Penninger Antal: Tüzeléstechnika. BME Energetikai Gépek Rendszerek Tsz. TÜZELÉSTECHNIKA SEGÉDANYAG AZ ELİADÁSOKHOZ. DR. PENNINGER ANTAL egyetemi tanár

Pe E E nn ne inge rge r A tik ai ntal: Gé Tü pe z k é elés s R tec en hni ds k ze a rek Ts z. Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar

Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

TÜZELÉSTECHNIKA

SEGÉDANYAG AZ ELİADÁSOKHOZ

BM

DR. PENNINGER ANTAL egyetemi tanár

2009 BUDAPEST

Tartalomjegyzék

Pe E E nn ne inge rge r A tik ai ntal: Gé Tü pe z k é elés s R tec en hni ds k ze a rek Ts z.

Bevezetés............................................................................................................................................................................ 3 Tüzelıanyagok tulajdonságai .......................................................................................................................................... 5 Tüzelıanyag energiatartalma .......................................................................................................................................... 7 Tüzeléstechnika................................................................................................................................................................. 8 Égés termodinamikája...................................................................................................................................................... 9 Égéshı, Főtıérték, elméleti égési hımérséklet ............................................................................................................. 15 Tüzelıanyag struktúrák................................................................................................................................................. 16 Gáznemő tüzelıanyagok .............................................................................................................................................. 21 Folyékony tüzelıanyagok............................................................................................................................................. 30 Szilárd tüzelıanyagok .................................................................................................................................................. 39 Alapfogalmak .................................................................................................................................................................. 46 Tüzelıanyagok és égési egyenletek ................................................................................................................................ 50 Égési reakcióegyenletek.................................................................................................................................................. 53 Az égés fizikai jellemzıi.................................................................................................................................................. 58 Minimális gyulladási energia....................................................................................................................................... 59 Gyulladási késedelem................................................................................................................................................... 65 Elméleti égési hımérséklet........................................................................................................................................... 66 Lángterjedési sebesség................................................................................................................................................. 70 Gyulladási határok....................................................................................................................................................... 70 Kioltási távolság .......................................................................................................................................................... 71 Termikusan stacioner és instacioner égés..................................................................................................................... 73 Lamináris elıkevert láng szerkezete ............................................................................................................................. 74 Láng stabilitása lamináris láng esetén .......................................................................................................................... 80 Reakciókinetika .............................................................................................................................................................. 84 Gázégık felépítése........................................................................................................................................................... 92 Lamináris lángterjedési sebesség ................................................................................................................................ 105 Szabadsugár áramlás.................................................................................................................................................... 113 Diffúziós láng stabilitása .............................................................................................................................................. 124 Perdületes sugarak, perdületes lángok ....................................................................................................................... 125 Stabilizálás torlasztótárcsával ..................................................................................................................................... 129 Diffúziós lánghossz változása....................................................................................................................................... 130 Turbulens áramlás jellemzıi........................................................................................................................................ 132 Égési diagram - Borghi diagram ................................................................................................................................. 135 Turbulens elıkevert lángok ........................................................................................................................................ 143 Porlasztás....................................................................................................................................................................... 146 Cseppek égése................................................................................................................................................................ 153 Heterogén reakciók....................................................................................................................................................... 169 Szénportüzelés............................................................................................................................................................... 173 Szitaanalízis ............................................................................................................................................................... 173 Szénırlı malmok........................................................................................................................................................ 179

BM

Szénportüzelı berendezések....................................................................................................................................... 180 Rostélytüzelés ................................................................................................................................................................ 183 Hulladéktüzelés ............................................................................................................................................................. 190 Fluidágyas tüzelés ......................................................................................................................................................... 198 Égési zaj ......................................................................................................................................................................... 222 Hasonlósági törvények.................................................................................................................................................. 238

2

Bevezetés


Petıfi Sándor tüzeléstechnikai megfigyelései: A helység kalapácsa címő verses elbeszélés elsı énekébıl idézve: „Panni te! Kelj fel,

Rakj tüzet, és melegíts téglát... De szaporán!

Panni pedig len

Feltápászkodik...egy-két Botlásnak utána

Kijut a konyhába...kovával*, acéllal Meggyújtja a taplót**

Kéngyertyával a szalmát, Szalmával a fát,

Hogy téglát melegítsen

Hasacskájára a mopszli-kutyának”

* Kova, kovakı = elemi szilícium

* * Tapló = taplógomba kikészített anyaga, ami gyúlékony

Megjegyzés: minimális gyulladási energiával - szikrával - meggyújtja a legkisebb gyújtási energiát igénylı taplót, majd a gyertyával a nagy illó tartalmú szalmát, ami kellı mennyiségben

BM

már alkalmas az aprófa gyulladási hımérsékletre emeléséhez.

3

Miért tanuljunk tüzeléstechnikát? A napjainkban felhasznált energia közel 90 %-a tüzelési folyamatokból származik. Ha


környezetünkben széttekintünk, akkor szembeötlik, hogy a tüzelés mennyire fontos része mindennapi életünknek. Hogy mást ne említsünk a szobánk vagy egy lakóház főtését gáz-, vagy olajtüzeléső berendezéssel biztosítjuk.

Hazánk villamos energia termelésének közel 60 %-a szén-, földgáz- ill, kıolajtermékek eltüzelésén alapul. A közlekedési eszközök erıgépeinek a zöme is tüzelési folyamatokon nyugszik.

De tüzelés nélkül az ipari folyamatok is elképzelhetetlenek, vas, acél, alumínium és más fémfeldolgozó iparok kemencéket alkalmaznak a nyers termek elıállítására és további hıkezelési eljárással nagy értékő végtermek állítható elı.

Más és más tüzelési technológiákkal találkozunk kazánokban, szárítókban, üvegolvasztókban, cementmővekben.

A tüzelés alkalmazása azonban megtalálható az elıállított termékek élettartamának végen is, a hulladékok megsemmisítésekor. A csökkenı lerakó helyek száma az egyre sőrőbben lakott területeken növeli e technológia alkalmazásának szükségességét.

A tüzelés hasznos alkalmazási területei mellett azonban növekvı jelentısegő a tüzelés okozta környezetszennyezés. A tüzelés során keletkezı fıbb szennyezık az elégetlen vagy csak részben elégett szénhidrogének, a nitrogénoxidok (NO és N02), a kénmonoxid, kénoxidok (S02, S03) és a különbözı szilárd részecskék. A környezetszennyezés egészségkárosító hatású, szmog, savas esı globális felmelegedés és a sztratoszférabeli ózonréteg csökkenés fı okozója.

A tüzelésnek a társadalomban betöltött fontos szerepet tekintve meglepı, hogy milyen kevés mérnöknek van mélyebb tüzeléstechnikai ismerete.

A tisztán gyakorlati megfontolásokon túlmenıen a tüzelés ill. az égésfolyamatok tanulmányozása egy intellektuális kihívás, melyben a mérnöki hıtechnika az áramlástan és reakciókinetika képezik a

BM

mérnöki tevékenység gyakorlati alapjait.

4

Tüzelıanyagok tulajdonságai


Tüzelıanyagokat legelıször halmazállapotuk szerint szokás csoportosítani: vannak szilárd, folyékony és gáznemő tüzelıanyagok.

Szilárd tüzelıanyagokhoz soroljuk a különbözı korú szeneket, mint pl. kıszén, barnaszén, lignit, valamint a megújuló energia fajták közül a fa, szalma, és egyéb mezıgazdaság szilárd halmazállapotú növényi termékeket.

Folyékony tüzelıanyagok meghatározó csoportját alkotják a kıolaj lepárlása során nyert különbözı tüzelési tulajdonságokkal rendelkezı termékeit, mint a petróleum, kerozin, benzin, gazolaj, tüzelıés főtıolaj és pakura. Megújuló energiafajták közül megemlítendık az alkoholok és különbözı növényi olajok.

Gáznemő tüzelıanyagok közül a legszelesebb felhasználású a földgáz, aminek döntı alkotóeleme a metán. Emlit6sre méltó meg a propán és bután, valamint a hidrogén. Ez utóbbi gazdaságosan ma csak a metán krakkolásából állítható elı. Megújuló energiafajták sorában nı a jelentısége az ún. biogáznak, ami döntıen metánt tartalmaz, de jelentıs széndioxid tartalommal terhelten.

A különbözı technológiai folyamatok során a tuzel6anyagban kötött kémiai energiát szabadítjuk fel hı formájában.

Kazán- és tüzelıberendezésekben a tüzelıanyag elégetése során keletkezett hı rendszerint közvetítıközeg révén jut a felhasználás helyére. Kazánokban és tüzelıberendezésekben a tüzelıanyagok tüzelési tulajdonságainak figyelembevételével kialakított szerkezetben gyakorlatilag valamennyi tüzelıanyagfajta eltüzelhetı.

A különbözı erıgépekben a tüzelıanyag elégetése végsı soron mechanikai munkavégzés céljából történik.

Az erıgépek két nagy csoportja a belsıégéső motorok és a gázturbinák. Mindkettı erıgéptípus nagyon érzékeny a szilárd r6szecskekre, ezért ezek üzemeltetésére csak a folyékony és gáznemő tüzelıanyagok alkalmasak. Folynak ugyan kísérletek főrészpornak gázturbinában történı elégetésére, de ennél is az egyik központi probléma az égéstermek szilárd tartalmának leválasztása a turbina belepı lapátsora elıtt.

BM

Valamennyi tüzelıanyag éghetı és ballaszt részbıl áll.

Éghetınek nevezzük azokat a tüzelıanyag alkotókat, amelyek oxidációja hıfejlıdéssel jár. Ezek a karbon (C), a hidrogén (I) és a kén (S). Ezeken kívül a tüzelıanyag tartalmazhat oxigént (O), tüzelıanyagban kötött nitrogént (N) is. 5

A ballaszt összetevıje a nedvesség és a hamu. Tüzelıanyagfajtától függıen a hamu lehet veszélyes, mérgezı vagy stabil, ártalmatlan.


A tüzelıanyagok megválasztásában számos tüzeléstechnikai szempont mellett meghatározó szerepet játszik a tüzelıanyag ara, melynek fontos eleme a szállítási költség, a tüzelıanyag fajlagos CO2 kibocsátása és egyéb környezetvédelmi szempontból karos anyagok kibocsátása és végül a tüzelıanyag kezelhetısége. Ez utóbbi megítéléséhez ismerni kell a tüzelıanyag fajlagos energiatartalmát, a szállítási lehetıségét és módját, további a felhasználást követıen visszamaradó hamu ill. salak mennyiségét.

Fosszilis tüzelıanyagok (szén, kıolaj, földgáz) felhasználása a legelterjedtebb. Napjainkban a világ energiatermelésének közel 83 %-át fedezi. A fennmaradó 17 %-on a vízenergia, a nukleáris energia és a biomassza osztozkodik.

Fosszilis tüzelıanyagok átszámítását szolgáljak a következı mennyiségek: 1 kg kıszén egyenert6k = 29308 kJ/kg (főtıérték) 1 kg kıolaj egyenérték = 41868 kJ/kg (főtıérték) A kıolaj világkereskedelmi egysége a barrel = 159 l

7,3 barrel

= 1 t kıolaj

BM

1 barrel (b)

6


BM

Tüzelıanyag energiatartalma

7

Tüzeléstechnika


Minıségbiztosítás

Tüzelıanyagok jellemzıi:

É - Égéshı F - Főtıérték

összetétele:

C, H, S, N, O, nedvesség, hamu ( NO2 , CO2 , CO, CxHy, SO2 )

Alapvetı reakciók:

kémiailag kötött energia hıvé alakul → exoterm reakciók C + O2 = CO2 + hı 1

1 H 2 + O2 = H 2 O + hı 2 2 S + O2 = SO2 + hı 3

BM

-

8

Égés termodinamikája


I. fıtétel alkalmazása égési folyamatokra Vizsgáljuk a belsı energia változását az égés folyamán.

A belsı energia /U/ csak állapotfüggı, nem függ az úttól!

- nem átáramló rendszer pl.: belsı égéső motor

Belsı energia megváltozása: U T1 − U R1 Lépésekre bontva:

(

) (

) (

U T1 − U R1 = U T2 − U T0 + U T0 − U R0 + U R0 − U R1 ↓

van reakció V0=áll

↓

állapotváltozás reakció nélkül

BM

kémiai reakció nélkül

↓

)

9

(U T

0

)

− U R0 meghatározásához gyakorlati ismeretekre van szükség.

Az I. fıtételt a b→c folyamatra alkalmazva

(

)


Q R0 ,T0 = U T0 − U R0 közvetlenül meghatározható V0=áll. Térfogatú kaloriméterben leadott hı mérésével

(égés+hőtés T0 hımérsékletre ⇒ környezetnek leadott hı)

A hıleadással csökken a rendszer belsı energiája, ezért Q negatív elıjelő. (hıelvonás, hogy az eredeti T0-t kapjuk)

Átlagos nyomásokat figyelembe véve a belsı energia változása csak T0 hımérséklettıl függ, V0-tól nem.

(

)

Q R0 ,T0 = U T0 − U R0 = f (T0 , V0 ) = ∆U 0

kJ kJ , kg kmol

Ez az égés belsı energiája T0 hımérsékleten, más szóval V0=áll. térfogaton az égésbıl felszabaduló hı.

Ezzel az eredeti egyenletünk új formája:

(

)

(

)

BM

U T1 − U R1 = U T2 − U T0 + ∆U 0 + U R0 − U R1

10

Égés során a reagensek "R" és égéstermékek "T" alacsony nyomású (parciális) gázokat és gızöket tartalmaznak → jó közelítéssel ideális gázokként viselkednek. Feltételezve, hogy fázisváltozás nem történik az a → b és c → d állapotváltozáskor a kémiai reakció


nélüli állapotváltozások egyenletei:

a → b: U R0 − U R1 = ∑ mi ⋅ cvi ⋅ (T0 − T1 ) "R" reagens R

c → d: U T2 − U T0 = ∑ mi ⋅ cvi ⋅ (T2 − T0 ) "T" égéstermék T

[ az i-edik alkotórész mi tömege, cvi fajfagos hıkapacitása]

Hasonló gondolatmenettel jutunk az ENTALPIAVÁLTOZÁS-t leíró összefüggésekhez [stacioner áramlásban p=áll. mellett végbemenı égési folyamatra érvényes]:

(

)

(

H T1 − H R1 = H T2 − H T0 + ∆H 0 + H R0 − H R1

)

a → b: H R0 − H R1 = ∑ mi ⋅ c pi ⋅ (T0 − T1 ) "R" reagens R

c → d: H T2 − H T0 = ∑ mi ⋅ c pi ⋅ (T2 − T0 ) "T" égéstermék T

Átáramlott rendszerre felírt I. fıtétel

(

)

Q R0 ,T0 = H T0 − H R0 = ∆H 0

kJ kJ , kg kmol

BM

itt ∆H 0 az égés entalpiája T0 hımérsékleten

11

A ∆H 0 elvben mérhetı olyan átáramlott kaloriméterben (V≠áll) ahol az égésterméket "T" és a reagenseket "R" egyaránt T0 hımérsékletre hőtik és munkavégzés nem történik. (a kinetikus energia megváltozása pedig elhanyagolható)


A fázisváltozás hatását azonban figyelembe kell venni.

C H y folyékony

∆H 0 x

C H y gáz

< ∆H 0 x

↑

párolgáshı

Ha a tüzelıanyagban van H2O, vagy a reakció során keletkezik H2O akkor az az égéstermékben lehet folyadék, vagy gız halmazállapotú (É-égéshı, F-főtıérték).

Folyadék és szilárd tüzelıanyagra ∆U 0 -t, gáznemő tüzelıanyagra ∆H 0 -t határozzuk meg kísérleti úton. Természetesen az egyik a másikba átszámítható a következıképpen:

(

) (

) (

)

(

∆H 0 = H T0 − H R0 = U T0 + pT0 ⋅ VT0 − U R0 + p R0 ⋅ V R0 = ∆U 0 + pT0 ⋅ VT0 − p R0 ⋅ V R0

)

Gáz tüzelıanyagra/reagensekre alkalmazható az ideális gáz állapotegyenlete: p ⋅ V = nR0T ,ahol n az

BM

illetı gáz (keverék) kmol száma.

12

Szilárd tüzelıanyagra a zárójelben lévı pV különbség elhanyagolható a belsı energiához viszonyítva:


∆H 0 ≈ ∆U 0

egyébként a ∆H 0 és ∆U 0 közötti kapcsolat: ∆H 0 = ∆U 0 + R0 ⋅ T0 ⋅ (nT − nR )

R0 kJ   −3  R = M , R0 = 8314 ⋅10 kmol ⋅ K   

Amennyiben a reagensek "R" és az égéstermék "T" kilomoljainak különbsége zérus, akkor nT − nR = 0 és így ∆H 0 ≈ ∆U 0

[a legtöbb tüzelıanyagra a különbség kicsi]

Összefoglalva

Zárt rendszerben (V=áll.):

Q − W = U T − U R = ∆U

Áramló közegben (W=0), (p=áll.):

Q = H T − H R = ∆H

Mivel reakció elıtt és után ugyanaz az állapot, ezért a változás a kémiai energiában van. A jellemzıt REAKCIÓENTALPIÁNAK nevezik.

Az ÉGÉS ENTALPIÁJA az a hı, ami áramlási folyamatokban égési reakció során felszabadul, amikor 1 kmol vagy 1 kg tüzelıanyagot elégetünk- tökéetesen, meghatározott nyomáson és hımérsékleten. Ez megegyezik a főtıértékkel F [H2O gız halmazállapotú]

BM

az égéshıvel É [H2O folyadék halmazállapotú]

13


h-t diagram

A tüzelés során leadott hı (-q) megadja a kilépı tfg égéstermék hımérsékletet

Adiabatikus feltételek mellett a tüzelés során felszabaduló hı teljes egészében a lángban marad

BM

ezért kifelé q=0, tehát h’(t,λ) = h’’(t,λ)

14

Égéshı, Főtıérték, elméleti égési hımérséklet  kJ   kJ   kg ;  m 3    


Égéshı (É)

Egységnyi tömegő vagy térfogatú tüzelıanyag tökéletes elégése során felszabaduló hı, az égésterméket visszahőtve a kiindulási hımérsékletre a H2O folyékony állapotban van.

Főtıérték (F)

 kJ   kJ   kg ;  m 3    

Egységnyi tömegő vagy térfogatú tüzelıanyag tökéletes elégése során felszabaduló hı, az égésterméket visszahőtve a kiindulási hımérsékletre a H2O gız állapotban van. É = F +r

9 H % + H 2 O% 100

kJ kJ illetve 2000 (0°C) kg kg F = É − m H 2O ⋅ r

r= 2500

Németül: BRENNWERT HEIZWERT

BM

Angolul: Higher Heating Value (HHV) Lower Heating Value (LHV)

15

Tüzelıanyag struktúrák


Tüzelıanyagokban elıforduló különbözı szerves vegyületek közül néhányat bemutatunk - a teljesség igénye nélkül - amelyek tüzelési folyamatokban gyakran elıfordulnak. a) Telített szénhidrogének csoportja, vagy parafinok (alkánok)

Jellemzıjük a szénatomok közötti egyszerő – egyvegyértékő – kötés. Képletük: CnH2n+2

CH4 – metán, C2H6 – etán, C3H8 – propán, C4H10 - bután Példa izoparafinra:

dimetil hexán

Repülıgép gázturbina hajtóanyában 30-35 %-ban található

b) Telítetlen szénhidrogének, vagy olefinek (alkének) Jellemzıjük a szénatomok közötti kettıs kötés. Képletük: CnH2n

C2H4 – etilén

C3H6 – propilén

BM

C4H8 – butilén

16

Hasonló összetételőek, de kettıs kötést nem tartalmaznak a cikloparafinok Jellemzıjük az alacsony koromképzıdési hajlam.


Képletük: CnH2n

C3H6 – ciklopropán,

C5H10 – ciklopentán

c) Zártláncú vegyületek (aromás szénhidrogének)

Jellemzıjük: győrős molekulák, melyek hidrogéntartalma az elıbbieknél kisebb ezért a főtıértékük is kisebb. Képletük: CnH2n-6

BM

C6H6 – benzol

17

d) Alkoholok Jellemzıjük, hogy hidroxil gyököt (-OH) tartalmaznak. -

egyértékő alkoholok


CH3-OH – metanol (metil alkohol) C2H5-OH – etanol (etil alkohol) -

többértékő alkoholok (glikolok)

repceolaj észterezésekor keletkezik a glicerin

e) Aldehidek

Jellemzıjük a

molekulacsoport

formaldehid acetaldehid

f) Ketonok

Jellemzıjük a

molekulacsoport

BM

aceton

18

g) Alifás karbonsavak molekulacsoport


Jellemzıjük a

hangyasav

ecetsav

h) Heterociklusos vegyületek

Jellemzıjük: a győrő kialakulásában a C atomokon kívül O, N, S atomok is részt vehetnek.

dibenzofurán

dibenzodioxin

A hidrogén helyét Cl foglalhatja el, ami által rendkívül mérgezıvé válik.

BM

Hulladékégetımőben a megengedett határérték 0,1 ng/m3

19

i) Policiklikus aromás szénhidrogének Léghiányos lángban jelentıs koncentrációban van jelen az acetilén (C2H3) amely CH2-vel reakcióba lépve C3H3 képzıdéshez vezet.


További C2H2-bıl újabb győrők keletkezhetnek.

Ezek fontos szerepet játszanak a koromképzıdésben.

Korom a policiklikus aromás szénhidrogének továbbnövekedése során jön létre. Emellett a bemutatott mechanizmussal párhuzamosan számos különbözı kémiai kötés jön létre

BM

különbözı C ill. H tartalommal.

20

Gáznemő tüzelıanyagok


- szénelgázosításból fıleg CO és N2 - kohógáz: 1/3 CO+H2, 2/3 CO2 - földgáz: 88-92 % CH4 összetétele: - metán - etán - propán - bután - egyéb alkotók

CH4 C2H6 C3H8 C4H10 N2 S CO2 N2

- száraz földgáz > 80 % CH4 - nedves földgáz (kıolaj feletti lencse) magasabb parafinokat is tartalmaz nagyobb főtıértékő

BM

- cseppfolyósított földgáz LNG földgáz környezeti nyomáson -161°C-on cseppfolyós, térfogata 0,06-ra csökken.

21

BM


- biogáz: Szerves anyagok biokémiai lebontásakor keletkezik oxigéntıl elzárt (anaerob) térben, nedves környezetben, baktériumos erjesztéssel. Összetétele: CH4 50-70 % CO2 30-50 % H2, H2S 0-0,2 % 3 Főtıértéke: 22600 kJ/m n Elıállítása: mezıgazdasági hulladék (növényi és állati trágya) szennyvíziszap kommunális hulladék 500 kg élısúlyú állatra 1m3/nap biogáz elıállítás számítható

22

Gáznemő tüzelıanyagok: - általában 80 % feletti - etán - propán - bután - egyéb alkotók

CH4 tartalom C2H6 C3H8 C4H10 N2 S CO2 N2


Földgáz:

Földgáz környezeti nyomáson -161°C-on cseppfolyós, térfogata 0,06-ra csökken. Kohógáz, generátorgáz, világítógáz – helyi felhasználás Biogáz:

általában 2/3 rész CH4, 1/3 rész CO2 Égéshı [kJ/m3]

Főtıérték [kJ/m3]

Főtıérték [kJ/kg]

12.745 12.635 39.815 70.305 101.205

10.785 12.635 35.880 64.355 93.180

119.952 10.110 50.010 47.480 46.350

BM

Gáznemő tüzelıanyag Hidrogén (H2) Szénmonoxid (CO) Metán (CH4) Etán (C2H6) Propán (C3H8)

23

Gáznemő tüzelıanyagok összetétele 3

H2 100 -

CO -

CH4 100 81,8

CxHy 3,2

CO2 0,8

N2 14,1

O2 -

37,2

-

-

86,9

7,6

1,2

4,3

-

93,58 123,55

-

-

-

-

-

-

-


H2 CH4 földgáz földgáz Hajdúszoboszló propán bután

F [MJ/m ] 10,72 35,8 31,67

Égéshı és főtıérték közötti különbség gázoknál ~ 11% olajoknál ~ 6% Wobbe szám: Wo =

É

dv =

dv

Wo ′ = É

p dv

ρg → 0,5 ÷ 0,7 ρl

 N  p  2  túlnyomás a fúvókában m 

Azonos hıteljesítményhez azonos Wo szám tartozik.

Ha a gázminıség változik (É,ρg) és a nyomás (p) akkor a hıteljeítmény (Q0) és a Wo szám

BM

is változik

24

Kibıvített Wo szám: Wo ⋅ p ⋅ D 2 = áll


Ha 1. gázfajtáról 2. gázfajtára átállunk akkor azonos Q hıteljesítmény biztosítására betartandók a következık: Wo1 ⋅ Wo 2

p1 p2

fúvóka ∅

D2 = D1 ⋅

gáznyomás

 Wo   D  p 2 = p1 ⋅  1  ⋅  1   Wo 2   D2 

2

4

Tüzelıanyagok gyulladási hımérséklete levegın: 350-520 °C

Bután

430 °C

Propán

~ 500 °C

Földgáz

~ 650 °C

Tüzelıolaj

~ 240 °C

Fa

200-300 °C

Faszén

300-425 °C

BM

Benzin

25


BM

Gázok égési sebessége

26

Koromképzıdés Gáztüzelésnél C – C kötés szakad fel metán

CH4 → 2 H2 +

C


pl.:

Koromképzıdési tényezı:

Megadja, hogy a tüzelıanyag összes karbon tartalmából hány % válik ki korom formájában.

pl.:

metánnál:

1000 °C – on

5%

600 °C – on

30 %

500 °C – on

50 % ez a tényezı

Képzıdési mechanizmusok:

2CO

↔

CO2

+

C

CO

+

H2

↔

H2O

CH4

↔

2H2

+

C

fordított Boudouard reakció

+

C

fordított vízgáz reakció

Befolyásoló tényezı:

- Tüzelıanyag fajtája (nagy C/H-val hajlamos) - láng típus (elıkevert, diffúziós)

BM

- láng hımérséklet, oxigén kínálat minél kisebb, annál inkább keletkezik.

27

Koromképzıdés elkerülése: - gyors keveredés - gyors hımérsékletnövekedés


- elıkevert (kinetikus) lángnál intenzív elıkeveredés → alig keletkezik

Segíti a korom képzıdését:

- levegıhiány

- alacsony hımérsékletnövekedés

- diffúziós lángnál a tüzelıanyagban gazdag magjában keletkezik

- láng hőtött felülettel érintkezı részén van koromkiválás

Korom csak gázfázison keresztül jön létre!

Koromszemcse mérete ~ 0,025 µm = 250Ǻ C6H; C8H

BM

Felépítése:

28


BM

Koromképzıdést befolyásoló tényezık

29

Folyékony tüzelıanyagok

(fosszilis)

- könnyő benzin


- kıolaj → desztillátumok

- nehéz benzin - petróleum - gázolaj - pakura

- megújuló folyékony tüzelıanyagok: - növényi olaj: - repce - napraforgó - mogyoró stb. - alkoholok: - etanol (C2H5OH) (keményítı, cukor, cellulóz tartalmú növények) pl.:

C6 H 12 O6 → 2C 2 H 5OH + 2CO2 cukor etanol szén – dioxid 100 kg 51 kg 49 kg

- metanol (CH3OH) (fa elgázosítással)

pl.: szintézisgázból (CO/H2 keverék) CO + 2H2 → CH3OH + hı (katalizátor mellett 50 – 60 bar, 230 – 260 °C-on) jellemzıi:

- mérgezı és korrozív

MJ ) kg - 10 °C alatt hideg indítás nem megy, - benzinhez maximum 15 %-ban keverik - alacsony főtıérték (19,7

BM

- állati zsiradék

30

viszkozitás 4,5-55 cSt (mm2/s) 100 °C-on ISO 8217 szerint általában csak elımelegítve (90-170 °C) porlasztható nagyhımérséklető korrózió V, Na tartalom miatt alacsony hımérséklető korrózió harmatpont alá hőtés miatt (tüz.a. S tartalmával H2SO3, H2SO4) lerakódás veszély, megnövekedett kopásveszély


Nehézolaj -

Alkohol metanol etanol diesel olaj

CH3-OH C2H5-OH

C/H=3 C/H=4 C/H~6,5

1·12/4·1=3 2·12/6·1=4

BM

Alkoholok főtıértéke kb. fele a benzinének → azonos teljesítményhez dupla mennyiségő tüzelıanyag! Alkoholok oxigéntartalma nagyobb, mint a benziné vagy dieselolajé → kevesebb levegı kell benzin ~ 14,5 kg/kg metanol ~ 6,46 kg/kg etanol ~ 9,0 kg/kg

31


Alkohol tartalmú tüzelıanyagok OH csoporttal rendelkeznek CH3-OH CH3-CH2-OH metanol etanol

BM

Olefinek (alkének) C2H2n de a szomszédos szénatomok kettıs kötéssel rendelkeznek CH2=CH2 etilén CH3-CH=CH2 propilén Ezek lehetnek győrős szerkezetőek is Alapmolekula a benzol C6H6

32


BM

Biodízel

33

g/cm3 mm2/s MJ/kg % °C kg/kg

Repceolaj 0,915 74 35,2 77,6:11,7:10,5 40 18 12,4

RME 0,88 7 37 76,8:12,1:11 54 -5 12,5

BM


sőrőség (15 °C) viszkozitás (20 °C) főtıérték C:H:O (tömegarány) cetánszám dermedéspont levegıigény

Diesel 0,83 ~2 43 86,4:13,6:0 50 -22 14,5

34

tüzelıanyag etilalkohol benzin

C 52 85 86 85 38 86 77,6 76,8

összetétel tömeg %-ban H O+N 13 25 15 13 15 12 13 11,7 12,1

0,5 50 0,4 10,5 11

S 0,3 0,5 -

É kJ/kg 29890 46700

F kJ/kg 26960 42500

45400 42400 22310 44800

42700 40800 19510 41650 35200 37000


főtıolaj petróleum metanol dieselolaj repceolaj RME

ρ kg/dm3 0,8 0,72-0,8 0,820,86 0,8-0,82 0,79 0,84 0,915 0,88

Folyékony tüzelıanyagok jellemzıi:

BM

- égéshı, főtıérték - sőrőség - viszkozitás - lobbanáspont - öngyulladási hımérséklet - forrási görbe - kéntartalom - vanádium és ólomtartalom - oktánszám (benzineknél) - cetánszám (diesel olajoknál) - füsthatár

35

Folyékony tüzelıanyagok az a hımérséklet, amelyen az olaj nehézségi erı hatására már nem folyik az a hımérséklet, amelyen az olajfelszín feletti gız idegen hıforrásra


Dermedéspont Lobbanáspont ellobban

Gyulladáspont

Conradson szám

BM

Hamutartalom

wé>wpárolgási mint az elıbbi, csak a gızök min. 5 sec-ig égnek wé≤wpárolgási szabvány szerinti olajhevítéskor a párolgás után visszamaradó koksz százalékos mennyisége 0,1-0,8%, V2O5 okoz nagyhımérséklető korróziót

36

BM


Cetánszám - gyulladási hajlam - cetán %-a a cetán és alfametilnaftalén keverékben - min 45, általában 50 - minél nagyobb, annál tökéletesebb az égés - a tüzelıanyag gyulladási képességének mértéke - túl nagy cetánszám korai gyulladást okoz (mielıtt a jó keveredés létrejött) Forrási tulajdonság forrás kezdete (párolgás módja és mennyisége az alsó hımérséklet tartományban forrás vége lerakódások, füst megakadályozása miatt Kéntartalom - motorolaj elsavanyítása és szulfát emisszió Alacsony hımérséklető folyásképesség Sőrőség Viszkozitás Lobbanáspont (nem lehet 65 °C-nál alacsonyabb, biztonsági okokból) Corradson szám - koksz maradvány Habosodási hajlam

37


Folyékony tüzelıanyagok Viszkozitás - dinamikai (η) Poise 1cP=10-3 Pas - kinematikai (ν) Stokes η  m2  ν=   ρ  s  1cSt=10-6 m2/s Engler viszkozitás [E°]

200 cm 3 t C olaj kifolyási ideje ( s )

200 cm 3 20 C víz kifolyási ideje ( s)

BM

E =

38

Szilárd tüzelıanyagok  kJ  Főtıérték    kg  14 600 Változó a meddı Aránya miatt 22 – 28 000 30 – 33 000


Tüzelıanyag

fa tızeg ~ 104 éves lignit ~ 10 4 – 105 éves barnaszén ~ 106 éves kıszén ~3·106 – 5·106 éves

Kıszén:

- zsíros szén (fekete szén) - sovány szén (antracit)

Mesterségesen elıállított szenek:

- koksz

F = 28 – 30.000

BM

Szilárd tüzelıanyagok összetétele -Tiszta szénre vonatkoztatva-

39

kJ kg

Szilárd tüzelıanyagok Elemi analízis


C, H, S, O, N, nedvesség, hamu Immediát analízis /gyorselemzés/

- nedvesség → felületi+higroszkópikus+szerkezeti - illótartalom - fix karbon - hamu

felületi higroszkópikus szerkezeti víz

- légszáraz (környezettel egyensúlyban) - 106±2 °C szárítókemencében távozó nedvesség - szervetlen eredető kristály víz + szerves eredető (140 °C felett felszabaduló) bomlás víz

BM

hamu + nedvesség= ballaszt

40

Szilárd tüzelıanyag Nedvesség


Összes nedvesség = durva nedvesség + higroszkópos nedvesség

kiterített szénmintából levegın a helyiség hımérsékletén és páratartalmán 24-48 óra alatt elpárolog

higroszkópikus nedvesség:

légszáraz szénminta víztartalma (szerkezeti víz kivételével)

szerkezeti víz:

szervetlen eredető kristály- és hidrátvíz + szerves eredető 140 °C feletti hımérsékleten felszabaduló illetve keletkezı bomlásvíz

BM

durva nedvesség:

41

Hamu - próbatesthez érintett kvarccsı odatapad - 10 mm magas próbatest 3 mm magasságúra zsugorodik - magasság 20 %-kal csökken, vagy az élek lekerekednek - a próbatest félgömb alakúvá olvad össze


Ragadósság Folyáspont Lágyuláspont Olvadáspont

Hıhatásnak kitett szemcsék viselkedése

BM

A lágyabb állapotú részecske a hideg felületnek ütközik, és odadermed. A lerakódás gyorsan növekszik („medve” képzıdés), hıszigetelı réteget alkot (tőztér hımérsékletnı).

42

Leitz-féle hevítımikroszkópos módszer

Próbatest ∅ 10 mm henger 10 mm magas 8 mm-nél lágyul

BM

-


Salak: olyan hamu, ami nagy hıhatásnak volt kitéve. A hamu különbözı fémek oxidjából áll fıleg. /Al, Si, Fe, Ca, Mg, K, Na / Hamu nagy hımérsékleten megolvad Vizsgálat: - Bunte-Baum módszer

43

Egyéb szilárd tüzelıanyagok:

- olajpala, olajhomok - biomassza


- fa (egyesek ide sorolják)

Olajpala összetétele:

- hamu

40 – 60 %

- illó

15 – 30 %

- Főtıérték

5 – 19

MJ kg

-a hı 80 – 85 %-a az illó égésébıl szabadul fel

- a hamu SiO2, CaO;

a hamulágyulás és az olvadás hımérséklete közel van egymáshoz, ezért jelentıs a tőztéri elsalakosodás.

Biomassza (szilárd):

- valamennyi szerves eredető anyag (C –tartalmú)

- energianövények pl.: Miscanthus, akác, főfélék, nyárfa - aratási maradványok pl.: szalma, erdei fahulladék - olajnövények héja, préselt pogácsa

BM

Szárazanyag összetétel:

44

-C

45 - 50 %

-H

5–7%

-O

40 – 45 %

Biomassza (szilárd) - tüzeléstechnikai jellemzıi (~CO2 semleges folyamat) víztartalom


főtıérték

hamutartalom

hamulágyulási pont

- fizikai – mechanikai jellemzıi

darabosság (méret, geometria)

méreteloszlás, apró méretek aránya rétegsőrőség

16 % feletti nedvességtartalom

biolıgiai folyamatok kiváltója lehet, főtıérték csökken,

öngyulladásra hajlamos

Főtıérték (vízmentes tömegre vonatkoztatva) 16,5-19,0 MJ/kg

Fa tüzelıanyag főtıéréke átlagban ~ 9 %-kal nagyobb, mint a szalma és főfélék főtıértéke Hamu

- faféléknél 2,5 – 5 %

BM

- szalma, gabona szár és főféléknél 4 – 12 % (15-20 %)

45

Alapfogalmak Anyagmennyiség ni (mol) Avogadro törvénye:


Azonos térfogatban különbözı gázok azonos nyomáson és hımérsékleten azonos számú molekulát tartalmaznak N A = 6,0221367 ⋅ 10 23

1 mol

- az n anyagmennyiség szigorúan arányos N részecske (molekula, atom)számmal N = n⋅ NA

tehát azonos nagyságú anyagmennyiség azonos számú részecskét tartalmaz n =

N NA

Ha egy részecske tömege mT akkor az össztömeg m = mT ⋅ N = mT ⋅ n ⋅ N A A moltömeg: M =

m = mT ⋅ N A ez anyagspecifikus tulajdonság n

Moltérfogat: 1 mol = 22,415 dm 3 1 kmol = 22,415 m 3

BM

1 mol ideális gáz normálállapotban (0°C, 760 torr) 22,415 dm3 teret foglal el.

46

Egyes elemek moltömege (kerekítve) C

- MC

= 12 kg/kmol

Hidrogén

H2

- MH2

= 2 kg/kmol

Kén

S

- MS

= 32 kg/kmol

O2

- MO2

= 32 kg/kmol

N2

- MN2

= 28 kg/kmol

Oxigén Nitrogén Vízgız


Karbon

H2O - MH2O

= 18 kg/kmol

Széndioxid CO2 - MCO2

= 44 kg/kmol

CH4 - MCH4

= 16 kg/kmol

Metán Levegı

Sőrőség

- ML

ρ=

n  mol    V  m3 

ρ c

=

m =M n

BM

Koncentráció c =

m  kg    V  m3 

= 29 kg/kmol

47

Tüzelıanyag tömegére vonatkoztatott fajlagos alkotóelem részarány kg C mC =c mtüz.a kg tüz.a

µC =

Szénre

mH2 kg H 2 =h mtüz.a kg tüz.a

Kénre Oxigénre Nitrogénre


Hidrogénre µ H 2 = µS =

kg S mS =s mtüz.a kg tüz.a

µO =

kg O mO =o mtüz.a kg tüz.a

µN =

kg N mN =n mtüz.a kg tüz.a

A szén (C) oxidációjához szükséges O2 menniség: mOC2 A vonatkozó tömegarány µ OC2

=

mOC2 mC

=

32 = 2,67 12

Hidrogénre (H2) µ OH22

Kénre (S)

=

mH 2

mOS 2 mS

=

=

16 =8 2

32 =1 32

BM

µ OS 2

=

mOH22

48

Reakciótermékekre a tömegarány hasonlóan felírható CO2-re =

C mCO 2

mC

44 = 3,67 12

=


C µ CO 2

H2O-ra

µ HH22O

S-re

S µ SO 2

=

=

m HH22O mH 2

S m SO 2

mS

=

=

18 =9 2

64 =2 32

Ily módon e számított értékekkel (ezek kerekítések!) tetszıleges tüzelıanyag tömegszámítása elvégezhetı csak a tüzelıanyag kémiai összetételét kell ismerni. Szilárd tüzelıanyag összetétele

c + h + s + o + n + hamu + nedvesség = 1

Folyékony tüzelıanyag összetétele c + h + s + o =1

hamu, nedvesség elhanyagolható

Gáznemő tüzelıanyagoknál a kémiai kötések molarányát kell ismerni ill. az összetevık %-os

BM

megoszlását.

49

Tüzelıanyagok és égési egyenletek


SZTÖCIOMETRIA – adott összetételő tüzelıanyagokhoz elméletileg (kémiai reakcióegyenletbıl) szükséges oxigén ill. levegı meghatározása

Tüzelıanyag összetétel:

/ elemi analízis / : C, H, S, O, N +nedvesség + hamu Fajlagos értékek

µ O2 = ∑ a i ⋅ CO2 i

ai kg kg tüzelıanyag i-edik alkotója elemi analízis alapján

CO2 i i-edik alkotó fajlagos O2 szükséglete

fajlagos O2 szükséglet

µ O2 = C OC2 [C ] + C OH22 [H ] + C OS2 [S ] + C OO2 [O ] kg kg

elméleti fajlagos levegıszükséglet

µ L0 = C LC0 [C ] + C LH0 2 [H ] + C LS0 [S ] + C LO0 [O ]

száraz levegıre

µ Lsz0 = µ LC0 C + µ LH0 2 H + µ LS0 S + µ LO0 O

x nedvességő levegıre

BM

µ L0 = µ Lsz0 ⋅ (1 + x )

50

Elméleti fajlagos égéstermék mennyiség: µV0 = µ CO2 + µ H 2O + µ SO2 + µ N 2 C C C CO → µ CO ⋅ C → µ CO2 2 2

(x ~ 1% ezért x ⋅ µ

)


ahol

kg kg

C HH2O → µ HH2O ⋅ H

és µ HH2O ⋅ H + n + x ⋅ µ Lsz0 → µ H 2O

sz L0

≈0

S S C SO → µ SO ⋅ S → µ CO2 2 2

µ L0 ⋅ 0,768 + N → µ N 2 (0,768 a levegı N2 tartalma tömeg %-ban, N a tüz.a N tartalma)

Elméleti száraz füstgázmennyiség µVsz0 = µV0 − µ H 2O

mőszeres mérésnél a nedvességet leválasztják

Légfeleslegtényezı λ=

µL µ L0

Égéstermék fajlagos mennyisége l>1 esetén

BM

µV = µV0 + (λ − 1) ⋅ µ L0

51

Száraz füstgáz / égéstermék / mennyisége [m3/kg tüz.a] V0sz = VCO2 + V SO2 + V N 2 + VO2 = 1,867 ⋅ C + 0,685 ⋅ S + 0,8 ⋅ N + 0,79 ⋅ λ ⋅ L0 + 0,21 ⋅ (λ − 1) ⋅ L0


A tüzelıanyag H tartalmából keletkezı H2O és a tüzelıanyag w nedvessége együttesen adják a füstgáz nedvességtartalmát:

V H 2O = 11,11 ⋅ H + 1,24 ⋅ w m 3 kg ( vízgız sőrősége ρ=0,804 kg/m → 1/ρ = v = 1,24 m /kg) 3

3

Az égési levegı nedvességtartalmát figyelembe véve: x (kg/kg száraz levegı)

V H 2O = 11,11 ⋅ H + 1,24 ⋅ w + 1,6 x ⋅ λ ⋅ L0

m 3 kg

A nedves füstgázmennyiség: V = V0sz + V H 2O

m 3 kg

BM

Sztöchiometrikus (λ=1) feltételnél több levegıt használva az égéskor (λ>1), kapjuk a tényleges füstgázmennyiséget: V = V0 + (λ − 1) ⋅ L0

52

Égési reakcióegyenletek +

O2

1 kmol

=

CO2

1 kmol

12 kg

+

1 kg

+

2 H2

+

32 kg

2 kmol

1 kmol

=

44 kg

+

1 kg

+

S

+

1 kmol

3,664 kg + 37,12 MJ

O2

2H2O

=

+

1 kg

+

µ OC2 = 2,664

+ Q2

32 kg

=

36 kg

/:4

8 kg

=

9 kg

+ 143 MJ

O2

=

SO2

+ Q3

32 kg

=

64 kg

1 kg

=

2 kg

/:32

+ 9,09 MJ

kg O2 kg C

 kg  O 2min   = 2,664 ⋅ C + 8 ⋅ H 2 + 1 ⋅ S - O 2  kg  100 1 kg O2-re = 4,29 kg levegı jut 23,3

100 = 4,76 m 3 levegı jut 21

Elméleti levegıszükséglet

( )

L 0 m 3 = 4,76 O 2min

BM

L 0 (kg ) = 4,29 O 2min

kg

1 kmol

Minimális oxigénszükséglet:

1 m3 O2-re

kg

2 kmol

1 kmol

32 kg

/:12

2,664 kg =

1kmol

4 kg

+ Q1


C

53

kg

Gáznemő tüzelıanyag Elméleti levegıszükséglet  1  CO + H 2    + (n + m 4) ⋅ C n H m − O2   0,21  2  

m3 m3


Lmin =

Valóságos levegımennyiség L = λ ⋅ Lmin

m3 m3

Égéstermék mennyiség – nedves, de levegınedvesség nélkül

1 (CO + H 2 ) + m ⋅ C n H m + CO2 + O2 + N 2 2 4

BM

V fg = λ ⋅ Lmin +

54

Szénhidrogén oxidációs folyamata / tökéletes égésnél/


y y  C x H y +  x +  ⋅ O2 → x ⋅ CO2 + ⋅ H 2 O 4 2 

Tökéletes égéshez kisebb-nagyobb légfelesleg kell.

Léghiányos égésnél → károsanyag emisszió megnı Légfelesleg:

λ=

égéshez ténylegesen bevezetett levegı elméletile g szükséges levegı

Meghatározható füstgázelemzés útján: CO2 méréssel

 CO2 max  V0 CO2 max − 1 ⋅ ≈  CO2 mért  L0 CO2 mért

λ = 1+ 

O2 méréssel

 O2  V0 21 ⋅ ≈  21 − O2  L0 21 − O2

BM

λ = 1+ 

55

Sztöchiometriai levegı(A)-tüzelıanyag(F) arány  m   A =  lev     F  sztöch  mtüz.a  sztöch


Equivalence ratio Φ

 A F     F   sztöch  A Φ= = A F         F    A  sztöch

Φ>1 gazdag keverék

Φ<1 szegény keverék

Φ =1 sztöchiometriai keverék Százalékos sztöchiometriai levegı % sztöch.lev =

100 % Φ

Százalékos légfelesleg (percent excess air) 1− Φ ⋅ 100 % Φ

BM

% légfelesleg =

56

57


BM

Az égés fizikai jellemzıi


- Minimális gyulladási energia - Gyulladási késedelem

- Elméleti égési hımérséklet - Lángterjedési sebesség - Gyulladási határok - Kioltási távolság

BM

- Koncentráció, légfelesleg

58

Minimális gyulladási energia E min = V kr ⋅ ρ ⋅ c p (Tl − Tkezdeti )


Kritikus térfogat

lángtérfogat (lángfront) változása

(

)

d 4  π ⋅ (r + e )3 − r 3   dr  3  d (r + e )3 − r 3 dr d 3 r + 3er 2 + 3e 2 r + e3 − r 3 dr

d 4  π ⋅ r3   dr  3  d 3 r dr

≤

)

≤

)

6er + 3e 2 2er + e 2

≤ ≤

3r 2

r2 r = e 1 + 2 → r = rkrit

Vkrit

(

)

(

3 4π ⋅ rkrit 4π 3 = = e 1+ 2 3 3

)

3

Kritikus térfogat gömb alakú lángfrontra.

BM

( (

elégett gáztérfogat változása

59

Kritikus térfogat - Ha a lángfront (e) térfogatának sugármenti növekedése

dV > krit meghalad egy kritikus értéket, dr

kialszik.


akkor a lángfront megfelelı energia utánpótlás híján nem tud tovább terjedni, ezért ekkor

- A friss keverék alacsony hımérséklető, pozitív hıszállítás a lángfrontból a friss keverék

irányába akkor biztosított, ha a lángfront térfogat sugár irányú növekedése kisebb, mint az elégett gáz térfogat-növekedésének mértéke.

- A kritikus térfogat gyulladását ez a feltétel vezérli.

- Ha a lángfrontba a hı-és anyagtranszport az elégett gázból – ami nagy hımérséklető –

megfelelı ütemő, akkor a lángfront terjedésével a friss keverék reakcióképes állapotba kerülése biztosított.

- A kritikus gyulladási térfogat ( Vkrit ) meghatározható a lángtérfogat ( lángfront ) és az elégett gáz térfogatának egymáshoz viszonyított változásának – pontszerő gyújtóforrás esetén a

BM

lángfront gömb formájú, ezért sugárirányú változásának – számításából.

60

Gyújtás elektromos szikrával τ

∫

E = U ⋅ I dt


0

BM

intenzív szikra → E bevezetése rövid idı alatt

61


Gáz-levegı keverék gyulladása az áramlási sebesség változásával

Ha a keverékarány nı – gazdagabb lesz a keverék – a konvektív folyamat diffúziósba megy át. A láng terjedését a termikus / diffúziós folyamatok vezérlik.

Ha a sebesség nı, akkor a szikra körül a keverék hideg keverékkel hígul, ami több energiát

BM

igényel a hıveszteség kompenzálásra.

62

Cseppméret ( SMD) hatása áramlási sebesség = áll.


légfelesleg = áll.

BM

Cseppméret csökkentése 66 → 52-re Emin 1/3-ára csökkent.

63

Áramlási sebesség hatása porlasztott közegre


légfelesleg = áll

növekvı áramlási sebességnél nı Emin egy adott cseppméretnél

ok: a sebességgel nı a turbulens diffúzió, így nı a hıveszteség a szikra magjában, másrészt a szikrának nagyobb mennyiségő közeget kell felmelegíteni

BM

javaslat: célszerőbb a cseppméret csökkentése, mint Emin , azaz a szikra intenzitás növelése

64

Gyulladási késedelem -

az az idı, ami adott tüzelıanyag – levegı keveréknek szükséges ahhoz, hogy a gyújtást követıen jelentıs reakciószámot érjen el. dT hımérsékletváltozási dt


-

Jelentıs reakciószámnak tekinthetı, ha meghatározott sebesség lép fel.

A gyulladási idıkésedelem a kezdeti hımérséklettıl függ (keverék hımérséklet!) ∆t gy ~ e

E R ⋅TK

Folyékony tüzelıanyagra

50 ms nagyságrendő 700 K-ra

10 ms nagyságrendő 800 K-ra

BM

-

65


Elméleti égési hımérséklet

Tüzelıberendezés elvi rajza

Energiamérleg: .

.

mé ⋅ hé = m tü ⋅ htü + m l ⋅ hl

Égéstermék entalpiája: −

hé = V ⋅ c pé ⋅ (Té − T0 ) ;

ahol

T0=273 K

Tüzelıanyag entalpiája −

htü = F + c ptü ⋅ (Ttü − T0 ) Égéslevegı entalpiája −

hl = L ⋅ c pl ⋅ (Tl − T0 )

Elméleti égési hımérséklet

Té =

hé −

V c pé

+ T0

−

−

[V0 + (λ − 1) ⋅ L0 ]⋅ c pé

+ T0

BM

Té = Tad = Telm =

−

F + c ptü ⋅ (Ttü − T0 ) + L ⋅ c pl (Tl − T0 )

66

Elméleti és valóságos égési hımérséklet Tüzelıanyag Földgáz Főtıolaj Barnaszén Kıszén

Telm [°C] 2000 2000 1500 2300

[kJ/kg] 36000 40000 20000 30000

Tval [°C] 1200 – 1600 1200 – 1500 1000 – 1200 1200 – 1500


F

ROSIN és FEHLING : cpé adott hımérséklettartományban gyakorlatilag független a tüzelıanyag fajtájától

Disszociáció

kJ mol

⇔ CO +

H2O + 252,2

kJ mol

⇔ H2 +

1 O2 2

1 O2 2

BM

CO2 + 275,2

67

Ideális gáz fajlagos hıkapacitása cp , cv cp és cv kapcsolata: h − u = p ⋅ v = R ⋅ T → dh − du = R ⋅ dT c p − cv = R


c p ⋅ dT − cv ⋅ dT = R ⋅ dT

Tehát adott gáz gázállandója független a hımérséklettıl, noha cp és cv hımérsékletfüggı. cp =κ cv

BM

A két érték hányadosa

68

69


BM

Gyulladási határok


BM

Lángterjedési sebesség Λ m  s 

70


BM

Kioltási távolság

71

Robbanás: hıfejlıdés sebessége rendkívül gyors, de lökéshullám nem halad át a keveréken

-

láncreakciók felgyorsulnak → önhıfejlesztı, ami gyorsítja a folyamatot

Detonáció: -


-

lökéshullám halad át a keveréken, mögötte elég nagy hımérséklet és gyors kémiai reakciók játszódnak le

a keverék nem termikusan – lángfront révén – hanem a lökéshullám által gyullad, tehát hangsebességgel terjed

BM

-

72

Termikusan stacioner és instacioner égés Stacioner égés: az égéskor felszabaduló hı egyenlı az elvezetett hıvel


Az égési tartományban T hımérséklet állandó

Termikusan instacioner az égés, ha e két hımennyiség egymással nem egyenlı

BM

Tk környezeti hımérséklet Tk1 < Tk2 < Tk3

73


BM

Lamináris elıkevert láng szerkezete

74

Lamináris láng szerkezete


Lánghossz / közelítı / számítása

Feltétel: Λ és w a keresztmetszet mentén állandó dA w = dA0 Λ

Λ ⋅ dA = w ⋅ dA0 → dA = 2 ⋅ π ⋅ y ⋅ ds dA0 = 2 ⋅ π ⋅ y ⋅ dy 2

 dx  ds = dy   + 1  dy 

2

 dx  dA = 2 ⋅ π ⋅ y ⋅ dy   + 1  dy  dA0 2

 dx  dA w = =   + 1 ⇒ dA0 Λ  dy 

ds = dy

a lángkúp meredeksége

w 1  tehát L = f  d fúvóka , w,  Λ Λ 

BM

L=r

v Λ

2

dx w =   −1 dy Λ

75

Általánosabb alakban – tengelyszimmetrikus áramlásra dy dy Λ = = 2 w K ds dy + dL2


sin ϕ K =

 Λ  =  2 2 dy + dL  wK  dy 2

2

w  dy 2 + dL2 = dy 2  K   Λ 

2

1

 w  2  2 dL =  K  − 1 dy  Λ   1

 w  2  2 L =  K  − 1 dy + áll  Λ   0 r

∫

lamináris áramlás esetén ( Hagen-Poisseuille ) w=

(

∆p y2 − y2 4µ ⋅ l 0

wköz =

)

∆p wmax = y2 2 8⋅ µ ⋅l 0

( y = 0) (wmax − nál y = 0)

 y2  w( y ) = 2 ⋅ wköz 1 − 2   y 0  

1

 w K  2  2 a fenti L =   − 1 dy egyenletbe helyettesítve:   Λ  0 r

∫

1

2  2 2 y 2   wköz     dy L = 4⋅ ⋅ 1 − − 1  2    Λ    y0   0   r

∫

L=

1 2

 w  4 ⋅ r ⋅  köz  − 1 3  Λ   2

~

4 w ⋅ r ⋅ köz 3 Λ

BM

vagyis ilyen áramlás esetén 4/3-szor hosszabb lángot kapunk

76


Lamináris lánghossz csökkentés /gázégık/

Láng hıteljesítménye egy nagymérető fúvóka esetében A kúpfelület egyenlete:

L r ⋅ π ⋅ r 2 + L2 = r 2 ⋅ π ⋅ 1 +   r

2

Ha egységnyi felületen felszabaduló hı q [kW/m3], akkor a láng hıteljesítménye: Q = A⋅q

[kW ]

Ha ezt a hıteljesítményt n db rn sugarú fúvókán biztosítjuk, továbbá feltesszük, hogy Λ, w és q állandó, akkor felírható a két keresztmetszet egyenlısége:

L r

Te = r 2 ⋅ π

Túj =

(

rn2

2

- eredeti kúpfelület: r 2 ⋅ π ⋅ 1 +   ( L a nagy kúp magassága )

)

⋅π ⋅ n

- az új Σ kúpfelület:

2

n ⋅ rn2

 l  ⋅ π ⋅ 1 +   ( l a kis kúpok magassága )  rn 

Te = Túj

2

 l  L 2 r⋅ π ⋅ 1 +   = n ⋅ r ⋅ π ⋅ 1+   n r  rn  Te Túj

2

2

ezért

2

2

 l  L 1 +   = 1 +   amibıl r  rn 

rn l 1 = = r L n

BM

Tehát n db lángra bontva az eredeti lángot, a szükséges furat sugara, és a lángok hossza: rn =

r

l=

n

77

L n

Nyomásváltozás a lángfronton keresztül viszkozitás hatását elhanyagolva ez egyenlı a nyomásgradienssel dp dw = ρ ⋅w⋅ dn dn


−

nyomásgrad

impulzus megváltozás

wkn = Λ

ha csak ”n” normális irányban vizsgáljuk, akkor ρ ⋅ w ⋅ dw = − dp ρk ⋅wkn

lángfrontra ⊥ irányban wén

pé

∫ ρ k ⋅ wkn ⋅ dw = − ∫ dp

wkn

pk

ρ k ⋅ wkn ⋅ (wén − wkn ) = p k − p é

mivel ρ k ⋅ wkn = ρ é ⋅ wén ezért wkn < wén és ρ k ⋅ = ρ é ⋅ w én

ρ  2 p k − p é = ρ k ⋅ wkn ⋅  k wén − wkn  = ρ k ⋅ wkn ρ  é 

tehát

 2  ρk p k − p é = ∆p = ρ k ⋅ wkn ⋅  − 1  ρé 

→

ρ  ⋅  k − 1  ρé 

ρ  ∆p = ρ k ⋅ Λ2 ⋅  k − 1  ρé 

A lángfront két oldalán ∆p nyomáskülönbség kicsi CH4 / levegı keverék környezeti nyomása:

BM

∆p ≅ 1,3 Pa

78


Láng hosszának változása / elıkevert/

felsı gyulladási határ felett is van belsı kúp, ennek oka, hogy többlet levegı jut a külsı származó hıtranszport révén a lángba, ezért a koncentráció kisebb lesz, mint az égıszájon kilépı keveréké. Diffúziós láng hossza:

Független az égı ∅-tıl, csak Vɺ -tól függ. L≈

c0 Vɺ c st 4 ⋅ π ⋅ D

BM

L ~ áll. ⋅ Vɺ

c0 – koncentráció az égıszájban ( = áll.) cst – adott tüzelıanyagok esetén ( = áll.) D – diffúziós állandó Vɺ – térfogatáram

79

Láng stabilitása lamináris láng esetén ( Lewis és von Elbe után )


 dw   dΛ   =    dy  r  dy  r

stabilitás feltétele: 

vagyis a fal melletti sebességgradiensek egyenlık. Lamináris áramlásra (Hagen – Poiseuille) 2   1 − y  w( y ) = 2⋅ wköz ⋅  y 02   ∆p 2 y0 =n 4µ ⋅ l

(

)

(

w( y ) = n ⋅ y 02 − y 2 = n ⋅ r 2 − y 2

)

g dw = 2 ⋅ n ⋅ r = g → vagy n = dy 2⋅r

mivel n = 2 ⋅ wköz ezért g =

4 ⋅ wköz ahol r

g – határ-sebességgradiens

Kör keresztmetszető fúvókára a folytonosság egyenlete:

∫ (

)

π Vɺ = 2 ⋅ π w ⋅ y ⋅ dy = 2 ⋅ π n ⋅ r 2 − y 2 ⋅ y ⋅ dy = n ⋅ y 4 2

∫

y = r helyen

π ⋅ g ⋅ r3 4 ⋅ Vɺ π π g Vɺ = n ⋅ r 4 = ⋅r4 = →g= 2 2 2⋅r 4 π ⋅ r3

mivel wköz =

Vɺ

r π 2

→g=

4 ⋅ wköz r

BM

g – a sebesség eloszlás deriváltja az égıszáj szélén ( ezért határ-sebességgradiens)

80


Lángstabilitás szemléltetése

a sugár széle felé Λ → 0, mivel ott nincs éghetı anyag

gazdag keveréknél a levegı bediffundál a sugárba Λ→Λ’-re nı

BM

w>Λ láng kifelé mozog

Ilyen módon a stabilitás egy tartományban és nem egy pontban valósul meg. (Lewis és von Elbe diagram!)

81


Fontos: az ábra csak egy adott gázfajtára érvényes, ha több tüzelıanyagra akarjuk bıvíteni, akkor a koncentráció helyett

c szerint kell ábrázolni. c st

Megjegyzés: ha a függıleges tengelyen g helyett w-t viszünk fel, akkor g =

BM

égıszáj méretre (r!) külön diagramot kapunk.

82

4 ⋅ wköz miatt minden r


BM

Bunsen típusú égı stabilitási tartományai

83

Reakciókinetika


Míg a sztöchiometriai egyenletek a reakcióban résztvevı molekulák kezdeti és végállapotát adják meg, addig a reakciókinetika a kémiai reakciók sebességével is foglalkozik. Reakciósebesség:

- égési v. lángterjedési sebesség

- sokkal gyorsabb mint a tüzelıanyag-levegı keveredési sebessége / Was vermicht, ist verbrannt / Jost 1939.

Reakciósebesség: valamely reakcióban résztvevı anyag c [mol/dm3] –ben mért koncentrációjának idıbeni differenciálhányadosa dc dt

(-) a koncentráció csökken a reakció elırehaladásával

BM

v=−

84

[ ] zárójel jelenti a koncentrációt pl.: [A] az A molekulaféleség koncentrációja Egy bimolekuláris folyamat reakciósebessége bármely idıpillanatban arányos az egymásra ható anyagok


A + B = AB

koncentrációjának szorzatával v=

k

d [AB ] = k [A] ⋅ [B ] dt

Wilhelmy törvény

reakciósebességi állandó, független a koncentrációtól, de függ a hımérséklettıl

Ha több molekulaféleség és nem egyetlen molekulával vesz részt a reakcióban, akkor aA + bB + ... = termékek

ekkor a reakciósebesség

v = k [A]a ⋅ [B ]b ⋅ ...

a kitevık összegét a reakciók rendőségének nevezik monomolekuláris

→

elsırendő

bimolekuláris

→

másodrendő

BM

pl.:

85

Reakciók rendszáma v = − k (T ) ⋅ [ A]a

ahol k (T ) hımérséklettıl függı reakciósebességi állandó


d [ A] = − k [ A]a dt

a =1

elsırendő reakció

ilyen pl.: gázfázisú molekulák termikus bomlása H2 ↔ H + H

d [H 2 ] = − k [H 2 ]1 dt

Mőszaki gyakorlatban

Ha két anyag reakcióba lép ( tüzelés – tüz.a./lev ) az egyik anyag koncentrációja ∞ nagy a

másikhoz képest, akkor a reakciósebességi egyenletben csak a másik anyag koncentrációja szerepel.

másodrendő reakció a = 2 v = −k (T ) ⋅ [A]1 [B ]1

a reakciósebesség a két anyag koncentrációváltozásával arányos pl.:

H + O2 O + H2

→ OH + O → OH + H

OH + H 2 → H 2 O + H

BM

Ezek a leggyakrabban elıforduló reakciótípusok.

86

Reakciók sebessége - kinetikus gázelmélet szerint a molekulák átlagos sebessége a hımérséklet függvénye - adott hımérsékleten a molekulák sebességét a Maxwell-féle sebesség-eloszlási görbe adja meg


- nagyobb hımérsékleten a nagyobb sebességő molekulák gyakorisága nı

Aktiválási energia: (minimális gyulladási energia)

aktív állapotú molekula energiatartalma és a molekulák átlagos energiatartalma közötti

BM

különbség az aktiválási energia

87

Maxwell-Boltzmann elmélet szerint az összes molekulának csak e

−

E RT

tört része van aktivált

állapotban. Az aktív molekulák száma úgy aránylik az összes molekulák számához, mint a k


sebességi állandó ahhoz a k0 maximális sebességi állandóhoz, amelyet akkor észlelnénk, ha minden ütközés hatásos volna, azaz reakcióhoz vezetne.

A reakciósebességi állandó ezzel az ütközések számának valószínőségét adja meg: k = z0 ⋅ e

−

E RT

ahol z0 A és B részecskék ütközési száma

átírva ezt az Arrhenius (1883) összefüggésbe

E RT

ahol k 0 = β ⋅ T α

− 1 < α < 2 és

BM

k = k0 ⋅ e

−

88

β = áll.

A reakciósebesség tehát: E


− dc RT ⋅ c = k (T ) ⋅ c v=− = k0 ⋅ e dt k (T )

ln k = ln k 0 −

E RT

vagyis a reakciósebességi állandó logaritmusa a hımérséklet reciprok értékének lineáris függvénye

tgα =

E R

 J  ⇒ E = 8,314 ⋅ tgα    mol 

BM

Szénhidrogén reakciók aktiválási energiája 80-160 kJ/mol.

89

Reakció lépések Startreakció

(1) (2) (3)

H 2 + O2

↔

H 2O + O H +H +M


H 2 + O2 ↔ H2 + M ↔

OH + OH

Láncreakció

(4 )

H 2 + OH

↔ H 2O + H

Láncelágazás

(5) (6) (7 )

H + O2

↔

H2 + O ↔ H 2O + O ↔

OH + O

OH + H OH + OH

Rekombináció és láncletörés H +H +M

↔

H2 + M

O+O+M O+H +M

↔ ↔

O2 + M OH + M

↔

H 2O + M

OH + H + M

BM

(8) (9) (10) (11)

90

CO oxidáció CO + O2

→ CO 2 + O

1

H + O2


O + H 2 O → OH + OH 2 CO + OH → CO 2 + H 3 → OH + O

4

CO + H 2 O → CO 2 + OH

(kevésbé jelentıs, mint a 3.)

Parafinok (alkének) oxidációja C n H 2 n+ 2 C3 H 8 + M

n>2

→ C 2 H 5 + CH 3 + M

C-C kötés felszakad

C2 H 5 + M → C2 H 4 + H + M CH 3 + M → CH 2 + H + M

CH kettıs C kötéssel és H atom leválás etilén és metilén keletkezik

H + O2

levált H radikálokat képez

→ O + OH

C 3 H 8 + OH

→ C3 H 7 + H 2 O

C3 H 8 + H → C 3 H 7 + H 2 C 3 H 8 + O → C 3 H 7 + OH C3 H 7 + M C3 H 7 + M

a radikálok újabb molekulákat szakítanak fel

→ C3 H 6 + H + M → C 2 H 4 + CH 3 + M

C 3 H 6 + O → C 2 H 5 + HCO C 3 H 6 + O → C 2 H 4 + H 2 CO

BM

Külön tárgyalható CH4 oxidáció is.

91

Gázégık felépítése

BM


Elemek - gázcsatlakozás - levegı hozzávezetés - égıház kialakítás - gázmennyiség elıszabályozás - levegımennyiség állítási lehetıség - keverı-berendezés (elıkevert lángnál) - égıfej kialakítás → biztosítja a stabil égést és kívánt lángalakot - stabilizáló berendezés Alkalmazási területek Háztartás 23 kW-ig 11-35 kW etázskazán Gáztüzelı kisberendezés 58 kW-ig ipari konyha, szárítóberendezés, csarnokfőtés 46-120 kW főtıkazán 58-580 kW melegvizes kazán Automatizált gáztüzelı berendezések 170-1450 kW több huzamú melegvizes kazán 2,9-5,8 MW kis gızfejlesztı Kazánégı 5,8-58 MW gızkazán

92

Fúvóka méretezése Fúvóka keresztmetszete Vɺ w

m3 s = m2 ms


A=

A gáz Vɺ térfogatáramát a szükséges, elıírt Qɺ hıteljesítménybıl számíthatjuk: kJ s

 m3  =  kJ kg  s  ⋅ 3 kg m

Qɺ Vɺ = H u ⋅ ρ gáz

A fúvóka nyílásának átmérıje / furata/: d0 =

4⋅ A

π

[ m]

Kiömlési sebesség /w / nagysága függ a gáz túlnyomás nagyságától. 2 ⋅ ∆p

ρ

m s  

BM

w =α

93


Méretek:

D = d 0 8,5 ⋅ l

L>6D

s – fúvókaszáj és konfúzor vége közti távolság

Lmax = 10 D

s = 0,65

e = 1 ÷ 1,5 D

D + 0,31 ⋅ D d0

y = 5 ÷ 12 D

l – fúvókaszáj és sugárfelütközés távolsága l=

D − d0 → ez a minimális keveredési hossz 0,3

δ ~ 19 ° (γ 2)max ~ 6 ° (β 2) ~ 30 ÷ 45 °

Fúvóka kiömlési sebesség: w =α

ahol

2 ⋅ ∆p

ρ

∆p = p g − p 0

α = 0,4 ÷ 0,95 fúvókaszelvény alakjától és a kiömlési furat megmunkálásától függıen

α ϕ

Ha ∆p > 5 ⋅ 10 4 Pa , akkor

κ −1   κ    p 2 ⋅κ  w= ⋅ p1 ⋅ v1 ⋅ 1 −  0   κ −1 p   1   

p0
κ

BM

 p0   2  κ −1   = κ = 1,31 földgázra, metánra   p1  krit  κ + 1  p0  0,543 földgáz   =  p1  krit 0,529 levegı

94

0,85 30

0,72 90

95


BM

96


BM

97


BM

98


BM

99


BM

100


BM

101


BM


kényszerkeveréses égı

m

ha Qɺ < 1kW hıteljesítményő, akkor D = k l ⋅ Qɺ 0,33

ahol k l = 1,21 ⋅ 10 3   W 

ha Qɺ > 1kW hıteljesítményő, akkor D ≥ k t ⋅ Qɺ 0,38

ahol k t = 8,65 ⋅ 10 4   W 

m

Sugárzó gázégı

kerámia → rossz hıvezetı kell legyen, hogy a folyamat mőködjék

1250 kJ/h hıteljesítményő főtılap sugárzási felülete kb 260 cm2 mintegy 800 db furattal.

BM

lánghımérséklet ~ 800-900 °C

102


Közvetlen tüzeléső sugárzó égı típusok

Mártix égı (kerámia v. fém)

Porózus kerámia hab égı

Perforált (lyuggatott) kerámia égı

BM

Elınye: nagy hıfluxus és nagy hatásfok

103

Pe E E nn ne inge rge r A tik ai ntal: Gé Tü pe z k é elés s R tec en hni ds k ze a rek Ts z. Cross section of a flameless fiber matrix burner

BM

Gázfőtıkészülék teljesen automatizált kapcsolással

A termoelektromos gyújtásbiztosító sémája

104

Lamináris lángterjedési sebesség


Hıvezetés a reakciózónából fedezi a gáz / levegı keverék hımérsékletnövelését T0- ról Tgy gyulladási hımérsékletre

Mallard és le Chatelier elmélete Feltétel: Hımérleg

Q=λ⋅

Tl − T gy

δ

, a hımérsékletváltozás lineáris

dT dx

Tl − T gy mɺ ⋅ c p (T gy − T0 ) = λ ⋅ ⋅A δ

keverék felmelegítése

(1)

hıvezetés a lángfrontban

BM

δ - lángfront vastagság T0 - keverék kezdeti hımérséklete A – lángfront felület Tgy - gyulladási hımérséklet λ - hıvezetési tényezı Tl – lánghımérséklet ɺ - gáz / lev. keverék tömegáram m

105

A folyamatot egydimenziós problémaként kezeljük. Ezért írható, hogy mɺ = ρ ⋅ w ⋅ A = ρ ⋅ Λ l ⋅ A

(2)


w - gáz / lev. keverék sebessége ρ - gáz / lev. keverék sőrősége

Λl – lamináris lángterjedési sebesség

Λl = w

a lángfront helyben maradásának feltétele Hımérleg egyenletbe (2)-t helyettesítve ρ ⋅ Λ l ⋅ c p (T gy − T0 ) = λ ⋅ Λl =

λ

⋅

Tl − T gy

Tl − T gy

δ

⋅

1

ρ ⋅ c p T gy − T0 δ A reakciózóna / lángfront / vastagsága: δ nem ismert

Feltételezzük, hogy δ és Λl között arányosság van. Vezessük be ωɺ fogalmát:

BM

ωɺ fejezze ki a reakciósebességet a koncentráció idıbeli változásaként

106

gramm 1 ⋅ s cm 3

ɺ / állandó és a vizsgált felület / A / egységnyi, akkor (2) egyenletünk új alakja: Ha a tömegáram / m

ρ ⋅ w = ρ ⋅ Λ l = ωɺ ⋅ δ

(3)

Ezzel a lángtejedési sebesség 1 ωɺ ωɺ ⋅ δ ill. = ρ δ ρ ⋅ Λl


Λl =

behelyettesítve az eredeti lángterjedési sebesség egyenletbe: Λl =

átrendezve

λ

⋅

Tl − T gy

⋅

ωɺ

ρ ⋅ c p T gy − T0 ρ ⋅ Λ l

Λl =

λ

ρ ⋅cp

Λl ~ a ⋅

ωɺ ρ

⋅

Tl − T gy ωɺ ⋅ T gy − T0 ρ

ahol a =

λ ρ ⋅cp

A lamináris lángfrontban a reagáló gáz / levegı keverék mɺ = ρ ⋅ Λ l ~

λ

cp

ωɺ

(4)

(3) és (4) egyenletekbıl a lángfront vastagságára kapjuk, hogy a Λl

BM

δ~

107

Linan és Williams elmélete az elıbbihez képest néhány eltérést mutat -

a lángfront vastagsága δl, ami > δ mivel az I és II zónák összegét jelölik vele

-

a hıvezetést kiterjesztették (Tl-T0) tartományra


A lángterjedési sebességre Λl =

λ

ρ ⋅cp

⋅

ϖɺ ωɺ = a⋅ ρ ρ

egyenletet kapja

ami az elızıktıl

Tl − T gy

T gy − T0

hımérsékleti tagban különbözik

Zeldovich, Szemenov, Frank-Kameneczkij szerint Tgy elhanyagolható, feltételezésük szerint a reakció-sebesség gyorsan csökken a hımérséklet csökkenésével. ωɺ értékét ezért kiterjesztik Tl-T0 hımérséklet tartományra.

áll.

BM

Ez a közelítés nagy aktiválási energiájú kémiai folyamatokra igaz, ami a lángban rendszerint fenn

108

A levezetés mellızésével bevezethetı Zeldovich szerint egy hımérsékleti tag: R ⋅ Tl2

E ⋅ (Tl − T0 )

=β

az un. Zeldovich szám

β=


Ugyanakkor

δl kifejezi a reakciózónák arányát δ

Ezzel a lángterjedési sebesség Λl =

a ϖɺ ⋅

β ρ

A lángfront vastagsága δl = δ ⋅ β =

Példa:

a ⋅β Λl

Szénhidrogén / levegı elıkevert láng sebessége ~30cm/s E = 160

kJ cm 2 kJ , Tl = 2100 K , a = 23,6 , R = 8,314 mol s mol ⋅ K

Ezekkel az adatokkal

23,6 ⋅ 0,1268 = 0,1 cm 30

BM

δl =

109

Nyomás hatása a lángfront vastagságára A gáz / levegı keverék tömegáram ~


mɺ ≡ ρ ⋅ Λ l

4 p2

ahol n → a reakció rendszáma

CH / levegı esetén másodrendő → n = 2 A lángfront vastagsága (β=áll feltétel esetén) δl ~ λ cp

≠ f ( p ) ezért a nyomás növekedésével δl csökken.

BM

mivel

a λ λ ~ ~ Λl c p ⋅ ρ ⋅ Λl c p ⋅ mɺ

110

Dimenzió analízissel is hasonló eredményhez jutunk: W J = m⋅K m⋅K ⋅s

λ

fajlagos hıkapacitás

cp

J kg ⋅ K

sőrőség

ρ

kg

hımérsékletvezetési tényezı

a=


hıvezetési tényezı

m3

λ

ρ ⋅cp

m2     s 

Lángfront vastagság

m2 ⋅ s → [m] s

δ l ~ a ⋅τ

Reakcióidı

kg

ρ τ~ ωɺ

m3 kg

→ [s ]

m3 ⋅ s

Lángterjedési sebesség

a 1 δl = = τ τ ρ

λ

cp

ωɺ

BM

Λ~

111

Kísérleti módszerek a lángterjedési sebesség meghatározására a) égı módszer 3

térfogatáram


cm Qɺ t = s

Λl =

Qɺ t  cm  A  s 

Λ l = wn ⋅ sin α

probléma: falhatás → nem egyenletes sebességeloszlás b) hengeres csı módszer Λ l ⋅ Al = R 2 ⋅ π ⋅ w

probléma:

falhatás

hıfejlıdés miatt nyomásváltozás

c) szappan buborék módszer

( anyagmennyiség égése térfogat-növekedést hoz létre) = tágulási sebesség Λ l ⋅ Al ⋅ ρ 0 = wR ⋅ A ⋅ ρ láng

filmezéssel lehet csak wR-t meghatározni probléma:

T0 / Tláng bizonytalan

BM

ρl / ρ0 meghatározása

112

Szabadsugár áramlás Lamináris

II.

Turbulens


I.

Legegyszerőbb eset: -

kör keresztmetszető nyíláson kilépı levegısugár környezeti hımérsékleten végtelen térben lévı nyugvó levegıben mozog

-

nyomásból származó erık és felhajtóerık elhanyagolhatók

I – Impulzuserı I = mɺ ⋅ w

∫

mɺ = Vɺ ⋅ ρ = 2π w ⋅ y ⋅ dy ⋅ ρ

r

∫

I = 2π ρ ⋅ w 2 ⋅ y ⋅ dy 0

A közepes sebesség wk =

I mɺ

sugár és környezet közötti sebességkülönbség miatt súrlódási erık ébrednek

környezetbıl részecskéket ragadnak magukkal → nı a sugár tömegárama

BM

sugár elméleti széle ott van ahol w = 0

113

Ha a szabadsugár közeg hımérséklete más, mint a környezet hımérséklete, vagy a közeg anyaga más mint a környezeté, akkor az impulzuscserét hı- és anyagtranszport is kíséri Lamináris esetben a cserefolyamatokat vezérlı mennyiségek, jellemzık: kinematikai viszkozitás ( ν )

-

hımérsékletvezetési tényezı ( a )

-

diffúziós tényezı ( D )


-

Turbulens áramlási mezıben ezekre szuperponálódnak turbulens cserejellemzık: -

impulzus ( εi )

-

hı ( εq )

-

anyag ( εc )

Turbulens jellemzık nagysága több nagyságrenddel meghaladják a laminárisét. Perdületmentes egyedi sugárra kiterjedt ismeretek állnak rendelkezésre. Tüzeléstechnikában további geometriai elrendezések gyakoriak: koncentrikus kettıs sugár

-

perdületes áramok

-

egymással szembe irányított áramok, stb.

BM

-

114

Lamináris szabadsugár Tüzeléseknél csekély a jelentıségük Lamináris elıkevert lángok túlnyomóan a sugár kezdeti szakaszában égnek, a nyugvó közeg erre


nem hat, így a sugár megırzi a fúvóka ill. csıáramlási jellegét.

Lamináris diffúziós lángoknál van jelentısége a sugártulajdonságok ismeretének. De ilyen lángok a gyakorlatban ritkák.

Schlichting félempirikus eredményei

wk – sugár tengelybeli sebessége x irányban kör keresztmetszető sugárra a sebesség: wk = 0,119

I η⋅x

a térfogatáram:

η Vɺ = 25,15 ⋅ x

BM

ρ

115


Turbulens szabadsugár

magtartomány

x ~ 4d0

átmeneti tartomány

x ~ 8d0

hasonlósági tartomány

x ~ (100÷200)

Hasonlósági tartomány: sebességeloszlás x tengelyre merılegesen minden keresztmetszetben ugyanazzal a függvénnyel írható le

BM

→ Ugyanez igaz a hımérsékletre és koncentrációra is.

116

Turbulens szabadsugár /folyt./ A sugár és környezet határán folytonosan váltakozva lép fel lamináris és turbulens áramlás, csak a sugár szélétıl a tengely felé bizonyos távolságban lesz az áramlás tisztán turbulens.


A két áramlási forma váltakozását lüktetési tényezınek Ω nevezzük. Ez azt fejezi ki, hogy a

BM

vizsgált teljes idıtartamból mennyi a turbulens áramlás idıtartama.

117

Szabadsugár leírása Egyszerősítı feltételek: 1) sugárközegre külsı erık nem hatnak


2) a teljes sugártartományban pkörny = áll. 3) impulzus állandó

I = I 0 → mɺ 0 ⋅ w0 köz = mɺ ⋅ wköz

4) a sugár kúpszöge ~ 19° ~ állandó és a ~ 0,6d0 3)-ból következik, hogy w0 köz mɺ = mɺ 0 wköz

a térfogatáram

mɺ = ρ ⋅ A ⋅ w

r0 – a fúvókából kilépı közeg sőrősége r – (nem ismert) a sugár sőrősége

ezért írható, hogy

2 ρ ⋅ A ⋅ wköz = ρ 0 ⋅ A0 ⋅ w02 köz

d 02π d 2π 2 ρ⋅ ⋅ wköz = ρ 0 ⋅ ⋅ w02 köz 4 4

w02 köz 2 wköz

2

ρ  d  =  ⋅ d ρ 0  0

→

w0 köz wköz

=

d d0

ρ ρ0

BM

ebbıl

118

19° sugár kúpszöggel a sugár átmérıje x helyen d = 0,32 ⋅ ( x + a )

ezzel a sugár tömegnövekedése x mentén


mɺ (x + a ) ρ = 0,32 ⋅ mɺ 0 d0 ρ0

ha feltételezzük, hogy x + a ≈ x és ρ ≈ ρ levegı mɺ x = 0,32 ⋅ mɺ 0 d0

ρ levegı ρ0

→ mɺ ~ mɺ 0 ⋅ áll. ⋅ x

BM

akkor

119

Eloszlásfüggvények (profilok) Mozgásegyenlet

stacionárius áramlás

kör nincs nyomás szimmetrikus különbség

nincs súrlódás

Egyszerősítve 

ρ  w x 

(

∂ wx ∂ wx  =0 + wy ∂x ∂ y 

)

     


    2   2 2 ∂ wx ∂ wx ∂ wx ∂ wx  ∂p  ∂ wx ∂ wx ∂ wx  + + + = gx − +µ + + ρ 2  ∂t ∂x ∂y ∂z  ∂x ∂ y2 ∂ z2   ∂ x  0 0   0 0 

∂ (ρ ⋅ w x ⋅ w y ) ∂ ρ ⋅ w x2 + =0 ∂x ∂y

Prandtl óta számos javaslat született az áramlási mezı számítására.

BM

Itt Reichardt megoldását mutatjuk be.

120

Reichardt feltételezése szerint az impulzus keresztirányú transzportja (ρ w x w y ) arányos az axiális

((

impulzus megváltoztatásával ∂ ρ w x2

))


Az arányossági tényezı λi – az un. impulzusátviteli tényezı [ dimenziója hosszúság ] Ezzel

ρ w x w y = −λi

(

∂ ρ ⋅ w x2 y

)

továbbá feltételezi, hogy

λi arányos x-el, ehhez bevezeti a dimenziótlan átviteli tényezıt ( ci ), ami Reichardtnál állandó értékő λi =

ci2 ⋅ x 2

Ezzel az alapegyenlet

(

)

(

)

BM

∂ ρ ⋅ w x2 c 2 ⋅ x ∂ 2 ρ ⋅ w x2 − i ⋅ =0 ∂x 2 ∂ y2

121

Csak a számítás végeredményét felírva: A sebességprofil adott x helyen 1 2 ⋅ ci ⋅

2  y   ⋅     x  


w = w0

 1 1 −  2 − 2 ρ0  ci 2⋅ci ⋅e

x d0

ρl

A koncentrációprofil ci

c = c0

2 ⋅ c c2 ⋅

x d0

 1 1 −  2 − 2 ρ0  cc 2⋅ci ⋅e

ρl

2  y  ⋅     x  

A hımérsékletprofil ci

T = T0

2 ⋅ c q2 ⋅

x d0

ρ0 ⋅e ρl

 1 1 −  2 − 2 c 2 ci ⋅  q

  y 2  ⋅    x  

levegıre, kör keresztmetszető sugárra Re0 7050 10580 14900 21750 28300

ci 0,0867 0,0700 0,0680 0,0665 0,0662

anyagpár H2 - levegı CH4 - levegı levegı - levegı

BM

cc = cq = 1,16 · ci

122

ci 0,065 0,075 0,070

c c, c q 0,098 0,087 0,082


Szabadsugár áramvonalképe

mɺ jelentıs növekedése, ami lehetıvé teszi, hogy a legtöbb mɺ 0 mɺ = 10 ÷ 20 már egy rövid szakasszal a fúvóka tüzelıanyag égéséhez szükséges nagy levegıtömeg mɺ 0 x kilépés után ~ 25 ÷ 45 már rendelkezésre áll. d0

Látható a sugárban a tömegáram

Mivel a lángsugarakban kémiailag két különbözı anyag van jelen, az áramvonalakat és

BM

függvényeket az egyes közegekre fel lehet állítani.

123

Diffúziós láng stabilitása Stabilitás feltétele hasonlóan fogalmazható meg, mint elıkevert lángoknál → w = Λ.


Diffúziós lángoknál w >> Λturb, még akkor is, ha turbulens áramlás miatt megnövekedett Λt. Ez az érték pl. földgáz esetében is csak 1,5 m/s nagyságrendő. Stabilitás csak a sugár széle környezetében lehetséges.

x2 → x1 magasságra megy vissza, ott stabilizálódik a láng.

w = Λmax feltétel nem elégséges → folyamatos újragyulladást kell biztosítani. ( turbulens áramlás strukturáltsága ( örvények ) miatt az égés megszakadhat ) további feltétel: w' > LE f

f – turbulencia jellemzı frekvenciája

BM

LE – Euler makro-örvényméret

124

Perdületes sugarak, perdületes lángok

Perdülettel


Perdülettel belsı recirkuláció hozható létre torlasztóelem beépítése nélkül. - stabilizálható a láng

- szabályozható a láng alakja, hossza

Perdületes áramlásban a sebességnek van: -

axiális

-

tangenciális

-

radiális összetevıje

Közepes axiális sebesség:

m wk   s

Tangenciális (forgási) sebesség:

m wt   s

Tömegáram:

 kg  mɺ    s 

Axiális impulzus:

 kg ⋅ m  I = mɺ ⋅ wk  2 = N   s 

Impulzus nyomaték:

D = mɺ ⋅ wt ⋅ y k [Nm]

ahol yk a wt sebesség forgástengelytıl mért távolsága

Perdület-paraméter:

ϑ=

D0 d I0 ⋅ 0 2

A „0” index a kilépı keresztmetszetben érvényes d0 – a fúvóka átmérıje

BM

Azonos perdület-paraméter mellett az áramlási képek is hasonlóak.

125

Perdítılapátok alkalmazása esetén a perdület-paraméter 2 3


ϑ ≈ tgδ 0

Perdítıkamra alkalmazása esetén a perdület-parméter

Ap

Abe

⋅

r ⋅π ⋅ e e = 0 2 ⋅ r0 2 ⋅ Abe

BM

ϑ=

126

Axiális sebességeloszlás alakulása ha ϑ nı


BM

Gázégı sugárformája

127

Perdületes lángok Perdület változtatásával a lángok alakja és tulajdonsága széles határok között változtatható. Perdület létrehozása történhet: a gázáramban

-

a levegıáramban

-

mindkettıben


-

- azonos irányban

- ellentétes irányban

Perdület-növelés hatása -

a forró égéstermék visszaáramlás nı

-

kis sebességő zónák jönnek létre

Mindkettı lángstabilizáló hatású, azonban az égéstermék részarány túlzott növelése már rontja a

BM

stabilitást ( kevés az oxigén)

128


Stabilizálás torlasztótárcsával

Áramlásba helyezett testekkel un. torlasztótárcsákkal belsı recirkulációs zóna hozható létre. -

torlasztótárcsa mögött kis sebességő helyek alakulnak ki

-

a gyulladás feltételei a tárcsa szélén teljesülnek

-

lerakódás elkerülése érdekében kis furatokkal ellátott a tárcsa

BM

Más megoldás:

129

Diffúziós lánghossz változása


Diffúziós láng hosszának változása az áramlási sebesség függvényében

lamináris diffúziós láng → a sebesség növekedésével arányosan nı

turbulens diffúziós láng → a keveredési folyamat intenzívebbé válik, ezért a láng rövidül

BM

majd sebességtıl függetlenül hossza állandósul

130

I.

lamináris tartomány l ~ áll. ⋅ Vɺ ⇒ ~ w


növekvı w-nél elkezd lobogni → örvények válnak le ekkor a reakciófelület megnı → láng rövidebb lesz a tisztán laminárishoz képest

II.

átmeneti tartomány

laminárisból → turbulens áramlásba átmenet

tisztán turbulens tartományban

a lánghossz sebességtıl ill térfogatáramtól függetlenné válik ⇒ állandó

A felhajtóerı hatása – mérések szerint – Fr < 105 esetében okoz lánghossz csökkenést.

Froude szám gyakran jó következtetésekre vezet, de nem korrekt a használata, mivel a közeg sőrőségkülönbségét nem veszi figyelembe. Korrektebb az Archimedes szám ( Ar ) Ar =

1 ∆ρ ⋅ Fr ρ

BM

III.

131


Turbulens áramlás jellemzıi

pillanatnyi érték: w = w + w′

w=

RMS → közepes lengésnagyság v. közepes négyzetes eltérés

1

τ0

τ

∫ w dt 0

w ′2

Turbulencia fok: (v. turb. intenzitás) valamely irányba esı komponens ingadozásának nagysága

Tw = I x = x

wx′ w

w y′

2

; Tw = I y =

2

; Tw = I x =

w

y

z

wz′

2

w

Izotróp turbulencia

- közepes lengésnagyság iránytól független egy pontban

w x′ = w y′ = w z′ 2

2

2

Homogén turbulencia

- statisztikus jellemzık helytıl függetlenek Turbulencia ( kinetikus ) energiája

[w ′ 2

ρ

x

2

+ w y′ + wz′ 2

2

]

BM

E=

132

Turbulens áramlás struktúrája Turbulens örvények méretük meghatározása korreláció segítségével


→ két különbözı térpontban, azonos idıben a sebesség-összetevık értéke

x irányban a sebességre korrelációs függvény ( Euler leírás ) RE (r ) = x

w′x ( x ) ⋅ w′x ( x + r )

w′x ( x ) ⋅ w′x (x + r ) 2

2

ha r → 0, akkor RE(0) = 1 teljes korreláció; a két sebesség-összetevı azonos ha r → ∞, akkor RE(∞) = 0 nincs hasonlóság

A görbe alatti terület az LE szélességő

téglalapba zárjuk ∞

LE = ∫ RE (r )dr 0

LE -

integrál hosszlépték

integral scale of turbulence Makro-Längenmaß l -

small scale

Mikro-Längenmaß

BM

Taylor által bevezetett mikro hosszlépték  d 2 RE (r )    = 2 lim  1 − RE (r )  = r →0 ??   l 2  r2 1

??

133

Az örvény közepes l mérete felelıs a turbulens impulzusért

-

anyagtranszportért

-

hıtranszportért


-

A makro-örvény L tartalmazza a turbulens energia fı részét

Turbulens makro és mikro idılépték hasonlóan levezethetı Turbulens áramlás mozgásegyenletei:

w helyett w és w′ -t kellene megadni → kétszer annyi egyenlet

→ a megadáshoz w és w′ közötti kapcsolatot kellene ismerni, ami matematikailag nem kezelhetı

Mérésekkel L, l meghatározhatók

BM

Szabadsugárban ( mérések alapján ) pl.:

134

Égési diagram - Borghi diagram

Pl.:


A diagram turbulens elıkevert lángokra érvényes. Otto motorban lejátszódó égés

gázturbina tüzelıterében lejátszódó égés Mire jó a diagram? -

lángtípusok osztályozására karakterisztikus idıskálák összehasonlítása alapján

Turbulens elıkevert lángot két alapvetı folyamat jellemzi 1. turbulens keveredés

BM

2. kémiai folyamat ( reakciókinetika )

135

136


BM

Turbulens áramlás jellemzıi Turbulens mozgás anizotrópiát okoz, ami kisebb örvények jelenlétére utal. Ha az örvények molekuláris szintre csökkennek, disszipáció révén elhalnak.


Ha két különbözı sebességő gázáram találkozik akkor ellenkezı irányú jelenséggel van dolgunk: a nyíróerık kis örvényeket hoznak létre, amelyek egyre növekednek.

- Nagyon kismértékő turbulencia esetén a turbulencia mértéke a lángvastagság nagyságrendjébe esik: a láng sebessége nı, de a lángfelület viszonylag sima marad.

A lángban uralkodó nagy hımérséklet miatt a viszkozitás nagy, és a δl-nél kisebb mérető örvények gyorsan elhalnak.

- Nagymértékő turbulenciánál a lángfelület hullámosodik a láng vastagodik, kis „flamelet”-ek alakulnak ki.

E változásokat szemlélteti a Borghi diagram dimenziótlan mennyiségekkel: Vízszintes tengely:

LE  mm  δ l  mm 

BM

Függıleges tengelyen a sebességviszony:

m w ′2  s    Λl  m   s 

137

Borghi-diagram


Elıkevert turbulens lángra

(A) - lamináris láng Ret = 1 alatt (B) -

w ′ 2 << Λ l , gyenge turbulencia, kissé hullámos lamináris lángfront

(C) -

w ′ 2 nı Λ l -hez képest, erıs hullámosodás, a láng un. Lamináris „flamelets”-ekre bomlik

(D) -

w ′ 2 tovább nı, a mikro-örvény méret / l / < δl megvastagodó turbulens lángfront

(E) - Da < 1 az egyedi turbulens lángfrontok éppen LE vastagságúak lesznek, hullámosodás

BM

megszőnik, homogén turbulens lángfront jön létre

138

Fontos idılépték a jellemzı kémiai reakcióidı Az idı meghatározható δl – lamináris lángvastagság


Λl – lamináris lángterjedési sebesség hányadosaként

τ reakció =

δl

Λl

Ez hasznos a lángfront hullámosodásának jellemzésére. A turbulens jellemzı idılépték meghatározható LE

- Euler hosszlépték ( makro-örvény méret )

w ′ 2 - turbulens sebességingadozás RMS értéke a kettı hányadosa

τ áramlási =

LE

w ′2

A két idılépték hányadosa a Damköhler szám:

Da =

τ áramlási τ reakció

BM

Ha Da = 103÷104 akkor a reakció nagyon gyors a turbulenciához képest.

139

( w ′ , Λ ) és hosszmértékek (L , δ ) viszonya. 2

A Damköhler szám tehát a jellemzı sebességek

l

E

l

Mivel turbulens áramlásban

τ áramlási τ reakció

ahol

LE

τ áramlási =


Dat =

τ reakció =

w ′2

δl

Λl

ezért a turbulens Damköhler szám

Dat =

Λ l ⋅ LE

w ′2 ⋅ δ l

Ezeken kívül ( Ret, Dat ) a két jellemzı számon kívül a láng szerkezetét még jellemzi:

l

δl

,

ahol

l a mikro-hosszmérték

δl a lamináris lángfront-vastagság

és

LE

δl

BM

A turbulens láng szerkezetét LE ill. l-nek a δl lamináris lángvastagsághoz való viszonya vezérli.

140

A Borghi diagramban szerepel még egy dimenziótlan mennyiség – a Karlowitz szám ( Ka ). A Ka szám jellemzi a turbulens láng nyújtásának mértékét ( flame strech )

δl Λl

⋅

w ′2 l


Ka =

de értelmezhetjük úgy is, mint a reakcióidı és az örvény élettartam viszonyát. Megjegyzés:

A Ka számot a turbulens lángfront más hosszléptékével is szokás jellemezni, ami egy

BM

nagyságrenddel nagyobb Ka számot eredményez. Ezt külön index-el szokás megkülönböztetni.

141

Az égési diagram – Borghi diagram jelentısége

Nem csupán arra szolgál, hogy jobban megértsük a turbulencia és kémiai reakció kölcsönhatását,


hanem hasznos a mőszaki égési folyamatok értékelésénél is.

Az ábrán jól látható, hogy a mőszaki égési folyamatok majdnem kivétel nélkül a gyengén hullámos ill. erısen hullámos tartományba esik.

Ka >1.

BM

A legtöbb égési modell mégis nagy Da számra és kis Ka számra érvényes, de nem érvényesek, ha

142

Turbulens elıkevert lángok


Jellemzıje: -

széles, erısen szaggatott, sokszor feltépett reakciózóna

-

rövidebb, mint a lamináris elıkevert láng ( Λt > Λl )

Kísérleti mérésekbıl turbulens csıáramlásból kilépı lángra

[

]

Λ t = 0,18 ⋅ d 00, 28 ⋅ Re 00, 24 ⋅ Λ l

d0 – csıátmérı az égıszájban

Re0 – Reynolds szám ugyanott

Damköhler szerint a Lt növekedés oka:

a makro-örvények hatására megnı a reakciófelület és a mikro-örvények gyorsítják a hı- és anyagátadást

Turbulens diffúziós lángok

A levegı és éghetı gáz sőrőségviszonya

ρl = 0,5 ÷ 2 között. ρg

A levegı és égéstermék sőrőségviszonya

ρl ≤ 1,1 ρé

Az égéssel összefüggı hımérsékletnövekedés okozta sőrőségváltozás 6÷7 szeres!

BM

Ez jelentıs hatással van a turbulens cserefolyamatokra.

143

144


BM

Redızött lamináris láng tartomány Ret-tıl függıen a gyors reakció jellemzi


Da > 1

mɺ = ρ k ⋅ A ⋅ Λ = ρ k ⋅ A f ⋅ Λ l → t

↓

Λt =

Λt Af = Λl A

mɺ A ⋅ ρk

Damköhler modell:

Λt w ′2 = 1+ Λl Λl

Clavin és Williams modell:

1

Λt = Λl

   w ′2 1  1 + 1 + 8 ??⋅  2   Λl  

   

2

 2   ???  

Klimov modell:

   

0, 7

ha

w ′2 >> 1 Λl

BM

 w ′2 Λt = 3,5  Λl Λl 

A kísérleti eredményekhez a Klimov modell jobban illeszkedik. 145

Porlasztás nyomás: rendszerint porlasztás perdülettel


rotáció: forgóserleg

segédközeg: levegıvel, gızzel, földgázzal

Porlasztási feltételek:

kis viszkozitás < 10 cSt ~ 2 E°

BM

főtıolaj esetén 70÷150 °C-ra elımelegítés

146

Porlasztás – részfolyamatok 1. Tüzelıanyag egyedi cseppekre bontása 2. Cseppköd keveredése a turbulens áramlású égési levegıvel és a forró recirkulációs


égéstermékekkel → Makro keveredés

3. Cseppek felmelegedése ( konvektív hıátadás, lángsugárzás, falazatsugárzás )

4. Cseppek elgızölgése és a gızök keveredése a levegıvel és recirkulációs árammal → Makro keveredés

5. Keverék gyulladása

6. Cseppek, cseppfelhık égése

7. Koromképzıdés, szénláncletörések

BM

8. Korom égése

147


Porlasztás

adott átmérıjő csepp nagy viszkozitás mellett kétszeres olajnyomást igényel fontos jellemzık:

(∑ n ⋅ d )⋅ π

-

felület: A = d 2 ⋅ π =

-

d 3 ⋅π = térfogat: V = 6

2

(∑ n ⋅ d )⋅ π6 3

Sauter középátmérı / Sauter mean diameter //SMD/ SMD = d S =

Vcsepp n⋅d3 = 6⋅ 2 Acsepp n⋅d

dS egy olyan csepp átmérıje, amelynél a

d S3 ⋅ π 6 =V = 2 A dS ⋅π

V viszony akkora, mint a teljes csepphalmaznál A

(∑ n ⋅ d )⋅ π6 (∑ n ⋅ d )⋅ π 3

2

d 3 ⋅π 6⋅m tömeg: m = ρ ⋅ V = ρ ⋅ → ebbıl az átmérı: d = 3 ρ ⋅π 6

össztömeg: M = n ⋅ m

-

cseppek száma: n =

-

N  felületi feszültség: σ   → m

BM

-

M 6⋅M = m ρ ⋅ d 3 ⋅π

~ 0,02 szerves folyadékokra ~ 0,01 vízre ~ 0,5 fémolvadékokra

148

Porlasztásra jellemzı számok

d ⋅ ρ ⋅u2


We =

σ

d -cseppátmérı

ρ - cseppsőrőség

u - csepp és környezet közötti sebességkülönbség

σ - felületi feszültség

Vi =

µ ρ ⋅σ ⋅ d

N ⋅s

µ  2  - dinamikus viszkozitás m 

Ha Vi → 0 µ = 0, akkor a cseppre szakadásra jellemzı Wekrit szám: Wekrit > 13 egyenletes áramlásban

Wekrit > 22 szabadon esı csepp esetén

BM

Ha Vi > 0 → Wekrit is nı

a viszkozitás növekedésével egyre nagyobb Wekrit számnál kezd a cseppre szakadás bekövetkezni

149

Angol irodalomban a Vi szám → Z number Z=

We 0,5 = Re

µ ρ ⋅σ ⋅ d

minısége.


A We, Vi ill. Z számok segítségével jól elıre jelezhetı a porlasztási folyamat természete és

Ha We = áll. =

d ⋅ ρ ⋅u2

σ

akkor, mivel

1 ρ ~ áll ezért d ⋅ u 2 is állandó tehát d ~ 2 szerint változik. σ u

Cseppeloszlás

x mérető cseppnél nagyobb mérető cseppek darabszáma n

dn = a x p exp (−b x) q dx

a, b, p, q négy független állandó

Rosin-Rammler leírásában már csak két állandó, b és q szerepel: d n 6 ⋅ b ⋅ q q −4 = x exp (−b x) q dx π

q kifejezi a cseppméret halmaz „szélességét”. Minél nagyobb q annál egyenletesebb a sugár. Ha q → ∞ a cseppek azonos méretőek.

BM

A legtöbb tüzelıanyagra q = 2÷4 között van.

150

151


BM

152


BM

Cseppek égése Feltételek:

gömbszimmetrikus


egy dimenziós leírás

Vizsgáljuk az egyedi cseppet, amit oxidációs gázkörnyezet vesz körül

Cseppégés 3 fázisa

1. Felfőtési szakasz

gázfázisból a csepp hıt vesz fel → felmelegszik végül a határrétegben fázisegyensúly áll be: a csepp elkezd elgızölögni

2. Elgızölgési szakasz

A tüzelıanyaggız a gázkörnyezetbe diffúzió útján terjed → égıképes keverék jön létre

3. Égési szakasz

BM

a keverék meggyullad, a csepp körül égés megy végbe diffúziós láng formájában

153

Elemi olajcsepp égése Gömbszimmetrikus modell


csepp elgızölgéséhez szükséges hı: 1. lángsugárzásból

2. forró füstgázból konvektív úton

Az égési reakció gömbfelületen megy végbe.

Belülrıl az elgızölgött szénhidrogén, kívülrıl a levegı O2-je diffundál a reakciózónába.

A csepp égési ideje b

té = a ⋅ e T

ln t é = ln a +

b T

a, b értékei a ∅d cseppátmérı függvényei (Thring mérései)

∅ 1,5 mm-es cseppre és könnyő tüzelıolajra:

b = 0,88 ⋅ 10 4 a csepp átmérıvel lineárisan csökken az értékük

BM

ln a = −9,45

154

155


BM

156


BM


Metanol cseppben lejátszódó folyamat

-

Cseppfelület hımérséklet gyorsan emelkedik, amíg a fázisegyensúly ki nem alakul ( hıleadás )

-

Cseppközéppont felé hıvezetés van, itt a hımérséklet lassabban nı

-

Fázisegyensúly után elgızölgés kezdıdik ∅d csökken

-

Gyulladás után erıs hımérsékletnövekedés → felgyorsul az elgızölgés

-

Stacioner elgızölgést feltételezve

( )

BM

d d2 = áll. az un. d2 törvény dt

157

158


BM

159


BM

160


BM

161


BM

162


BM

163


BM

164


BM

165


BM

Porlasztás gázturbinákban -

nyomásporlasztás

-

levegı segédközeges porlasztás


Nyomásporlasztás → a fúvókageometria jelentısen befolyásolja a porlasztás minıségét Cél: a levegı és a tüzelıanyag optimális keveredése

Ez lehet → nem elıkevert, ekkor a porlasztás a lángban megy végbe

→ elıkevert, ekkor egy elgızölögtetı szakaszba injektáljuk a tüzelıanyagot és a tüzelıtérben már gız / levegı keverék gyullad meg

Probléma a nyomásporlasztásnál:

A fúvóka közvetlen közelében túl nagy a tüzelıanyag koncentráció → fokozott koromképzıdés.

Ezért a levegı segédközeges / air-blast atomizer / porlasztó gázturbinákban kiszorította a nyomásporlasztót.

A porlasztáshoz szükséges energia a beáramló levegı sebességébıl ered, ezért a tüzelıanyag

BM

sebessége lehet kisebb.

166

Levegı segédközeges porlasztás / air-blast atomizing /


A porlasztás minıségét befolyásoló tényezık: N  σ – felületi feszültség   m

N ⋅s µ – din. viszkozitás  2  m 

 kg  ρ – sőrőség  3  - ρl levegıre m 

- ρtüz tüzelıanyagra

m u – sebessgég   s

Kísérleti mérésekbıl ( Lefebvre ) a Sauter középátmérı az adott porlasztónál D p - porlasztó ajak átmérı [m]

mɺ tüz - tüzelıanyag - levegı tömegáram arány mɺ l  σ ⋅ ρ tüz ⋅ D p  SMD = 3,33 ⋅ 10   2 2  ρ l ⋅ ul  −3

0,5

 mɺ   µ  ⋅ 1 + tüz  + 13 ⋅ 10 −3  tüz  mɺ l   σ ⋅ ρ tüz  2

BM

 mɺ   mɺ  SMD = A ⋅ 1 + tüz  + B ⋅ 1 + tüz  mɺ l  mɺ l   

167

0 , 425

⋅D

0 , 575 p

 mɺ  ⋅ 1 + tüz  mɺ l  

2

168


BM

Heterogén reakciók C + O2 ↔ CO2

Boudouard reakció ( elgázosítás)

C + CO2 ↔ 2CO


C égés

Heterogén vízgáz reakció

C + H 2 O ↔ CO + H 2

( Homogén vízgáz reakció

CO + H 2 O = CO2 + H 2 )

Lépések:

BM

Heterogén reakciók a felületen mennek végbe ( homogén reakciók a teljes térfogatban elosztva )

169

I. -

alacsony hımérséklető reakció

-

kémiai reakció a reakciósebességet meghatározó

-

O2 koncentráció egyenletes

II.

hımérséklet a szemcsében > 750°C -

reakciósebesség a pórusokban az O2 utánpótlás sebességétıl függ

-

O2 hiány lép fel a szemcse belsejében

III.

Tehát


Heterogén reakciók / szén égése /

hımérséklet a szemcsében > 900°C -

az égés kizárólag felületi

-

O2 nem tud a szemcse belsejébe hatolni

I.

leglassabb folyamat a kémiai reakció, ez a meghatározó / alacsony hımérséklet /

II.

pórusdiffúzió ( nagyobb a pórusfelület, mint a gömbfelület, ezért a pórusokban a reakciósebességet a tömegfogyás határozza meg )

határdiffúzió – nagy hımérsékleten a kémiai reakciósebesség nagy, az O2 molekuláris diffúzió kicsi, a reakciósebességet a diffúzió sebessége határozza meg.

BM

III.

170


v=−

dc = k ⋅ c f = D ⋅ (c0 − c f dt

)

→

k ⋅ c f + c f = c0 D

cf – felületen lévı koncentráció

k  c f ⋅  + 1 = c0 D 

D – diffúziós tényezı

cf =

c0 k +1 D

c0 – kezdeti koncentráció tehát

v = k ⋅cf =

ezzel

k ⋅ c0 c0 1 = bevezetve k ∗ = k 1 1 1 1 + +1 + D D k D k

v = k ∗ ⋅ c0

-

ha D >> k , akkor

1 1 << , így D hatása elhanyagolható, a reakciósebesség a reakció D k

kinetikai ( hımérsékleti ) feltételeitıl függ ha D << k , akkor

1 1 >> , ezért k ∗ ≈ D , vagyis a diffúzió szabja meg a D k

reakciósebességet

BM

-

171


Heterogén reakcióra tehát fennáll, hogy ha: -

alacsony a hımérséklet

-

nagy a légfelesleg ( gyakran ∞-nek tekintik )

-

jó a keveredés

akkor kinetikus égési tartományban vagyunk.

→ ha nı a hımérséklet, akkor -

nı a gáz viszkozitása

-

romlik a levegıellátás

-

erısödik a diffúzió útján történı levegıellátás

→ ha mindkét reagens véges nagyságú a hımérséklet magas

-

levegıellátás tisztán diffúzió útján

BM

-

172

Szénportüzelés


Szitaanalízis Aprítás – ırlés – szárítás

Néhány fogalom a szemcseeloszlás meghatározásához

Áthullás

D

Szitamaradvány

R

R + D = 1 (100% )

Szitaszám 20 30 40 …

R20

a 20-as jelő szitán visszamaradt anyag

D20

a 20-as jelő szitán áthullott anyag

a 300 µm-nél kisebb szemcse áthullik

a 300 µm-nél nagyobb szemcse fennmarad

BM

Pl.:

2

Nyílás [cm ] 400 900 1600 …

173

Nyílásméret x [µm] 300 200 150 …

Tüzeléstechnikai szempontból fontos -

a szemcse szám

-

a fajlagos felület ( ettıl függ az égés intenzitása ) x1 + x 2 frakció közepes szemcsemérete ( gömb alakúnak tekintve ) 2


Legyen xi =

frakció tömege = szemcseszám · szemcsetömeg

mi = ni ⋅ ρ ⋅

xi3 ⋅ π 6

→ ni =

mi x ⋅π ⋅ρ 6 3 i

Egy szemcse felülete:

Asz = d 2 ⋅ π = xi2 ⋅ π =

6 ⋅ mi ρ ⋅ xi

A szemcsehalmaz fajlagos felülete az egyes frakciók fajlagos felületének összegével egyenlı

6

ρ

n

⋅∑ i =1

mi xi

BM

A=

174

Szitasorozat -

Két szomszédos szitaméret közé esı szemcseméret halmaza → frakció

-

Áthullás éa maradvány összege bármely szitára vonatkozóan a kiinduló


anyagmennyiséggel azonos

R15 + ∑ ∆R + D1 = 100 %

a szemcseeloszlási görbe mutatja, hogy a vizsgált halmazban egy adott x mérető szemcse elıfordulási gyakorisága mekkora, azaz hány % / mm

azonos

BM

p (x) frakciógörbe ( végtelen számú szita esetén ) alatti terület a kiindulási anyagmennyiséggel

175


ha a vízszintes tengelyen ln x-et veszünk fel, akkor logaritmikus eloszlást kapunk ami egy szimmetrikus görbe

feltétel: minden mérető, aprítás útján elıállított részecske törési valószínősége azonos!

BM

( valóságban ez erıs közelítés )

176

Szemcseeloszlás matematikai leírása Rosin-Rammler-Bennet ( RRB ) féle empirikus függvény n

Eszerint


1 − D ( x) = e −(b x ) → Bennet kiegészítése R ( x)

R ( x) = e

 x n  − x   s

x – szemcseméret

xs – jellemzı szemcseméret → amelynél a szitamaradvány éppen e −1 = 36,8 % n – szemcseeloszlási kitevı ha

1 függvény kétszeres logaritmusát vesszük: R ( x)

ln ln

1 = n ⋅ ( ln k − ln x s ) R ( x)

n = 0,65 ÷ 1,35 szénre

n = 2 ÷ 4 olajra

A maradványgörbe tehát egyenes lesz olyan diagramban, amelyben ln x a független változó, és ln ln

1 a függı változó. R ( x)

→ elég két szemcsemérető ( x1, x2 )szitával mérni és a szemcseeloszlási kitevı leolvasható

BM

→ vagy ismert n, és akkor elég egy szitamaradványt ismerni

177


Tüzeléstechnikai gyakorlatban:

Szénportüzelésnél: nagyobb szemcsék visszajutnak a malomba, így az ırleményben bizonyos méret feletti szemcse nincs

Rostélytüzelésnél: finom szemcsék kihullanak a rostán, ezért csak bizonyos méret felett van a

BM

rostélyon

178

Szénırlı malmok -

kalapácsos malom


mozgó fej ( kalapács ) – cserélhetı n = 580 ÷ 1450

u ker ületi = 50

max 3

m s

t teljesítményig h

verıkerekes ventilátormalom ( barnaszénre, lignitre ) n = 750 ÷ 1500

f p

u ker ületi = 80 ÷ 90

m s

nagy teljesítményő kazánoknál

járókerék ∆p-t létesít,

szénport befújja a tőztérbe

Malom energiaigénye 8 ÷ 15

BM

-

f p

179

kWh t


BM

Szénportüzelı berendezések Malom kapcsolata a kazánhoz

180

181


BM


BM

Szénporégık

lignit és barnaszén tüzelésnél

182


Rostélytüzelés

Darabos szén eltüzelése -

fix rostély

-

vándor rostély

Szemcsenagyság

20 ÷ 80 mm

Fix rostély – sík rostély

b = 5 − (20) mm h = 6 − 10 b l ≅ 60 ⋅ h

2⋅h =ε b

hőtési szám

min 12

max 20 legjobb minıségő szénnél is elegendı

BM

l max = 2 ÷ 2,5 m nagyobbat nem lehet kiszolgálni

183

Vándorrostély


általában 50 MW alatt

melegedés → szárítás → kigázosodás → gyulladás rostélysebesség 40 ÷ 600

mm perc

jó tüzelés feltétele

kis légfelesleg

-

nagy reakciófelület ( ettıl függ a kiégés idıszükséglete )

BM

-

184

Ferde vagy lápcsıs rostély t gızteljesítmény h

max 5

-

morzsalékos barnaszén, főrészpor, stb.


-

Szénminıségtıl függı boltozatkialakítás Gyenge, nedves szén

Nagy illótartalmú szén

Kıszén (nagy főtıérték)

Izzó részeket elıre dobja,

BM

segíti a gyulladást

185

186


BM

187


BM

188


BM

189


BM

Hulladéktüzelés - fıleg települési hulladékra

Fluidágyas tüzelés

- fıleg szennyvíziszapra

Forgókemence

- szilárd, képlékeny és folyékony speciális hulladékra


Rostélytüzelés

Az égési folyamat és a keletkezı károsanyagok egymástól függenek: ami a tüzelés során nem szabadul fel, azt nem kell költséges gáztisztítással leválasztani. nem befolyásolható

részben befolyásolható

befolyásolható

CO2

por

CxHy

SO2

NOx

halogén

szénhidrogének

HCl

C

Cl2

CO

A befolyásolható csoportba tartoznak a szénvegyületek, amelyek oxidáció révén átalakíthatók. A CO tartalom az oxidáció mértékének jelzıje.

Dioxin és furán különösen poliklórozott formában extrém mérgezı gázok. 800 ÷ 1100°C-on

BM

megsemmisülnek, de 300 ÷ 400°C-on katalitikus reakció során újra keletkezhet.

190

191


BM

192


BM

Tanner-féle diagram


Hulladéktüzelés

Éghetı hulladék határai

60 % alatti hamutartalom 50 % alatti nedvesség 25 % feletti éghetı

e határokon kívül csak támasztó tüzeléssel égethetı

BM

Németországban a háztartási hulladék főtıértéke ~ 9000 kJ / kg

193


Háztartási hulladéktüzelés A német TA ( Technische Anleitung ) elıírásai: - tartózkodási idı a tőztérben

0,75 t / h tömegáram felett

min 0,3 sec

min 800°C-on

- füstgáz O2 tartalom:

min 6 %

Károsanyagok határértékei a füstgázban

PCDD = polyclor dibenzo-dioxin PCDF = polyclor dibenzo-furan

max 0,1 ng / m3

Tájékoztatásul:

1 db cigaretta füstje ~ 1,0 ng dioxint tartalmaz!

Dioxin / furán emisszió csökkentés

hulladék kiégetés javítása

-

füstgázban szálló por kihordás csökkentése

-

min 6 % O2 fenntartása

-

nagy hımérsékleten csökkenteni a tartózkodási idıt

-

utolsó levegı-bevezetés után még 850°C biztosítása

BM

-

194

Háztartási hulladék


Tüzelés elıkészítése Hulladék tüzelésre elıkészítése -

elıválogatás

-

aprítás

-

homogenizálás

-

esetleg szárítás

-

komprimálás

Cél: minden részecske kb. azonos idıben égjen el az elıírt hımérsékleten Ehhez -

kielégítı átkeverés és levegıellátás kell

-

a felület megfelelıen nagy legyen

BM

Az adiabatikus lánghımérsékletet a hulladék minısége és a légfelesleg befolyásolja

195

Rostélytüzelés fajtái elıtoló rostély

-

visszatoló rostély

-

hengeres rostély


-

Elıtoló rostély

BM

Visszatoló rostély

Hengeres rostély 196

A rostély és tőztér geometria egy egységet kell képezzen. A tőzteret úgy kell kialakítani, hogy a rostély felett távozó gázok lehetıleg azonos sebességőek


legyenek. Ebbıl számítható a boltozat magassága. Az égés a rétegben közel sztöchiometrikus.

Az égési levegı ~ 60 %-át a rostély zónákban primer levegıként vezetik be, ebbıl 10 %-ot a kiégési zónában.

A közepes tartózkodási idı

- a szerves károsanyag emisszió csökkentésére

τk =

Vs Vɺg

ahol

Vs – a tőztér térfogata

Vg – a gáz-térfogatáram

Ha a tőztérben recirkulációs örvények jönnek létre, akkor az égéstermék egy részének tartózkodási

BM

ideje nagyobb lesz, míg az égéstermék nagyobb része túl gyorsan távozik.

197



Winkler 1922-ben szabadalmaztatta szénelgázosításra. Késıbb – az elmúlt 20 évben – terjedt el, mint széntüzelési mód.

Elve:

Fluidágy létrehozása:

~ 2 ÷ 10 mm szemcsemérető halmazt gázzal ( levegı ) átáramoltatni

úgy, hogy a halmaz lebegni kezdjen.

fluid tüzelés lehet:

a. stacionárius atmoszférikus b. cirkuláló

c. nyomás alatti Elınye: -

mészkı hozzáadásával a kén már az égési folyamat során megköthetı ( ~ 90% a kedvezı anyagtranszport miatt )

nagy ballasztanyag tartalmú ( és ingadozó főtıértékő ) szenek elégetésére alkalmas

BM

-

198


Fluidágy fluiddinamikai viselkedése

elnevezés.

BM

A szemcseágy fellazulása a folyadékmozgáshoz hasonló viselkedést eredményez, innen a fluid

199


Ha a levegısebesség nı → wf , e fölött buborékok az ágyban

hézagtényezı ε =

a teljes térfogat ahol

V = Vüreg + V szilárd

→

Vüreg V

Vsz V = 1− ü = 1− ε V V

Vsz = n ⋅ Vrészecske

Vsz n ⋅ Vr = = 1− ε V V

V térfogatban Ar részecske felülettel n db részecske van, akkor a fajlagos felület a r =

n ⋅ Ar V

a részecskeszám térfogat-egységenként

nv =

n 1− ε = V Vr

ε és dr még nem kellıen jellemzi az áramlást. Ezért bevezetjük még a fajlagos felület fogalmát. ar =

ahol

n ⋅ Ar Ar = ⋅ (1 − ε ) V Vr

Ar egy részecske fajlagos felülete. Vr

Gömbalakú részecskére

d 2π 6 = ezzel d 3π d

6 ⋅ (1 − ε ) d

BM

ar =

200

Levegısebesség hatása a tüzelés típusára wf a fellazulási pont, e felett ∆p = áll., nyugvó ágy - rostélytüzelés

w f < w < wl

wl lebegtetési sebesség, e felett ∆p ≠ áll.


w < wf

-

ha w közelebb van wf -hez, akkor egyszerő fluidágyas tüzelés

-

ha w közelebb van wl -hez, akkor cirkulációs fluidágyas tüzelés

w > wl

szénportüzeléshez jutunk

A nyomásveszteség / ∆p / addig nı, míg a felhajtóerı és a részecske tömegerı egyensúlyba nem

w2 c w ⋅ Asz ⋅ ρ lev ⋅ 2

A felhajtóerı:

Részecske-tömegerı: Vsz ⋅ ρ sz ⋅ g cw

- levegı ellenállási tényezı

Asz - szemcse keresztmetszet

ρlev - sőrőség w

- sebesség

Vsz - szemcsetérfogat

ρsz

- szemcsesőrőség

g

- gravitációs állandó

BM

kerül.

201

Mivel ρ sz >> ρ l és e növekedésével H ágymagasság is nı, a nyomásveszteség egyenlete egyszerőbb alakban is felírható:


∆p ~ ρ sz (1 − ε ) ⋅ g ⋅ H = áll. vagyis a ∆p nyomásesés az ágy H magasságától gyakorlatilag nem függ. A fellazulási sebesség wf. Az ágyba w > w f kell legyen.

Az ágy méretezéséhez szükséges jellemzı számok a következık Reynolds – szám Re f =

w f ⋅ dr ν

dr – részecske átmérı

Archimedes – szám Ar =

d r3 ⋅ g ρ sz − ρ l ⋅ ρl ν2

Froude – szám Fr =

w2f dr ⋅ g

Módosított Froude – szám 2

3 ρl ⋅ Fr 2 ⋅ 4 ρ sz − ρ l

BM

Fr r =

202

A fluidágy ∆p ellenállása a fellazulási pontban a felhajtóerı és szilárd szemcse tömegébıl számított erık egyensúlyából számítható. Felületegységre ható erı a fluidágy / H / rétegvastagságából és az / ε / hézagtényezı ismeretében


határozható meg.

A H vastagságú rétegben a / ∆p / nyomásveszteség: N  ∆p = ρ ⋅ g ⋅ H  2  m 

A réteg szilárdanyag tartalma

ρ sz ⋅ (1 − ε )

levegı tömege

ρl ⋅ ε

Ezzel a nyomásveszteség

N  ∆p = [ρ sz ⋅ (1 − ε ) + ρ l ⋅ ε] ⋅ g ⋅ H  2  m 

Mivel ρsz = áll. nak tekinthetı, akkor A0 ágyfelületen a szemcsehalmaz tömege

m sz = ρ sz (1 − ε ) ⋅ A0 ⋅ H = áll.

BM

ha A0 = áll., akkor ρ sz (1 − ε ) ⋅ H = áll.

203

A Ref felírható εf, Ar és ϕs segítségével, ahol ϕs az un. gömbszerőségi tényezı ϕs =

részecske térfogatával egyenlı gömbfelület részecske felület


homokszemcse esetén ϕs = 0,86

Re f ≅ 42,9 ⋅

1− ε f ϕs

 ϕ s ⋅ ε f ⋅ Ar   1 + 3,11 ⋅ 10 − 4 ⋅ − 1 (1 − ε f )2   

Látható, hogy Ref és e hézagtényezı egymástól függ. A megfelelı áramlási sebesség

w = 2 ÷ 3⋅ wf

Az elérhetı hézagtényezı

ε = 0,5 ÷ 0,8

A sebesség az un. fluidágy-állapotdiagramból vehetı ki.

dr közepes mérethez Ar = áll. vonalat kikeressük, ami adott ε-nál metszi Ref értéket. Ebbıl wf

BM

számítható.

204

205


BM

206


BM


BM

Fluidtüzeléső gızfejlesztı elve

207


felület – ágy közötti hıátadási tényezı A

300 ÷ 500 W / m2K

B

150 ÷ 250 W / m2K

C

150 ÷ 250 W / m2K

D

400 ÷ 600 W / m2K

Közelítı értékek

- egy felületen is lehet változó

BM

- függ a közeg sebességétıl, ill. az ágy „ buborékosságától ”.

208

Égés két fı folyamatrészre osztható 1. illó kigázosítás pirolízis révén, ezt követı homogén reakció 2. visszamaradó szilárd rész heterogén reakciója


800 ÷ 900°C-on az illó égése teljesen végbemegy Égési veszteségek: el nem égett CO

BM

fluid ágyban lévı hımérséklettıl függıen

209


-

minél nagyobb a szén főtıértéke, annál nagyobb Qɺ tüz , így annál nagyobb a direkt módon szükséges Qɺ el hıelvonás

minél nagyobb a szemcseátmérı, annál nagyobb tömegáram-sőrőség kell

BM

-

210

Tartózkodási idı Ha az ágy vastagsága H > 0,3 m, akkor gyakorlatilag a fluidágyban lévı részecskék mindegyikének


megfelelı tartózkodási ideje lesz.

100 ÷ 150 µm szemcse átmérı alatt a tartózkodási idı kevés τ reakcióidı csak sávval adható meg, mert függ az értéke: -

tüzelıanyag fajtájától

-

a szemcse pórustulajdonságától és más felületi és szerkezeti sajátosságától

ha t < τ akkor a kiégés rossz Ágyhımérséklet

Ha a hımérséklet nı → égési idı csökken → de 950 ÷ 970 °C felett hamulágyulási tartományba jutunk!

800 °C alatt a heterogén égés egyre nehezebb

BM

Így a beállítandó hımérséklet – esetleg ágyhőtéssel – 850 ÷ 950 °C

211

SO2 megkötése Mészkı ( CaCO3 )


Dolomit ( CaO ) Mészhidrát ( Ca(OH)2 )

850 °C-on az adalék elég és CaO keletkezik CaCO3 → CaO + CO2 + 178

kJ mol

1 kJ CaO + SO2 + O2 → CaSO4 − 500 2 mol -

a kálciumszulfát a szén felületén képzıdik, ezért az SO2 nem tud a szemcsébe hatolni

-

minél kisebb a szemcseátmérı, annál nagyobb felületen tud SO2-t megkötni

-

célszerő a beadagolt adalékanyag mennyiségét az égéstermék kéntartalmára vonatkoztatni és a moláris Ca S viszonyt megadni

Ca S = 1 azt jelenti, hogy 3,5 CaCO3 szükséges 1 kg S megkötéséhez

η=

SO2

fg

− SO2 ad

SO2

fg

SO2 fg – füstgáz SO2 tartalma

BM

SO2 ad – adalékolás utáni SO2 tartalom

212

NOx jelenléte Termikus NOx elhanyagolható 800 ÷ 900°C-on


Jelentıs azonban az N2O képzıdés mg

-

szénportüzelésnél 10 ÷ 15

-

fluidágyas tüzelésnél 50 ÷ 200

m3

mg m3

N2O keletkezés maximális értéke 550 ÷ 600 °C-on, 900 °C felett elhanyagolható A nyomás növelése az NOx-re és N2O-ra is csökkentıen hat.

CO emisszió

Képzıdés maximuma 600 ÷ 700 °C-on van, kevesebb mint 100

mg m3

Egyenletes szénbeadagolás és szekunder levegı befúvás csökkenti a CO képzıdést.

Fluor és klór emisszió

Szénben lévı kísérı ásványi anyagokból szabadulnak fel HF és HCl keletkezik az égés során

BM

HCl megkötés sajnos 50% alatti

213


BM

Atmoszférikus fluidágyas tüzelıberendezés

214

-

látható, hogy a visszahőtött, recirkuláltatott hamu tömegárama jóval nagyobb, mint maga a szén tömegárama ( 10 ÷ 30 szorosa) minden egyes „tőztéri tartózkodáskor” a szénszemcse csak meghatározott mértékig ég el, a hamu pedig vissza lesz hőtve

BM

-


Cirkulációs fluid ágyas tüzelés

215


BM

Cirkulációs fluidágy

216



- összehasonlító adatok -

fluid ágyak stacioner cirkulációs 1÷2 4÷6 < 10 ~5 1,5 ÷ 2,5 4 ÷7 800 ÷ 900 850 ÷ 950 1,0 ÷1,3 0,3 ÷ 1,0 < 100 < 800

BM

Qv [MW/m2] szemcse ∅ [mm] gázsebesség [m/s] tőztérhımérséklet [°C] rétegvastagság [m] tüzelési telj. [MW]

fix ágy rostélytüzelés 0,8 ÷ 1,4 < 40 <2 1200 ÷ 1400 0,2 ÷ 0,4 < 100

217

szénportüzelés 3÷6 < 0,1 5 1200 ÷1400 ≤ 2000


Nyomás alatti fluidágyas tüzelés

cirkulációs nyomás alatti fluid tüzelés

0,9 ÷ 1

3,5 ÷ 5

10 ÷ 17

20 ÷ 50

BM

áramlási sebesség [m/s] keresztmetszeti hıterhelés 2 qA [MW/m ]

stacioner nyomás alatti fluid tüzelés

218

Fluidtüzelés mőszaki jellemzıi

cirkulációs atmoszférikus 5 ÷ 8 m/s 0,1 ÷ 0,3 mm 2 4 ÷ 12 MW/m 100 ÷ 30 % 95 ÷ 99 % 3 50 ÷ 300 mg/m ipari, főtıerımő 30 ÷ 500 MW

stacioner nyomás alatti 1 ÷2,5 m/s 2 ÷ 3 mm 2 1 ÷ 20 MW/m 100 ÷ 30 % 90 ÷ 99 % 3 200 ÷ 400 mg/m erımővek < 1000 MW


stacioner atmoszférikus gázsebesség 1 ÷ 3 m/s közepes szemcseméret 2 ÷ 3 mm 2 keresztmetszeti terhelés 1 ÷ 2 MW/m részterhelési tulajdonság 100 ÷ 50 % tüzelési hatásfok 90 ÷ 95 % 3 NOx emisszió 300 ÷ 600 mg/m alkalmazási terület ipari, főtıerımő teljesítmény / blokk 0,5 ÷ 200 MW

Jelenleg megépített legnagyobb blokk 240 MW. -

por emisszió csökkentése → filter-rendszer beépítése ( pl.: elektrofilter )

-

N2O keletkezése jelentıs az alacsony égési hımérséklet miatt

-

lépcsıs égési levegı-bevezetéssel NOx 50 mg/m3 alá csökkenthetı

-

mészadagolás miatt a hamu szerkezete más, mint a szénportüzelésnél

BM

( hasznosítása még nem kiforrott – a keletkezett relatíve kevés mennyiség miatt )

219

Fluid tüzelés Elınyei: alacsony égési hımérséklet 800 ÷ 900°C → NOx kicsi

-

nagy hıátadási tényezı → kisebb hıátadó felület

-

igénytelen a szénminıségre ( nedves, nagy ballaszttartalmú )

-

egyszerő szénelıkészítés → szemcseméret 2 ÷ 15 mm

-

SO2 megkötés mészkıvel az ágyban

-

nyomás alatti fluid tüzelés →

Hátrányai:


-

kompakt építés

-

nagy levegınyomás (100 ÷ 130 bar ) a fluid állapot fenntartására

-

növekvı teljesítménynél romlik a szemcse és levegı eloszlás egyenletessége →

levegıbuborékok áttörnek az ágyon

nagyobb gázsebességeknél erózió növekedés a főtıfelületeken

-

kedvezıtlen indulási viselkedés hidegstartnál

BM

-

220

221


BM

Égési zaj


Jellegzetes zajforrások tüzelıberendezésekben Kisfrekvenciás zajforrás / égési / -

égési zúgás ( roar ) és instabilitás

-

ventilátor zaj

Nagyfrekvenciás zajforrás / áramlási / gázsugár-zaj

-

csıvezeték és szelep zaj

BM

-

222

Égési zúgás ( roar ) és instabilitás Kialakulásában a tüzelıanyag és levegı mikro-keveredésének módja játszik szerepet.


Tüzelıanyag keveredése a környezı közeggel függ: -

a turbulenciától

-

impulzustól

Égés sebessége függ: -

a koncentrációtól

-

gyújtóforrás intenzitásától

Égési zaj a hıfelszabadulás egyenlıtlenségébıl ered. Lamináris láng zajmentes.

Égési zaj a turbulens égés jellemzıje.

η = termoakusztikai hatásfok =

emittált akusztikai energia W  égéskor felszabadult hı W 

BM

η = 10 −8 ÷ 10 −7 nagyságrendő

223

224


BM

225


BM

226


BM


mɺ ki − mɺ be =

dρ ⋅ Vt dt

izentrópikus állapotváltozást feltételezve dp = a2 dρ ebbıl

vagyis

dp dρ = a2 ⋅ dt dt

dp a 2 = ⋅ (mɺ ki − mɺ be ) dt Vt

Következtetés:

Minél kisebb Vt, annál nagyobb

dp egységnyi ∆mɺ változás hatására. dt

BM

Tőztérben a nyomás növekedés ill. ingadozás az égıre, ill. a hıfelszabadulásra hat.

227

Égés során fellépı gerjesztı források Turbulens örvényekben térben és idıben változó koncentrációjú keverékek jönnek létre,


amelyekben emiatt változó a lángterjedési sebesség, ill. a hıfelszabadulás sebessége. Turbulens örvény → modellje a „lélegzı gömb”, vagy monopólus Thomas és Williams alapján

∆p =

d  dV  ρ ⋅   4 ⋅ π ⋅ x dt  dt 

dV a forrás térfogat-változási sebessége dt

Hogyan változik a gyulladást követıen

dV ? dt

A kiindulási ( gyulladás elıtti ) térfogat

= Véghetı

Az égés végén ( az égéstermék ) térfogat

= Végést

Térfogat-növekedés az égés alatt

BM

∆V = Végést − Véghetı

228

Legyen a két térfogat aránya Végést Véghetı


E=

Szénhidrogén / levegı sztöchiometrikus keverék esetén a gömbben p = áll. feltételezésével E = 8 ÷ 10 döntıen a hımérsékletnövekedés miatt Határozzuk meg tehát a térfogat-változási sebességet!

Középponti gyújtás esetén

r sugáron belüli gömbben égéstermék van, a gömbfelület a lángfront, ami a nyilak irányába tágul Ekkor Végést

4 ⋅ r3 ⋅π = 3

Az eredeti ( égıképes keverék ) térfogat ennek Véghetı =

1 -szerese E

1 4 ⋅ r3 ⋅π ⋅ E 3

BM

∆V = Végést − Véghetı

4 ⋅ r3 ⋅π 1 4 ⋅ r3 ⋅π E −1 4 ⋅ r3 ⋅π = − ⋅ = ⋅ 3 E 3 E 3

229

A térfogat-változási sebesség   = 4 ⋅ r 2 ⋅ π ⋅ dr ⋅ E − 1  dt E 


dV d d  E − 1 4 ⋅ r 3 ⋅ π = (∆V ) = ⋅ dt dt dt  E 3 Ezzel a nyomásnövekedés ∆p =

∆p =

ρ d  dr E − 1  ρ E − 1 d  2 dr  ⋅ 4 ⋅ r 2 ⋅π ⋅ ⋅ ⋅ r = ⋅  4 ⋅ π ⋅ x dt  dt E  x E dt  dt  2 ρ E − 1   dr 

x

⋅

d 2 r  ⋅ 2 r   + r 2 2  E   dt  dt 

Határozzuk meg a kapcsos zárójelben lévı tagokat! Változzék r → r + dr sugárra r sugáron Végést =

4 ⋅ r3 ⋅π → dVégést = 4 ⋅ r 2 ⋅ π ⋅ dr 3

Éghetıre átszámítva

dVéghetı =

1 ⋅ 4 ⋅ r 2 ⋅ π ⋅ dr E

m A lángfront Λ   sebességgel terjed, dt idı alatt dr távolságot tesz meg: s 1 ⋅ 4 ⋅ r 2 ⋅ π ⋅ dr = 4⋅ r 2⋅ π ⋅ Λ ⋅ dt E dVégést dVéghetı

d 2r dr = Λ ⋅ E és 2 = 0 dt dt

BM

ebbıl

230

A nyomásnövekedésre kapott összefüggés

x

⋅

d 2 r  ⋅ 2 r   + r 2 2  E   dt  dt   2 ⋅r ⋅Λ2 ⋅E 2 + 0


∆p =

2 ρ E − 1   dr 

∆p =

2⋅ρ ⋅ E ⋅ (E − 1) ⋅ r ⋅ Λ2 x

Tehát minél nagyobb turbulens örvények vannak a lángban annál nagyobb a nyomásnövekedés. Továbbá minél inkább sztöchiometrikus az örvényben a keverék, annál nagyobb a lángterjedési sebesség, s így a nyomásnövekedés.

Ha nem középponti a gyújtás, hanem felületi, tehát a gömb felületén gyullad meg a keverék, akkor ∆p =

2⋅ρ ⋅ (E − 1) ⋅ r ⋅ Λ2 x

BM

vagyis szénhidrogén-levegı keverék esetén 1/10-ed akkora nyomásnövekedést okoz.

231

Égési zaj és a lángstabilitás kapcsolata

(

Égési zaj annál kisebb, minél kisebb ∆p = f r , Λ2

)


Lángstabilitás feltétele a lángfront állandósult állapota, azaz a hıfelszabadulás állandó. Tüzelés szempontjából veszélyes a periodikus égési instabilitás. Ez lehet:

akusztikai ( a tüzelıberendezés geometriától függı )

un. belsı – nem akusztikai, tehát a geometriától független, a tüzelıanyagtól függı

A periodikus égési instabilitást gyakran pulzáló égésnek is nevezik. Gızkazánokban káros, mert -

nı a zajszint

-

csökken a levegıszállítás, léghiányos égés alakulhat ki, nı az elégetlen tüzelıanyag mennyisége → romlik a tüzelés hatásfoka

rezonancia léphet fel → kifáradásos törés

BM

-

232

Pulzáló égés – erre tervezett berendezésekben lehet hasznos → megnı a gáz-fal hıátadási tényezı Nem erre tervezett berendezésekben káros és veszélyes. Pl.: rakétahajtómőveknél


gázturbina tüzelıtereknél

Hıfelszabadulás periodikus változása

Qɺ (τ ) = Qɺ 0 + ∆ qɺ (τ )

Qɺ 0 ~ 0

motor-elımelegítınél

∆qɺ ~1 Qɺ 0

∆qɺ << 1 Qɺ 0

gázturbina tüzelıtér

∆qɺ ~1 Qɺ 0

gızkazánoknál

∆qɺ <1 Qɺ 0

BM

rakétahajtómőnél

233

Kazánokban elıforduló lengésformák 1. Helmholtz rezonátor


Frekvencia

f =

q A ⋅ 2 ⋅π V ⋅ L

hangsebesség

a = κ ⋅ R ⋅T

E lengésforma kialakulásának feltétele: Ltüz <

ahol

λ

2

λ

2

=

a f

[m] a lengés hullámhossza

A tőztérben a gáznyomás egyenletesen leng. 2. Orgonasíp típusú lengés

frekvencia

f =

(2 n + 1) ⋅ a [Hz ]

f =

(n + 1) ⋅ a [Hz ]

4 ⋅ Ltüz

BM

2 ⋅ Ltüz

234

[Hz ]

Periodikus égési instabilitás feltétele f gerj = f saját


fsaját – akusztikai esetben geometriafüggı fgerj – hiába sztochasztikus az ingadozás ha elég nagyok az ingadozások, akkor fsaját-ot képes gerjeszteni

A gerjesztés mindig a legkisebb saját frekvencián mőködik → itt a csillapítás a legkisebb

Csillapodó lengések

Csillapítási tényezı D=

δ ω0

ahol ω 0 = ω 2 + δ 2 1 ω = f = [Hz ] 2 ⋅π T

BM

ω = 2 ⋅π ⋅ f

235

Lengésfennmaradás feltétele


Rayleigh kritérium / 1896 /

Matematikailag megfogalmazva

κ −1 p ⋅ q ⋅ dt > disszipált energia lengésperiódusonként ρ ⋅a ∫

tehát a lengés akkor marad fenn, ha

p és q azonos fázisban van

-

a gerjesztı rendszer fedezi a gerjesztett rendszer energiaigényét.

BM

-

236


Szabályozástechnikai tárgyalásmód

( ν, p komplex mennyiségek )

Rendszerelemek

H (iω ) =

ν1

G (iω ) =

ν2 ν1

Z (iω ) =

p2

p1

ν2

égı frekvencia függvény

láng frekvencia függvény

tüzelıtér frekvencia függvény

Stabilitás Nyquist szerint

H (iω ) ⋅ G (iω ) ⋅ Z (iω ) = 1

arg H (iω ) + arg G (iω ) + arg Z (iω ) = 0 + n ⋅ 360°

BM

ill.

237

Hasonlósági törvények


Hasonlóság két úton írható le 1. fizikai egyenletekbıl – ismerni kell a folyamatot leíró egyenleteket 2. dimenzióanalízis útján - elegendı a fenomenológiai tárgyalásmód

Turbulens áramlás tüzelési folyamatoknál 3 dimenziósak és részben instacionáriusak. Kiindulási egyenlet a Navier-Stokes egyenlet

( összenyomhatatlan közeg, állandó anyagjellemzık)

→ összenyomható közegnél Ma szám és k azonossága kell ∂ cx ∂ cx ∂ cx ∂ cx ∂u 1 ∂ p + cx + cy + cz =− − +ν ∂t ∂x ∂y ∂z ∂x ρ ∂x I II III IV

 ∂ 2 cx ∂ 2 cx ∂2 cx  ⋅ c x + cy + cz  2 ∂ y2 ∂ z 2  ∂x V

w I l = t2 = = Str = Stouhal szám II w w⋅t l

w2 II w⋅l = l = = Re = Reynolds szám V ν ⋅w ν l2 w2 II w2 = l = = Fr = Froude szám l III l⋅g g p ρ ⋅l

IV p = 2 = = Eu = Euler szám II w ρ ⋅ w2 l

BM

az eredeti és a minta esetén hasonlóság áll fenn, ha ezek azonosak

238

Anyagtranszport egyenlet Itt c koncentráció!!

ahol


 ∂ 2 cx ∂ cx ∂ cx ∂ cx ∂ cx ∂2 cx ∂ 2 cx  c c + cx + cy + cz = D ⋅ c x + + + k ⋅u y z 2 2 2  t x y z ∂ ∂ ∂ ∂ x y z ∂ ∂ ∂     IV I II III m2     s 

D – diffúziós tényezı

I - lokális tömegtranszport

k – reakciósebességi állandó [−]

II - konvektív tömegtranszport

III - anyagtranszport diffúzióval

1   s 

u – reakciósebesség

IV – kémiai úton átalakult molszám

c⋅w II w⋅l w⋅l   = l = = Pe′ = Peclet ′ szám  Pe =  a  III D ⋅ c D  l2

c lokális moltranszport I l = t = = = Str = Stouhal szám II c ⋅ w w ⋅ t konvektív moltranszport l

VI k ⋅ u k ⋅ u ⋅ l kémiailag átalakult molszám = = = = Da I II c ⋅ w c⋅w konvektív moltranszport l

VI k ⋅u k ⋅ u ⋅ l 2 kémiailag átalakult molszám = = = = Da II III D ⋅ w D⋅w moltranszport diffúzióval l2 Prandtl szám Pr = Schmidt szám Sc =

Biot szám

Le =

a

ν

anyagjellemzık viszonyszámai

D

a D

Bi =

BM

Lewis szám

ν

Sherwood szám

Sh =

α ⋅l

λ szilárd

β ⋅l D

Nusselt szám

β – anyagcsere szám

239

Nu =

α ⋅l λ gáz

Az energiaegyenletbıl hasonlóan levezethetı hasonlósági számok: a


∂T ∂T ∂T ∂T λ ∂2 T ∂2 T ∂2 T  Hi ⋅ u + cx + cy + cz = ⋅ 2 + + + 2 2  ∂ t ∂ x ∂ y ∂ z ρ ⋅ c x y z ∂ ∂ ∂   p   cp I II IV III w ⋅T II w⋅l = l = = Pe = Peclet szám - konvektív energiaszáll. a III a ⋅ T l2 w⋅l ν ⋅ = Re ⋅ Pr = Pe ν a

a ⋅T

2 III a ⋅t = l = 2 = Fo = Fourier szám - energiavezetés T I l t

H ⋅u cp IV H ⋅ u ⋅ l 2 ⋅ ρ kémiailag felszabaduló energia = = = = Damköhler szám = Da IV a ⋅T III λ ⋅T hövezetés l2 w ⋅T konvektív energiaszállítás II w⋅l l = = = Th = = Thring szám III a sug ⋅ T a sug sugárzásos energiaáram

BM

l2

240

Penninger Antal: Tüzeléstechnika. BME Energetikai Gépek Rendszerek Tsz. TÜZELÉSTECHNIKA SEGÉDANYAG AZ ELİADÁSOKHOZ. DR. PENNINGER ANTAL egyetemi tanár

Recommend Documents