Capitol realizat în colaborare cu Prof. em. dr. ing. Teodor Mădărășan Generalități. Clasificarea combustibililor Arderea este procesul de oxidare… [605082]

ARDEREA COMBUSTIBILILOR

Capitol realizat în colaborare cu Prof. em. dr. ing. Teodor Mădărășan

Generalități. Clasificarea combustibililor

Arderea este procesul de oxidare rapidă a unor substanțe, în urma căruia se degajă căldură. Din
punct de vedere ter modinamic, procesul de ardere este analizat global, în sensul că nu se studiază
mecanismul de des fășurare a arderii, denumit cinetica arderii, care este un fenomen chimic extrem
de complex și nu se studiază nici produsele intermediare ale arderii.

Combust ibilii sunt substanțe care prin ardere, respectiv oxidare, produc o însemnată cantitate de
căldură și deci pot să fie utilizate ca surse economice de căldură . De exemplu o piesă de mobilier
din lemn, chiar dacă prin ardere produce căldură, nu poate fi cons iderată combus tibil, pentru că nu
este o sursă economică de căldură, dar în anumite condiții , lemnul în sine poate să fie considerat
combustibil.

Prin ardere, energia chimică a combustibililor se transformă în căldură prin reacții exoterme de
oxidare (exoterm => cu degajare de căldură ; endoterm => cu absorbție de căldură ).

Câteva condiții pe care trebuie să le îndeplinească o substanță pentru a fi considerată combustibil
sunt următoarele:
– să reacționeze exoterm cu oxigenul, cu viteză mare și la temperaturi ridicate;
– produsele rezultate în urma arderii să nu fie toxice;
– să fie suficient de răspândit în natură, deci să fie ieftin și să nu prezinte alte utilizări
posibile, mai economice;
– produsele arderii să nu fie corozive pentru suprafețele cu care intră în contact etc.

În continuare , prin termenul combustibili, sunt desemnaț i combustibilii fosili clasici : cărbuni, petrol
și pro dusele derivate din acesta , gaze naturale etc .

Clasificarea combustibililor se poate realiza pe de -o parte după starea de agregare în combustibili
solizi, lichizi și gazoși , iar pe de altă parte după proveniență în combus tibili naturali și artificiali . În
continuare sunt prezentate câteva exemple:
– combustibili solizi naturali: rumeguș, lemn , cărbune ( turbă, huilă, antracit etc.), paie,
etc.;
– combustibili solizi artificiali: manga l, cocs, brichete de cărbuni , peleți , etc.;
– combustibili lichizi naturali: țiței;
– combustibili lichizi artificiali: benzină , motorină , petrol, păcură, gaze lichefiate etc.;
– combustibili gazoși naturali: gaz metan, gaz de sondă etc.;
– combustibili gazoși artificiali: gaz de cocserie, gaz de furnal, etc.

Compoz iția combustibililor

Compoziția combustibililor poate să fie stabilită global prin desemnarea părții care participă efectiv
la procesul de ardere, denumită masa combustibilă și a părții care nu participă la ardere, denumită
balast , care se regăsește între produșii finali ai arderii, sub formă de zgură. Această modalitate de
defin ire a compoziției combustibililor evidențiază în plus și umiditatea, respectiv cantitatea de apă
conținută de combustibili și este numită analiză tehnică .

Necesități practice legate de ca lculul procesului de ardere, im pun detalierea compoziției celor două
componente ale co mbustibililor, prin analiza chi mică elementară , sau mai scurt analiza elementară ,
în elemente chimice primare, sau compuși stabil i, care alcătuiesc împreună com bustibilul .
Compoziția chi mică elementară, este exprimată pentru com bustibilii solizi și lichizi în participații
masice [kg component / kg combustibil], iar pentru combus tibilii gazoși în participații volumice
[m3N component / m3N combustibil] .

Combustibilii solizi și lichizi , au în compoziție ca și elemente chimice combustibile : carbonul (c),
hidrogenul (h) și sulful (s). În paranteze, cu litere mici, au fost notate p articipațiile masice ale
elementelor chimice . Dintre aceste elemente, sulful este o p rezență nedori tă, deoarece reac ționează
cu umiditatea din combustibil, rezultând acid sulfuric, iar acesta este extrem de coroziv pentru
elementele metalice ale instala țiilor de ardere. Alte elemente care participă la procesul de ardere
sunt: oxi genul (o) legat, deci ex istent î n combustibil și umiditatea combusti bilului (w). Masa inertă,
minerală, sau balas tul, are participația masică no tată prin (a). Suma participațiilor masice
evidențiat e prin analiza ele mentară, trebuie să satisfacă relația:

1=a+w+o+s+h+c

Combustibilii gazoși au în compoziție ca elemente cobusti bile: hidrogen (h 2), oxid de carbon (co),
diferite hidrocar buri de tipul (c mhn) de exemplu metanul (ch 4), iar ca elemente necombustibile:
oxigen (o 2), azot (n 2), bioxid de carbon (co 2) și umiditate (w ). Între paranteze au fost notate
participațiile volumice, care trebuie să satisfacă relația :

1=w+co+n+o+hc+co+h 2 2 2 n m 2

Procesul de ardere. Căldura de ardere (p uterea calorică )

Pentru a analiza procesul de ardere, sistemul termodinamic în care se produce aceasta, este definit
ca în schema din figura alăturată și permite introducerea unor noțiuni foarte importante pentru
înțelegerea ulterioară a fenomenelor legate de ardere.

Schema sistemului termodinamic în care se produce arderea

Spațiul în care se d esfășoară arderea este denumit focar. În acest spațiu sunt introduse cele două
elemente care se întâlnesc obligatoriu în orice proces de ardere și anume combustibilul, adică acea
componentă care urmează să ardă, având debitul masic
cbm și comburantul, adică acea componentă
care conține oxigenul necesar arderii. De regulă, în procesele de ardere uzuale din tehnică, aerul este
cel mai întâlnit comburant. Mai rar, de exemplu uneori în metalurgie, se utilizează ca și comburant,
oxigen tehnic, avân d o puritate foarte ridicată. Debitul volumic de oxigen conținut de aer, este notat cu
2OV
.

În urma arderii, rezultă :
– gaze de ardere, având o compoziție care diferă în funcție de tipul combustibilului și al comburantului ,
– cenușă sau zgură, datorită balastului conținut de com bustibil ;
– putere termică ( căldură ), care reprezintă efectul util și care depinde de con dițiile în care se desfășoară
arderea și de cantitatea de aer (comburant) introdusă în sistem .

Puterea termică rezultată în urma arderii este notat ă cu
Q .

Pentru oxidarea completă a elementelor combustibile, deci pentru ca arderea să fie completă, este
necesară o cantitate minimă de oxigen (O2min), conținută într -o cantitată minimă de aer (L min).

Arderea desfășurată în prezența aerului minim necesar, poartă denumirea de ardere
stoichiometrică, sau ardere teoretică . Stoichiometr ia este ramura chimiei care studiază raporturile cantitative
dintre elemente, în combinații sau în reacții (conform DEX online) .

Gazele de arder e, obținute în urma arderii, conțin în principal bioxid de carbon (CO 2), azot (N 2),
apă (H 2O), oxid de carbon (CO), bioxid de sulf (SO 2), oxizi de azot ( NO x) etc.

În cazul utilizării combustibil ilor solizi, în ga zele de ardere se întâlnește și funingine , care de fapt
reprez intă particule nearse de carbon .

Arderea perfectă , denumită și arderea teoretică este caracterizată prin faptul că gazele de ardere nu
conțin elemente chimice combustibile (de exemplu funingine sau CO ).

FOCAR Combustibil
cbm

Aer (Oxigen) ( O2)
) V(V2O aer
Gaze de
ardere
Cenușă
zgură
Putere termică
Q

Arderea incompletă mecanic , este caracterizată prin faptul că gazele de ardere conțin particule
mecanice combustibile ( de exemplu C).

Arderea incompletă chimic , este caracterizată prin faptul că gazele de ardere conțin gaze
combustibile (de exemplu CO).

Prin ardere, energia chimică a combustibililor este eliberată sub formă de căldură , denumită și
căldură de reacție sau căldură de ardere . Pentru căldura de reacție sau căldura de ardere , se
utilizează și denumirea de putere calorică (H) a combustibililor. A nu se confunda cu noțiunea de putere
termică .

În funcț ie de valoarea căldurii de reacție (căldură de ardere , sau putere calorică ) degajate în procesul
de ardere, poate să fie evalua tă calitatea unui combustibil , iar aceasta reprezintă un criteriu de compa –
rație a comb ustibili lor.

Căldura de ardere (puterea calorică ) este căld ura de reacție produsă în condițiile stării normale
fizice (p0=1.013 bar; t=0 °C).

Căldura de ardere (puterea calorică ) poate să fie definită mai simplu, ca fiind căldura dezvoltată
prin arde rea completă a unității de cantitate de combustibil.

Unitatea de măsură a căldurii de ardere (puterii calorice ), pentru combustibilii so lizi și lichizi, este
[kJ/kg], iar pentru combustibilii gazoși este [kJ/m3N].

Ținând seamă că în gazele de ardere există apă (H 2O), provenită din oxidarea hidrogenu lui sau a
hidro carburilor (CmHn), pot să fie definite două tipuri de călduri de ardere (puteri calorice ), în
funcție de starea de agregare în care se regăsește apa, ca produs final al arderii.

Dacă apa rezultată în urma arderii, se regăsește în gazele de ardere sub for mă de vapori, căldura
latentă de vaporizare a apei (Qvap) este conținută în gazele de ardere .

Dacă apa rezultată în urma arderii, se regăsește ca produs de ardere sub formă lichidă, căldura
căldura de va porizare a apei (Qvap) este conținută în căldura de reacție .

Căldura de ardere (putere a calorică ) superioară (H s), este căldura de reacție pentru cazul în care
aceasta conține căldura de va porizare a apei (apa reprezintă un produs al arderii , în stare lichidă, iar toate
produsele arderii sunt obtinut e în condițiile de temperatură și presiune corespunzătoare stării normale fizice – starea
inițială a combustibilului și comburantului, înainte de arderea propriu -zisă).

Căldura de ardere (p utere a calorică ) inferioară (H i), este căldura de reacție pentru c azul în care
aceasta nu conține căldura de vapori zare a apei, deoarece aceasta se regăsește în gazele de ardere
(apa reprezintă un produs al arderii , în stare de vapori , iar toate produsele arderii sunt obtinute în condițiile de
temperatură și presiune core spunzătoare desfășurării arderii ).

Între cele două tipuri de puteri calorice există relația evidentă :

vap s i Q H H

Pentru combustibili solizi și lichizi se poate scrie :

cb vapkJ/kg w)+(h 2510= Q

unde h și w sunt participațiile masice ale apei rez ultate din arderea hidro genului, respectiv apei conținute
inițial de combustibilul solid, sau lichid.

Pentru combustibilii gazoși se poate scrie :

cb3
N 2 nm vap mkJ/ w+h+hc2n 2510= Q


unde (c mhn), (h 2) și (w) sunt participațiile volumice ale hidrocarburilor, hidrogen ului și umidității
combustibilului gazos.

Căldura de ardere (p utere a calorică ) se poate determina experimental într-o instalație denumită
bombă calorimetrică . Determinarea expe rimentală stabilește căldura de ardere (p utere a calorică )
reală a combust ibilului și constă în încălzirea unei cantități cunoscute de apă, între valori
determinate experimental a le temperaturii inițiale și finale , cu ajutorul căldurii rezultate în urma
arderii unei cantități cunoscute de combustibil .

Căldura de ardere (p utere a calorică ) se poate determina prin calcul , cunoscând elementele
combustibile componente , căldurile de ardere (puterile calorice ) ale acestora și par ticipațiile masice,
respectiv volumice ale acestora .

Căldura de ardere (puterea calorică) inferioară a combustibili lor solizi și lichizi se calculează cu
relația :

 kJ/kg gH =Hn
1kki ik


unde H ik este puterea calorică (căldura de ardere) inferioară a elementului k, g k este participația
masică a elementului k, iar n este numărul de elemente combu stibile;

Căldura de ardere (puterea calorică) inferioară a combustibili lor gazoși se calculează cu relația :

3
N kn
1ki i kJ/m rH =Hk


unde r k este participația volumică a elementului k.

Relațiile de calcul ale căldurii de ardere (puterii calorice ) sunt aproximative , deoarece că nu țin
seama de faptul că o parte din aceasta este utilizată la ruperea legăturilor chimice.

Ca exemplu de calcul a căldurii de ardere (puterii calorice) inferioare pentru un com bustibil solid
sau lichid, poate fi prezentată relația:





kgkJ 2510w- 9250s+8o-h 120120+ 33900c=Hi

Ca exemplu de calcul a căldurii de ardere (puterii calorice) inferioare pentru un com bustibil gazos ,
poate fi prezentată relația:



mkJ …ch 35910+h 10800+(co) 12720=H3
N4 2 i

O noțiune foarte des utilizată în analize tehnico -economice , este cea de combustibil conven țional,
desemnând combustibilul fictiv având căldura de ardere (puterea calorică ) inferioară :
Hicc = 29300 kJ/(kg cb) ≈ 7000 kcal/(kg cb)

Cantitatea de combustibil convențional (mcc), echivalentă cu o cantitate dată de combustibil solid
sau lichi d (mcb) având puterea calorică (căldura de ardere) inferioară H i, se poate determina din
condiția
i cb i cc H m Hm
cc :

ccicb cc kg 29300Hm=m

Cantitatea de combustibil convențional (mcc), echivalentă cu un volum oarecare de combustibil
gazo s se poate calcul a asemănător
i cbN, i cc H V Hm
cc :
ccicbN, cc kg 29300HV=m

Astfel, de exemplu pentru 100 m3N de metan (CH 4) cu căldura de ardere (puterea calorică )
inferioară Hi = 35583 kJ/m3N, cantitatea echivalentă de combustibil convențional este:

cc cc kg 121,44=2930035583 100=m

Noțiunea de combustibil convențional este utilizată mai ales în calcule economice, referitoare la
combustibili sau la consumuri energetice echivalente .

Calculul procesului de ardere

Calculul procesului de ardere se efectează pe baza reacțiilo r chi mice de ardere a elementelor
combustibile și are următoarele scopuri:
– Determinarea căldurii rezultate
– Determinarea cantității de aer ne cesar desfășurării acestor reacții ;
– Determinarea volu mului de gaze rezultate în urma arderii .

Cantitatea de aer necesară arderii este foarte im portant ă pentru că dacă nu se asigură o cantitate
suficientă de oxigen, respectiv de aer , arderea va fi incompletă, iar dacă se introduce prea mult
oxigen, deci aer, se dimi nuează temperatura de ardere, pentr u că aerul în exces preia o parte din
căldură și în plus crește cantitatea de gaze de ardere rezultate.

Cantitatea de gaze rezultată în urma arder ii este esențială pentru dimen siona rea tubulatur ii pentru
evacuarea acestora, pentru dimensionarea coșului de fum și pentru dimensionarea sisteme lor de
recuperare a căldurii din gazele de ardere .

Ecuațiile arderii

Pentru fiecare element combustibil, trebuie scrisă ecuația proce sului de oxidare (ardere):

Arderea carbonului:

C 2 2 Q CO O+C 

1 kmol C + 1 kmol O 2 = 1 kmol CO 2 + 405800 kJ
c kg C + c/12 kmol O 2 = c/12 kmol CO 2 + 405800 kJ

Dacă arderea carbonului este incompletă se obține ca produs de ardere oxidul de carbon (CO) :
C + 1/2 O 2 = CO + Q

Arderea hidrogenului în combustibilii solizi sau lichizi:
Q+OH=O21+H H 2 2 2

1 kmol H 2 + 0,5 kmol O 2 = 1 kmol H 2O + 240000 kJ
h kg H 2 + h/4 kmol O 2 = h/2 kmol H 2O + 240000 kJ

Arderea sulfului:
Q+SO=O+SS 2 2

1 kmol S + 1 kmol O 2 = 1 kmol SO 2 + 290200 kJ
s kg S 2 + s/32 kmol O 2 = s/32 kmol SO 2 + 290200 kJ

Arderea oxidului de carbon:
Q+ CO=O21+COCO 2 2

1 kmol CO + 0,5 kmol O 2 = 1 kmol CO 2 + 283700 kJ
(co)
3
Nm CO + 0,5 (co)
3
Nm O2 = (co)
3
Nm CO 2 + 283700 kJ

Arderea hidrogenului în comb ustibilii gazoși :
Q+OH=O21+H H 2 2 2

1 kmol H 2 + 0,5 kmol O 2 = 1 kmol H 2O + 240000 kJ
(h2)
3
Nm H2 + 0,5 (h 2)
3
Nm O2 = (h2)
3
Nm H2O + 240000 kJ

Arderea unei hidrocarburi:
Q+OH2n+ COm=O4n+m+HCHn Cm2 2 2 nm 



1 kmol C mHn + (m+n/4) kmol O 2 = m kmol CO 2 + n/2 kmol H 2O + QCmHn
(cmhn)
3
Nm CmHn + (m+n/4)(c mhn)
3
Nm O2 = m(c mhn)
3
Nm CO 2 + n/2(c mhn)
3
Nm H2O + QCmHn

Aceste relații vor fi utilizate în continuare în calculul procesului de ardere.

Calculul procesului de ardere pentru combustibili solizi și lichizi

Volumul de oxigen necesar arderii complete a unității de can titate de combustibil, este denumit
oxigenul minim necesar arderii (O min). Această mărime se poate calcula prin însumarea volumelor
de oxigen ce intră în ecuațiile arderii fiecărui component combustibil și ținând seama de volum ul de
oxigen conținut de combustibil :


cb2minkgO kmol 32o-32s+4h+12c= O

Se observă că dacă în compoziția combustib ilului există deja oxigen, având participația masică (o),
acesta nu mai trebui e să fie intro dus din exterior, în focar. Relația anterioară poate să fie scrisă și
sub forma :





cb23
NminkgOm 32o-32s+4h+12c 22,414= O

Considerând că oxigenul minim necesar arderii este asigurat din aer și că aerul este uscat, deci nu
conține umiditate, cum parti cipația volumică a oxigenului în aer este de 21%, se poate calcula
volumul minim de aer necesar arderii, denumit și aerul mini m necesar arderii (Lmin), cu relația :




cb3
N minminkguscataer m 0,21O= L

Dacă aerul este umed și are umiditatea x [kg um . / kg aer uscat] , atunci, notând densitatea aerului
uscat în starea normală cu Naer și densitatea umidității în starea normală cu Num, aerul mini m
necesar arderii se calculează cu relația :









cb3
N min
NumNaer minminkgumaer m 1,61x+10,21O=ρρx+10,21O= L

Pentru ca a rderea să fie completă , chiar în condițiile asigurării oxi genului, respectiv aerului minim
necesar, este obligatoriu ca amestecul dintre combustibil și aer, respectiv oxigen, să fie perfect,
astfel încât fiecare mo leculă de element combustibil să ajungă în contact cu număru l necesar de
molecule de oxigen. În aceste condiții ar putea să fie realizată oxida rea fiecărei molecule de element
combustibil . În realitate acest amestec p erfect este imposibil de realizat . În consecință, pentru a nu
rămâne particule combustibile nearse, respectiv pentru ca numărul aces tora să fie cât mai mic, se va
asigura o cantitate de aer, deci și de oxigen, mai mare decât cea minimă necesară arderii.

Volumul de aer introdus în mod real în procesul de ardere, denumit și aerul real de ardere (L),
poate fi determinat utilizând un parametru denu mit coeficientul excesului de aer, sau mai sim plu
excesul de aer ( ), definit prin relația :
LL=λ
min

Valoarea excesului de aer este recomandată în literatura de spe cialitate, pentru fiecare tip de
combustibil în funcție și de particu laritățile procesului de ardere, astfel :

– Pentru combustibili solizi sub formă de praf :  = 1,1…1,4
– Pentru combus tibili solizi în strat fluidizat :  = 1,3…2
– Pentru combustibili lichizi :  = 1,15…1,4

Pentru arderea în MAS , dacă se do rește randament termic maxim, se recomandă un amestec sărac
(cu mai mult aer și mai puțin combustibil):
 = 1,05 … 1,01
Pentru arderea în MAS , dacă se do rește putere maxim ă, se recomandă un amestec bogat (cu mai
puțin aer și mai mult combustibil):
 = 0,85 … 0,9
Pentru arderea în MAC se recomandă :
 = 1,3 … 1,7
Dacă este cunoscută cantitatea de combustibil care trebuie arsă, mcb [kg], atunci aerul necesar se
calculează cu relația :
 aerm Lλm= V3
N min cb aer

Dacă se cunoaște debitul de combustibil
cbm [kgs-1], se de termină și debitul necesar de aer,
împărțind relația anterioară cu timpul :
1 3
N min cb aer saerm λLm V 

Dacă arderea se desfășoară în condiții sto ichiometrice, adică uti lizând aerul minim necesar arderii
( = 1), atunci se va obține și volumul minim de gaze de ardere , cu relația :
kgm V+ V+ V+ V= V
cb3
N
N2 SO2 OH2 CO2ming




Volumele parțiale ale fiecărui element în parte, din c ompoziția ga zelor de ardere, se calculează din
ecuațiile arderii elementelor combustibile:
pentru CO 2:




cb3
N2 CO2 kgm 1,867c=c1222,414= CO kmol12c= V

pentru H 2O:





cb3
NOH2 kgm1,61x + 1,245w+ 1,274h = 1,61x+18w+2h22,414= V

pentru SO 2:




cb3
N
SO2 kgm 0,7s=s3222,414= V

Volumul de azot, V N2 conținut de aerul minim necesar arderi i se calculează ținând seama de
participația volumică a azotului în aerul uscat :




cb3
Nmin N2 kgm 0,79L= V

Dacă arderea se desfășoară cu exces de aer, volumul total al ga zelor de ardere este:





cb3
Nminmingexcesaermingtgkgm L1-λ+ V= V+ V=V

Volumul de gaze uscate se obține scăzând d in volumul total, vo lumul vaporilor de apă :




cb3
NOH2tgusgkgm V-V=V

Volumul gazelor uscate este foarte important în controlul arderii, pentru că experimental se
determină co mpoziția gazelor uscate. Echipamentele utilizate pentru controlul arderii, denumit e
analizoare de gaze, sunt prevăzute cu sisteme de condensare a apei conținute de probele de gaze
supuse analizei. Astfel, în procesul de analiză chimică a compoziției gazelor de ardere intră doar
gazele uscate.

Calculul procesului de ardere pentru combu stibili gazoși

Oxigenul minim necesar arderii , se poate calcula din reacțiile de ardere ale elementelor
combustibile gazoase :
 







cb3
N23
N2 nm 2 minmOm o-hc4n+m +co+h0,5= O

Pentru a calculul a aerul minim necesar arderii, aerul real și excesul de aer , pentru combus tibilii
gazoș i, sunt valabile relațiile prezentate anterior în cazul combustibililor solizi și lichizi ,.

Pentru combustibili gazoși se recomandă :  = 1,05 … 1,3.

În cazul arderii sto ichiometrice, cu aerul minim necesar (  = 1), volumul de gaze de ardere, care în
această situație este minim, se cal culează cu relația :




cb3
N3
N
N2 OH2 CO2mingmm V+ V+ V= V

Fiecare volum parțial în parte se poate calcula după cum urmează:

pentru CO 2:

)(co+)h m(c+(co)= V 2 n m CO 2

(co 2) reprezintă participația volumică a bioxidului de carbon din com poziția inițială a
combu stibilului gazos ;

pentru H 2O:
(w)+hc2m+h= V n m 2 OH2

(w) reprezintă umiditatea inițială a combustibilului ;

pentru V N2:




cb3
Nmin N2 kgm 0,79L= V

Dacă arderea se realizează cu exces de aer (  > 1), atunci vo lumul de gaze de arder e se poate
calcula cu relațiile:





cb3
Nminmingexcesaermingtgkgm L1-λ+ V= V+ V=V





cb3
NOH2tgusgkgm V-V=V

Controlul arderii

Arderea este un proces fizico -chimic extrem de complex, care depinde de condițiile în care se
desfășoară, de natura combustibilului, de c aracteristicile consumatorului de căldură și de alți factori,
fiind practic imposibilă o ardere perfectă. Măsura în care arderea se apropie de perfec țiune, este
determinat ă prin controlul arderii. Această operație se reali zează prin determinarea experime ntală a
compoziției gazelor de ardere și prin determinarea analitică sau grafică a coeficientului excesului de
aer. Unul din rezultatulele finale al controlului arderii este determinarea randamentul ui arderii.

Pe baza constatărilor effectuate , se pot stabili măsuri în ve derea îm bunătățirii sau optimizării
procesului de ardere. De exemplu absența carbonului și a oxidului de carbon din gazele de ardere
denotă o ardere perfectă, dar prezența acestor elemente indică imperfecțiuni. Prezența unor
elemente combusti bile în gazele de ardere, chiar în prop orții reduse, indică o ardere imperfectă din
punct de vedere chimic. Experimental s -a constatat că îmbunătățirea calității procesul ui de ardere
poate să fie realizată, de exemplu prin modificarea excesului de aer .

Compoziția gazelor de ardere se verifică experimental, prin pre levarea unor probe de gaze arse.
Aparatul ca re efectuează analiza chimică a compoziției gazelor de ardere este denumit analizor de
gaze. Pe conducta de legătură dintre priza de prelevare a probei de gaze și modulul de a naliză
chimică a analizoarelor de gaze, se produce condensarea vaporilor de apă conținuți de aceste gaze .
Din acest motiv se efectuează de fapt analiza compoziției gazelor de ardere uscate, de aceea în
relațiile de calcul, se va asocia fiecărui element chi mic, indicele u (de la uscat) .

În figurile alăturate este prezentată o imagine a unui analizor de gaze și un buletin de analiză a
gazelor de ardere.

Analizor de gaze de tip MAXILYZER NG

Material suplimentar

Diagrama entalpie -temperatură (h -t)

Diagrama entalpie -temperatură reprezintă graficul de variație a en talpiei gazelor rezultate din
arderea unității de cantitate de com bustibil, în funcție de temperatura acestora și de coeficientul
excesului de aer.

Dacă se cunoaște entalpia fiecărui component din gazele de ar dere, entalpia gazelor de ardere se
poate calcula cu relația :


cbex
aer 2N 2SO O2H 2COkgkJ h h h h h=h

în care înlocuind entalpiile com ponenților se obține pentru combustibili solizi și lichizi :
 
    
cbaerp min2Np2N2SOp2SO O2Hp vO2H2COp2COkgkJt c 1)L(λt c Vt c Vt cr Vt c V=h

unde c pi reprezintă căldura specifică volumică medie, la presiune con stantă a componentului i,
[kJ/(
3
Nm K)] în intervalul de temperaturi (0…t)°C și V i reprezintă volumul componentului i în gazele de
ardere [
3
Nm /kgcb].

Trasarea diagramei entalpie -temperatură (h -t) se realizează prin puncte, pentru mai multe valori ale
temperaturilor gazelor de ardere (t) și pentru diferite valori ale e xcesului de aer ( ). Pentru un șir de
valori ale tem peraturii (t), se citesc din tabele valorile căldurilor specifice medii (cpi) care apar în
relația pentru calculul entalpiei, prezentată anterior . Cunoscând compoziția gazelor de ardere, se pot
calcula v alorile entalpiilor (h) co respunzătoare, iar apoi prin puncte se trasează curbele obținute.

Experimental s -a con statat că determinarea compoziției gazelor de ar dere are o importanță mult mai
redusă decât de terminarea tem peraturii, astfel încât s -a putut realiza o sin gură diagramă H -t pentru
toți combustibilii, indife rent dacă sunt solizi, li chizi sau gazoși, pentru de terminarea entalpiei
gazelor de ardere (H) fiind im portantă doar cu noașterea tem peraturii (t) și a ex cesului de aer ( ).

Alura diagramei entalpie -temperatură (h -t) este prezentată în figur a alăturată .

Diagrama H [kJ/kg] – t [°C]
a gazelor de ardere.

Fig. 18.3. Diagrama H [kJ/
3
Nm ] – t [°C] a
gazelor de ardere.

Diagrama H -t a gazelor de ardere

În unele lucrări de specialitate, entalpia ga zelor de ardere este ra portată la volumul de gaze rezultat
din arderea unui kilogra m de combustibil. În acest caz alura diagramei h -t este cea prezentată
alăturat .

Diagrama H [kJ/kg] – t [°C]
a gazelor de ardere.

Fig. 18.3. Diagrama H [kJ/
3
Nm ] – t [°C] a
gazelor de ardere.

Diagrama H -t a gazelor de ardere

Temperatura de ardere

Temperatura de ardere reprezintă temperatura gazelor de ardere. Pentru calculul acesteia se scrie
ecuația de bila nț termic a procesului de ardere, conform schemei principiale din figura alăturată .

Fig. 18.4. Bilan=ul termic al arderii.

Se poate defini randamentul arderii ( ar), datorat imper fecțiunilor interne ale acestui proces foarte
complex, prin raportul dintre căldura reală obținută în urma ard erii unității de cantitate de
combustibil și căldura de ardere (puterea calorică ) inferioară a combustibilului respectiv :
HQ=
ic
a
ar

Ecuația de bilanț termic a arderii se poate scrie sub forma :
kW Q+Q=Q+Q+Qp gc
aaer
fcb
f

unde fiecare putere termic ă (flux termic ) în parte poate să fie calculat ă după cum urmează:

Puterea termică datorată căldurii fizice a combustibilului , considerat la temperatura t cb mai mare
decât a mediului ambiant t ma este:
[kW] t-tcm=Q ma cb p cbcb
f cb

Puterea termică datorată călduri i fizice a aerului , considerat la temperatura t aer este:
[kW] t-tcLλm=Q ma aer p min cbaer
f aer

Puterea termică reală obținută în urma arderii combustibilului este :
[kW] Hηm=Q i ar cbc
a

Puterea termică a gazelor de ardere , aflate la temperatura de ardere t g este:
[kW] )t (tcVm=Q am g pt
g cb g g 

Puterea termică pierdută în mediul ambiant (
pQ), reprezintă pierderile prin imper fecțiunea
izolației termice a incintei de ardere, datorită faptului că gazele de ardere au temperatura mai
ridicată decât a mediului am biant.

Dacă se înlocuiesc relațiile anterioare în ecuația de bilanț, se poate calcula temperatura de ardere t g:

 
cVmQ-t-tcLλm+
cVmHηm+t-tcm+t=t
pt
g cbp ma aer p min cb
pt
g cbi ar cb ma cb p cb
ma g
gaer
gcb
 
 

Considerând cazul particular în care nu se pierde căldură în me diul ambiant (
pQ = 0), temperaturi le
combustibilului și aerului sunt egale între ele și cu temperatura mediului ambiant (t cb = taer = tam) și
în plus ar derea este perfectă ( ar = 1) se obține temperatura teoretică de ardere :
C cVHt=t
gpt
gi
ma gt 

Temperatura teoretică de ardere este impo sibil de atins practic, deoarece în momentul în care s -a
produs arderea, instantaneu începe și procesul de transfer termic prin radiație, de la gazele de ardere
spre mediul ambiant, ceea ce face ca temperatura acestora să scadă față de temperatura teoretic ă de
ardere, care rămâne totuși o mărime teoretică de referință în studiul procesului de ardere.

Controlul grafic -experimental

Prin control grafic -experime ntal al arderii, se înțelege stabilirea experimentală a unor elemente din
compoziți a gazelor de ardere, urmată de determinarea grafică a coeficientului excesului de aer.
Metoda este mai puțin utilizată actualmente în practică și a fost definită în condiții le în care metoda
experimentală de analiză a compoziției gazelor de ardere era mult mai limitată .

Pentru fiecare tip de combustibil a fost trasată câte o diagramă care permite stabilirea pe cale grafică
a unei legături între compoziția chimică a gazelor d e ardere și excesul de aer corespunzător acelei
compoziții. Această diagramă poartă denumirea de triunghiul arderii, sau diagrama Ostwald, și are
structura prezentată în figura alăturată .

Fig. 18.5. Triunghiul arderii.

Triunghiul arderii

Orice proces de ardere este caracterizat prin tr-un punct în triun ghiul arderii. Punctele marcate pe figura
au următoarea sem nificație:

A corespunde arderii complete, sto ichiometrice (  = 1);
B corespunde arderii complete, cu exces de aer infinit (  = );
C reprezintă concentrația oxigenului în gazele de ardere pentru o ardere incompletă în care (co 2) = 0, iar (co) = maxim;
D reprezintă intersecția dintre dreapta AB și perpendiculara ridicată din C, pe AB.

Dreapta AB reprezintă locul geometric al punctelor cores punzătoare arderii complete, cu diferite valori
ale excesului de aer ( ). În urma analizei compoziției gazelor de ardere, se obține un punct care
definește procesul respectiv de ardere, iar acel punct trebuie să se găsească în interiorul triunghiului
arderii, sau la limită pe dreapta AB . Dacă punctul se găsește în afara triunghiului, atunci determinările
experi mentale sunt eronate. Dreptele paralele la AB sunt drepte având concentrația de CO constantă,
iar această concentrație crește de la D (co) = 0 spre C (co) = (co) max. Dreptele par alele la AC sunt
drepte cu exces de aer ( ) con stant, această mărime crește de la punctul A (  = 1) spre punctul B (  =
).

Coordonatele tuturor punctelor caracteristice ale triunghiului ar derii pot să fie calculate, sau
determinate grafic.

Punctul A are ordonata :
 [%] 100
VV= co=yu
gmax
CO
2max
u A2

unde
max
CO2V este volumul de CO 2 la ardere completă.

În cazul combustibililor solizi și lichizi, volumul de bioxid de carbon se poate calcula cu relația :


kgm 1,867c= V3
N max
CO2

iar volumul gazelor de ard ere uscate, cu relația :


kgm V+V+ V=V3
N
N SO COu
g2 2 2

în care :
L0,79=V ; 0,7s=V min N SO 2 2

În cazul combustibililor gazoși, volumul de bioxid de carbon se poate calcula cu relația :


mm co+hcm+(co)= V3
N3
N
2 n mmax
CO2

iar volumul gazelor de ardere uscate, cu relația :

mm V+n+ V=V3
N3
N
N 2 COu
g2 2 


Punctul B, deoarece corespunde excesului de aer  = , are abscisa :

0,21%= o=x2u B

Punctul C este determinat de  = 1, la arderea incompletă pentru care rezultă numai CO, prin
abscisa :
 [%] 100
VV= o=xCO
gCO
O
2CO
u C2

În cazul combustibililor soli zi și lichizi :




 kgm c12222,414
0,211-L 0,21=V3
N
minCO
O2

iar


kgm L0,79+0,7s+ 1,867c=V3
N
minCO
g

În cazul combustibililor gazoși :






mm hc4n+2m
0,211-L 0,21=V3
N3
N
n m minCO
O2

iar


mm L0,79+co+(co)+hcm=V3
N3
N
min 2 n mCO
g

Punctul D se obține prin construcția grafică de scrisă anterior.

De regulă analiza limitată a compoziției gazelor de ardere , pentru care a fost determinată această
metodă de control a arderii constă în determin area numai a participați ei oxigenului și a bioxidului
de carbon , de exemplu
1u2)O( și
1u2) CO( . Apoi se fi xează pe triunghiul arderii punctul M având ca
și coordonate aceste mărimi și se de termină grafic participația oxidului de carbon
1u)CO( , respectiv
excesul de aer ( 1). Cunoscând poziția punc tului caracteristic arderii, se poa te stabili direcția în care
trebuie ac ționat pentru micșorarea concentrației de (CO), prin asigurarea unei valori , care să
asigure și o temperatură dorită a gazelor de ardere.

Dacă experimental se determină în plus f ață de participați a oxigenului și a bioxidului de carbon , și
particip ația oxidului de carbon (CO), se poate verifica și cât de corecte sunt măsurătorile efectuate,
pentru că (CO) u1 deter minat grafic trebuie să fie aproximativ egal cu (CO) u1 stabilit exp erimental.