Σταθμοί Παραγωγής Ενέργειας

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Σταθμοί Παραγωγής Ενέργειας Ενότητα 2: Η Καύση στους Ατμοπαραγωγούς Δρ Γεώργιος Αλέξης Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε.

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. 2

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» 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

Σκοποί Ενότητας Σκοπός της ενότητας αυτής αποτελεί αφενός η κατανόηση από τους φοιτητές τόσο της θεωρίας της τέλειας καύσης όσο και της καύσης με περίσσεια αέρα, καθώς και των ιδιαίτερων λειτουργικών χαρακτηριστικών που εμφανίζονται στην καύση των ατμοπαραγωγών. Με την εμπέδωση των παραπάνω γνώσεων και των χρησιμοποιούμενων μεθόδων οι φοιτητές θα μπορούν να επιλύουν προβλήματα που σχετίζονται με το αντικείμενο της εν λόγω ενότητας. 4

Περιεχόμενα Ενότητας Βασικές αρχές καύσης Χαρακτηριστικές θερμοκρασίες Στοιχειομετρική καύση Υπολογιστικά στοιχεία καύσης Θερμογόνος δύναμη Ειδική θερμότητα καυσαερίων Θερμοκρασία φλόγας Διαγράμματα καύσης 5

Βασικές Αρχές Καύσης Σύμφωνα με τον B 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. 6

Βασικές Αρχές Καύσης (2) Στη φύση όμως δύσκολα μπορεί κανείς να συναντήσει και τις δύο παραπάνω δεξαμενές ταυτόχρονα. Συνήθως σαν δεξαμενή αποβολής θερμότητας χρησιμοποιείται το περιβάλλον (αέρας, νερό λιμνών κ.λπ.). Επομένως θα πρέπει να δημιουργήσουμε τεχνητά τη δεξαμενή υψηλής θερμοκρασίας. Αυτό επιτυγχάνεται με την καύση των διαφόρων καυσίμων. 7

Βασικές Αρχές Καύσης (3) 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. 8

Βασικές Αρχές Καύσης (4) 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 9

Χαρακτηριστικές Θερμοκρασίες 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. 10

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 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. 11

Στοιχειομετρική Καύση (2) 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 12

Στοιχειομετρική Καύση (3) Για το υδρογόνο H 2 H 2 + O 2 H 2 O 1m 3 H 2 + 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 2,016kg H 2 +. 32kg O 2 18,016kg H 2 O 1kg H 2 + 7,936kg O 2 8,936kg H 2 O 1kg H 2 + 34,194kg L oτ 8,936kg H 2 O + 26,258kg N 2 13

Στοιχειομετρική Καύση (4) 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 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) 14

Υπολογιστικά Στοιχεία Καύσης 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 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. 15

Υπολογιστικά Στοιχεία Καύσης (2) 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. 16

Υπολογιστικά Στοιχεία Καύσης (3) 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 για περίσσεια αέρα L T. Κατόπιν αυτού θα πρέπει να προσθέσουμε τις δύο προκύπτουσες ποσότητες υδρατμών. 17

Υπολογιστικά Στοιχεία Καύσης (4) CO 2 στα καυσαέρια Προσθέτουμε τις ποσότητες m 3 CO 2 ή kg CO 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. 18

Υπολογιστικά Στοιχεία Καύσης (5) SO 2 στα καυσαέρια Προσθέτουμε τις ποσότητες m 3 SO 2 ή kg SO 2 από τις αντίστοιχες εξισώσεις καύσης αφού οι ποσότητες αυτές πολλαπλασιαστούν με την κατ όγκο σύσταση ή την κατά μάζα σύσταση του κάθε συστατικού στο καύσιμο 19

Υπολογιστικά Στοιχεία Καύσης (6) 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. 20

Υπολογιστικά Στοιχεία Καύσης (7) 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 το υγρό καυσαέριο. 21

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: λλ = L T LL 0TT ηη = L LL 0 LL TT = λλll 0 TT 22

Καύση με Περίσσεια Αέρα (2) 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 23

Μέγιστη περιεκτικότητα του καυσαερίου σε CO 2 kkkkkkkk 2 kkkk κκκκκκκκκκκκκκκκ kkkk κκκκκκκκκκκκκκκκκκκκ kkkk κκκκκκκκκκκκκκκκ σσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσ κκκκκκκκκκ μμμμ ξξξξξξξξ αααααααα 24

Μέγιστη περιεκτικότητα του καυσαερίου σε SO 2 kkkkkkkk 2 kkkk κκκκκκκκκκκκκκκκ kkkk κκκκκκκκκκκκκκκκκκκκ kkkk κκκκκκκκκκκκκκκκ σσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσ κκκκκκκκκκ μμμμ ξξξξξξξξ αααααααα 25

Λόγος Καυσαερίου Αέρα kkkk κκκκκκκκκκκκκκκκοοοο kkkk κκκκκκκκκκκκκκκκ σσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσ κκκκκκκκκκ μμμμ ξξξξξξξξ αααααααα kkkk αααααααα kkkk κκκκκκκκκκκκκκκκ σσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσ κκκκκκκκκκ μμμμ ξξξξξξξξ αααααααα 26

Εκτίμηση του Λόγου Αέρα Καύσης Ο λόγος αέρα καύσης μπορεί να εκτιμηθεί προσεγγιστικά και από τη σχέση: λλ = max CO 2 % ππππππππππππππππππππ CCCC 2 % ή εάν είναι γνωστή η κατ όγκο περιεκτικότητα του Ο 2 στα καυσαέρια, τότε προσεγγιστικά ισχύει: λλ = 89 O 2% 89 4,76 OO 2 % ή λλ = 21 21 OO 2 % 27

Παράδειγμα 1 ο 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% Λόγος αέρα καύσης λ=1,2 και υγρασία του αέρα 0,01 kg/kg 28

Παράδειγμα 1 ο (2) Απαιτούμενος Αέρας για Στοιχειομετρική Καύση: L οt =0,8775 11,48 + 34,194 0,105 + 4,3 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) 29

Παράδειγμα 1 ο (3) 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) 30

Ο 2 στα καυσαέρια: Παράδειγμα 1 ο (4) Απαιτούμενο Ο 2 για στοιχειομετρική καύση: Ο 2 =0,2321 13,715=3,183 kg O 2 /kg καυσίμου (ξηρός αέρας) Ο 2 =0,2321 13,852=3,215 kg O 2 /kg καυσίμου (υγρός αέρας) Απαιτούμενο Ο 2 για καύση με περίσσεια αέρα: Ο 2 =0,2321 16,452=3,818 kg O 2 /kg καυσίμου (ξηρός αέρας) Ο 2 =0,2321 16,616=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) 31

Παράδειγμα 1 ο (5) 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 υγρού αέρα): Η 2 Ο=0,01 13,852=0,138 kg Η 2 O/kg καυσίμου (στοιχειομετρική καύση) 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) 32

Παράδειγμα 1 ο (6) 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 33

N 2 στα καυσαέρια: Παράδειγμα 1 ο (7) 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 Ν 2 =12,759+0,0015=12,760 kg Ν 2 /kg καυσίμου (στοιχειομετρική καύση) (περίσσεια αέρα) 34

Παράδειγμα 1 ο (8) Ξηρό Καυσαέριο λ Συστατικό kg../kg καυσίμου % CO 2 3,216 23,35 1 SO 2 0,024 0,17 N 2 10,533 76,48 Σύνολο 13,773 100 CO 2 3,216 19,48 1,2 SO 2 0,024 0,15 O 2 0,631 3,82 N 2 12,634 76,55 Σύνολο 16,505 100 35

Παράδειγμα 1 ο (9) Υγρό Καυσαέριο λ Συστατικό kg../kg καυσίμου % CO 2 3,216 21,50 1 SO 2 0,024 0,16 N 2 10,638 71,14 Η 2 Ο 1,076 7,20 Σύνολο 14,954 100 CO 2 3,216 18,13 SO 2 0,024 0,14 1,2 Η 2 Ο 1,104 6,21 O 2 0,637 3,58 N 2 12,76 71,94 Σύνολο 17,741 100 36

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 ) των αερίων καύσιμων, καλείται θερμογόνος δύναμη. 37

Θερμογόνος Δύναμη (2) 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=34834. c+93868. h+10132. s+5945. n-10802. o-2449. w (kj/kg) 38

Θερμογόνος Δύναμη (3) 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 υδρατμού που υπάρχει στο καυσαέριο. 39

Καύσιμοι Γαιάνθρακες Λιγνίτες ή Φαιάνθρακες Τύρφη Λιγνίτης Λιθάνθρακες Πισσούχος άνθρακας Ανθρακίτης 40

Ενδεικτικές Τιμές Θερμογόνου Δύναμης Στερεών Καυσίμων (kj/kg) (ελεύθερα τέφρας και υγρασίας) Καύσιμο Ηο Ηu Τύρφη 22400 21200 Λιγνίτης 28300 27300 Πισσούχοι Άνθρακες 29000 28000 Ανθρακίτης 30800 30200 Λιγνίτης Πτολεμαίδος 24700 Λιγνίτης Μεγαλούπολης 25960 Λιγνίτης Αλιβερίου 27210 41

Ενδεικτικές Τιμές Θερμογόνου Δύναμης Υγρών Καυσίμων (kj/kg) (ελεύθερα τέφρας και υγρασίας) Καύσιμο Ηο Ηu Βενζίνη 47104 43963 Diesel 45722 42833 Πολύ ελαφρό πετρέλαιο (EL) 45600 42800 Ελαφρό πετρέλαιο (L) 45000 42400 Μέσο πετρέλαιο (Μ) 43400 41000 Βαρύ πετρέλαιο (S) 42800 40300 42

Ενδεικτικές Τιμές Θερμογόνου Δύναμης Αερίων Καυσίμων (kj/νm 3 ) Καύσιμο Ηο Ηu Προπάνιο 101800 93600 Βουτάνιο 134000 123500 Φωταέριο 17300 15600 Φ.Α. Δ. Γερμανίας 35500 Φ.Α. Γαλλίας 35200 Φ.Α. Ιταλίας 38100 Φ.Α. Ολλανδίας 34800 Φ.Α. Ρωσίας 36100 Φ.Α. Αλγερίας 42500 Φ.Α. USA 36200 43

Ειδική Θερμότητα Καυσαερίων Για τον υπολογισμό της ειδικής θερμότητας υπό σταθερή πίεση μίγματος αερίων που συνιστούν τα καυσαέρια, χρησιμοποιείται η σχέση: cc pp = yy ii cccccc όπου y i η κατά μάζα ή η κατ όγκο σύσταση του i αερίου που συμμετέχει στο μίγμα και c pi η ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση του αερίου αυτού, λαμβανόμενη από τους παραπάνω πίνακες, αντίστοιχα. 44

Ειδική Θερμότητα Αερίων υπό Σταθερή Πίεση (kj/kgk) T ( o C) Αέρας Ν 2 Ο 2 CO CO 2 H 2 H 2 O SO 2 0 1,004 1,040 0,914 1,040 0,818 1,858 1,858 0,593 100 1,010 1,042 0,934 1,044 0,916 1,891 1,891 0,651 200 1,025 1,051 0,963 1,059 0,995 1,939 1,939 0,698 300 1,045 1,069 0,995 1,080 1,060 1,999 1,999 0,736 400 1,069 1,092 1,024 1,106 1,115 2,062 2,062 0,766 500 1,093 1,116 1,049 1,132 1,158 2,130 2,130 0,790 600 1,116 1,140 1,068 1,158 1,196 2,201 2,201 0,808 700 1,136 1,162 1,085 1,180 1,228 2,274 2,274 0,822 800 1,155 1,181 1,100 1,200 1,254 2,344 2,344 0,832 900 1,171 1,199 1,113 1,216 1,277 2,413 2,413 0,840 1000 1,185 1,216 1,123 1,231 1,296 2,481 2,481 0,846 1100 1,198 1,229 1,133 1,245 1,312 2,543 2,543 0,851 1200 1,210 1,241 1,140 1,255 1,327 2,601 2,601 0,855 1300 1,218 1,252 1,148 1,264 1,341 2,654 2,654 0,859 1400 1,217 1,261 1,156 1,273 1,351 2,703 2,703 0,862 1500 1,235 1,269 1,164 1,281 1,361 2,750 2,750 0,865 T ( o C) Αέρας Ν 2 Ο 2 CO CO 2 H 2 H 2 O SO 2 1600 1,243 1,277 1,170 1,288 1,369 2,791 2,791 0,868 1700 1,250 1,283 1,178 1,294 1,377 2,834 2,834 0,870 1800 1,256 1,289 1,186 1,298 1,384 2,868 2,868 0,872 1900 1,261 1,293 1,194 1,303 1,390 2,903 2,903 0,873 2000 1,266 1,298 1,201 1,307 1,396 2,936 2,936 0,873 2100 1,270 1,302 1,207 1,312 1,402 2,963 2,963 2200 1,275 1,307 1,214 1,315 1,406 2,989 2,989 2300 1,279 1,311 1,220 1,318 1,411 3,012 3,012 2400 1,283 1,314 1,225 1,321 1,415 3,033 3,033 2500 1,288 1,317 1,232 1,324 1,419 3,052 3,052 2600 1,292 1,320 1,237 1,327 1,423 3,070 3,070 2700 1,25 1,323 1,243 1,330 1,426 3,084 3,084 2800 1,298 1,326 1,249 1,332 1,430 3,098 3,098 2900 1,300 1,328 1,254 1,332 1,434 3,112 3,112 3000 1,304 1,329 1,259 1,335 1,438 3,072 3,126 45

Ειδική Θερμότητα Αερίων υπό Σταθερή Πίεση (kj/nm 3 K) T ( C) Αέρας Ν 2 Ο 2 CO CO 2 H 2 H 2 O SO 2 0 1,298 1,302 1,306 1,302 1,608 1,281 1,491 1,779 100 1,302 1,302 1,319 1,302 1,712 1,294 1,499 200 1,311 1,306 1,336 1,306 1,805 1,298 1,516 1,901 300 1,319 1,315 1,357 1,319 1,880 1,302 1,537 400 1,331 1,323 1,378 1,331 1,943 1,302 1,558 2,072 500 1,344 1,336 1,398 1,344 2,010 1,306 1,583 600 1,357 1,348 1,419 1,357 2,060 1,311 1,608 2,123 700 1,373 1,357 1,436 1,373 2,106 1,315 1,633 800 1,386 1,373 1,453 1,390 2,148 1,319 1,662 2,240 900 1,398 1,386 1,465 1,403 2,186 1,323 1,687 1000 1,411 1,398 1,478 1,415 2,219 1,331 1,717 2,294 1100 1,424 1,411 1,491 1,428 2,253 1,336 1,742 1200 1,436 1,424 1,503 1,440 2,278 1,344 1,767 2,340 1300 1,445 1,432 1,516 1,449 2,303 1,352 1,788 1400 1,453 1,445 1,524 1,457 2,328 1,361 1,817 2,374 1500 1,465 1,453 1,532 1,465 2,345 1,369 1,838 T ( C) Αέρας Ν 2 Ο 2 CO CO 2 H 2 H 2 O SO 2 1600 1,474 1,461 1,541 1,474 2,366 1,373 1,859 2,399 1700 1,478 1,470 1,545 1,482 2,382 1,382 1,884 1800 1,486 1,478 1,558 1,491 2,399 1,390 1,905 2,424 1900 1,495 1,482 1,566 1,499 2,412 1,398 1,926 2000 1,499 1,491 1,574 1,503 2,428 1,407 1,943 2,449 2100 1,507 1,495 1,578 1,512 2,441 1,415 1,964 2200 1,512 1,503 1,583 1,516 2,454 1,424 1,980 2300 1,516 1,512 1,591 1,524 2,466 1,432 2,001 2400 1,520 1,512 1,599 1,528 2,475 1,440 2,014 2500 1,528 1,520 1,604 1,532 2,483 1,445 2,031 2600 1,532 1,528 1,612 1,541 2,491 1,453 2,047 2700 1,537 1,528 1,616 1,545 2,500 1,457 2,060 2800 1,541 1,537 1,620 1,545 2,508 1,465 2,077 2900 1,545 1,541 1,629 1,549 2,516 1,474 2,089 3000 1,549 1,545 1,637 1,553 2,525 1,478 2,098 46

Θεωρητική Θερμοκρασία Καύσης (Θερμοκρασία Φλόγας) Για την εκτίμηση της θερμοκρασίας της φλόγας υπάρχουν διάφοροι μέθοδοι λιγότερο ή περισσότερο ακριβείς, υπολογιστικοί ή μέσω νομογραφημάτων. Εδώ αναφέρουμε μια 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. 47

Θεωρητική Θερμοκρασία Καύσης (2) Με βάση τα παραπάνω, η θεωρητική θερμοκρασία της φλόγας σε C είναι: Συνολική προσδιδόμενη θερμότητα ανά kg καυσίμου Θερμοπεριεκτικότητα των καυσαερίων 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) 48

Θεωρητική Θερμοκρασία Καύσης (3) 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 υπό σταθερή πίεση καθενός απ αυτά. 49

Παράδειγμα 2 ο 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 παρακάνω μεθοδολογία: Κατώτερη θερμογόνος δύναμη: 40700 kj/kg Προσφερόμενη θερμότητα του αέρα καύσης: 1,045 kj/kg C 300 C=313,5 kj/kg Προσφερόμενη θερμότητα του καυσίμου: 2,1 kj/kg C 100 C=210 kj/kg Σύνολο προσφερόμενης θερμότητας: 41223,5 kj/kg 50

Παράδειγμα 2 ο (2) 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 Επομένως η θερμοκρασία της φλόγας θα είναι: Σύνολο: 25,06 41223,5 25,06 = 1645oo CC 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. 51

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). Αφορά ένα συγκεκριμένο καύσιμο. 52

Παράδειγμα 3 ο 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 (λ=1): Απαιτούμενος αέρας για υγρό καυσαέριο 14,954 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 53

Παράδειγμα 3 ο (2) 100 C 500 C 1000 C CO 2 3,216 100 0,916=294,6 3,216 500 1.158=1862,1 3,216 1000 1,296=4167,9 H 2 O 1,076. 100 1,891=203,5 1,076. 500 2,130=1145,9 1,076. 1000 2,481=2669,5 SO 2 0,024. 100 0,651=1,6 0,024. 500 0,790=9,5 0,024. 1000 0,846=20,3 N 2 10,638. 100 1,042=1108,5 10,638. 500 1,116=5936,0 10,638. 1000 1,216=12935,8 Σύνολο 1608,0 (kj/kg) 8953,4 (kj/kg) 19793,5 (kj/kg) 1500 C 1800 C 3,216 1500 1,361=6565,5 3,216 1800 1,384=8011,7 1,076. 1500 2,750=4438,5 1,076. 1800 2,868=5554,7 0,024. 1500 0,865=31,1 0,024. 1800 0,872=37,7 10,638. 1500 1,269=20249,4 10,638. 1800 1,289=24682,3 31284,5 (kj/kg) 38286,2 (kj/kg) 54

Παράδειγμα 3 ο (3) Για περίσσεια αέρα καύσης λ=1,2: Απαιτούμενος αέρας για υγρό καυσαέριο: 16,616 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 55

Παράδειγμα 3 ο (4) 100 C 500 C 1000 C CO 2 3,216 100 0,916=294,6 3,216 500 1.158=1862,1 3,216 1000 1,296=4167,9 H 2 O 1,104 100 1,891=208.7 1,104 500 2,130=1175,7 1,104 1000 2,481=2739,0 SO 2 0,024. 100 0,651=1,6 0,024. 500 0,790=9,5 0,024. 1000 0,846=20,3 N 2 12,760 100 1,042=1329,6 12,760 500 1,116=7120,1 12,760 1000 1,216=15516,2 Ο 2 0,637 100 0,934=59,5 0,637 500 1,049=334,1 0,637 1000 1,123=715,3 Σύνολο 1893,9 (kj/kg) 10501,5 (kj/kg) 23158,7 (kj/kg) 1500 C 1800 C 3,216 1500 1,361=6565,5 1,104 1500 2,750=4554,0 3,216 1800 1,384=8011,7 1,104 1800 2,868=5699,3 0,024. 1500 0,865=31,1 0,024. 1800 0,872=37,7 12,760 1500 1,269=24805,4 0,637 1500 1,164=1112,2 12,760 1800 1,289=29605,8 0,637 1800 1,186=1359,8 37068,2 (kj/kg) 44714,3 (kj/kg) 56

Παράδειγμα 3 ο (5) Η θερμοπεριεκτικότητα του αέρα καύσης είναι: 1,045kJ/kg C (300-0) C =313,5 kj/kg Η προσφερόμενη θερμότητα του καυσίμου 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: 40700+313,5+210=41223,5 kj/kg 57

Διάγραμμα Απορρόφησης της Θερμότητας στα Διάφορα Τμήματα του Ατμολέβητα 58

Παράδειγμα 3 ο (6) Ας υποθέσουμε τώρα ότι έχουμε μια εγκατάσταση ατμολέβητα ακτινοβολίας με τις εξής μετρηθείσες θερμοκρασίες: Θερμοκρασία καυσαερίων στην έξοδο της εστίας: 1200 C Θερμοκρασία καυσαερίων στην είσοδο του υπερθερμαντήρα: 1200 C Θερμοκρασία καυσαερίων στην έξοδο του υπερθεμαντήρ: 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% 59

Παράδειγμα 3 ο (7) 60

Παράδειγμα 3 ο (8) Ο λόγος αέρα εκτιμάται από τη σχέση: max CO % λ = 2 πραγματικό CO 2 % 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. 61

Παράδειγμα 3 ο (9) Ποσό θερμότητας που μεταφέρθηκε στο στοιχείο ατμοποίησης (μέσα στην εστία): 41223,5-28640=12583,5 kj/kg ή 12583,5/40700=0,3092 ή 30,92% της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου Ποσό θερμότητας που μεταφέρθηκε στον υπερθερμαντήρα: 28640-15620=13020 kj/kg ή 31,99% της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου Ποσό θερμότητας που μεταφέρθηκε στον προθερμαντήρα αέρα καύσης: 14469-8435=6034 kj/kg ή 14,83% της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου 62

Παράδειγμα 3 ο (10) Ποσό θερμότητας που μεταφέρθηκε στον προθερμαντήρα τροφοδοτικού νερού: 7363-4168=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 63

Παράδειγμα 3 ο (11) Εάν υποθέσουμε ότι οι απώλειες, σε κάθε τμήμα του ατμολέβητα, σε ακτινοβολία 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% 64

Παράδειγμα 4 ο Σε υπερθερμαντήρα ατμοπαραγωγού, ατμοπαραγωγικής ικανότητας 100 t/h, που χρησιμοποιεί προπάνιο (C 3 H 8 ) για καύσιμο, η θερμοκρασία 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). 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) 65

Παράδειγμα 4 ο (2) 1300 o C καυσαέριο t=? 800 o C ατμός 80 bar (295 o C) Η θερμότητα που αποδίδουν τα καυσαέρια μέσα στον υπερθερμαντήρα είναι: QQ GG = VV GG ( c pppppptt iiii cccccccc tttttttttt ) Η θερμότητα που λαμβάνεται από τον ατμό για να υπερθερμανθεί είναι: QQ DD = mm DD h oooooo hiiii = 0.97 QQ GG Θα πρέπει να υπολογιστούν οι ειδικές θερμότητες του καυσαερίου για τις θερμοκρασίες των 1300 o C και 800 o C. 66

Παράδειγμα 4 ο (3) Η εξίσωση καύσης του προπανίου 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 8 + 23,809m 3 L oτ 3m 3 CO 2 + 4m 3 H 2 O+ 18,809m 3 N 2 Απαιτούμενος ξηρός αέρας καύσης και αντίστοιχο οξυγόνο: 23,809m 3 L oτ /Νm 3 5m 3 O 2 /Νm 3 67

Παράδειγμα 4 ο (4) Στοιχειομετρική Καύση Απαιτούμενος ξηρός αέρας καύσης και αντίστοιχο οξυγόνο: 23,809m 3 L oτ /Νm 3 5m 3 O 2 /Νm Σύσταση καυσαερίων: 3m 3 CO 2 /Νm 3 4m 3 H 2 O/Νm 3 18,809m 3 N 2 /Νm 3 68

Παράδειγμα 4 ο (5) 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 4m 3 H 2 O/Νm 3 3m 3 CO 2 /Νm 3 69

Παράδειγμα 4 ο (6) Ξηρό καυσαέριο λ Συστατικό m 3 /Νm 3 καυσίμου % CO 2 3 13,76 1 N 2 18,809 86,24 Σύνολο 21,809 100 CO 2 3 12,40 1,1 O 2 0,5 2,07 N 2 20,69 85,53 Σύνολο 24,19 100 70

Παράδειγμα 4 ο (7) Υγρό καυσαέριο λ Συστατικό m 3 /Νm 3 καυσίμου % CO 2 3 11,62 1 N 2 18,809 72,88 Η 2 Ο 4 5,50 Σύνολο 25,809 100 CO 2 3 10,64 1,1 Η 2 Ο 4 14,19 O 2 0,5 1,77 N 2 20,69 73,40 Σύνολο 28,19 100 71

Παράδειγμα 4 ο (8) V κκκκκκκκκκκκκκκκκκκκ = V καυσαεριων V κκκκκκκκκκκκκκκκ = 28,19mm 3 κκκκκκκκκκκκκκκκκκκκ NNNN 3 κκκκκκκκκκκκκκκκ 0,8Nm3 καυσιµου sec 22,52m 3 καυσαεριων sec Οι ειδικές θερμότητες των καυσαερίων στις θερμοκρασίες των 1300 ο C ή 1573Κ και 800 ο C ή 1073Κ, με τη βοήθεια του Πίνακα των c p, αντίστοιχα θα είναι: c p,in =0,1064. 2,303+0,1419. 1,788+0,0177. 1,516+0,734. 1,432= 1,5766 kj/nm 3 K c p,out =0,1064. 2,148+0,1419. 1,662+0,0177. 1,453+0,734. 1,373= 1,4978 kj/nm 3 K = 72

Παράδειγμα 4 ο (9) mm DD h oooooo hiiii = 0,97 VV GG cccciiiiii ( iiii cccccccccc tttttttt ) ή 100. (10 3 /3600). (h out -2760)=0,97. 22,552. (1,5766. 1300-1,4978. 800) ή h out =3430 kj/kg Κατόπιν αυτών, υπέρθερμος ατμός πίεσης 80 bar και ενθαλπίας 3430 kj/kg, από το διάγραμμα Mollier, αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 513 ο C. 73

Τέλος Ενότητας