ΤΑΞΙΝOΜΗΣΗ ΦΛΟΓΩΝ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΥΣΗΣ Μ. Φούντη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, 2004
Oρισµός φλόγας Ογεωµετρικός τόπος στον οποίο λαµβάνει χώρα το µεγαλύτερο ενεργειακό µέρος της χηµικής µετατροπής του καυσίµου σε θερµική ενέργεια. Ενέργεια εκλυοµένη κατά την καύση Θερµότητα Πυρακτωµένα % σωµατίδια (άνθρακα) Χάνεται Συγκρατείται Φως από το µίγµα από το µίγµα αντίδρασης Μη σταθερά ενδιάµεσα προϊόντα
Taξινόµηση Φαινοµένων Ανάλογα µε τη διάσταση του φαινοµένου Tύπος Χαρακτηρισµός Παράδειγµα Χώρος Μονο-διάστατο (1D) ι-διάστατο (2D) Tρισ-διάστατο (3D) Kαύση σταγόνας Φλόγα Bunsen Φλόγα εστίας Χρόνος Μόνιµο Ηµι-µόνιµο Μεταβατικό Φλόγα οξυγόνου - ασετυλίνης Καιόµενος κόκκος άνθρακα Εναυση µε σπινθήρα
Taξινόµηση Φαινοµένων Είδη επίδρασης Ελλειπτικά φαινόµενα: Η επίδραση εξαπλώνεται παντού. Παραβολικά φαινόµενα: Η περιοχή επίδρασης βρίσκεται µόνο στα κατάντι του πεδίου. Υπερβολικά φαινόµενα: Στενή επίδραση προς τα κατάντι.
Taξινόµηση Φαινοµένων
Προαναµεµειγµένες φλόγες Καύσιµο και οξειδωτικό (αέρας) αναµειγνύονται καλά πριν από την έγχυσή τους στο θάλαµο καύσης (ή έξοδο από ακροφύσιο). Κίνδυνος έκρηξης µε την είσοδο του εύφλεκτου µείγµατος. Εξαίρεση στις Μ.Ε.Κ. όπου γίνεται φτωχή ανάµειξη βενζίνης και αέρα στο καρµπυρατέρ πριν την έγχυση του µείγµατος. Η δηµιουργία ρύπων σε προαναµειγµένες φλόγες εξαρτάται περισσότερο από την χηµική κινητική παρά από την ρευστοµηχανική.
Φλόγες διάχυσης Το καύσιµο και ο αέρας παρέχονται ξεχωριστά και η διαδικασία ανάµειξης συνοδεύει το φαινόµενο καύσης φαινόµενο πιό πολύπλοκο επειδή η ανάµειξη γίνεται σύγχρονα µε την καύση (και εποµένως υπάρχει αλληλοεπίδραση). Πιό συνήθεις. Οι ρύποι είναι αποτέλεσµα συνδυασµού χηµικής κινητικής και ρευστοµηχανικής.
Φλόγες διάχυσης Φλόγες διάχυσης Eγχυση δέσµης καυσίµου στον αέρα - Η αντίδραση γίνεται στα σύνορα που διαχωρίζουν το καύσιµο από το οξει-δωτικό (στοιχειοµετρική καύση). - εν υπάρχει διαθέσιµος χρόνος για ανάµειξη πριν από την καύση. Σταγόνες υγρού καυσίµου Παρέχονται σε µορφή σπρέϋ στον αέρα. - Κάθε σταγόνα εξατµίζεται και δηµιουργεί νέφος καυσίµου. - Η αντίδραση γίνεται στα όρια του νέφους (σφαιρικού) καυσίµου και αέρα. t >> Χρόνος που διατίθεται για ανάµειξη πριν από την καύση. t = 0
Οµογενείς - Ετερογενείς αντιδράσεις Οµογενές σύστηµα είναι αυτό που δεν αλλάζουν οι συστάσεις συγκεντρώσεων και οι φυσικές ιδιότητες του αερίου που βρίσκεται σε αντίδραση, µε τον χρόνο ή χώρο (οι ιδιότητες είναι ίδιες παντού) Ιδανικό σύστηµα -µόνο σε εργαστηριακές εφαρµογές Στη πράξη η σύσταση αερίου και φυσικές ιδιότητες µεταβάλλονται στο χώρο αέριο βρίσκεται σε κίνηση ιδιότητες µεταφοράς (δηλ. συναγωγή + επαγωγή) συνεισφέρουν στην εξέλιξη του συστήµατος οι δυνάµεις που παράγονται από τις χηµικές αντιδράσεις είναι η αιτία που η ρευστοµηχανική του συστήµατος γίνεται σηµαντική.
Φυσικο-ελεγχόµενες ή χηµικο-επηρεαζόµενες φλόγες Ενα σύστηµα (π.χ. φλόγα) ονοµάζεται ελεγχόµενο από φυσικούς νόµους (φυσικοελεγχόµενο) όταν οι χηµικές αντιδράσεις είναι τόσο γρήγορες ώστε η χηµική κινητική του συστήµατος να µην παίζει κανένα ρόλο.
Συνεχείς ή διακοπτόµενες φλόγες Με τον όρο συνεχής καύση εννοούµε ότι η διαδικασία γίνεται χωρίς διακοπή, δηλ. καινούργιο οξειδωτικό και καύσιµο τροφοδοτούνται συνέχεια στο θάλαµο καύσης και τα προϊόντα της καύσης αποµακρύνονται συνεχώς (παραδείγµατα: εστίες, αεριοστρόβιλοι). Η καύση είναι διακοπτόµενη στις Μ.Ε.Κ.: Καύσιµο και αέρας εισέρχονται στο θάλαµο, συµπιέζονται γίνεται έναυση (εκτόνωση ενέργειας από σπινθήρα). Καύσιµο και αέρας καίγονται, δηµιουργούνται προϊόντα και απελευθερώνεται µεγάλο ποσό ενέργειας το οποίο διαστέλει τα αέρια προϊόντα (µείγµα) και αυτά µε τη σειρά τους οδηγούν το πιστόνι προς τα κάτω. Τα αέρια προϊόντα ακολούθως εγκαταλείπουν τον θάλαµο και εκλύονται στο περιβάλλον. Ο κύκλος ξαναρχίζει µε την παροχή καινούργιου καυσίµου, οξειδωτικού και σπινθήρα στο θάλαµο (κύλινδρο της µηχανής).
Taξινόµηση Φαινοµένων Παραδείγµατα: Σταγόνα σε καύση : Μόνιµο πρόβληµα, ελλειπτικό, 1D. Εναυση µε σπινθήρα : Μεταβατικό πρόβληµα, ελλειπτικό, 1D. Στρωτή φλόγα διάχυσης : Μόνιµο πρόβληµα, παραβολικό, 2D. Φλόγα σε αξισυµµετρική : Μόνιµο, ελλειπτικό, 2D. εστία (-µε συστροφή) Σταθεροποιητής φλόγας : Μόνιµο, ελλειπτικό, 2D. Αεριοστρόβιλος : Μόνιµο, ελλειπτικό, 3D. Εστία Ατµοπαραγωγού : Μόνιµο, ελλειπτικό, 3D. Μ.Ε.Κ. ΟΤΤΟ : Μεταβατικό, ελλειπτικό, 3D. Μ.Ε.Κ. DIESEL : Μεταβατικό, ελλειπτικό, 3D.
Γενική διάταξη διεργασίας καύσης Αέρας Καύσης (Ο 2, Ν 2 ) Καύσιµο (C x H y ) Θάλαµος Καύσης Καυσαέρια (CΟ 2, CO, H 2, O 2, Ν 2 ) Γενική διάταξη διεργασίας καύσης
Στοιχειοµετρική καύση Στοιχειοµετρική καύση: Η καύση κατά την οποία χρησιµοποιείται για την οξείδωση των στοιχείων του καυσίµου, µόνο η θεωρητικά απαιτούµενη ποσότητα οξυγόνου, η οποία προσδιορίζεται από τις χηµικές εξισώσεις της καύσης. Στα προϊόντα της στοιχειοµετρικής καύσης δεν υπάρχει οξυγόνο.
Ατελής καύση Αίτια: Έλλειψη περίσσειας αέρα, ανεπαρκής ανάµιξη αέρα και καυσίµου. Ανεπαρκής χρόνος παραµονής του καυσίµου στον θάλαµο καύσης Αποτέλεσµα: Τα στοιχεία του καυσίµου, εξέρχονται από τον θάλαµο καύσης χωρίς να έχουν οξειδωθεί πλήρως. Αντιπροσωπεύουν απώλειες, δεδοµένου ότι κάποιο ποσό ωφέλιµης ενέργειας, παραµένει αναξιοποίητο. Τα προϊόντα της ατελούς καύσης, είναι στοιχεία του καυσίµου, τα οποία δεν αντέδρασαν πλήρως µε το οξειδωτικό. Ύπαρξη µονοξειδίου του άνθρακα (CO): Ενδεικτικό της µη πλήρους οξείδωσης του άνθρακα. Μέτρα: παροχή επαρκών ποσοτήτων αέρα, επίτευξη καλών συνθηκών ανάµιξης (υψηλή τύρβη), µείωση του ρυθµού της καύσης (µεγαλύτερος χρόνος παραµονής) και διατήρηση υψηλών θερµοκρασιών στον θάλαµο καύσης (µόνωση για την αποφυγή απωλειών ακτινοβολίας).
Αέρας καύσης Λόγος αέρα καύσης (n): Ο λόγος της πραγµατικά χρησιµοποιούµενης ποσότητας αέρα προς εκείνη που θεωρητικά απαιτείται ή αντίστοιχα του πραγµατικού λόγου αέρα καυσίµου, προς τον στοιχειοµετρικό. Η συνιστώµενη τιµή του λόγου αέρα ποικίλλει, ανάλογα µε το είδος του καυσίµου και τον τύπο του καυστήρα
Αέρας καύσης n = 21 21 y O 2 y O2 : κ.ο. περιεκτικότητα των καυσαερίων σε οξυγόνο Ο αέρας, ο οποίος εισέρχεται ως περίσσεια, αλλά δεν χρησιµοποιείται για την καύση, θερµαίνεται στην θερµοκρασία του θαλάµου καύσης και εξέρχεται από το σύστηµα, µεταφέροντας ωφέλιµη θερµική ενέργεια η οποία µένει ανεκµετάλλευτη, αφού αποβάλλεται στο περιβάλλον, µαζί µε τα καυσαέρια.
Βαθµός απόδοσης συστήµατος καύσης Άµεση µέθοδος : η = Q Q ωϕ προσδ Έµµεση µέθοδος : η = 1 Q Q απ προσδ όπου : Q ωφ : αποδιδόµενη ισχύς στην έξοδο του συστήµατος Q προσδ : προσδιδόµενη στο σύστηµα ισχύς Q απ : συνολικές απώλειες του συστήµατος
Βαθµός απόδοσης συστήµατος καύσης Παρατήρηση της φλόγας, µπορεί να αποδειχθεί χρήσιµη, για τον προσδιορισµό του επιπέδου τύρβης που επικρατεί στον θάλαµο καύσης (και συνακόλουθα τις συνθήκες ανάµιξης), όπως και για την πρόληψη φαινοµένων επαφής της φλόγας µε επιφάνειες του θαλάµου (µη επιθυµητή κατάσταση, αφού µειώνεται ο βαθµός απόδοσης της καύσης και καταπονούνται τα υλικά). Το χρώµα της φλόγας, είναι ενδεικτικό του επιπέδου περίσσειας αέρα. Για παράδειγµα, κατά την καύση φυσικού αερίου, µια «καθαρή», µπλέ φλόγα, δείχνει καλή ανάµιξη και επαρκή τροφοδοσία αέρα, ενώ µια κιτρινωπή φλόγα, είναι ενδεικτική κακής ανάµιξης και ανεπαρκούς καύσης.
Απώλειες στην καύση Οι απώλειες ενέργειας κατά την καύση µειώνουν το ποσό της διαθέσιµης προς χρήση θερµότητας. Αύξηση της κατανάλωσης καυσίµου, για την παραγωγή ενός δεδοµένου ποσού ωφέλιµης ενέργειας. Οι µεγαλύτερες απώλειες ενέργειας, οφείλονται στην υψηλή θερµοκρασία των καυσαερίων και την ατελή καύση του καυσίµου Μικρότερες απώλειες εµφανίζονται λόγω ακτινοβολίας ή µεταφοράς από τον θάλαµο καύσης.
Απώλειες στα θερµά καυσαέρια Απαρτίζονται από: αισθητή θερµότητα των ξηρών καυσαερίων και την αισθητή και λανθάνουσα θερµότητα των υδρατµών στα καυσαέρια. Οι απώλειες ξηρών καυσαερίων, εξαρτώνται άµεσα από την ποσότητα της περίσσειας του αέρα, δεδοµένου ότι ο µη «καιόµενος» αέρας, εγκαταλείπει τον θάλαµο καύσης µε υψηλή θερµοκρασία. Η θερµότητα η οποία απαιτείται για την θέρµανση του αέρα περιβάλλοντος µέχρι την θερµοκρασία εξόδου των καυσαερίων, ισούται µε τις απώλειες αισθητής θερµότητας των ξηρών καυσαερίων.
Απώλειες υδρατµού καυσαερίων Ο υδρατµός που εµπεριέχεται στα καυσαέρια, απορροφά ποσό θερµότητας ίσο µε την λανθάνουσα θερµότητα ατµοποίησης συν την αισθητή θερµότητα υπερθέρµανσης του από την θερµοκρασία ατµοποίησης, µέχρι την θερµοκρασία των καυσαερίων. Η υγρασία του καυσίµου, απορροφά και ένα ποσό θερµότητας, για την θέρµανση της από την θερµοκρασία εισόδου στον θάλαµο καύσης, µέχρι την θερµοκρασία ατµοποίησης. Μέτρα: Χρήση εναλλακτών στην έξοδο των καυσαερίων, οι οποίοι ανακτούν όσο το δυνατόν περισσότερη αισθητή και λανθάνουσα θερµότητα, πριν τα καυσαέρια αφεθούν στο περιβάλλον.
Απώλειες λόγω ακτινοβολίας ή µεταφοράς Μεταφορά θερµότητας µε ακτινοβολία και µεταφορά, από την θερµή εξωτερική επιφάνεια του θαλάµου καύσης προς το περιβάλλον Εξαρτώνται άµεσα από την επιφανειακή θερµοκρασία του εξωτερικού κελύφους του. Μέτρα: Εφαρµογή επαρκούς θερµικής µόνωσης στις θερµές επιφάνειες του συστήµατος καύσης.
Σύνοψη Ταξινόµηση φαινοµένων Βαθµός απόδοσης Απώλειες καύσης