καυσαέρια Ο υδρατμός στο καυσαέριο προέρχεται είτε από την καύση του καυσίμου, οπότε θα πρέπει να προσθέσουμε τις ποσότητες m 3 H 2 O ή kg H 2 O από τις αντίστοιχες εξισώσεις καύσης, αφού πολλαπλασιαστούν οι ποσότητες αυτές με την κατ όγκο σύσταση ή την κατά μάζα σύσταση του κάθε συστατικού στο καύσιμο. Είτε από την υγρασία του αέρα, οπότε θα πρέπει να πολλαπλασιάσουμε την υγρασία του αέρα w με την απαιτούμενη ποσότητα αέρα για την στοιχειομετρική καύση L οt ή

9 για περίσσεια αέρα L T. Κατόπιν αυτού θα πρέπει να προσθέσουμε τις δύο προκύπτουσες ποσότητες υδρατμών. CO 2 στα καυσαέρια Προσθέτουμε τις ποσότητες m 3 CO 2 ή kg CO 2 από τις αντίστοιχες εξισώσεις καύσης αφού οι ποσότητες αυτές με την κατ όγκο σύσταση ή την κατά μάζα σύσταση του κάθε συστατικού στο καύσιμο. SO 2 στα καυσαέρια Προσθέτουμε τις ποσότητες m 3 SO 2 ή kg SO 2 από τις αντίστοιχες εξισώσεις καύσης αφού οι ποσότητες αυτές με την κατ όγκο σύσταση ή την κατά μάζα σύσταση του κάθε συστατικού στο καύσιμο Ν 2 στα καυσαέρια Το άζωτο στο καυσαέριο προέρχεται είτε από την καύση του καυσίμου, οπότε θα πρέπει να προσθέσουμε τις ποσότητες m 3 ΝO 2 ή Kg ΝO 2 από τις αντίστοιχες εξισώσεις καύσης, αφού πολλαπλασιαστούν οι ποσότητες αυτές με την κατ όγκο σύσταση ή την κατά μάζα σύσταση του κάθε συστατικού στο καύσιμο. Είτε από το ίδιο το καύσιμο, οπότε θα πρέπει να προσθέσουμε τις δύο προκύπτουσες ποσότητες αζώτου. Βέβαια το άζωτο που προέρχεται από την καύση του καυσίμου μπορεί να υπολογιστεί και από τον απαιτούμενο αέρα καύσης για στοιχειομετρική καύση αφού πολλαπλασιαστεί με την περιεκτικότητα του αζώτου στον αέρα. Τέλος η συνολική ποσότητα καυσαερίων και η σύστασή του, υπολογίζεται από το άθροισμα των επιμέρους συστατικών που προκύπτουν τόσο για το ξηρό καυσαέριο (χωρίς υγρασία) όσο και για υγρό καυσαέριο. 3.2 Καύση με περίσσεια αέρα Όπως αναφέρθηκε παραπάνω για να επιτευχθεί στην πράξη η διαδικασία της καύσης απαιτείται οξυγόνο (αέρας) σε ποσότητα μεγαλύτερη από αυτή που καθορίζουν οι εξισώσεις της καύσης (στοιχειομετρική καύση). Απαιτούμενος πραγματικός αέρας L T ή L (περίσσεια αέρα) Καλούμε λόγο αέρα καύσης λ, το πηλίκο του πραγματικά απαιτούμενου αέρα προς τον απαιτούμενο για τέλεια καύση αέρα, δηλαδή:

10 LT L λ = η& λ LT = λlot L = ot L (m 3 αέρα/nm 3 καυσίμου ή kg αέρα /kg καυσίμου ) o Οι τιμές του λόγου αέρα καύσης ποικίλει ανάλογα με το είδος του καυσίμου και τις συνθήκες της καύσης. Ενδεικτικές τιμές του λ Στερεά καύσιμα 1,2-2,0 Υγρά καύσιμα 1,2-1,4 Αέρια καύσιμα 1,1-1,2 Εάν δεν είναι γνωστή η σύσταση του καυσίμου, μπορεί κανείς να εκτιμήσει προσεγγιστικά τον απαιτούμενο για τη στοιχειομετρική καύση αέρα με τη βοήθεια της κατωτέρας θερμογόνου δύναμης Hu από τις παρακάτω σχέσεις: Στερεά καύσιμα (κατά Boile): 3 Hu+ 550 Lo(Nm /kg) = 990 Υγρά καύσιμα (κατά Boile): 3 Hu Lo(Nm /kg) = 808 Αέριο πόλεως, φωταέριο (κατά Rummel): 3 3 1, Hu 239 Lo(Nm /Nm ) = Φυσικά αέρια (κατά Rosing & Fehling): L o (Nm 3 /Nm 3 ) = 1, Hu 0,25 Στις δύο πρώτες περιπτώσεις η Hu σε (kcal/kg) και στις δύο άλλες σε (kcal/nm 3 ).

11 Εάν ο αέρας έχει υγρασία w, τότε η απαιτούμενη ποσότητα του υγρού πλέον αέρα θα είναι: L = L T (1+w) Η 2 Ο στα καυσαέρια Θα πρέπει να προσθέσουμε τον υδρατμό που προέρχεται από την στοιχειομετρική καύση και το γινόμενο της υγρασίας του αέρα (εάν υπάρχει) επί την πραγματική ποσότητα του αέρα καύσης L T. N 2 στα καυσαέρια Θα πρέπει να προσθέσουμε το άζωτο που προέρχεται από τον απαιτούμενο αέρα για την πραγματική καύση και που υπολογίζεται από την περιεκτικότητα του αέρα σε άζωτο, και από την ποσότητα του αζώτου στο καύσιμο. Τα υπόλοιπα συστατικά της καύσης με περίσσεια αέρα είναι τα ίδια με την στοιχειομετρική καύση. Οι δε συνολικές ποσότητες και η σύσταση τους εκτιμώνται κατ ανάλογο με τη στοιχειομετρική καύση τρόπο. Μέγιστη περιεκτικότητα του καυσαερίου σε CO 2 kg [ kg καυσαερίων καυσίμου ] kgco kg 2 καυσίμου στοιχειομετρικηκαυσημεξηροαερα Μέγιστη περιεκτικότητα του καυσαερίου σε SO 2 kg [ kg καυσαερίων καυσίμου ] kgso kg 2 καυσίμου στοιχειομετρικηκαυσημεξηροαερα

12 Λόγος καυσαερίου αέρα kg [ kg kg [ kg καυσαερίου καυσίμου αέρα καυσίμου ] ] στοιχειομετρικηκαυσημεξηροαερα στοιχειομετρικηκαυσημεξηροαερα Οι παραπάνω λόγοι μπορούν να αναφέρονται και σε (m 3 /kg καυσίμου ).Κατόπιν αυτών ο λόγος αέρα καύσης μπορεί να εκτιμηθεί προσεγγιστικά από τη σχέση: max CO2% λ = πραγματικόco ή εάν είναι γνωστή η κατ όγκο περιεκτικότητα του Ο 2 στα καυσαέρια, τότε προσεγγιστηκά ισχύει: 89 Ο2% λ = 89 4,76Ο % 2 ή 2 % 21 λ = 21 Ο 2 % 3.3 Ατελής καύση Όταν υπάρχει έλλειψη οξειδωτικού μέσου ή γενικά οι συνθήκες της καύσης δεν ευνοούν την καλή ανάμειξη του καυσίμου με το οξειδωτικό μέσο (μη ικανοποιητικός διασκορπισμός λόγο χαμηλής θερμοκρασίας και πίεση προσαγωγής του καυσίμου στην εστία) ή η θερμοκρασία των τοιχωμάτων του θαλάμου καύσης χαμηλή, τότε θα έχομε ατελή καύση του καυσίμου και τα προϊόντα της καύσης θα επιδέχονται παραπέρα ένωση με το Ο 2. Επομένως σε μια ατελή καύση δεν εκμεταλλευόμαστε τη χημική ενέργεια του καυσίμου και οι απώλειες αυξάνουν. Παράδειγμα 1 Να υπολογιστούν οι χαρακτηριστικές ποσότητες καύσης, υγρού καυσίμου (Bunker C) με κατά μάζα σύσταση: C 87,75% H 10,50% S 1,20% O 2 0,40% N 2 0,15%

13 Λόγος αέρα καύσης λ=1,2 και υγρασία του αέρα 0,01 kg/kg Απαιτούμενος αέρας για στοιχειομετρική καύση L οt =0, , ,194 0, ,3 0,012 =13,715 kg αέρα /kg καυσίμου (ξηρός αέρας) L ο =13,715 (1 + 0,01)=13,852 kg αέρα /kg καυσίμου (υγρός αέρας) Απαιτούμενος πραγματικός αέρας (περίσσεια αέρα) L T =1,2 13,715=16,452 kg αέρα /kg καυσίμου (ξηρός αέρας) L=16,452 (1+0,01)=16,616 kg αέρα /kg καυσίμου (υγρός αέρας) Ο 2 στα καυσαέρια Απαιτούμενο Ο 2 για στοιχειομετρική καύση: Ο 2 =0, ,715=3,183 kg O 2 /kg καυσίμου (ξηρός αέρας) Ο 2 =0, ,852=3,215 kg O 2 /kg καυσίμου (υγρός αέρας) Απαιτούμενο Ο 2 για καύση με περίσσεια αέρα: Ο 2 =0, ,452=3,818 kg O 2 /kg καυσίμου (ξηρός αέρας) Ο 2 =0, ,616=3,856 kg O 2 /kg καυσίμου (υγρός αέρας) Η διαφορά δίνει: 3,818-3,183-0,004=0,631kg O 2 /kg καυσίμου (ξηρός αέρας) 3,856-3,215-0,004=0,637kg O 2 /kg καυσίμου (υγρός αέρας) Η 2 Ο στα καυσαέρια Από το καύσιμο: Η 2 Ο=0,105 8,936=0,938 kg Η 2 O/kg καυσίμου Από την υγρασία του αέρα (προφανώς του υγρου αέρα): Η 2 Ο=0,01 13,852=0,138 kg Η 2 O/kg καυσίμου (στοιχειομετρική καύση)

14 Η 2 Ο=0,01 16,616=0,166 kg Η 2 O/kg καυσίμου (περίσσεια αέρα) Επομένως ο συνολικός υδρατμός θα είναι: Η 2 Ο=0,938+0,138=1,076 kg Η 2 O/kg καυσίμου (στοιχειομετρική καύση) Η 2 Ο=0,938+0,166=1,104 kg Η 2 O/kg καυσίμου (περίσσεια αέρα) CO 2 στα καυσαέρια CO 2 =0,8775 3,665=3,216 kg CO 2 /kg καυσίμου SO 2 στα καυσαέρια SO 2 =0,012 1,998=0,024 kg SO 2 /kg καυσίμου N 2 στα καυσαέρια Από την καύση του καυσίμου: Ξηρό καυσαέριο Ν 2 =0, ,715=10,532 kg Ν 2 /kg καυσίμου (στοιχειομετρική καύση) Ν 2 =0, ,452=12,633 kg Ν 2 /kg καυσίμου (περίσσεια αέρα) Υγρό καυσαέριο Ν 2 =0, ,852=10,637 kg Ν 2 /kg καυσίμου (στοιχειομετρική καύση) Ν 2 =0, ,616=12,759 kg Ν 2 /kg καυσίμου (περίσσεια αέρα) Από το καύσιμο: Ν 2 =0,0015 kg Ν 2 /kg καυσίμου Επομένως το συνολικό άζωτο θα είναι: Ξηρό καυσαέριο Ν 2 =10,532+0,0015=10,533 kg Ν 2 /kg καυσίμου (στοιχειομετρική καύση) Ν 2 =12,633+0,0015=12,634 kg Ν 2 /kg καυσίμου (περίσσεια αέρα) Υγρό καυσαέριο Ν 2 =10,637+0,0015=10,638 kg Ν 2 /kg καυσίμου (στοιχειομετρική καύση) Ν 2 =12,759+0,0015=12,760 kg Ν 2 /kg καυσίμου (περίσσεια αέρα)

15 Ξηρό καυσαέριο λ 1 Συστατικό kg../kg καυσίμου % CO 2 3,216 23,35 SO 2 0,024 0,17 N 2 10,533 76,48 1,2 Σύνολο 13, CO 2 3,216 19,48 SO 2 0,024 0,15 O 2 0,631 3,82 N 2 12,634 76,55 Σύνολο 16, Υγρό καυσαέριο λ 1 1,2 Συστατικό kg../kg καυσίμου % CO 2 3,216 21,50 SO 2 0,024 0,16 N 2 10,638 71,14 Η 2 Ο 1,076 7,20 Σύνολο 14, CO 2 3,216 18,13 SO 2 0,024 0,14 Η 2 Ο 1,104 6,21 O 2 0,637 3,58 N 2 12,76 71,94 Σύνολο 17,

16 4. Θερμογόνος δύναμη Τα χημικά στοιχεία τα οποία περιέχονται στα καύσιμα και συμμετέχουν στην καύση είναι κυρίως ο άνθρακας και το υδρογόνο και δευτερεύοντος το θείο. Τα στοιχεία αυτά αντιδρώντα με το οξυγόνο παρέχουν θερμότητα. Η θερμότητα αυτή η οποία εκλύεται ανά μονάδα βάρους (kg) των στερεών και των υγρών καυσίμων και ανά μονάδα όγκου (Νm 3 ) 1 των αερίων καύσιμων, καλείται θερμογόνος δύναμη. Ο προσδιορισμός της θερμογόνου δύναμης γίνεται με τη βοήθεια του θερμιδομετρικού όλμου, με καύση υπό σταθερό όγκο ή σταθερή πίεση και σύμφωνα με τα πρότυπα της A.S.T.M. ή του I.P. Είναι όμως δυνατόν να εκτιμηθεί η θερμογόνος δύναμη των καυσίμων από εμπειρικές σχέσεις που έχουν δημοσιευθεί, όπως στην περίπτωση των υγρών καυσίμων και των λιθανθράκων, με τη βοήθεια της κατά μάζας σύστασης: Hu= c h s n o w (kj/kg) Διακρίνουμε την ανώτερη θερμογόνο δύναμη (Ηo) και την κατώτερη θερμογόνο δύναμη (Ηu). Η ανώτερη θερμογόνος δύναμη υπερβαίνει την τιμή της κατώτερης θερμογόνου δύναμης κατά το ποσό της θερμότητας που αντιστοιχεί στην θερμότητα υγροποίησης του νερού που υπάρχει στο καυσαέριο. Στους Πίνακες 4.1, 4.2 και 4.3 παρουσιάζεται η θερμογόνος δύναμη στερεών, υγρών και αερίων καυσίμων. Καύσιμοι Γαιάνθρακες Λιγνίτες ή Φαιάνθρακες Τύρφη Λιγνίτης Λιθάνθρακες Πισσούχος άνθρακας Ανθρακίτης 1 [Nm 3 : normal m 3, δηλαδή σε θερμοκρασία 0 C ή 25 C και πίεση 1013mbar]

17 Πίνακας 4.1 Ενδεικτικές τιμές θερμογόνου δύναμης στερεών καυσίμων (kj/kg) (ελεύθερα τέφρας και υγρασίας) Καύσιμο Ηο Ηu Τύρφη Λιγνίτης Πισσούχοι Άνθρακες Ανθρακίτης Λιγνίτης Πτολεμαίδος Λιγνίτης Μεγαλούπολης Λιγνίτης Αλιβερίου Πίνακας 4.2 Ενδεικτικές τιμές θερμογόνου δύναμης υγρών καυσίμων (kj/kg) (ελεύθερα τέφρας και υγρασίας) Καύσιμο Ηο Ηu Βενζίνη Diesel Πολύ ελαφρό πετρέλαιο (EL) Ελαφρό πετρέλαιο (L) Μέσο πετρέλαιο (Μ) Βαρύ πετρέλαιο (S) Πίνακας 4.3 Ενδεικτικές τιμές θερμογόνου δύναμης αερίων καυσίμων (kj/νm 3 ) Καύσιμο Ηο Ηu Προπάνιο Βουτάνιο Φωταέριο Φ.Α. Δ. Γερμανίας Φ.Α. Γαλλίας Φ.Α. Ιταλίας Φ.Α. Ολλανδίας Φ.Α. Ρωσίας Φ.Α. Αλγερίας Φ.Α. USA 36200

18 5. Θερμοτεχνικά μεγέθη 5.1 Πυκνότητα αερίων Η πυκνότητα μίγματος αερίων, όπως είναι τα καύσιμα αέρια ή τα προϊόντα της καύσης, υπολογίζονται από τη σχέση: ρ ο = Σy i ρ i όπου y i η κατ όγκο αναλογία του i αερίου που συμμετέχει στο μίγμα και ρi η πυκνότητα του αερίου αυτού, λαμβανόμενη από τον Πίνακα 4.4, για θερμοκρασία 0 ο C και πίεση 1,0132 bar. Εάν θέλουμε να υπολογίσουμε την πυκνότητα σε άλλη θερμοκρασία αλλά για την αυτή πίεση τότε: ρo ρ = t ( o C) ,15 Εάν έχουμε μεταβολή της πίεσης, τότε από την καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων, προκύπτει: ρ = ρ O P P O TO = ρ T O P(bar) 1, ,15 T(K) Πίνακας 4.4 πυκνότητες αερίων Συστατικό ρ (kg/m 3 ) 0 C / 1,0132 bar Οξυγόνο Ο 2 1,429 Άζωτο Ν 2 1,25 Υδρογόνο Η 2 0,0898 Μονοξείδιο άνθρακα CO 1,25 Διοξείδιο άνθρακα CO 2 1,977 Αέρας - 1,293 Διοξείδιο θείου SO 2 2,93 Βαρείς υδρογονάνθρακες C nh m 1,252 Μεθάνιο CH 4 0,717 Ασετυλίνη C 2H 2 1,17 Αιθυλένιο C 2H 4 1,26 Αιθάνιο C 2H 6 1,356 Ατμοί βενζολίου C 6H 6 3,48 Υδρατμός H 2O 0,804

19 5.2 Μέση ειδική θερμότητα αερίων υπό σταθερή πίεση Η μέση ειδική θερμότητα αερίων υπό σταθερή πίεση μεταξύ των θερμοκρασιών 0 C και t C και πίεση 0bar, δίνονται στον Πίνακα σε (kj/kgk) και για πίεση 1atm στον Πίνακα σε (kj/nm 3 K). Πίνακας Ειδική θερμότητα αερίων υπό σταθερή πίεση (kj/kgk) T ( o C) Αέρας Ν 2 Ο 2 CO CO 2 H 2 H 2O SO 2 0 1,004 1,040 0,914 1,040 0,818 1,858 1,858 0, ,010 1,042 0,934 1,044 0,916 1,891 1,891 0, ,025 1,051 0,963 1,059 0,995 1,939 1,939 0, ,045 1,069 0,995 1,080 1,060 1,999 1,999 0, ,069 1,092 1,024 1,106 1,115 2,062 2,062 0, ,093 1,116 1,049 1,132 1,158 2,130 2,130 0, ,116 1,140 1,068 1,158 1,196 2,201 2,201 0, ,136 1,162 1,085 1,180 1,228 2,274 2,274 0, ,155 1,181 1,100 1,200 1,254 2,344 2,344 0, ,171 1,199 1,113 1,216 1,277 2,413 2,413 0, ,185 1,216 1,123 1,231 1,296 2,481 2,481 0, ,198 1,229 1,133 1,245 1,312 2,543 2,543 0, ,210 1,241 1,140 1,255 1,327 2,601 2,601 0, ,218 1,252 1,148 1,264 1,341 2,654 2,654 0, ,217 1,261 1,156 1,273 1,351 2,703 2,703 0, ,235 1,269 1,164 1,281 1,361 2,750 2,750 0, ,243 1,277 1,170 1,288 1,369 2,791 2,791 0, ,250 1,283 1,178 1,294 1,377 2,834 2,834 0, ,256 1,289 1,186 1,298 1,384 2,868 2,868 0, ,261 1,293 1,194 1,303 1,390 2,903 2,903 0, ,266 1,298 1,201 1,307 1,396 2,936 2,936 0, ,270 1,302 1,207 1,312 1,402 2,963 2, ,275 1,307 1,214 1,315 1,406 2,989 2, ,279 1,311 1,220 1,318 1,411 3,012 3, ,283 1,314 1,225 1,321 1,415 3,033 3, ,288 1,317 1,232 1,324 1,419 3,052 3, ,292 1,320 1,237 1,327 1,423 3,070 3, ,25 1,323 1,243 1,330 1,426 3,084 3, ,298 1,326 1,249 1,332 1,430 3,098 3, ,300 1,328 1,254 1,332 1,434 3,112 3, ,304 1,329 1,259 1,335 1,438 3,072 3,126

20 Πίνακας Εδική θερμότητα αερίων υπό σταθερή πίεση (kj/nm 3 K). T ( C) Αέρας Ν 2 Ο 2 CO CO 2 H 2 H 2O SO 2 0 1,298 1,302 1,306 1,302 1,608 1,281 1,491 1, ,302 1,302 1,319 1,302 1,712 1,294 1, ,311 1,306 1,336 1,306 1,805 1,298 1,516 1, ,319 1,315 1,357 1,319 1,880 1,302 1, ,331 1,323 1,378 1,331 1,943 1,302 1,558 2, ,344 1,336 1,398 1,344 2,010 1,306 1, ,357 1,348 1,419 1,357 2,060 1,311 1,608 2, ,373 1,357 1,436 1,373 2,106 1,315 1, ,386 1,373 1,453 1,390 2,148 1,319 1,662 2, ,398 1,386 1,465 1,403 2,186 1,323 1, ,411 1,398 1,478 1,415 2,219 1,331 1,717 2, ,424 1,411 1,491 1,428 2,253 1,336 1, ,436 1,424 1,503 1,440 2,278 1,344 1,767 2, ,445 1,432 1,516 1,449 2,303 1,352 1, ,453 1,445 1,524 1,457 2,328 1,361 1,817 2, ,465 1,453 1,532 1,465 2,345 1,369 1, ,474 1,461 1,541 1,474 2,366 1,373 1,859 2, ,478 1,470 1,545 1,482 2,382 1,382 1, ,486 1,478 1,558 1,491 2,399 1,390 1,905 2, ,495 1,482 1,566 1,499 2,412 1,398 1, ,499 1,491 1,574 1,503 2,428 1,407 1,943 2, ,507 1,495 1,578 1,512 2,441 1,415 1, ,512 1,503 1,583 1,516 2,454 1,424 1, ,516 1,512 1,591 1,524 2,466 1,432 2, ,520 1,512 1,599 1,528 2,475 1,440 2, ,528 1,520 1,604 1,532 2,483 1,445 2, ,532 1,528 1,612 1,541 2,491 1,453 2, ,537 1,528 1,616 1,545 2,500 1,457 2, ,541 1,537 1,620 1,545 2,508 1,465 2, ,545 1,541 1,629 1,549 2,516 1,474 2, ,549 1,545 1,637 1,553 2,525 1,478 2,098 Για τον υπολογισμό της ειδικής θερμότητας υπό σταθερή πίεση μίγματος αερίων που συνηστούν τα καυσέρια, χρησιμοποιείται η σχέση: c p = y i c pi

21 όπου y i η κατά μάζα ή η κατ όγκο σύσταση του ι αερίου που συμμετέχει στο μίγμα και c pi η ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση του αερίου αυτού, λαμβανόμενη από τους Πίνακες και 5.2.2, αντίστοιχα. 5.3 Θεωρητική θερμοκρασία καύσης (θερμοκρασία φλόγας) Για την εκτίμηση της θερμοκρασίας της φλόγας υπάρχουν διάφοροι μέθοδοι λιγότερο η περισσότερο ακριβείς, υπολογιστικοί ή μέσω νομογραφημάτων. Εδώ αναφέρουμε μία υπολογιστική μέθοδο στην οποία θεωρούμε ότι η καύση είναι ακαριαία, χωρίς απώλειες προς το περιβάλλον, δηλαδή ότι όλη η θερμική ενέργεια του καυσίμου μίγματος παραλαμβάνεται από τα καυσαέρια. Η μέθοδος αυτή ισχύει γενικώς για θερμοκρασίες φλόγας μικρότερες των 1600 C, που είναι και οι περισσότερες περιπτώσεις στην πράξη, μιας και ποσό θερμότητας της τάξεως του 10% αποβάλλεται άμεσα προς το περιβάλλον. Με βάση τα παραπάνω, η θεωρητική θερμοκρασία της φλόγας σε C είναι: Συνολική προσδιδόμενη θερμότητα ανά kg καυσίμου Θερμοπεριεκτικότητα των καυσίμων ανά C και ανά kg καυσίμου Η συνολική προσδιδόμενη θερμότητα ανά kg καυσίμου είναι: Η κατώτερη θερμογόνος δύναμη του καυσίμου Η θερμότητα του καυσίμου λόγο προθέρμανσης του (0 C t C) Η θερμότητα του αέρα καύσης λόγο προθέρμανσης του (0 C t C) Επομένως είναι φανερό ότι με την προθέρμανση του αέρα καύσης και του καυσίμου αυξάνει η θερμοκρασίας της φλόγας. Επίσης όσο μικρότερος είναι ο λόγος αέρα καύσης τόσο μεγαλύτερη θα είναι η θερμοκρασία της φλόγας. Η θερμοπεριεκτικότητα των καυσαερίων ανά C, ορίζεται ως η θερμότητα που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων κατά 1 C και είναι το άθροισμα των γινομένων της ποσότητας κάθε συστατικού των καυσαερίων επί την ειδική θερμότητα καθενός απ αυτά. Για την καλύτερη κατανόηση παραθέτουμε το Παράδειγμα 2.

22 Παράδειγμα 2 Θεωρούμε το καύσιμο του παραδείγματος 1 με λόγο αέρα καύσης λ=1,2. Προθέρμανση του αέρα καύσης στους 300 C. Προθέρμανση του καυσίμου στους 100 C. Επειδή η μέση ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση μεταβάλλεται με την θερμοκρασία από 0 C έως t C, λαμβάνουμε μια τυχαία θερμοκρασία t=1700 C την οποία θα επαληθεύσουμε εάν είναι σωστή με την παραπάνω μεθοδολογία: Κατώτερη θερμογόνος δύναμη: Προσφερόμενη θερμότητα του αέρα καύσης: Προσφερόμενη θερμότητα του καυσίμου: Σύνολο προσφερόμενης θερμότητας: kj/kg 1,045 kj/kg C 300 C=313,5 kj/kg 2,1 kj/kg C 100 C=210 (kj/kg) 41223,5 kj/kg Συστατικό Ποσότητα (kg/kg) Θερμότητα (kj/kg C) CO 2 3,216 3,216 1,377=4,428 SO 2 0,024 0,024 0,870=0,021 H 2 O 1,104 1,104 2,833=3,128 N 2 12,760 12,760 1,283=16,731 O 2 0,637 0,637 1,178=0,750 Σύνολο: 25,06 Επομένως η θερμοκρασία της φλόγας θα είναι: 41223,5 = 1645 C 25,06 Διόρθωση: Με τη θερμοκρασία αυτή το νέο συνολικό ποσό θερμότητας ανά kg καυσίμου και C είναι 24,62 kj/kg C επομένως η περισσότερο ακριβής τιμή είναι 1677 C.

23 6. Διαγράμματα καύσης Διαγράμματα καύσης ή διαγράμματα ενθαλπίας καυσαερίων h ή διαγράμματα θερμοπεριεκτικότητας καυσαερίων, σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία t, για διάφορες τιμές του λόγου αέρα, είναι πολύ χρήσιμα για τον υπολογισμό ενός συστήματος καύσης. Από τις θερμοκρασίες των καυσαερίων σε διάφορες θέσεις μπορούμε να εκτιμήσουμε τα ποσά θερμότητας που αποδίδει το καυσαέριο σε συγκεκριμένα τμήματα του συστήματος καύσης (κατανομή θερμότητας). Λόγο μεταβολής της θερμογόνου δύναμης με τη σύσταση του καυσίμου, κάθε διάγραμμα αφορά ένα συγκεκριμένο καύσιμο. Για την καλύτερη κατανόηση της κατασκευής του διαγράμματος καύσης ενός καυσίμου παραθέτουμε το Παράδειγμα 3. Παράδειγμα 3 Ας θεωρήσουμε το καύσιμο του παραδείγματος 1 με κατώτερη θερμογόνο δύναμη Hu =40700 kj/kg. Προθέρμανση του αέρα καύσης στους 300 C και του καυσίμου στους 100 C. Για στοιχειομετρική καύση: Απαιτούμενος αέρας για υγρό καυσαέριο 14,954 kg αέρα /kg καυσίμου και για ξηρό καυσαέριο 13,852 kg αέρα /kg καυσίμου. Τα προϊόντα της καύσης είναι: CO 2 =3,216 kg/kg H 2 O=1,076 kg/kg SO 2 =0,024 kg/kg N 2 =10,638 kg/kg Κατασκευάζουμε με τη βοήθεια του Πίνακα τον παρακάτω πίνακα:

24 100 C 500 C 1000 C CO 2 3, ,916=294,6 3, =1862,1 3, ,296=4167,9 H 2O 1, ,891=203,5 1, ,130=1145,9 1, ,481=2669,5 SO 2 0, ,651=1,6 0, ,790=9,5 0, ,846=20,3 N 2 10, ,042=1108,5 10, ,116=5936,0 10, ,216=12935,8 Σύνολο 1608,0 (kj/kg) 8953,4 (kj/kg) 19793,5 (kj/kg) 1500 C 1800 C 3, ,361=6565,5 3, ,384=8011,7 1, ,750=4438,5 1, ,868=5554,7 0, ,865=31,1 0, ,872=37,7 10, ,269=20249,4 10, ,289=24682, ,5 (kj/kg) 38286,2 (kj/kg) Για περίσσεια αέρα καύσης λ=1,2: Απαιτούμενος αέρας: 17,741 (kg/kg) Τα προϊόντα της καύσης είναι: CO 2 =3,216 kg/kg H 2 O=1,104 kg/kg SO 2 =0,024 kg/kg N 2 =12,760 kg/kg Ο 2 =0,637 kg/kg Κατασκευάζουμε με τη βοήθεια του Πίνακα τον παρακάτω πίνακα: 100 C 500 C 1000 C CO 2 3, ,916=294,6 3, =1862,1 3, ,296=4167,9 H 2O 1, ,891= , ,130=1175,7 1, ,481=2739,0 SO 2 0, ,651=1,6 0, ,790=9,5 0, ,846=20,3 N 2 12, ,042=1329,6 12, ,116=7120,1 12, ,216=15516,2 Ο 2 0, ,934=59,5 0, ,049=334,1 0, ,123=715,3 Σύνολο 1893,9 (kj/kg) 10501,5 (kj/kg) 23158,7 (kj/kg) 1500 C 1800 C 3, ,361=6565,5 3, ,384=8011,7 1, ,750=4554,0 1, ,868=5699,3 0, ,865=31,1 0, ,872=37,7 12, ,269=24805,4 12, ,289=29605,8 0, ,164=1112,2 0, ,186=1359, ,2 (kj/kg) 44714,3 (kj/kg)

25 Με τη βοήθεια των τιμών και των δύο πινάκων κατασκευάζουμε το διάγραμμα καύσης του Σχήματος 6.1 Η θερμοπεριεκτικότητα του αέρα καύσης είναι: 1,045kJ/kg C (300-0) C =313,5 kj/k Θερμοπεριεκτικότητα καυσαερίων (kj/kg) Θερμοκρασία καυσαερίων t ( C) (1) λ=1,2 λ=1,0 (2) (1)Στοιχείο ατμοποίησης (3) (2)Υπερθερμαντήρας (3)Προθερμαντήρας αέρα καύσης (4) (4)Οικονομητήρας Σχήμα 6.1 -Διάγραμμα καύσης υγρού καυσίμου (Bunker C) -Διάγραμμα απορρόφησης της θερμότητας στα διάφορα τμήματα του ατμολέβητα Η προσφερόμενη θερμότητα των καυσίμων είναι: 2,1 kj/kg C. (100-0) C=210 kj/kg (2,1 (kj/kgk) είναι μια χονδρική τιμή της ειδικής θερμότητας του καυσίμου) Επομένως η συνολικά προσφερόμενη θερμότητα στον ατμολέβητα είναι: ( ,5+210=41223,5 kj/kg) Πολλές φορές η προσφερόμενη θερμότητα του αέρα καύσης και του καυσίμου δεν λαμβάνονται υπόψιν, λόγο μικρής τιμής. Στη συνέχεια υποθέσουμε ότι έχουμε μια εγκατάσταση ατμολέβητα ακτινοβολίας με τις εξής μετρηθείσες θερμοκρασίες:

26 Θερμοκρασία καυσαερίων στην έξοδο της εστίας: 1200 C Θερμοκρασία καυσαερίων στην είσοδο του υπερθερμαντήρα: 1200 C Θερμοκρασία καυσαερίων στην έξοδο του υπερθεμαντήρα: 700 C Θερμοκρασία καυσαερίων στην είσοδο του προθερ αέρα καύσης: 650 C Θερμοκρασία καυσαερίων στην έξοδο του προθερ αέρα καύσης: 400 C Θερμοκρασία καυσαερίων στην είσοδο του οικονομητήτρα: 350 C Θερμοκρασία καυσαερίων στην έξοδο του οικονομητήρα: 200 C Θερμοκρασία καυσαερίων στη βάση της καπνοδόχου: 200 C Θερμοκρασία περιβάλλοντος: 20 C Μετρηθέν CO 2 : 19,46% Ο λόγος αέρα εκτιμάται από τη σχέση: maxco % λ = 2 πραγματικόco2% 3,216 max CO 2 % = 100 = 23,35% 13,773 23, 35 Επομένως λ = = 1, 2 19, 46 Κατόπιν αυτών από το διάγραμμα καύσης του συγκεκριμένου καυσίμου, κινούμενοι επί της καμπύλης λ=1,2 και με δεδομένες τις παραπάνω θερμοκρασίες, μπορούμε να υπολογίσουμε τα ποσά θερμότητας που μεταφέρονται από το καυσαέριο στα διάφορα τμήματα του ατμολέβητα C 700 C 400 C 650 C 350 C 200 C Σ.Α. Υ.Θ. Π.Α.Κ. ECO ΕΣΤΙΑ ΚΑΠΝΟΔΟΧΟΣ Ποσό θερμότητας που μεταφέρθηκε στο στοιχείο ατμοποίησης (μέσα στην εστία): 41223, =12583,5 kj/kg

27 ή 12583,5/40700=0,3092 ή 30,92% της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου Ποσό θερμότητας που μεταφέρθηκε στον υπερθερμαντήρα: =13020 kj/kg ή 31,99% της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου Ποσό θερμότητας που μεταφέρθηκε στον προθερμαντήρα αέρα καύσης: =6034 kj/kg ή 14,83% της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου Ποσό θερμότητας που μεταφέρθηκε στον προθερμαντήρα τροφοδοτικού νερού: =3195 kj/kg ή 7,85% της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου Ποσό θερμότητας που μεταφέρθηκε στην καπνοδόχο: 4168 kj/kg ή 10,24% της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου Εάν τώρα υποθέσουμε ότι οι απώλειες, σε κάθε τμήμα του ατμολέβητα, σε ακτινβολία είναι της τάξης του 2% της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου, τότε η απόδοση της εγκατάστασης είναι: Στοιχείο ατμοποίησης: 30,92-2%. 30,92=30,30% Υπερθερμαντήρας: 31,99-2%. 31,99=31,35% Προθερμαντήρας αέρα καύσης: 14,63-2%. 14,63=14,345 Οικονομητήρας: 7,85-2%. 7,85=7,69% Απόδοση της εγκατάστασης: 83,68% Τα παραπάνω παρουσιάζονται γραφικά στο Σχήμα 6.1. Παράδειγμα 4 Σε υπερθερμαντήρα ατμοπαραγωγού, ατμοπαραγογικής ικανότητας 100 t/h, που χρησιμοποιεί προπάνειο (C 3 H 8 ) για καύσημο, η θερμκρασία των καυσαερίων στην είσοδο και έξοδο του υπερθερμαντήρα είναι αντίστοιχα 1300 o C και 800 o C. Ο ατμός εισέρχεται στον υπερθερμαντήρα ως ξηρός κεκορεσμένος με πίεση 80 bar (295 o C).

28 Εάν η κατανάλωση καυσίμου είναι 0,8 m 3 /s και η απώλεια ακτινοβολίας 3%, να υπολογιστεί η θερμοκρασία του ατμού στην έξοδο του υπερθερμαντήρα. (Λόγος αέρα καύσης 1,1) 1300 o C καυσαέριο t=? 800 o C ατμός 80 bar (295 o C) Η θερμότητα που αποδίδουν τα καυσαέρια μέσα στον υπερθερμαντήρα είναι: Q & G = V & G (c p,in t in c p,out t out ) Η θερμότητα που λαμβάνεται από τον ατμό για να υπερθερμανθεί είναι: Q & D = m& D (h out h ) in = 0,97 & Q G Θα πρέπει να υπολογιστούν οι ειδικές θερμότητες του καυσαερίου για τις θερμοκρασίες των 1300 o C και 800 o C. Η εξίσωση καύσης του προπανείου είναι: C 3 H 8 + 5O 2 = 3CO 2 + 4H 2 O 1m 3 C 3 H 8 + 5m 3 O 2 3m 3 CO 2 + 4m 3 H 2 O 1m 3 C 3 H ,809m 3 L oτ 3m 3 CO 2 + 4m 3 H 2 O+ 18,809m 3 N 2 Στοιχειομετρική καύση: Σύσταση καυσαερίων: 3m 3 CO 2 /Νm 3 4m 3 H 2 O/Νm 3 18,809m 3 N 2 /Νm 3 Απαιτούμενος ξηρός αέρας καύσης και αντίστοιχο οξυγόνο: 23,809m 3 L oτ /Νm 3 5m 3 O 2 /Νm 3

29 Καύση με περίσσεια αέρα 10%: Απαιτούμενος ξηρός αέρας καύσης και αντίστοιχο οξυγόνο: L T = λl ot =1,1. 23,809=26,19 m 3 αέρα/νm 3 Και 0,21. 26,19=5,5 m 3 Ο 2 / Νm 3 Σύσταση καυσαερίων: 5,5-5=0,5 m 3 Ο 2 /Νm 3 0,79. 26,19=20,69 m 3 Ν 2 /Νm 3 Ξηρό καυσαέριο λ 1 m 3 /Νm 3 Συστατικό % καυσίμου CO ,76 N 2 18,809 86,24 1,1 Σύνολο 21, CO ,40 O 2 0,5 2,07 N 2 20,69 85,53 Σύνολο 24, Υγρό καυσαέριο λ 1 1,1 m 3 /Νm 3 Συστατικό % καυσίμου CO ,62 N 2 18,809 72,88 Η 2 Ο 4 5,50 Σύνολο 25, CO ,64 Η 2 Ο 4 14,19 O 2 0,5 1,77 N 2 20,69 73,40 Σύνολο 28,19 100

30 Η παροχή των καυσαερίων θα είναι: V& = = καυσαερίων = V V& καυσαερίων καυσίμου 28,19m 3 3 καυσαερίων/nm καυσίμου 22,552m 3 καυσαερίων/sec = 0,8Nm 3 καυσίμου/sec = Οι ειδικές θερμότητες των καυσαερίων στις θερμοκρασίες των 1300 ο C ή 1573 Κ και 800 ο C ή 1073 Κ, με τη βοήθεια του Πίνακα 5.2.2, ανίστοιχα θα είναι: c p,in =0, ,303+0, ,788+0, ,516+0,734. 1,432=1,5766 kj/nm 3 K c p,out =0, ,148+0, ,662+0, ,453+0,734. 1,373=1,4978 kj/nm 3 K Επομένως: m& D (h out h in ) = 0, 97 V& G (c p,in t in c p,out t out ) ή 100. (10 3 /3600). (h out -2760)=0,97. 22,552. (1, , ) ή h out =3447,4 kj/kg Κατόπιν αυτών, υπέρθερμος ατμός πίεσης 80 bar και ενθαλπίας 3447,4 kj/kg, από το διάγραμμα Mollier, αντιστοιχεί σε θερμοκτασία 5222 ο C.

31 ΑΣΚΗΣΕΙΣ 1. Ένας ατμοπαραγωγός καίει: α) Υγρό καύσιμο με κατά μάζα σύσταση: C 80%, H 18%, S 2% και περίσσεια αέρα 30%. β) Αέριο καύσιμο μεθάνιο και περίσσεια αέρα 15%. Να υπολογιστεί η % περιεκτικότητα του CO 2 στο ξηρό καυσαέριο για της δύο περιπτώσεις. 2. Σε ατμοπαραγωγό καίγεται φυσικό αέριο με την εξής κατά μάζα σύσταση: CH 4 =0,75 C 2 H 6 =0,24 N 2 =0,01 Αν η περίσσεια του αέρα καύσης είναι 10%, να υπολογιστούν: α) Η κατά μάζα σύσταση του ξηρού καυσαερίου σε CO 2. β) Η κατά μάζα σύσταση του ξηρού καυσαερίου σε O 2. γ) Η μέγιστη κατά μάζα σύσταση του ξηρού καυσαερίου σε CO 2. δ) Ο λόγος καυσαερίου - αέρα. 3. Αιθάνιο καίγεται σε ατμοπαραγωγό και σε ξηρό καυσαέριο μετρήθηκε η κατ όγκο περιεκτικότητα σε CO 2 8%. Να υπολογιστεί η περίσσεια του αέρα. 4. Ατμοπαραγωγός φυσικής κυκλοφορίας έχει πίεση τυμπάνου 80 bar και μέγιστη συνεχή ατμοπαραγωγή 396 t/h. Η παροχή νερού για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας του υπέρθερμου ατμού ανέρχεται σε 36 t/h. Ο αριθμός ανακυκλοφορίας στο σύστημα ατμοποίησης είναι 10. Το νερό εισέρχεται στους σωλήνες καθόδου του συστήματος ατμοποίησης με θερμοκρασία 15 Κ κάτω από τη θερμοκρασία κορεσμού. Η ποσότητα νερού που αφαιρείται συνεχώς μέσω της στρατσώνας είναι 18 t/h. Το νερό αυτό εκτονώνεται στη συνέχεια σε έναν εκτονωτή μέχρι τελικής πίεσης 1 bar. Το τύμπανο έχει μήκος 8 m. Η μέγιστη επιτρεπόμενη φόρτιση ατμοθαλάμου του τυμπάνου είναι 450 m 3 /h ατμού ανά m 3 όγκου ατμοθαλάμου. Ζητούνται: α) Η θερμοκρασία του τροφοδοτικού νερού στην έξοδο του οικονομιτήρα (είσοδος στο τύμπανο). β) Η μάζα του νερού της στρατσώνας που ατμοποιείται στον εκτονωτή.

32 γ) Η διάμετρος του τυμπάνου. 5. Κατά τη μελέτη ατμοπαραγωγού γίνονται οι παρακάτω προδιαγραφές και παραδοχές: a. Πίεση και θερμοκρασία υπέρθερμου ατμού 80 bar και 450 C. b. Παροχή καυσίμου, καιόμενου χωρίς απώλειες 1500 kg/h. c. Καύσιμο βαρύ πετρέλαιο S με την παρακάτω κατά μάζα σύσταση: c=84,2% h=11,6% s=2,4% n=0,8% o=1,0% Λόγος αέρα καύσης 1,05. Βαθμός απόδοσης ατμοπαραγωγού 90%. Θερμοκρασία εισόδου του τροφοδοτικού νερού 130 C και πίεση 86 bar. Θερμοκρασία εξόδου του καυσαερίου από τον ατμοπαραγωγό 180 C. Ζητούνται: α) Η ατμοπαραγωγική ικανότητα του ατμοπαραγωγού. β) Οι θερμικές απώλειες του ατμοπαραγωγού εξ αιτίας του καυσαερίου (σε kw και σαν ποσοστό ισχύος του καυσίμου). Θερμοκρασία περιβάλλοντος 20 C. γ) Οι θερμικές απώλειες ακτινοβολίας και μεταφοράς (σε kw και σαν ποσοστό ισχύος του καυσίμου). Για το καυσαέριο δίνεται: c p = 1,08 kj/kg 6. Ατμοπαραγωγός φυσικής κυκλοφορίας χρησιμοποιεί καύσιμο μαζούτ με κατά μάζα σύσταση: c=84% h=11% s=3,5% o=1,11% n=0,39% και H u =40300 kj/kg Η κατανάλωση μαζούτ είναι 36 t/h. Ο παραγόμενος υπέρθερμος ατμός έχει πίεση 150 bar και θερμοκρασία 400 C και το τροφοδοτικό νερό πίεση 160 bar και θερμοκρασία 240 C.

33 Το καύσιμο προθερμαίνεται με ατμό μέχρι τους 110 C και ο αέρας στην έξοδο του προθερμαντήρα αέρα με ατμό έχει θερμοκρασία 80 C και στην έξοδο του LUVO έχει θερμοκρασία 300 C. Ο ατμοπαραγωγός λειτουργεί με βαθμό απόδοσης 84%, βαθμό απόδοσης εστίας 98% και λόγο αέρα καύσης 1,2. Το καυσαέριο εξέρχεται από την εστία του ατμοπαραγωγού στους 1050 C. Προγραμματίζεται η αντικατάσταση του μαζούτ με φυσικό αέριο κατά μάζα σύστασης: CH 4 =93,1% C 2 H 6 =4% CO 2 =0,6% N 2 =2,3% και H u =36340 kj/nm 3 Ο λέβητας προβλέπεται να λειτουργεί με το ίδιο φορτίο και την ίδια ωφέλιμη ισχύ. Στην περίπτωση αυτή προδιαγράφεται η θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων προς το περιβάλλον να είναι 120 C και η περιεκτικότητα κατ όγκο των καυσαερίων σε Ο 2 να είναι 2%. Επίσης εκτιμάται η μέγιστη θερμοκρασία αδιαβατικής καύσης για την περίπτωση της κατανάλωσης φυσικού αερίου να είναι 2050 C. Ζητούνται: α) Η αναμενόμενη κατανάλωση φυσικού αερίου και η επιτυγχανόμενη οικονομία αν ισχύουν οι τιμές: μαζούτ 250 Euro/tn, φυσικό αέριο 0,42 Euro/m 3 N. β) Ποια είναι η αναμενόμενη θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων από την εστία κατά την καύση του φυσικού αερίου αν είναι γνωστό πως κατά την καύση του φυσικού αερίου το συναλλασσόμενο ποσό θερμότητας στην εστία είναι 10% λιγότερο από το αντίστοιχο ποσό θερμότητας κατά την καύση του μαζούτ. γ) Ποιες θα είναι οι θερμοκρασίες εισόδου του καυσαερίου στο LUVO και στον οικονομητήρα κατά την καύση φυσικού αερίου, αν υποτεθεί ότι ο ECO προθερμαίνει το τροφοδοτικό νερό μέχρι 60 C χαμηλότερα από την θερμοκρασία κορεσμού. (Το καυσαέριο υποτίθεται πως δεν έχει θερμικές απώλειες από την έξοδο του ECO μέχρι την είσοδό του LUVO). δ) Για ποιο λόγο το συναλλασσόμενο ποσό θερμότητας στην εστία είναι μικρότερο, όταν καίγεται φυσικό αέριο και τι συνέπειες έχει αυτό στη διάταξη των υπολοίπων επιφανειών του ατμοπαραγωγού για να αποδώσει την ίδια ισχύ καίγοντας φυσικό αέριο.