ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΚΑΥΣΗΣ. Μ. Φούντη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, ΕΜΠ 2004

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΚΑΥΣΗΣ Μ. Φούντη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, ΕΜΠ 2004

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΚΑΥΣΗΣ - ΟΡΙΣΜΟΣ ΚΑΥΣΗΣ Τί είναι Καύση Καύση µπορούµε να ονοµάσουµε κάθε εξώθερµη χηµική αντίδραση ενός υλικού καυσίµου µε οξυγόνο (ή αέρα), που συντελείται µε αρκετά µεγάλο βαθµό απόδοσης θερµότητας, έτσι ώστε η εκπεµπόµενη ενέργεια υπό µορφή θερµότητας να είναι τεχνικά εκµεταλλεύσιµη. Ελάχιστη προϋπόθεση είναι η εκπεµπόµενη θερµότητα να είναι τόση ώστε να µπορεί να διατηρηθεί η αντίδραση. ΧΗΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΝΤΙ ΡΑΣΗ ΚΑΥΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ Μέσω της αντίδρασης της καύσης, η χηµική ενέργεια η οποία βρίσκεται αποθηκευµένη στο καύσιµο, µε τη βοήθεια του οξειδωτικού µετατρέπεται σε θερµότητα. Η ταχεία χηµική αντίδραση καυσίµου και οξειδωτικού δηµιουργεί οξείδια τα οποία µε τη σειρά τους απαρτίζουν τα καυσαέρια. Κατα την οξείδωση, π.χ. µετάλλων, η αντίδραση είναι βραδεία, η αποδιδόµενη θερµότητα είναι χαµηλή και οι αναπτυσσόµενες θερµοκρασίες δεν είναι τόσο υψηλές ώστε να επιτρέψουν την εµφάνιση φλόγας.

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ Πρώτες επιστηµονικές µελέτες και σχεδιασµός συστηµάτων καύσης έγιναν τον 17ο αιώνα. Μέχρι τότε και για περίπου 30000 χρόνια ο άνθρωπος αξιοποιούσε την καύση για την επιβίωση και κυριαρχία του πάνω στη γη, χωρίς την αντίστοιχη επιστηµονική µελέτη. Η συστηµατική ιστορική αναδροµή µελέτης φαινοµένων καύσης ξεκινάει από την Αναγέννηση Ο Bunsen το 1855 κατασκεύασε καυστήρα µε φλόγα προανάµιξης και µέτρησε θερµοκρασίες καύσης και ταχύτητες διάδοσης της φλόγας µε τη χρήση ενός ειδικού οργάνου, του θερµιδοµέτρου. Πρώτη θεωρητική προσέγγιση και έρευνα πάνω στις φλόγες διάχυσης έγινε το 1928 από τους Burke και Schumman.

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ Η ιστορία της τεχνολογίας καύσης συνδέεται στενά µε το είδος των καυσίµων που ήταν διαθέσιµα ανά περιοχή και ανά περίοδο. Μέχρι το 1850 το ξύλο ήταν το πιο διαδεδοµένο καύσιµο. Η µετάβαση από το ξύλο στον άνθρακα και µετά στο πετρέλαιο και στο φυσικό αέριο για την παραγωγή ενέργειας από τα µέσα του 19ου αιώνα έως σήµερα δείχνει και την εξέλιξη των τεχνολογιών καύσης: από τους φούρνους και ατµοπαραγωγούς (λιγνίτης), στις µηχανές εσωτερικής καύσης και στους αεριοστροβίλους (πετρέλαιο και παράγωγα του), σε δίκτυα φυσικού αερίου και σε µονάδες παραγωγής ενέργειας µε συµπαραγωγή (φυσικό αέριο).

ΤΕΛΕΙΑ-ΑΤΕΛΗΣ ΚΑΥΣΗ Κάτω από ιδανικές συνθήκες η καύση είναι τέλεια, δηλαδή τα προϊόντα είναι οι πιό σταθερές ενώσεις των C, H, N, O, S. Καύσιµο + αέρας ιδανικες συνθηκες CO, H O, SO, N, 2 2 2 2 σωµατίδια (αιθάλη) + ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ Από πλευράς προστασίας περιβάλλοντος η τέλεια καύση δεν είναι πάντα επιθυµητή λόγω του δηµιουργούµενου υψηλού ποσοστού και αιθάλης. Στην πραγµατικότητα η καύση είναι ατελής: Καύσιµο + αέρας πραγµατικότητα CO2, H2O, SO2, N2, NO, NO2, CO, HC, O2 + σωµατίδια και άλλα στοιχεία + ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

Σηµασία των φαινοµένων καύσης Σχεδόν όλοι οι σταθµοί παραγωγής ενεργείας χρησιµοποιούν την καύση σαν την βασική αρχή για την διαδικασία εναλλαγής ενεργείας. Μηχανές αυτοκινήτων, φορτηγών κλπ., ατµοµηχανές και µηχανές πλοίων ανήκουν στην οικογένεια των µηχανών εσωτερικής καύσης και λειτουργούν είτε µε βάση την παραγωγή θερµικής ενεργείας υπό σταθερό όγκο (Οtto) ή υπό σταθερή πίεση (diesel). Σύγχρονα προωθητικά συστήµατα (αεριοστρόβιλοι αεροπλάνων και πυραύλων) βασίζονται στη καύση. Η θέρµανση (π.χ. κτιρίων) όπως και η παραγωγή ενεργείας σε σταθµούς απαιτούν την καύση στερεού, αερίου ή υγρού καυσίµου.

Γιατί µελέτη φαινοµένων καύσης; 85% της παγκόσµιας παραγωγής ενέργειας προέρχεται από τη καύση ορυκτών καυσίµων. Έλεγχος ρύπανσης Ασφάλεια πυρκαγιών Αποδοτικότερη χρήση καυσίµων Combustion 6/9

Ανεξέλεγκτες διαδικασίες καύσης Εκρήξεις σκόνης (σε µεταλλεία, βιοµηχανίες µετάλλων, πλαστικών, χηµικών υλών, τροφών, κ.α.) Φωτιές σε δεξαµενές καυσίµων, ή κηλίδων στη θάλασσα Φωτιές δασών Φωτιές σε κτίρια και εσωτερικούς χώρους

Γιατί χρειάζεται ειδική µελέτη; Πολυπλοκότητα των φαινοµένων. Κατά τη διαδικασία της καύσης λαµβάνουν χώρα ταυτόχρονα φαινόµενα: µεταφοράς µάζας (σε µοριακή και µακροσκοπική κλίµακα), µεταφοράς θερµότητας, µεταφοράς ορµής, και χηµικής κινητικής.

Πολυπλοκότητα φαινοµένων καύσης Θερµοδυναµική: Γνώση των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών είναι απαραίτητη για τον υπολογισµό της θερµοκρασίας τοιχώµατος όπου µπορεί να παρουσιασθεί συµπύκνωση νερού. Αεροδυναµική: Είναι απαραίτητη π.χ. για τον υπολογισµό των γραµµών ροής σε θάλαµο καύσης κατά την εκτόξευση δέσµης υγρού καυσίµου σε µορφή σταγονιδίων (σπρέϋ) και αέρα. Με την βοήθεια της αεροδυναµικής είναι δυνατόν να υπολογισθούν η διαδροµή και κατανοµές ταχύτητας καυσίµου και σταγονιδίων. Μεταφορά θερµότητας: Σε διαδικασίες καύσης η µεταφορά θερµότητας είναι δυνατόν να γίνεται ταυτόχρονα µε αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία. Χωρίς την λεπτοµερή κατανόηση φαινοµένων µεταφοράς θερµότητας δεν είναι δυνατό, για παράδειγµα, να γίνει υπολογισµός της ακτινοβολίας από σύννεφο κόκκων άνθρακα που καίγεται κοντά στα τοιχώµατα εστίας. Επίσης είναι απαραίτητη για τον προσδιορισµό κατανοµών µέσης και στιγµιαίας θερµοκρασίας της φλόγας. Μεταφορά µάζας: Υπολογισµός του ρυθµού διάχυσης οξυγόνου από κόκκο άνθρακα σε καύση. Χηµική κινητική: Προσδιορίζει τον ρυθµό µε τον οποίο αντιδρούν ένα µείγµα καυσίµου και αέρα.

(1) H2 + O2 2OH (2) H2 + OH H2O + H (3) O 2 + H O + OH (4) H 2 + O H + OH Κινητική της αντίδρασης υδρογόνου-οξυγόνου (5) H 2 O + O 2OH (6) 2H + M H2 + M (7) 2O + M O2 + M (8) H + O + M OH + M (9) H + OH + M H2 O + M Για τον υπολογισµό χρειάζεται να είναι γνωστές οι σταθερές για την κάθε αντίδραση ξεχωριστά και συνήθως είναι δύσκολο ν αποµονωθεί η κάθε αντίδραση ξεχωριστά για τη µελέτη της. Ακόµη και γι αυτές τις απλές αντιδράσεις οι σταθερές δεν είναι όλες γνωστές (µ ένα παράγοντα ακριβείας ±5). Για αντιδράσεις που περιλαµβάνουν ενώσεις του άνθρακα η άγνοια είναι µεγαλύτερη.

Τί ενδιαφέρει τον µηχανικό; Tέλεια καύση του παρεχοµένου καυσίµου για µείωση κόστους καυσίµου και µείωση εκποµπών (προστασία περιβάλλοντος). Βελτίωση κατασκευής εστιών, καυστήρων, κλπ. Καλή καύση Ελάττωση κόστους κατασκευής και λειτουργίας

Σκοπός Οσχεδιασµός εξοπλισµού καύσης χρησιµοποιώντας βασικές γνώσεις (που αποτελούν σύντοµες εκφράσεις των βασικών νόµων της φύσης). Οι βασικές γνώσεις περιλαµβάνονται σε µαθηµατικά µοντέλα που αποτελούν την εξιδανίκευση των διεργασιών ανάµεσα σε βασικές λειτουργίες.

Προβλήµατα καύσης που παρουσιάζονται στους µηχανικούς Κινητήρας βενζίνης: Αποφυγή κτυπήµατος (λόγος συµπίεσης). Έναυση µε σπινθήρα στιγµιαία. Καύση όλου του καυσίµου κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες. Ελάττωση της µεταφοράς θερµότητας Mηχανή Diesel: Η έναυση πρέπει να γίνει µαλακά. Ελάττωση της µεταφοράς θερµότητας. Χρησιµοποίηση όλου του οξυγόνου. Ελάττωση της ισχύος ψεκασµού. Αποφυγή καπνιάς.

Προβλήµατα καύσης που παρουσιάζονται στους µηχανικούς Η βιοµηχανική εστία: Να υπάρξει η επιθυµητή κατανοµή θερµότητας µε ακτινοβολία και συναγωγή. Ανυπαρξία θορύβου και ταλαντώσεων. Ανεπηρέαστη λειτουργία από µεταβολές καυσίµου. Αεριο-στρόβιλος: Τέλεια καύση του καυσίµου. Ελάττωση του όγκου. Να επιτευχθεί µικρή πτώση πίεσης. Οµοιόµορφη κατανοµή της θερµοκρασίας αερίου. Να διατηρηθεί η καύση για µεγάλη περιοχή πιέσεων.

Πως µπορεί να συνεισφέρει η µελέτη των φαινοµένων καύσης; Το ύψος της φλόγας υπολογίζεται από: Την περιεκτικότητα Ο2 στον αέρα (m O2,αέρα Το απαιτούµενο από το καύσιµο οξυγόνο. Τη διάµετρο του ακροφυσίου. Τη θεωρία δέσµης (ρευστοµηχανική) Τυρβώδης φλόγα διάχυσης

Πως µπορεί να συνεισφέρει η µελέτη των φαινοµένων καύσης; Ρυθµός καύσης για σταγονίδιο Κ (αρχική διάµ.) 2 Το Κ είναι συνάρτηση: Καύση µεµονωµένης σταγόνας υγρού καυσίµου Της περιεκτικότητας Ο 2 στον αέρα( m O2,αέρα ) Του απαιτούµενου από το καύσιµο οξυγόνου. Των ιδιοτήτων του αερίου. Της θερµογόνου ικανότητας του καυσίµου

Πως µπορεί να συνεισφέρει η µελέτη των φαινοµένων καύσης; Ταχύτητα διάδοσης στρωτής φλόγας προανάµειξης Η γωνία α υπολογίζεται από: Την ταχύτητα προσέγγισης. Το λόγο καυσίµου αέρα. Την αρχική θερµοκρασία. Τις θερµοδυναµικές ιδιότητες. Τις ιδιότητες µεταφοράς και χηµικής κινητικής.

ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ 1: EΠΙ ΡΑΣΗ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ ΘΑΛΑΜΟΥ ΚΑΥΣΗΣ ΣΕ ΜΕΚ Σχ. 2: Απ ευθείας έγχυση καυσίµου στον κύλινδρο. Σχ. 3: Η έγχυση γίνεται στην είσοδο. Η συµπίεση µέσα στον κύλινδρο δεν πρέπει να είναι τόσο µεγάλη ώστε να προκαλέσει στιγµιαία ανάφλεξη. Η καύση (σπινθήρας) ολοκληρώνεται σε κλάσµατα του δευτερολέπτου

ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ 1: EΠΙ ΡΑΣΗ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ ΘΑΛΑΜΟΥ ΚΑΥΣΗΣ ΣΕ ΜΕΚ Το µείγµα συστρέφεται καθώς εισέρχεται στον κύλινδρο. Η κίνηση συστροφής ενισχύεται κατά την συµπίεση µέσω κοιλότητας της κεφαλής του κυλίνδρου Προτερήµατα: Eπιτυγχάνεται µεγαλύτερος λόγος συµπίεσης σε τυπικά επιβατικά αυτοκίνητα (π.χ. λόγος 11.2 : 1) µε παρόµοιες γεωµετρίες. Η είσοδος αέρα καταλήγει σε σπιράλ πριν την βαλβίδα εισόδου έτσι ώστε το µείγµα να εισέρχεται στο θάλαµο καύσης µε συστροφή. Η καύση σ αυτή την περίπτωση είναι πολύ γρήγορη και συνοδεύεται από υψηλή τύρβη και βίαια ανάµειξη. Μειονέκτηµα: Το σχήµα της εισόδου και η συστροφή προκαλούν αντίσταση στη ροή του µείγµατος µε αποτέλεσµα εάν η αναρρόφηση είναι γρήγορη να µην επιτυγχάνεται πλήρως φόρτιση του κυλίνδρου.

ΤΥΠΙΚΟΣ ΘΑΛΑΜΟΣ ΚΑΥΣΗΣ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥ. Θάλαµος καύσης: 1. Περίβληµα θαλάµου καύσης. 2. Εγχυτής καυσίµου 3. Σύστηµα συστροφής αέρα 4. Σταθεροποιητής φλόγας 5. Αρχικό σύστηµα έναυσης µε σπινθηριστή (spark -plugs). α) Σύστηµα εισόδου ροής αέρα β) Σταθεροποίηση φλόγας και γενική εικόνα φλόγας.

ΤΥΠΙΚΟΣ ΘΑΛΑΜΟΣ ΚΑΥΣΗΣ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥ.

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΚΥΚΛΟΥ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΟΥ ΜΕΚ ΚΑΙ ΚΥΚΛΟΥ ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΑΕΡΙΟΠΡΟΩΣΕΩΣ (TURBO-JET)

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΚΥΚΛΟΥ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΟΥ ΜΕΚ ΚΑΙ ΚΥΚΛΟΥ ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΑ Ο κύκλος είναι παρόµοιος µε αυτόν παλινδροµικής τετράχρονης µηχανής µε έναυση από σπινθήρα Η καύση όµως γίνεται όπως σε τυπική εστία υπό σταθερή πίεση, (ενώ σε ΜΕΚ-Otto γίνεται υπό σταθερό όγκο). Οι τέσσερεις φάσεις του κύκλου λαµβάνουν χώρα διαδοχικά σε τέσσερα διαφορετικά σηµεία της µηχανής, δηλ. τον συµπιεστή (compressor), τον θάλαµο καύσεως, την τουρµπίνα και το σύστηµα εξαγωγής προωθητικών αερίων Στο θάλαµο καύσης καίγονται µεγάλα ποσά υγρού καυσίµου που εγχύονται και αναµειγνύονται µε αέρα από τον συµπιεστή. Τρεις τύποι: turbo-jet engine (στροβιλοκινητήρας αεριοπροώσεως) turbo-propeller engine (ελικοφόρος στροβιλοκινητήρας) turbo-fan engine (στροβιλοαντιδραστήρας διπλού ρεύµατος).

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΚΥΚΛΟΥ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΟΥ ΜΕΚ ΚΑΙ ΚΥΚΛΟΥ ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΑ Οι ακόλουθες συνθήκες πρέπει να εξασφαλίζονται στον θάλαµο καύσης για αποδοτική και αξιόπιστη λειτουργία: Υψηλός βαθµός απόδοσης καύσης. Χαµηλές υδραυλικές απώλειες πίεσης. Μόνιµη-(σταθερή) καύση για όλες τις περιοχές λειτουργίας του κινητήρα. Η υψηλότερη δυνατή θερµική φόρτιση στο θάλαµο (έτσι ώστε να µειωθούν οι διαστάσεις και ο όγκος για δεδοµένη αποδιδόµενη θερµότητα). Ελάττωση του µήκους φλόγας έτσι ώστε να µην καταστραφούν τα πτερύγια του στροβίλου. Αξιοπιστία στην έναυση. Αξιοπιστία στην ψύξη των θερµαινόµενων τµηµάτων του θαλάµου καύσης. Το µείγµα των αερίων καύσης και του δευτερογενούς αέρα µετά την πρωτεύουσα ζώνη καύσης πρέπει να έχει τη µορφή οµοιόµορφου θερµαινόµενου ρεύµατος πριν να διογκωθεί µέσω του στροβίλου.

ΑΤΜΟΠΑΡΑΓΩΓΟΣ 1. Αποθήκη καυσίµου 2. Προετοιµασία καυσίµου 3. Καυστήρες-φλόγες 4. Επιφάνεια προθέρµανσης 5. Υπερθερµαντήρας 6. Ακροφύσιο καθαρισµού 7. Οικονοµητήρας & θερµαντήρες αέρα 8. Tέφρα 9. Καµινάδα 10. Συσκευή θερµικού ελέγχου 11. Εξάτµιση

ΚΑΥΣΗ ΑΝΘΡΑΚΑ Καύση κονιοποιηµένου άνθρακα σε βιοµηχανικές εστίες. α) Καύση κόκκων, β) Σε κλίνη, γ) Σε ρευστοποιηµένη κλίνη, δ)σε εστία µε κυκλώνα

ΚΑΥΣΗ ΑΝΘΡΑΚΑ Εστία µε κατακόρυφη έγχυση Εστία µε πλάγια έγχυση από τα τοιχώµατα Εστία µε γωνιακή έγχυση. Λεπτοί κόκκοι φτάνουν στην εστία µέσω του εγχυτήρα (καυστήρα) σε ρεύµα αέρα υπό πίεση. Τυπικές ταχύτητες καυσίµου: 15-100 m/s.- Ανάλογα µε τη γεωµετρία της εστίας. Η ροή στην εστία εξαρτάται από τον τρόπο προσαγωγής καυσίµου και αέρα. Ο αέρας διαχωρίζεται: σε πρωτογενή (σε περίπου 375 Κ/20-25% του συνολικού ποσού) που χρησιµοποιείται για τη µεταφορά του καυσίµου, προθέρµανση και εξαέρωση καυσίµου και σε δευτερογενή (σε περίπου 300-750 K/70-80% του συνολικού ποσού µε ταχύτητες 5-40 m/s) που χρησιµοποιείται για την καύση.

Σύνοψη Ορισµός καύσης Τέλεια ατελής καύση Πολυπλοκότητα φαινοµένων καύσης Ρόλος του µηχανικού στη βελτιστοποίηση φαινοµένων καύσης Εφαρµογές: Εστίες - ΜΕΚ Στρόβιλοι Ανεξέλεγκτα φαινόµενα: φωτιές- εκρήξεις