g hΑΘΜΟΙ ΑΑΩΗ ΗΛΚΙΚΗ ΝΙΑ · •h ταχεία χημική αντίδραση...

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

ΑΝΟΙΚΤΑ

ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ

ΜΑΘΗΜΑΤΑ

ΣΤΑΘΜΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Ενότητα 4: Καύση

Χατζηαθανασίου Βασίλειος,

Καδή Στυλιανή

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης


ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ

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 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης» 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




ΑΝΟΙΚΤΑ


ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Καύση




Περιεχόμενα ενότητας

1. Τέλεια καύση

2. Ατελής καύση

3. Θερμογόνος δύναμη

4. Σύσταση-ποσότητα καυσαερίων

5. Βαθμός απόδοσης

5




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




Εξισώσεις καύσης

• Χημικές εξισώσεις για τέλεια καύση :

• Ατελής καύση:

7

22

222

22

SOOS

O2HO2H

COOC

2COO2C 2




Κριτήρια τέλειας καύσης

1. Επαρκής ποσότητα αέρα (οξυγόνου).

2. 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




Ατελής καύση

•

•

•

9

10200kJ/kgCOO2

1C 2

0kJ/kg3702COO2

1CO 22

33900kJ/kgCOOC 22




Σύσταση αέρα

10

Κατά μάζα % Κατ' όγκο %

Οξυγόνο 23.14 20.95

Αζωτο 75.53 78.09

Αργό 1.28 0.93

Διοξ. άνθρακα 0.05 0.03




Εξισώσεις καύσης (1/2)

• Εξισώσεις της καύσης: με βάση τη θεωρητική ποσότητα του οξυγόνου που χρειάζεται προκειμένου να γίνει η καύση.

11




Εξισώσεις καύσης (2/2)

12

Καύσιμη

ύλη

΄Ανθρακας

Υδρογόνο

Θείο

Υδρόθειο

Μεθάνιο

Εθάνιο

Προπάνιο

Βουτάνιο

Πεντάνιο

Μοριακό

βάρος

12

2

32

34

16

30

44

58

72

Εξίσωση

Θερμότητα

Καύσης(kJ/kg)

32 853

142 130

9 320

16 543

55 687

51 959

50 095

49 629

51 260

22 SOOS

22 COOC

OHO2

1H 222

OHSOO2

3SH 2222

OH2COO2CH 2224

OH3CO2O2

7HC 22262

OH4CO3O5HC 22283

OH5CO4O2

13HC 222104

OH6CO5O8HC 222125




Καύση άνθρακα

•

•

•

ή

•

13

22 COOC

22 CO kmol 1O kmol 1C kmol 1

22 CO kg 01,44O kg 999,31C kg 12,011

22 CO kg 664,3O kg 664,2C kg 1




Εξισώσεις καύσης και σχέσεις ποσοτήτων για τέλεια καύση

14

Εξίσωση αντίδρασης

Ισοζύγιο γραμμομορίων

Ισοζύγιο μαζών

1kmolC+1kmolO2

= 1 kmol CO2

1kgC +2,664kgO2

= 3,664 kg CO2

1kmolH2+0.5kmolO2

= 1 kmol H2O

1kgH2+7,937 kgO2

= 8,937 kg H2O

1kmolS+1kmol O2

= 1 kmol SO2

1kgS+0,998 kgO2

= 1,998 kg SO2

22 COOC OHO2

1H 222

22 SOOS




Στοιχειακή ανάλυση

•

15

1AWNOSHC




Θερμογόνος δύναμη του καυσίμου (1/2)

• 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




Θερμογόνος δύναμη του καυσίμου (2/2)

17

kJ/kg 9320S8

O-H142130+32850CΑΘΔ

)H937,8W(h fg

kJ/kg 2440W9320S8

OH12032032850CΚΘΔ




Αέρας καύσης (1/3)

18

ί kg

O kg OS998,0H937,7C664,2o 2

min

καυσίμου kg

αέρα kg

232,0

ol minmin

αυσίμου kg

έ kg O31,4S3,4H2,34C48,11lmin

αυσίμου kg

αέρα kg S3,4

8

OH2,34C48,11lmin





• Ποσότητες σε kmol:

• C kg C αντιδρούν με C/12 kmol O2 και δίνουν C/12 kmol CO2

• H kg H2 αντιδρούν με H/4 kmol O2 και δίνουν H/2 kmol H2O

• S kg S αντιδρούν με S/32 kmol O2 και δίνουν S/32 kmol SO2

19





• Ποσότητες σε kmol:

20

ίkg

Okmol

32

S

8

OH

4

1

12

C 2min

ί kg

έ kmol

8

SOH3C397,0

21,0

OL min

min




Περίσσεια αέρα Λόγος αέρα

• Συνήθεις τιμές του λ :

– αέρια καύσιμα λ=1,08 - 1,1

– υγρά καύσιμα λ=1,1 - 1,2

– στερεά καύσιμα λ=1,2 - 1,4

21

min




Σύσταση - ποσότητα καυσαερίων (1/9)

• Καύσιμο με δεδομένο χημικό τύπο, π.χ. καύση μεθανίου (CH4) με λόγο αέρα λ=1,1.

–

•

22

4min CH kmol/kmol2O 4min CHkmol/kmol9,52

0,21

2L

O2HCO32OCH 2224

4min CH kmol/kmol 10,4721,19,52λLL





• Αριθμός kmol συστατικών καυσαερίων:

• O συνολικός αριθμός των kmol των καυσαερίων είναι:

23

8,273L0,79n

0,221)(1,11)Ο(λn

2n

1n

2

2

2

2

N

minO

OH

CO

kmol 11,4738,2730,221np





• Ποσοστά των kmoles των συστατικών είναι:

–

–

–

–

24

0174,0x

21170,x

1743,0x

0,0872x

2

2

2

2

O

N

OH

CO





• Στερεά ή υγρά καύσιμα.

• Καυσαέρια:

– CO2 και SO2 από το καύσιμο.

– Ν από καύσιμο και αέρα.

– Ο2 λόγω περίσσειας αέρα.

– Η2Ο λόγω υγρασίας του καυσίμου.

25





Ξηρά καυσαέρια:

• Από την καύση 1 kg C παράγονται 3.664 kg CO2 και απαιτούνται 2.664 kg Ο2.

• Αέρας: μίγμα δύο μόνο συστατικών, Ο2 και Ν2, με κατά βάρος αναλογία 23,21% Ο2 και 76,79% Ν2.

• Ποσότητα του αζώτου που υπάρχει στον απαιτούμενο αέρα της καύσης και η οποία θα εμφανιστεί στα καυσαέρια είναι: 2,664x(76,79/23,21) = 8,814 kg.

• Συνολική ποσότητα των καυσαερίων που προκύπτει από την τέλεια καύση 1 kg C είναι:

3.664 + 8.814 = 12.48 kg.

26





• Aπό την καύση του διαθέσιμου υδρογόνου (Η-Ο/8), στα ξηρά καυσαέρια θα εμφανιστεί μόνο η ποσότητα του Ν2 που υπάρχει στον αέρα που χρειάζεται το διαθέσιμο υδρογόνο για να καεί. Αυτή είναι:

7,7937x(76,79/23,21) = 26,259 kg.

27





• Συνολική ποσότητα ξηρών καυσαερίων που παράγονται από τη στοιχειομετρική καύση του καυσίμου είναι:

• O δείκτης ‘g’ υποδηλώνει καυσαέριο, ο δείκτης ‘ο’ ότι αναφερόμαστε σε στοιχειομετρική καύση και ο δείκτης ‘T’ ότι αναφερόμαστε σε ξηρά καυσαέρια.

28

ίkg/kg NS3,5

8

OH259,26C48,12mgoT





• Η συνολική μάζα των υδρατμών στα καυσαέρια είναι:

• Η συνολική ποσότητα των καυσαερίων που παράγεται από την τέλεια καύση 1 kg καυσίμου με στοιχειομετρικό αέρα είναι:

29

καυσίμουkg/kg WH937,8mo2 )OH(

ίkg/kg mmmo2 )OH(goTgo





καυσίμουkg/kg lA1m ming

30

• Ποσότητα των καυσαερίων που παράγεται από την τέλεια καύση 1 kg καυσίμου με περίσσεια αέρα:

καυσίμουkg/kg )1(lmm mingog

ή




Μάζες των συστατικών των καυσαερίων σε kg/kg καυσίμου

31

Ουσία

CO2

H2O

SO2

O2

N2

Προκύπτει από

καύση

3,664c

8,937h

1,998s

-

-

Περιέχεται στο

καύσιμο

-

w

-

-*

n

Από τον αέρα

καύσης

-

ξηρός

-

0,232(λ-1)lmin

0,768.lmin.λ




Σύσταση - ποσότητα καυσαερίων

• Συνολική ποσότητα καυσαερίων σε kmol:

• ή

32

32

O

32

S

4

H

12

CL

28

N

32

S

18

W

2

H

12

Cn p

kg/kmol N7

3W

3

2O

8

3H3

12

1Ln p




Όγκος καυσαερίων

33

p/TO)1(V

p/T)28

NL79,0(V

p/T32

SV

p/T18

W

2

HV

p/T12

CV

minO

N

SO

OH

CO

2

2

2

2

2

R

R

R

R

R

p

Tn

p

TO)1()

28

NL79,0(

32

S

18

W

2

H

12

CV pminp

RR




Χαρακτηριστικά μεγέθη καυσαερίων (1/2)

• Ειδική θερμότητα καυσαερίων:

• ξi: τα ποσοστά μάζας των μεμονωμένων συστατικών του καυσαερίου.

• : οι μέσες ειδικές θερμότητες των συστατικών.

34

T

0p

i

i

T

0p iv

cc

T

0pi

c




Χαρακτηριστικά μεγέθη καυσαερίων (2/2)

• 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:

• :το μοριακό ποσοστό (ποσοστό moles) των υδρατμών στα υγρά καυσαέρια

• : η πίεση του μίγματος του καυσαερίου.

OH2x

35

.pxp OHOH 22

p




Αδιαβατική θερμοκρασία φλόγας (καύσης) (1/2)

• 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




Αδιαβατική θερμοκρασία φλόγας (καύσης) (2/2)

• : θερμογόνος δύναμη

• : λόγος αέρα

• : ελάχιστη ανάγκη σε αέρα

• : θερμοκρασία του αέρα

• : ειδική θερμότητα αέρα

• : ειδική θερμότητα καυσαερίων

lT

0PLc

37

adT

0

0

pvc

ad

l

T

0

0

pvg

l

T

0PLminu

ad

cm

TcλlHT

uH

λminl

lT




Bαθμός απόδοσης εστίας (1/2)

• 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




Bαθμός απόδοσης εστίας (1/2)

•

• : η ενθαλπία του μίγματος καυσίμου-αέρα.

• : η ενθαλπία των καυσαερίων στην θερμοκρασία εξόδου τους ΤA από την εστία.

39

u

ABl

u

FH

)h(T)T,h(T

H

qη

)T,h(T Bl

)h(TA




Σημείωμα Αναφοράς

Copyright Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Χατζηαθανασίου Βασίλειος, Καδή Στυλιανή. «ΣΤΑΘΜΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. Καύση». Έκδοση: 1.0. Θεσσαλονίκη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://eclass.auth.gr/courses/OCRS427/.

http://eclass.auth.gr/courses/OCRS427/




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] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

Σημείωμα Αδειοδότησης

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/








http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/




ΑΝΟΙΚΤΑ


ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Τέλος ενότητας

Επεξεργασία: Σβάρνα Κωνσταντίνα Θεσσαλονίκη, Χειμερινό εξάμηνο 2014-2015




Σημειώματα




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.

g hΑΘΜΟΙ ΑΑΩΗ ΗΛΚΙΚΗ ΝΙΑ · •h ταχεία χημική αντίδραση...

Documents