ΣΤΑΘΜΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΣΤΑΘΜΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ενότητα 4: Καύση Χατζηαθανασίου Βασίλειος, Καδή Στυλιανή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Καύση

5 Περιεχόμενα ενότητας 1. Τέλεια καύση. Ατελής καύση 3. Θερμογόνος δύναμη 4. Σύσταση-ποσότητα καυσαερίων 5. Βαθμός απόδοσης 5

6 Καύση H ταχεία χημική αντίδραση του οξυγόνου με τα καύσιμα στοιχεία των καυσίμων. Τα κύρια συστατικά των ορυκτών καυσίμων που καίγονται είναι ο άνθρακας, το υδρογόνο και το θείο. 6

7 Εξισώσεις καύσης Χημικές εξισώσεις για τέλεια καύση : C H S Ατελής καύση: O O O CO SO H O C O CO 7

8 Κριτήρια τέλειας καύσης 1. Επαρκής ποσότητα αέρα (οξυγόνου).. Καλή ανάμιξη οξυγόνου και καυσίμου. 3. Το μίγμα καυσίμου και αέρα πρέπει να έχει θερμοκρασία μεγαλύτερη ή ίση με την θερμοκρασία ανάφλεξης. 4. Ο όγκος της εστίας καύσης πρέπει να είναι αρκετά μεγάλος έτσι ώστε το μίγμα να έχει αρκετό χρόνο για να καεί. 8

9 Ατελής καύση 1 C O CO 1 CO O CO C O CO 1000kJ/kg 3700kJ/kg 33900kJ/kg 9

10 Σύσταση αέρα Κατά μάζα % Κατ' όγκο % Οξυγόνο Αζωτο Αργό Διοξ. άνθρακα

11 Εξισώσεις καύσης (1/) Εξισώσεις της καύσης: με βάση τη θεωρητική ποσότητα του οξυγόνου που χρειάζεται προκειμένου να γίνει η καύση. 11

12 Εξισώσεις καύσης (/) Καύσιμη ύλη Ανθρακας Υδρογόνο Θείο Υδρόθειο Μεθάνιο Εθάνιο Προπάνιο Βουτάνιο Πεντάνιο Μοριακό βάρος C O CO 1 H O HO Εξίσωση S O SO 3 HS O SO HO CH4 O CO HO 7 CH6 O CO 3H O C3H8 5O 3CO 4HO 13 C4H10 O 4CO 5HO H 8O 5CO 6H O C5 1 Θερμότητα Καύσης(kJ/kg)

13 Καύση άνθρακα C 1kmol C1kmol O 1,011 kg C31,999 kg O ή O CO 1kg C,664 kg O 1kmol 44,01kg CO CO 3,664 kg CO 13

14 Εξισώσεις καύσης και σχέσεις ποσοτήτων για τέλεια καύση Εξίσωση αντίδρασης C O CO 1 H O HO S O SO Ισοζύγιο γραμμομορίων 1kmolC+1kmolO = 1 kmol CO 1kmolH +0.5kmolO = 1 kmol H O 1kmolS+1kmol O = 1 kmol SO Ισοζύγιο μαζών 1kgC +,664kgO = 3,664 kg CO 1kgH +7,937 kgo = 8,937 kg H O 1kgS+0,998 kgo = 1,998 kg SO 14

15 Στοιχειακή ανάλυση C H S O N W A 1 15

16 Θερμογόνος δύναμη του καυσίμου (1/) Θερμογόνος δύναμη (ΘΔ) του καυσίμου είναι η θερμότητα που εκλύεται κατά την πλήρη καύση ανά μονάδα μάζας του καυσίμου. Διακρίνουμε αντίστοιχα την ανώτερη θερμογόνο δύναμη (ΑΘΔ) Ho και την κατώτερη θερμογόνο δύναμη (ΚΘΔ) Hu. Οι τιμές αυτές διαφέρουν κατά την ενθαλπία εξάτμισης του νερού που υπάρχει στα καυσαέρια. 16

17 Θερμογόνος δύναμη του καυσίμου (/) ΑΘΔ 3850C H - O 8 930S kj/kg h fg (W 8,937H) ΚΘΔ 3850C 1030 H O 8 930S 440W kj/kg 17

18 Αέρας καύσης (1/3) o min,664c 7,937H 0,998S O kg kg O ί l min o min 0,3 kg αέρα kg καυσίμου l min 11,48C 34,H 4,3S 4,31O kg έ kg αυσίμου l min 11,48C 34, H O 8 4,3S kg αέρα kg αυσίμου 18

19 Αέρας καύσης (/3) Ποσότητες σε kmol: C kg C αντιδρούν με C/1 kmol O και δίνουν C/1 kmol CO H kg H αντιδρούν με H/4 kmol O και δίνουν H/ kmol H O S kg S αντιδρούν με S/3 kmol O και δίνουν S/3 kmol SO 19

20 Αέρας καύσης (3/3) Ποσότητες σε kmol: min 1 1 H 4 O 8 S 3 kg kmolo C ί L min O min 0,1 0,397C 3 H O S 8 kmol έ kg ί 0

21 Περίσσεια αέρα Λόγος αέρα min Συνήθεις τιμές του λ : αέρια καύσιμα λ=1,08-1,1 υγρά καύσιμα λ=1,1-1, στερεά καύσιμα λ=1, - 1,4 1

22 Σύσταση - ποσότητα καυσαερίων (1/9) Καύσιμο με δεδομένο χημικό τύπο, π.χ. καύση μεθανίου (CH 4 ) με λόγο αέρα λ=1,1. CH4 3O CO HO Omin kmol/kmol CH 4 Lmin 9,5kmol/kmol CH4 0,1 L L λ 9,5 1,1 10,47 kmol/kmol min CH 4

23 Σύσταση - ποσότητα καυσαερίων (/9) Αριθμός kmol συστατικών καυσαερίων: n n n n CO H O N O 1 (λ 1)Ο min 0,79 L 8,73 (1,11) 0, O συνολικός αριθμός των kmol των καυσαερίων είναι: 1 0, 8,73 11,473 kmol n p 3

24 Σύσταση - ποσότητα καυσαερίων (3/9) Ποσοστά των kmoles των συστατικών είναι: x x x x CO H N O O 0,087 0,1743 0,711 0,0174 4

25 Σύσταση - ποσότητα καυσαερίων (4/9) Στερεά ή υγρά καύσιμα. Καυσαέρια: CO και SO από το καύσιμο. Ν από καύσιμο και αέρα. Ο λόγω περίσσειας αέρα. Η Ο λόγω υγρασίας του καυσίμου. 5

26 Σύσταση - ποσότητα καυσαερίων (5/9) Ξηρά καυσαέρια: Από την καύση 1 kg C παράγονται kg CO και απαιτούνται.664 kg Ο. Αέρας: μίγμα δύο μόνο συστατικών, Ο και Ν, με κατά βάρος αναλογία 3,1% Ο και 76,79% Ν. Ποσότητα του αζώτου που υπάρχει στον απαιτούμενο αέρα της καύσης και η οποία θα εμφανιστεί στα καυσαέρια είναι:,664x(76,79/3,1) = 8,814 kg. Συνολική ποσότητα των καυσαερίων που προκύπτει από την τέλεια καύση 1 kg C είναι: = 1.48 kg. 6

27 Σύσταση - ποσότητα καυσαερίων (6/9) Aπό την καύση του διαθέσιμου υδρογόνου (Η-Ο/8), στα ξηρά καυσαέρια θα εμφανιστεί μόνο η ποσότητα του Ν που υπάρχει στον αέρα που χρειάζεται το διαθέσιμο υδρογόνο για να καεί. Αυτή είναι: 7,7937x(76,79/3,1) = 6,59 kg. 7

28 Σύσταση - ποσότητα καυσαερίων (7/9) Συνολική ποσότητα ξηρών καυσαερίων που παράγονται από τη στοιχειομετρική καύση του καυσίμου είναι: m got 1,48C 6,59 H O 8 5,3S N kg / kgί O δείκτης g υποδηλώνει καυσαέριο, ο δείκτης ο ότι αναφερόμαστε σε στοιχειομετρική καύση και ο δείκτης T ότι αναφερόμαστε σε ξηρά καυσαέρια. 8

29 Σύσταση - ποσότητα καυσαερίων (8/9) Η συνολική μάζα των υδρατμών στα καυσαέρια είναι: m 8,937H W kg / kg καυσίμου ( H O ) o Η συνολική ποσότητα των καυσαερίων που παράγεται από την τέλεια καύση 1 kg καυσίμου με στοιχειομετρικό αέρα είναι: m go m got m (H O) o kg / kgί 9

30 Σύσταση - ποσότητα καυσαερίων (9/9) Ποσότητα των καυσαερίων που παράγεται από την τέλεια καύση 1 kg καυσίμου με περίσσεια αέρα: m ή m g g m 1 go l min A l ( min 1) kg / kg καυσίμου kg / kg καυσίμου 30

31 Μάζες των συστατικών των καυσαερίων σε kg/kg καυσίμου Ουσία CO H O SO O N Προκύπτει από καύση 3,664c 8,937h 1,998s - - Περιέχεται στο καύσιμο - w - -* n Από τον αέρα καύσης - ξηρός - 0,3(λ-1)l min 0,768.l min.λ 31

32 Σύσταση - ποσότητα καυσαερίων Συνολική ποσότητα καυσαερίων σε kmol: n p C 1 H W 18 S 3 N 8 L C 1 H 4 S 3 O 3 ή n p L 1 1 3H 3 8 O 3 W 3 7 N kmol / kg 3

33 Όγκος καυσαερίων V V V V V CO H SO N O O C RT / p 1 H W RT / p 18 S 3 (0,79L RT / p ( 1)O N ) RT / 8 RT / p min p V p C 1 H W 18 S 3 (0,79L N ) 8 ( 1)O min RT p n p RT p 33

34 Χαρακτηριστικά μεγέθη καυσαερίων (1/) Ειδική θερμότητα καυσαερίων: c p v T 0 i i c p i T 0 ξ i : τα ποσοστά μάζας των μεμονωμένων συστατικών του καυσαερίου. c pi T : οι μέσες ειδικές θερμότητες των συστατικών. 0 34

35 Χαρακτηριστικά μεγέθη καυσαερίων (/) Σημείο δρόσου υγρών καυσαερίων: η θερμοκρασία στην οποία αρχίζει η συμπύκνωση των υδρατμών που περιέχονται στο καυσαέρια. Η μερική πίεση των υδρατμών στα υγρά καυσαέρια (από την οποία προκύπτει το σημείο δρόσου) δίνεται από τη σχέση: x H O :το μοριακό ποσοστό (ποσοστό moles) των υδρατμών στα υγρά καυσαέρια : η πίεση του μίγματος του καυσαερίου. p p x H O HO.p 35

36 Αδιαβατική θερμοκρασία φλόγας (καύσης) (1/) Είναι η θερμοκρασία των προϊόντων της καύσης όταν δεν υπάρχει ακτινοβολία θερμότητας προς τις επιφάνειες της εστίας. Είναι η μέγιστη τιμή που μπορεί να έχουν τα προϊόντα της καύσης. 36

37 Αδιαβατική θερμοκρασία φλόγας (καύσης) (/) H u : θερμογόνος δύναμη λ : λόγος αέρα l min : ελάχιστη ανάγκη σε αέρα : θερμοκρασία του αέρα T l T ad H u m λl g min c c 0 pv PL T 0 ad T 0 l T l c PL T l : ειδική θερμότητα αέρα 0 c pv 0 T ad : ειδική θερμότητα καυσαερίων 0 37

38 Bαθμός απόδοσης εστίας (1/) Η θερμότητα που αφαιρείται από την εστία και χρησιμοποιείται π.χ. για την παραγωγή ατμού είναι μέρος της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου. Σαν βαθμός απόδοσης της εστίας ορίζεται ο λόγος της θερμότητας αυτής προς τη θερμογόνο δύναμη του καυσίμου. 38

39 Bαθμός απόδοσης εστίας (1/) η F q H u h(t l,tb ) H u h(t A ) h(t l,t h(t A ) : η ενθαλπία του μίγματος καυσίμου-αέρα. B ) : η ενθαλπία των καυσαερίων στην θερμοκρασία εξόδου τους Τ A από την εστία. 39

40 Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Χατζηαθανασίου Βασίλειος, Καδή Στυλιανή. «. Καύση». Έκδοση: 1.0. Θεσσαλονίκη 015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

41 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά - Μη Εμπορική Χρήση - Όχι Παράγωγα Έργα 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο [1]

42 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Τέλος ενότητας Επεξεργασία: Σβάρνα Κωνσταντίνα Θεσσαλονίκη, Χειμερινό εξάμηνο

43 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Σημειώματα

44 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.