Upload
jacqueline-moine
View
222
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
1/240
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Gépészmérnöki Kar
Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
TÜZELÉSTECHNIKA SEGÉDANYAG AZ ELŐADÁSOKHOZ
DR. PENNINGER ANTAL egyetemi tanár
2009BUDAPEST
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
2/240
2
Tartalomjegyzék
Bevezetés............................................................................................................................................................................3 Tüzelőanyagok tulajdonságai ..........................................................................................................................................5 Tüzelőanyag energiatartalma..........................................................................................................................................7 Tüzeléstechnika.................................................................................................................................................................8 Égés termodinamikája......................................................................................................................................................9 Égéshő, Fűtőérték, elméleti égési hőmérséklet ................................................................... .......................................... 15 Tüzelőanyag struktúrák.................................................................................................................................................16
Gáznemű tüzelő anyagok ..............................................................................................................................................21
Folyékony tüzelő anyagok.............................................................................................................................................30
Szilárd tüzelő anyagok ................................................................. ................................................................... .............. 39 Alapfogalmak..................................................................................................................................................................46 Tüzelőanyagok és égési egyenletek................................................................................................................................50 Égési reakcióegyenletek..................................................................................................................................................53 Az égés fizikai jellemzői..................................................................................................................................................58
Minimális gyulladási energia...................... .................................................................... ............................................. 59
Gyulladási késedelem............ ................................................................... .................................................................... 65 Elméleti égési hő mérséklet...........................................................................................................................................66
Lángterjedési sebesség................................................................ .................................................................... ............. 70
Gyulladási határok.............................................................. ................................................................... ...................... 70
Kioltási távolság ................................................................. ................................................................... ...................... 71 Termikusan stacioner és instacioner égés.....................................................................................................................73 Lamináris előkevert láng szerkezete .............................................................. ............................................................... 74 Láng stabilitása lamináris láng esetén ..........................................................................................................................80 Reakciókinetika ..............................................................................................................................................................84 Gázégők 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 jellemzői........................................................................................................................................132 Égési diagram - Borghi diagram .................................................................................................................................135 Turbulens előkevert lángok ........................................................................................................................................143 Porlasztás.......................................................................................................................................................................146 Cseppek égése................................................................................................................................................................153 Heterogén reakciók................................................. .................................................................... .................................. 169 Szénportüzelés.............................................. .................................................................... ............................................. 173
Szitaanalízis ............................................................ .................................................................... ............................... 173 Szénő rlő malmok........................................................................................................................................................179
Szénportüzelő berendezések.......................................................................................................................................180 Rostélytüzelés................................................................................................................................................................183 Hulladéktüzelés ................................................................... ................................................................... ....................... 190 Fluidágyas tüzelés.........................................................................................................................................................198 Égési zaj.........................................................................................................................................................................222 Hasonlósági törvények................................................................... ................................................................... ............ 238
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
3/240
3
Bevezetés
Petőfi Sándor tüzeléstechnikai megfigyelései:
A helység kalapácsa című verses elbeszélés első énekéből 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, kovakő = elemi szilícium* * Tapló = taplógomba kikészített anyaga, ami gyúlékony
Megjegyzés: minimális gyulladási energiával - szikrával - meggyújtja a legkisebb gyújtási energiát
igénylő taplót, majd a gyertyával a nagy illó tartalmú szalmát, ami kellő mennyiségben
már alkalmas az aprófa gyulladási hőmérsékletre emeléséhez.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
4/240
4
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 f űtését gáz-, vagyolajtüzelésű berendezéssel biztosítjuk.
Hazánk villamos energia termelésének közel 60 %-a szén-, földgáz- ill, kőolajtermékek eltüzelésén
alapul. A közlekedési eszközök erőgépeinek 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 előállítására és további hőkezelési
eljárással nagy értékű végtermek állítható elő.
Más és más tüzelési technológiákkal találkozunk kazánokban, szárítókban, üvegolvasztókban,
cementművekben.
A tüzelés alkalmazása azonban megtalálható az előállított termékek élettartamának végen is, a
hulladékok megsemmisítésekor. A csökkenő lerakó helyek száma az egyre sűrűbben lakott
területeken növeli e technológia alkalmazásának szükségességét.
A tüzelés hasznos alkalmazási területei mellett azonban növekvő jelentősegű a tüzelés okozta
környezetszennyezés. A tüzelés során keletkező f őbb szennyezők az elégetlen vagy csak részbenelégett szénhidrogének, a nitrogénoxidok (NO és N02), a kénmonoxid, kénoxidok (S02, S03) és a
különböző szilárd részecskék. A környezetszennyezés egészségkárosító hatású, szmog, savas eső
globális felmelegedés és a sztratoszférabeli ózonréteg csökkenés f ő okozója.
A tüzelésnek a társadalomban betöltött fontos szerepet tekintve meglepő, hogy milyen kevés
mérnöknek van mélyebb tüzeléstechnikai ismerete.
A tisztán gyakorlati megfontolásokon túlmenően a tüzelés ill. az égésfolyamatok tanulmányozása
egy intellektuális kihívás, melyben a mérnöki hőtechnika az áramlástan és reakciókinetika képezik a
mérnöki tevékenység gyakorlati alapjait.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
5/240
5
Tüzelőanyagok tulajdonságai
Tüzelőanyagokat legelőször halmazállapotuk szerint szokás csoportosítani: vannak szilárd,
folyékony és gáznemű tüzelőanyagok.
Szilárd tüzelőanyagokhoz soroljuk a különböző korú szeneket, mint pl. kőszén, barnaszén, lignit,
valamint a megújuló energia fajták közül a fa, szalma, és egyéb mezőgazdaság szilárd
halmazállapotú növényi termékeket.
Folyékony tüzelőanyagok meghatározó csoportját alkotják a kőolaj lepárlása során nyert különböző
tüzelési tulajdonságokkal rendelkező termékeit, mint a petróleum, kerozin, benzin, gazolaj, tüzelő-
és f űtőolaj és pakura. Megújuló energiafajták közül megemlítendők az alkoholok és különböző
növényi olajok.
Gáznemű tüzelőanyagok közül a legszelesebb felhasználású a földgáz, aminek döntő alkotóeleme a
metán. Emlit6sre méltó meg a propán és bután, valamint a hidrogén. Ez utóbbi gazdaságosan ma
csak a metán krakkolásából állítható elő. Megújuló energiafajták sorában nő a jelentősége az ún.
biogáznak, ami döntően metánt tartalmaz, de jelentős széndioxid tartalommal terhelten.
A különböző technológiai folyamatok során a tuzel6anyagban kötött kémiai energiát szabadítjuk fel
hő formájában.
Kazán- és tüzelőberendezésekben a tüzelőanyag elégetése során keletkezett hő rendszerint
közvetítőközeg révén jut a felhasználás helyére. Kazánokban és tüzelőberendezésekben a
tüzelőanyagok tüzelési tulajdonságainak figyelembevételével kialakított szerkezetben gyakorlatilag
valamennyi tüzelőanyagfajta eltüzelhető.
A különböző erőgépekben a tüzelőanyag elégetése végső soron mechanikai munkavégzés céljából
történik.
Az erőgépek két nagy csoportja a belsőégésű motorok és a gázturbinák. Mindkettő erőgéptípusnagyon érzékeny a szilárd r6szecskekre, ezért ezek üzemeltetésére csak a folyékony és gáznemű
tüzelőanyagok alkalmasak. Folynak ugyan kísérletek f űrészpornak gázturbinában történő
elégetésére, de ennél is az egyik központi probléma az égéstermek szilárd tartalmának leválasztása a
turbina belepő lapátsora előtt.
Valamennyi tüzelőanyag éghető és ballaszt részből áll.
Éghetőnek nevezzük azokat a tüzelőanyag alkotókat, amelyek oxidációja hőfejlődéssel jár. Ezek a
karbon (C), a hidrogén (I) és a kén (S). Ezeken kívül a tüzelőanyag tartalmazhat oxigént (O),
tüzelőanyagban kötött nitrogént (N) is.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
6/240
6
A ballaszt összetevő je a nedvesség és a hamu.
Tüzelőanyagfajtától függően a hamu lehet veszélyes, mérgező vagy stabil, ártalmatlan.
A tüzelőanyagok megválasztásában számos tüzeléstechnikai szempont mellett meghatározó
szerepet játszik a tüzelőanyag ara, melynek fontos eleme a szállítási költség, a tüzelőanyag fajlagos
CO2 kibocsátása és egyéb környezetvédelmi szempontból karos anyagok kibocsátása és végül a
tüzelőanyag kezelhetősége. Ez utóbbi megítéléséhez ismerni kell a tüzelőanyag fajlagos
energiatartalmát, a szállítási lehetőségét és módját, további a felhasználást követően visszamaradó
hamu ill. salak mennyiségét.
Fosszilis tüzelőanyagok (szén, kőolaj, 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 tüzelőanyagok átszámítását szolgáljak a következő mennyiségek:
1 kg kőszén egyenert6k = 29308 kJ/kg (f űtőérték)
1 kg kőolaj egyenérték = 41868 kJ/kg (f űtőérték)
A kőolaj világkereskedelmi egysége a barrel
1 barrel (b) = 159 l
7,3 barrel = 1 t kőolaj
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
7/240
7
Tüzelőanyag energiatartalma
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
8/240
8
Tüzeléstechnika
Minőségbiztosítás
Tüzelőanyagok jellemzői:
É - Égéshő F - Fűtőérték
összetétele:
C, H, S, N, O, nedvesség, hamu( NO2 , CO2 , CO, CxHy, SO2 )
Alapvető reakciók:
- kémiailag kötött energia hővé alakul → exoterm reakciók
322
2222
122
21
hő SOOS
hő O H O H
hő COOC
+=+
+=+
+=+
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
9/240
9
Égés termodinamikája
I. f őtétel alkalmazása égési folyamatokra
Vizsgáljuk a belső energia változását az égés folyamán.
A belső energia /U/ csak állapotfüggő, nem függ az úttól!
- nem átáramló rendszer pl.: belső égésű motor
Belső energia megváltozása:11 RT
U U −
Lépésekre bontva:
10000211 R R RT T T RT U U U U U U U U −+−+−=−
↓ ↓ ↓
kémiai van állapotváltozásreakció reakció reakciónélkül V0=áll nélkül
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
10/240
10
00 RT U U − meghatározásához gyakorlati ismeretekre van szükség.
Az I. f őtételt a b→c folyamatra alkalmazva
0000 , RT T R U U Q −= közvetlenül meghatározható V0=áll. Térfogatú kaloriméterben
leadott hő mérésével
(égés+hűtés T0 hőmérsékletre ⇒ környezetnek leadott hő)
A hőleadással csökken a rendszer belső energiája, ezért Q negatív elő jelű.
(hőelvonás, hogy az eredeti T0-t kapjuk)
Átlagos nyomásokat figyelembe véve a belső energia változása csak T0 hőmérséklettől függ, V0-tól
nem.
( ) ( ) kmolkJ
kg
kJ
U V T f U U Q RT T R ,, 000, 0000 ∆==−=
Ez az égés belső energiája T0 hőmérsékleten, más szóval V0=áll. térfogaton az égésből felszabaduló
hő.
Ezzel az eredeti egyenletünk új formája:
100211 0 R RT T RT U U U U U U U −+∆+−=−
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
11/240
11
Égés során a reagensek "R" és égéstermékek "T" alacsony nyomású (parciális) gázokat és gőzöket
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: ( )1010 T T cmU U R
vii R R −⋅⋅=− ∑ "R" reagens
c → d: ( )0202 T T cmU U T
viiT T −⋅⋅=− ∑ "T" égéstermék
[ az i-edik alkotórész mi tömege, cvi fajfagos hőkapacitása]
Hasonló gondolatmenettel jutunk az ENTALPIAVÁLTOZÁS-t leíró összefüggésekhez[stacioner áramlásban p=áll. mellett végbemenő égési folyamatra érvényes]:
100211 0 R RT T RT H H H H H H H −+∆+−=−
a → b: ( )1010 T T cm H H R
pii R R −⋅⋅=− ∑ "R" reagens
c → d: ( )0202 T T cm H H T
piiT T −⋅⋅=− ∑ "T" égéstermék
Átáramlott rendszerre felírt I. f őtétel
( )kmol
kJ
kg
kJ H H H Q RT T R ,0, 0000 ∆=−=
itt 0 H ∆ az égés entalpiája T0 hőmérsékleten
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
12/240
12
A 0 H ∆ elvben mérhető olyan átáramlott kaloriméterben (V≠áll) ahol az égésterméket "T" és a
reagenseket "R" egyaránt T0 hőmérsékletre hűtik és munkavégzés nem történik. (a kinetikus energia
megváltozása pedig elhanyagolható)
A fázisváltozás hatását azonban figyelembe kell venni.
párolgáshő
00
↑
∆
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
13/240
13
Szilárd tüzelőanyagra a zárójelben lévő pV különbség elhanyagolható a belső energiához
viszonyítva:
00 U H ∆≈∆
egyébként a 0 H ∆ és 0U ∆ közötti kapcsolat:( ) RT nnT RU H −⋅⋅+∆=∆ 0000
⋅⋅== −
K kmol
kJ R
M
R R 30
0 108314,
Amennyiben a reagensek "R" és az égéstermék "T" kilomoljainak különbsége zérus, akkor
0=− RT nn és így 00 U H ∆≈∆
[a legtöbb tüzelőanyagra a különbség kicsi]
ÖsszefoglalvaZárt rendszerben (V=áll.): U U U W Q RT ∆=−=−
Áramló közegben (W=0), (p=áll.): H H H Q RT ∆=−=
Mivel reakció előtt és után ugyanaz az állapot, ezért a változás a kémiai energiában van. A
jellemzőt REAKCIÓENTALPIÁNAK nevezik.
Az ÉGÉS ENTALPIÁJA az a hő, ami áramlási folyamatokban égési reakció során felszabadul, amikor 1
kmol vagy 1 kg tüzelőanyagot elégetünk- tökéetesen, meghatározott nyomáson és hőmérsékleten.
Ez megegyezik a f űtőértékkel F [H2O gőz halmazállapotú]az égéshővel É [H2O folyadék halmazállapotú]
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
14/240
14
h-t diagram
A tüzelés során leadott hő (-q) megadja a kilépő tfg égéstermék hőmérsékletet
Adiabatikus feltételek mellett a tüzelés során felszabaduló hő teljes egészében a lángban marad
ezért kifelé q=0, tehát h’(t,λ) = h’’(t,λ)
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
15/240
15
Égéshő, Fűtőérték, elméleti égési hőmérséklet
Égésh ő (É)
3; m
kJ
kg
kJ
Egységnyi tömegű vagy térfogatú tüzelőanyag tökéletes elégése során felszabaduló hő, azégésterméket visszahűtve a kiindulási hőmérsékletre a H2O folyékony állapotban van.
F ű t ő érték (F)
3
;m
kJ
kg
kJ
Egységnyi tömegű vagy térfogatú tüzelőanyag tökéletes elégése során felszabaduló hő, azégésterméket visszahűtve a kiindulási hőmérsékletre a H2O gőz állapotban van.
100
%%9 2O H H r F É +
+=
r= 2500kgkJ illetve 2000
kgkJ (0°C)
r mÉ F O H ⋅−= 2
Németül: BRENNWERTHEIZWERT
Angolul: Higher Heating Value (HHV)Lower Heating Value (LHV)
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
16/240
16
Tüzelőanyag struktúrák
Tüzelőanyagokban előforduló különböző szerves vegyületek közül néhányat bemutatunk - a
teljesség igénye nélkül - amelyek tüzelési folyamatokban gyakran előfordulnak.
a) Telített szénhidrogének csoportja, vagy parafinok (alkánok)
Jellemző jük a szénatomok közötti egyszerű – egyvegyértékű – kötés.
Képletük: CnH2n+2
CH4 – metán, C2H6 – etán, C3H8 – propán, C4H10 - bután
Példa izoparafinra: dimetil hexán
Repülőgép gázturbina hajtóanyában 30-35 %-ban található
b) Telítetlen szénhidrogének, vagy olefinek (alkének)
Jellemző jük a szénatomok közötti kettős kötés.
Képletük: CnH2n
C2H4 – etilén
C3H6 – propilén
C4H8 – butilén
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
17/240
17
Hasonló összetételűek, de kettős kötést nem tartalmaznak a cikloparafinok
Jellemző jük az alacsony koromképződési hajlam.
Képletük: CnH2n
C3H6 – ciklopropán,
C5H10 – ciklopentán
c) Zártláncú vegyületek (aromás szénhidrogének)Jellemző jük: gyűrűs molekulák, melyek hidrogéntartalma az előbbieknél kisebb ezért a
f űtőértékük is kisebb.
Képletük: CnH2n-6
C6H6 – benzol
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
18/240
18
d) Alkoholok
Jellemző jük, hogy hidroxil gyököt (-OH) tartalmaznak.
- egyértékű alkoholok
CH3-OH – metanol (metil alkohol)
C2H5-OH – etanol (etil alkohol)- többértékű alkoholok (glikolok)
repceolaj észterezésekor keletkezik a glicerin
e) Aldehidek
Jellemző jük a molekulacsoport
formaldehid
acetaldehid
f) Ketonok
Jellemző jük a molekulacsoport
aceton
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
19/240
19
g) Alifás karbonsavak
Jellemző jük a molekulacsoport
hangyasav
ecetsav
h) Heterociklusos vegyületek
Jellemző jük: a gyűrű kialakulásában a C atomokon kívül O, N, S atomok is részt vehetnek.
dibenzofurán
dibenzodioxinA hidrogén helyét Cl foglalhatja el, ami által rendkívül mérgezővé válik.
Hulladékégetőműben a megengedett határérték 0,1 ng/m3
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
20/240
20
i) Policiklikus aromás szénhidrogének
Léghiányos lángban jelentős koncentrációban van jelen az acetilén (C2H3) amely CH2-vel
reakcióba lépve C3H3 képződéshez vezet.
További C2H2-ből újabb gyűrűk keletkezhetnek.
Ezek fontos szerepet játszanak a koromképződésben.Korom a policiklikus aromás szénhidrogének továbbnövekedése során jön létre. Emellett a
bemutatott mechanizmussal párhuzamosan számos különböző kémiai kötés jön létre
különböző C ill. H tartalommal.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
21/240
21
Gáznemű tüzelőanyagok
- szénelgázosításból f őleg CO és N2 - kohógáz: 1/3 CO+H2, 2/3 CO2 - földgáz: 88-92 % CH4
összetétele: - metán CH4 - etán C2H6 - propán C3H8 - bután C4H10 - egyéb alkotók N2S
CO2 N2
- száraz földgáz > 80 % CH4 - nedves földgáz (kőolaj feletti lencse)
magasabb parafinokat is tartalmaznagyobb f űtőértékű
- cseppfolyósított földgáz LNGföldgáz környezeti nyomáson -161°C-on cseppfolyós, térfogata 0,06-ra csökken.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
22/240
22
- biogáz:Szerves anyagok biokémiai lebontásakor keletkezik oxigéntől elzárt (anaerob) térben, nedveskörnyezetben, baktériumos erjesztéssel.Összetétele: CH4 50-70 %
CO2 30-50 %H2, H2S 0-0,2 %
Fűtőértéke: 226003nkJ/m
Előállítása: mezőgazdasági hulladék (növényi és állati trágya)szennyvíziszapkommunális hulladék
500 kg élősúlyú állatra 1m3 /nap biogáz előállítás számítható
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
23/240
23
Gáznemű tüzelőanyagok:
Földgáz: - általában 80 % feletti CH4 tartalom- etán C2H6 - propán C3H8 - bután C4H10
- egyéb alkotók N2SCO2 N2
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
Gáznemű tüzelőanyag
Égéshő [kJ/m3] Fűtőérték [kJ/m3] Fűtőérték [kJ/kg]
Hidrogén (H2) 12.745 10.785 119.952Szénmonoxid (CO) 12.635 12.635 10.110Metán (CH4) 39.815 35.880 50.010Etán (C2H6) 70.305 64.355 47.480Propán (C3H8) 101.205 93.180 46.350
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
24/240
24
Gáznemű tüzelőanyagok összetétele
F [MJ/m3] H2 CO CH4 CxHy CO2 N2 O2 H2 10,72 100 - - - - - -
CH4 35,8 - - 100 - - - -földgáz 31,67 - - 81,8 3,2 0,8 14,1 -
földgázHajdúszoboszló
37,2 - - 86,9 7,6 1,2 4,3 -
propán 93,58 - - - - - - -bután 123,55 - - - - - - -
Égéshő és f űtőérték közötti különbség
gázoknál ~ 11%
olajoknál ~ 6%
Wobbe szám:
vd
É Wo = 7,05,0 ÷→=
l
gvd
ρ
ρ
vd
pÉ Wo =′
2m
N p túlnyomás a fúvókában
Azonos hőteljesítményhez azonos Wo szám tartozik.
Ha a gázminőség változik (É,ρg) és a nyomás (p) akkor a hőteljeítmény (Q0) és a Wo szám
is változik
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
25/240
25
Kibővített Wo szám:
áll D pWo =⋅⋅ 2
Ha 1. gázfajtáról 2. gázfajtára átállunk akkor azonos Q hőteljesítmény biztosítására betartandók akövetkezők:
fúvóka ∅ 2
1
2
112
p
p
Wo
Wo D D ⋅⋅=
gáznyomás4
2
12
2
112
⋅
⋅=
D
D
Wo
Wo p p
Tüzelőanyagok gyulladási hőmérséklete levegőn:
Benzin 350-520 °C
Bután 430 °C
Propán ~ 500 °C
Földgáz ~ 650 °C
Tüzelőolaj ~ 240 °C
Fa 200-300 °C
Faszén 300-425 °C
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
26/240
26
Gázok égési sebessége
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
27/240
27
Koromképződés
Gáztüzelésnél C – C kötés szakad fel
pl.: metán CH4→ 2 H2 + C
Koromképződési tényező:
Megadja, hogy a tüzelőanyag összes karbon tartalmából hány % válik ki korom
formájában.
pl.: metánnál: 1000 °C – on 5 %
600 °C – on 30 %
500 °C – on 50 % ez a tényező
Képződési mechanizmusok:
2CO ↔ CO2 + C fordított Boudouard reakció
CO + H2 ↔ H2O + C fordított vízgáz reakció
CH4 ↔ 2H2 + C
Befolyásoló tényező:
- Tüzelőanyag fajtája (nagy C/H-val hajlamos)
- láng típus (előkevert, diffúziós)
- láng hőmérséklet, oxigén kínálat minél kisebb, annál inkább keletkezik.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
28/240
28
Koromképződés elkerülése:
- gyors keveredés
- gyors hőmérsékletnövekedés
- előkevert (kinetikus) lángnál intenzív előkeveredés → alig keletkezik
Segíti a korom képződését:
- levegőhiány
- alacsony hőmérsékletnövekedés
- diffúziós lángnál a tüzelőanyagban gazdag magjában keletkezik
- láng hűtött felülettel érintkező részén van koromkiválás
Korom csak gázfázison keresztül jön létre!
Koromszemcse mérete ~ 0,025 µm = 250Ǻ
Felépítése: C6H; C8H
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
29/240
29
Koromképződést befolyásoló tényezők
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
30/240
30
Folyékony tüzelőanyagok
- kőolaj → desztillátumok - könnyű benzin
(fosszilis) - nehéz benzin
- petróleum- gázolaj
- pakura
- megújuló folyékony tüzelőanyagok:- növényi olaj: - repce
- napraforgó- mogyoró stb.
- alkoholok: - etanol (C2H5OH) (keményítő, cukor, cellulóz tartalmú növények)
pl.: 2526126 22 COOH H C O H C +→ cukor etanol szén – dioxid100 kg 51 kg 49 kg
- metanol (CH3OH) (fa elgázosítással)
pl.: szintézisgázból (CO/H2 keverék)CO + 2H2 → CH3OH + hő (katalizátor mellett 50 – 60 bar, 230 – 260 °C-on)
jellemzői: - mérgező és korrozív
- alacsony f űtőérték (19,7kg
MJ )
- 10 °C alatt hideg indítás nem megy,- benzinhez maximum 15 %-ban keverik
- állati zsiradék
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
31/240
31
Nehézolaj- viszkozitás 4,5-55 cSt (mm2 /s) 100 °C-on ISO 8217 szerint- általában csak előmelegítve (90-170 °C) porlasztható- nagyhőmérsékletű korrózió V, Na tartalom miatt- alacsony hőmérsékletű korrózió harmatpont alá hűtés miatt
(tüz.a. S tartalmával H2SO3, H2SO4)
- lerakódás veszély, megnövekedett kopásveszélyAlkoholmetanol CH3-OH C/H=3 1·12/4·1=3etanol C2H5-OH C/H=4 2·12/6·1=4diesel olaj C/H~6,5
Alkoholok f űtőértéke kb. fele a benzinének→ azonos teljesítményhez dupla mennyiségű tüzelőanyag!
Alkoholok oxigéntartalma nagyobb, mint a benziné vagy dieselolajé→ kevesebb levegő kell
benzin ~ 14,5 kg/kg
metanol ~ 6,46 kg/kgetanol ~ 9,0 kg/kg
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
32/240
32
Alkohol tartalmú tüzelőanyagokOH csoporttal rendelkeznekCH3-OH CH3-CH2-OHmetanol etanol
Olefinek (alkének) C2H2n de a szomszédos szénatomok kettős kötéssel rendelkeznek
CH2=CH2 etilénCH3-CH=CH2 propilénEzek lehetnek gyűrűs szerkezetűek is
Alapmolekula a benzol C6H6
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
33/240
33
Biodízel
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
34/240
34
Diesel Repceolaj RMEsűrűség (15 °C) g/cm3 0,83 0,915 0,88viszkozitás (20 °C) mm2/s ~2 74 7fűtőérték MJ/kg 43 35,2 37C:H:O (tömegarány) % 86,4:13,6:0 77,6:11,7:10,5 76,8:12,1:11cetánszám - 50 40 54
dermedéspont °C -22 18 -5levegőigény kg/kg 14,5 12,4 12,5
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
35/240
35
ρ összetétel tömeg %-ban É Ftüzelőanyagkg/dm3 C H O+N S kJ/kg kJ/kg
etilalkohol 0,8 52 13 25 - 29890 26960benzin 0,72-0,8 85 15 - - 46700 42500
fűtőolaj0,82-0,86 86 13 0,5 0,3 45400 42700
petróleum 0,8-0,82 85 15 - - 42400 40800metanol 0,79 38 12 50 - 22310 19510dieselolaj 0,84 86 13 0,4 0,5 44800 41650repceolaj 0,915 77,6 11,7 10,5 - 35200RME 0,88 76,8 12,1 11 - 37000
Folyékony tüzelőanyagok jellemzői:- égéshő, f űtőérték- sűrűség- viszkozitás- lobbanáspont- öngyulladási hőmérséklet- forrási görbe- kéntartalom- vanádium és ólomtartalom- oktánszám (benzineknél)- cetánszám (diesel olajoknál)- füsthatár
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
36/240
36
Folyékony tüzelőanyagok
Dermedéspont az a hőmérséklet, amelyen az olaj nehézségi erő hatására már nem folyikLobbanáspont az a hőmérséklet, amelyen az olajfelszín feletti gőz idegen hőforrásraellobban
wé>wpárolgási
Gyulladáspont mint az előbbi, csak a gőzök min. 5 sec-ig égnekwé≤wpárolgásiConradson szám szabvány szerinti olajhevítéskor a párolgás után visszamaradó koksz
százalékos mennyiségeHamutartalom 0,1-0,8%, V2O5 okoz nagyhőmérsékletű korróziót
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
37/240
37
Cetánszám - gyulladási hajlam- cetán %-a a cetán és alfametilnaftalén keverékben- min 45, általában 50- minél nagyobb, annál tökéletesebb az égés- a tüzelőanyag gyulladási képességének mértéke
- túl nagy cetánszám korai gyulladást okoz(mielőtt a jó keveredés létrejött)Forrási tulajdonság
forrás kezdete (párolgás módja és mennyisége az alsó hőmérséklettartománybanforrás vége lerakódások, füst megakadályozása miatt
Kéntartalom - motorolaj elsavanyítása és szulfát emisszióAlacsony hőmérsékletű folyásképességSűrűségViszkozitásLobbanáspont (nem lehet 65 °C-nál alacsonyabb, biztonsági okokból)
Corradson szám - koksz maradványHabosodási hajlam
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
38/240
38
Folyékony tüzelőanyagokViszkozitás - dinamikai (η) Poise
1cP=10-3 Pas- kinematikai ( ν) Stokes
=s
m2
ρ
η ν
1cSt=10-6 m2 /sEngler viszkozitás [E°]
)(20200
)(2003
3
sidejekifolyásivízC cm
sidejekifolyásiolajC t cmE
=
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
39/240
39
Szilárd tüzelőanyagok
Tüzelőanyag Fűtőérték
kg
kJ
fa 14 600tőzeg ~ 104 éveslignit ~ 10 4 – 105 éves
Változó a meddő Aránya miatt
barnaszén ~ 106 éves 22 – 28 000kőszén ~3·106 – 5·106 éves 30 – 33 000
Kőszén: - zsíros szén (fekete szén)- sovány szén (antracit)
Mesterségesen előállított szenek: - koksz F = 28 – 30.000kg
kJ
Szilárd tüzel ő anyagok összetétele
-Tiszta szénre vonatkoztatva-
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
40/240
40
Szilárd tüzelőanyagok
Elemi analízis
C, H, S, O, N, nedvesség, hamu
Immediát analízis /gyorselemzés/
- nedvesség → felületi+higroszkópikus+szerkezeti
- illótartalom
- fix karbon
- hamu
felületi - légszáraz (környezettel egyensúlyban)higroszkópikus - 106±2 °C szárítókemencében távozó nedvességszerkezeti víz - szervetlen eredetű kristály víz + szerves eredetű
(140 °C felett felszabaduló) bomlás víz
hamu + nedvesség= ballaszt
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
41/240
41
Szilárd tüzelőanyag
Nedvesség
Összes nedvesség = durva nedvesség + higroszkópos nedvesség
durva nedvesség: kiterített szénmintából levegőn a helyiség hőmérsékletén éspáratartalmán 24-48 óra alatt elpárolog
higroszkópikus nedvesség: légszáraz szénminta víztartalma (szerkezeti víz kivételével)
szerkezeti víz: szervetlen eredetű kristály- és hidrátvíz + szerves eredetű 140 °C feletti hőmérsékleten felszabaduló illetve keletkező bomlásvíz
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
42/240
42
HamuRagadósság - próbatesthez érintett kvarccső odatapadFolyáspont - 10 mm magas próbatest 3 mm magasságúra zsugorodikLágyuláspont - magasság 20 %-kal csökken, vagy az élek lekerekednekOlvadáspont - a próbatest félgömb alakúvá olvad össze
Hőhatásnak kitett szemcsék viselkedése
A lágyabb állapotú részecske a hideg felületnek ütközik, és odadermed. A lerakódás gyorsan
növekszik („medve” képződés), hőszigetelő réteget alkot (tűztér hőmérsékletnő).
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
43/240
43
Salak: olyan hamu, ami nagy hőhatásnak volt kitéve.A hamu különböző fémek oxidjából áll f őleg.
/Al, Si, Fe, Ca, Mg, K, Na /Hamu nagy hőmérsékleten megolvadVizsgálat:
- Bunte-Baum módszer
- Leitz-féle hevítőmikroszkópos módszer
Próbatest
∅ 10 mm henger10 mm magas8 mm-nél lágyul
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
44/240
44
Egyéb szilárd tüzelőanyagok: - olajpala, olajhomok
- biomassza
- fa (egyesek ide sorolják)
Olajpala összetétele: - hamu 40 – 60 %- illó 15 – 30 %
- Fűtőérték 5 – 19kg
MJ
-a hő 80 – 85 %-a az illó égéséből szabadul fel
- a hamu SiO2, CaO;
a hamulágyulás és az olvadás hőmérséklete közel van egymáshoz, ezért
jelentős a tűztéri elsalakosodás.
Biomassza (szilárd): - valamennyi szerves eredetű anyag (C –tartalmú)
- energianövények pl.: Miscanthus, akác, f űfélék, nyárfa
- aratási maradványok pl.: szalma, erdei fahulladék
- olajnövények héja, préselt pogácsa
Szárazanyag összetétel: - C 45 - 50 %
- H 5 – 7 %
- O 40 – 45 %
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
45/240
45
Biomassza (szilárd)
- tüzeléstechnikai jellemzői (~CO2 semleges folyamat)
víztartalom
f űtőérték
hamutartalomhamulágyulási pont
- fizikai – mechanikai jellemzői
darabosság (méret, geometria)
méreteloszlás, apró méretek aránya
rétegsűrűség
16 % feletti nedvességtartalombiolőgiai folyamatok kiváltója lehet, f űtőérték csökken,
öngyulladásra hajlamos
Fűtőérték (vízmentes tömegre vonatkoztatva)
16,5-19,0 MJ/kg
Fa tüzelőanyag f űtőéréke átlagban ~ 9 %-kal nagyobb, mint a szalma és f űfélék f űtőértéke
Hamu - faféléknél 2,5 – 5 %
- szalma, gabona szár és f űféléknél 4 – 12 % (15-20 %)
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
46/240
46
AlapfogalmakAnyagmennyiség ni (mol)
Avogadro törvénye:
Azonos térfogatban különböző gázok azonos nyomáson és hőmérsékleten azonos számú
molekulát tartalmaznak
mol , N A
11002213676 23⋅=
- az n anyagmennyiség szigorúan arányos N részecske (molekula, atom)számmal
A N n N ⋅=
tehát azonos nagyságú anyagmennyiség azonos számú részecskét tartalmaz
A N
N n =
Ha egy részecske tömege mT akkor az össztömeg AT T N nm Nmm ⋅⋅=⋅=
A moltömeg: AT N mn
m M ⋅== ez anyagspecifikus tulajdonság
Moltérfogat: 3415,221 dmmol =
3415,221 mkmol =
1 mol ideális gáz normálállapotban (0°C, 760 torr) 22,415 dm3 teret foglal el.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
47/240
47
Egyes elemek moltömege (kerekítve)
Karbon C - MC = 12 kg/kmol
Hidrogén H2 - MH2 = 2 kg/kmol
Kén S - MS = 32 kg/kmol
Oxigén O2 - MO2 = 32 kg/kmolNitrogén N2 - MN2 = 28 kg/kmol
Vízgőz H2O - MH2O = 18 kg/kmol
Széndioxid CO2 - MCO2 = 44 kg/kmol
Metán CH4 - MCH4 = 16 kg/kmol
Levegő - ML = 29 kg/kmol
Sűrűség = 3mkgV m ρ
Koncentráció
=
3m
mol
V
nc
M n
m
c ==
ρ
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
48/240
48
Tüzelőanyag tömegére vonatkoztatott fajlagos alkotóelem részarány
Szénreatüzkg
C kgc
m
m
atüz
C C
..== µ
Hidrogénreatüzkg
H kgh
m
m
atüz
H H
.2
.
2
2 == µ
Kénreatüzkg
S kgs
m
m
atüz
S S
..== µ
Oxigénreatüzkg
Okgo
m
m
atüz
OO
..== µ
Nitrogénreatüzkg
N kgn
m
m
atüz
N N
..== µ
A szén (C) oxidációjához szükséges O2 menniség: C Om 2
A vonatkozó tömegarány
67,212
3222
===C
C OC
O m
m µ
Hidrogénre (H2)
82
16
2
2
22
2===
H
H O H
O m
m µ
Kénre (S)
132
3222
===S
S OS
O m
m µ
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
49/240
49
Reakciótermékekre a tömegarány hasonlóan felírható
CO2-re
67,312
4422
===C
C COC
CO m
m µ
H2O-ra
92
18
2
2
22
2===
H
H O H H
O H m
m µ
S-re
232
6422
===S
S SOS
SO m
m µ
Ily módon e számított értékekkel (ezek kerekítések!) tetszőleges tüzelőanyag tömegszámítása
elvégezhető csak a tüzelőanyag kémiai összetételét kell ismerni.Szilárd tüzelőanyag összetétele
1=++++++ nedvességhamunoshc
Folyékony tüzelőanyag összetétele
1=+++ oshc
hamu, nedvesség elhanyagolható
Gáznemű tüzelőanyagoknál a kémiai kötések molarányát kell ismerni ill. az összetevők %-os
megoszlását.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
50/240
50
Tüzelőanyagok és égési egyenletek
SZTÖCIOMETRIA – adott összetételű tüzelőanyagokhoz elméletileg (kémiai reakcióegyenletből)
szükséges oxigén ill. levegő meghatározása
Tüzelőanyag összetétel: / elemi analízis / : C, H, S, O, N +nedvesség + hamu
Fajlagos értékek
∑ ⋅= iOiO C a 22 µ kgkgai tüzelőanyag i-edik alkotója elemi analízis alapján
iOC 2 i-edik alkotó fajlagos O2 szükséglete
fajlagos O2 szükséglet
[ ] [ ] [ ] [ ] kgkgOC S C H C C C O
O
S
O
H
O
C
OO
22
2
222
+++= µ
elméleti fajlagos levegőszükséglet
[ ] [ ] [ ] [ ]OC S C H C C C O LS
L H L
C L L 00
2
000 +++= µ
száraz levegőre
OS H C O LS
L H L
C L
sz L 00
2
000 µ µ µ µ µ +++=
x nedvességű levegőre
( ) xsz
L L +⋅= 1
00
µ µ
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
51/240
51
Elméleti fajlagos égéstermék mennyiség:
kgkg N SOO H COV 22220 µ µ µ µ µ +++=
ahol222
COC CO
C CO C C µ µ →⋅→
( )0%1~0
2
0222
≈⋅→⋅++⋅⋅→ sz
LO H
sz
L
H
O H
H
O H
H
O H
xezért x xn H és H C µ µ µ µ µ
222 CO
S SO
S SO S C µ µ →⋅→
20768,0 N L N µ µ →+⋅ (0,768 a levegő N2 tartalma tömeg %-ban, N a tüz.a N tartalma)
Elméleti száraz füstgázmennyiség
O H V szV 200
µ µ µ −= műszeres mérésnél a nedvességet leválasztják
Légfeleslegtényező
0 L
L
µ
µ
λ =
Égéstermék fajlagos mennyisége l>1 esetén
( )00
1 LV V µ λ µ µ ⋅−+=
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
52/240
52
Száraz füstgáz / égéstermék / mennyisége [m3 /kg tüz.a]
( ) 000 121,079,08,0685,0867,12222 L L N S C V V V V V O N SOCOsz ⋅−⋅+⋅⋅+⋅+⋅+⋅=+++= λ λ
A tüzelőanyag H tartalmából keletkező H2O és a tüzelőanyag w nedvessége együttesen adják a
füstgáz nedvességtartalmát:
kgmw H V O H 324,111,112 ⋅+⋅= ( vízgőz sűrűsége ρ=0,804 kg/m3 → 1/ ρ = v = 1,24 m3 /kg)
Az égési levegő nedvességtartalmát figyelembe véve:
x (kg/kg száraz levegő)
kgm L xw H V O H 3
06,124,111,112 ⋅⋅+⋅+⋅= λ
A nedves füstgázmennyiség:
kgmV V V O H sz 3
0 2+=
Sztöchiometrikus (λ=1) feltételnél több levegőt használva az égéskor (λ>1), kapjuk a ténylegesfüstgázmennyiséget:( ) 00 1 LV V ⋅−+= λ
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
53/240
53
Égési reakcióegyenletek
C + O2 = CO2 + Q1
1 kmol 1 kmol 1 kmol
12 kg + 32 kg = 44 kg /:12
1 kg + 2,664 kg = 3,664 kg + 37,12 kg MJ
2 H2 + O2 = 2H2O + Q2
2 kmol 1kmol 2 kmol
4 kg + 32 kg = 36 kg /:4
1 kg + 8 kg = 9 kg + 143 kg MJ
S + O2 = SO2 + Q3
1 kmol 1 kmol 1 kmol
32 kg + 32 kg = 64 kg /:32
1 kg + 1 kg = 2 kg + 9,09 kg MJ
C kg
OkgC O 2664,22 = µ
Minimális oxigénszükséglet:
222min O-S1+H8+C2,664=kg
kg O ⋅⋅⋅
1 kg O2-re kg29,423,3
100= levegő jut
1 m3 O2-re 3m76,421
100 = levegő jut
Elméleti levegőszükséglet( ) O4,29L 2min0 =kg ( ) O4,76L 2min30 =m
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
54/240
54
Gáznemű tüzelőanyag
Elméleti levegőszükséglet
( )3
3
22
min 4221,0
1
m
mO H C mn
H CO L mn
−⋅++
+=
Valóságos levegőmennyiség
3
3
minm
m L L ⋅= λ
Égéstermék mennyiség – nedves, de levegőnedvesség nélkül
( ) 2222min42
1 N OCO H C
m H CO LV mn fg +++⋅+++⋅= λ
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
55/240
55
Szénhidrogén oxidációs folyamata
/ tökéletes égésnél/
O H y
CO xO y
x H C y x 22224
⋅+⋅→⋅
++
Tökéletes égéshez kisebb-nagyobb légfelesleg kell.Léghiányos égésnél → károsanyag emisszió megnő
Légfelesleg:levegő szükségesgelméletile
levegő bevezetett nténylegeseégéshez=λ
Meghatározható füstgázelemzés útján:
CO2 méréssel
mért mért CO
CO
L
V
CO
CO
2
max2
0
0
2
max2 11 ≈⋅
−+=λ
O2 méréssel
20
0
2
2
21
21
211
O L
V
O
O
−≈⋅
−+=λ
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
56/240
56
Sztöchiometriai levegő(A)-tüzelőanyag(F) arány
sztöchatüz
lev
sztöch m
m
F
A
=
.
Equivalence ratio Φ
sztöch
sztöch
A
F
AF
F
A
F A
=
=Φ
Φ>1 gazdag keverék
Φ
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
57/240
57
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
58/240
58
Az égés fizikai jellemzői
- Minimális gyulladási energia
- Gyulladási késedelem
- Elméleti égési hőmérséklet- Lángterjedési sebesség
- Gyulladási határok
- Kioltási távolság
- Koncentráció, légfelesleg
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
59/240
59
Minimális gyulladási energia( )kezdetimin T T cV E l pkr −⋅⋅= ρ
Kritikus térfogat
lángtérfogat (lángfront) változása elégett gáztérfogat változása
( )( )
−+⋅ 3334
r er dr
d π ≤
⋅ 334
r dr
d π
( )( )33 r er dr d −+ ≤ 3r dr d
( )33223 33 r er eer r dr
d −+++
236 eer + ≤ 23r 22 eer + ≤ 2r
) krit r r er =→+= 21
( )333
213
43
4+=
⋅= e
r V krit krit
π π
Kritikus térfogat gömb alakú lángfrontra.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
60/240
60
Kritikus térfogat
- Ha a lángfront (e) térfogatának sugármenti növekedésedr
dV > krit meghalad egy kritikus értéket,
akkor a lángfront megfelelő energia utánpótlás híján nem tud tovább terjedni, ezért ekkor
kialszik.
- A friss keverék alacsony hőmérsékletű, pozitív hőszállítás 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 hő-és anyagtranszport az elégett gázból – ami nagy hőmérsékletű –
megfelelő ütemű, 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 – pontszerű gyújtóforrás esetén a
lángfront gömb formájú, ezért sugárirányú változásának – számításából.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
61/240
61
Gyújtás elektromos szikrával
∫ ⋅=τ
0
dt I U E
intenzív szikra → E bevezetése rövid idő alatt
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
62/240
62
Gáz-levegő keverék gyulladása az áramlási sebesség változásával
Ha a keverékarány nő – gazdagabb lesz a keverék – a konvektív folyamat diffúziósba megy át.
A láng terjedését a termikus / diffúziós folyamatok vezérlik.
Ha a sebesség nő, akkor a szikra körül a keverék hideg keverékkel hígul, ami több energiát
igényel a hőveszteség kompenzálásra.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
63/240
63
Cseppméret ( SMD) hatása
áramlási sebesség = áll.
légfelesleg = áll.
Cseppméret csökkentése 66 → 52-re Emin 1/3-ára csökkent.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
64/240
64
Áramlási sebesség hatása porlasztott közegre
légfelesleg = áll
növekvő áramlási sebességnél nő Emin egy adott cseppméretnél
ok: a sebességgel nő a turbulens diffúzió, így nő a hőveszteség a szikra magjában, másrészt a
szikrának nagyobb mennyiségű közeget kell felmelegíteni
javaslat: célszerűbb a cseppméret csökkentése, mint Emin , azaz a szikra intenzitás növelése
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
65/240
65
Gyulladási késedelem- az az idő, ami adott tüzelőanyag – levegő keveréknek szükséges ahhoz, hogy a gyújtást
követően jelentős reakciószámot érjen el.
- Jelentős reakciószámnak tekinthető, ha meghatározottdt
dT hőmérsékletváltozási
sebesség lép fel.
- A gyulladási időkésedelem a kezdeti hőmérséklettől függ (keverék hőmérséklet!)
K T R
E
gy et ⋅∆ ~
Folyékony tüzelőanyagra
50 ms nagyságrendű 700 K-ra
10 ms nagyságrendű 800 K-ra
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
66/240
66
Elméleti égési h ő mérséklet
Tüzel ő berendezés elvi rajza
Energiamérleg:
lltütüé é hmhmhm ⋅+⋅=⋅..
Égéstermék entalpiája:
)( 0T T cV h é pé é −⋅⋅=−
; ahol T0=273 K
Tüzelőanyag entalpiája
)( 0T T cF h tü ptütü −⋅+=−
Égéslevegő entalpiája
)( 0T T c Lh l pll −⋅⋅=−
Elméleti égési hőmérséklet
0T cV
hT
pé
é é += −
( )[ ]0
00
00
1
)()(T
c LV
T T c LT T cF T T T
pé
l pltü ptüelmad é +
⋅⋅−+
−⋅+−⋅+=== −
−−
λ
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
67/240
67
Elméleti és valóságos égési hőmérséklet
Tüzelőanyag F [kJ/kg] Telm [°C] Tval [°C]Földgáz 36000 2000 1200 – 1600Fűtőolaj 40000 2000 1200 – 1500
Barnaszén 20000 1500 1000 – 1200
Kőszén 30000 2300 1200 – 1500
ROSIN és FEHLING : cpé adott hőmérséklettartományban gyakorlatilag független a tüzelőanyagfajtájától
Disszociáció
CO2 + 275,2 ⇔mol
kJ CO +
2
1O2
H2O + 252,2 ⇔mol
kJ H2 +
2
1O2
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
68/240
68
Ideális gáz fajlagos hőkapacitása cp , cv
cp és cv kapcsolata:
Rcc
dT RdT cdT c
dT RdudhT Rv puh
v p
v p
=−
⋅=⋅−⋅
⋅=−→⋅=⋅=−
Tehát adott gáz gázállandója független a hőmérséklettől, noha cp és cv hőmérsékletfüggő.
A két érték hányadosa κ =v
p
c
c
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
69/240
69
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
70/240
70
Lángterjedési sebesség Λ
s
m
Gyulladási határok
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
71/240
71
Kioltási távolság
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
72/240
72
Robbanás:
- hőfejlődés sebessége rendkívül gyors, de lökéshullám nem halad át a keveréken
- láncreakciók felgyorsulnak → önhőfejlesztő, ami gyorsítja a folyamatot
Detonáció:
- lökéshullám halad át a keveréken, mögötte elég nagy hőmérséklet és gyors kémiaireakciók játszódnak le
- a keverék nem termikusan – lángfront révén – hanem a lökéshullám által gyullad, tehát
hangsebességgel terjed
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
73/240
73
Termikusan stacioner és instacioner égés
Stacioner égés: az égéskor felszabaduló hő egyenlő az elvezetett hővel
Az égési tartományban T hőmérséklet állandó
Termikusan instacioner az égés, ha e két hőmennyiség egymással nem egyenlő
Tk környezeti hőmérséklet
Tk1 < Tk2 < Tk3
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
74/240
74
Lamináris előkevert láng szerkezete
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
75/240
75
Lamináris láng szerkezete
Lánghossz / közelítő / számítása
Feltétel: Λ és w a keresztmetszet mentén állandó
Λ=→⋅=⋅Λ
w
dA
dAdAwdA
00
dy ydAds ydA⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=
π
π
22
0
12
+
=
dy
dxdyds
1
0
22
+
⋅⋅⋅=
dy
dx
dA
dy ydA
π
1122
0−
Λ=⇒+
=
Λ=
w
dy
dx
dy
dxw
dA
dA a lángkúp meredeksége
Λ=
vdyds
Λ=
wr L tehát
Λ=
1,, wd f L fúvóka
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
76/240
76
Általánosabb alakban – tengelyszimmetrikus áramlásra
22sin
dLdy
dy
ds
dy
wK K
+==
Λ=ϕ
2
22
2
Λ=+ K wdLdy
dy
2222
Λ=+ K
wdydLdy
dyw
dL K 2
12
1
−
Λ=
∫ +
−
Λ=
r K álldyw
L0
2
1
21
lamináris áramlás esetén
( Hagen-Poisseuille )
( )2204 y y
l
pw −
⋅
∆=
µ
( )0
82
20
max =
⋅⋅
∆== y y
l
pwwköz
µ
( )0max =− ynálw
( )
−⋅=
20
2
12 y
yw yw köz
a fenti ∫
−
Λ=
r K dy
w L
0
2
12
1 egyenletbe helyettesítve:
∫
−
−⋅
Λ⋅=
r köz dy
y
yw L
0
2
12
20
22
114
Λ⋅⋅
−
Λ⋅⋅= közköz
wr
wr L
3
4~1
3
4 21
2
vagyis ilyen áramlás esetén 4/3-szor hosszabb lángot kapunk
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
77/240
77
Lamináris lánghossz csökkentés /gázégők/
Láng hőteljesítménye egy nagyméretű fúvóka esetében
A kúpfelület egyenlete:
2222 1
+⋅⋅=+⋅⋅r
Lr Lr r π π
Ha egységnyi felületen felszabaduló hő q [kW/m3], akkor a láng hőteljesítménye:
[ ]kW q AQ ⋅=
Ha ezt a hőteljesítményt n db rn sugarú fúvókán biztosítjuk, továbbá feltesszük, hogy Λ, w és q
állandó, akkor felírható a két keresztmetszet egyenlősége:
π ⋅=
2
r T e - eredeti kúpfelület:
22
1
+⋅⋅ r
L
r π ( L a nagy kúp magassága )
( ) nr T núj ⋅⋅= π 2 - az új Σ kúpfelület:2
2 1
+⋅⋅⋅
nn
r
lr n π ( l a kis kúpok magassága )
úje T T =
22
22 11
+⋅⋅⋅=
+⋅⋅n
új
n
er
l
T
r nr
L
T r
π π
ezért
22
11
+=
+nr
l
r
L amiből
n L
l
r
r n 1==
Tehát n db lángra bontva az eredeti lángot, a szükséges furat sugara, és a lángok hossza:
n
r r n =
n
Ll =
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
78/240
78
Nyomásváltozás a lángfronton keresztül
viszkozitás hatását elhanyagolva ez egyenlő a nyomásgradienssel
dn
dww
dn
dp⋅⋅=− ρ
nyomásgrad impulzus megváltozás
wkn = Λ
ha csak ”n” normális irányban vizsgáljuk, akkor
iránybanalángfrontr ⊥
−=⋅⋅⋅ dpdwww
knk ρ
ρ
∫∫ −=⋅⋅é
k
én
kn
p
p
w
w
knk dpdww ρ
( ) é k knénknk p pwww −=−⋅⋅ ρ mivel éné knk ww ⋅=⋅ ρ ρ ezért énkn ww < és éné k w⋅=⋅ ρ ρ
−⋅⋅=
−⋅⋅=− 12
é
k knk knén
é
k knk é k wwww p p
ρ
ρ ρ
ρ
ρ ρ
tehát
−⋅⋅=∆=− 12
é
k knk é k w p p p ρ
ρ ρ →
−⋅Λ⋅=∆ 12
é
k k p
ρ
ρ ρ
A lángfront két oldalán ∆p nyomáskülönbség kicsi CH4 / levegő keverék környezeti nyomása:
Pa p 3,1≅∆
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
79/240
79
Láng hosszának változása / előkevert/
felső gyulladási határ felett is van belső kúp, ennek oka, hogy többlet levegő jut a külső származó
hőtranszport révén a lángba, ezért a koncentráció kisebb lesz, mint az égőszájon kilépő keveréké.
Diffúziós láng hossza:
Független az égő ∅-től, csak V ɺ -tól függ.
D
V
c
c L
st ⋅⋅≈
π 40
ɺ
V áll L ɺ⋅.~
c0 – koncentráció az égőszájban ( = áll.)
cst – adott tüzelőanyagok esetén ( = áll.)
D – diffúziós állandó
V ɺ – térfogatáram
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
80/240
80
Láng stabilitása lamináris láng esetén
( Lewis és von Elbe után )
stabilitás feltétele:r r dy
d
dy
dw
Λ=
vagyis a fal melletti sebességgradiensek egyenlők.
Lamináris áramlásra (Hagen – Poiseuille)
( )
−⋅
=⋅
∆
⋅=20
2
20
1
4
2 y
y
n yl
p
w yw köz
µ
( ) ( ) ( )22220 yr n y yn yw −⋅=−⋅=
r
gnvagygr n
dy
dw
⋅=→=⋅⋅=
22
mivel közwn ⋅= 2 ezértr
wg köz
⋅=
4 ahol g – határ-sebességgradiens
Kör keresztmetszetű fúvókára a folytonosság egyenlete:
( ) 4222
22 yndy y yr ndy ywV ⋅=⋅⋅−⋅⋅=⋅⋅⋅= ∫∫ π
π π ɺ
y = r helyen
3
344 4
4222 r
V g
r gr
r
gr nV
⋅
⋅=→
⋅⋅=⋅
⋅=⋅=
π
π π π ɺɺ
mivelr
wg
r
V w közköz
⋅=→=
42π
ɺ
g – a sebesség eloszlás deriváltja az égőszáj szélén ( ezért határ-sebességgradiens)
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
81/240
81
Lángstabilitás szemléltetése
Ilyen módon a stabilitás egy tartományban és nem egy pontban valósul meg.(Lewis és von Elbe diagram!)
a sugár széle felé Λ → 0, mivel ottnincs éghető anyag
gazdag keveréknél a levegő bediffundál a sugárba Λ→Λ’-re nő
w>Λ láng kifelé mozog
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
82/240
82
Fontos: az ábra csak egy adott gázfajtára érvényes, ha több tüzelőanyagra akarjuk bővíteni, akkor a
koncentráció helyettst c
c szerint kell ábrázolni.
Megjegyzés: ha a függőleges tengelyen g helyett w-t viszünk fel, akkorr
wg köz
⋅=
4 miatt minden
égőszáj méretre (r!) külön diagramot kapunk.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
83/240
83
Bunsen típusú égő stabilitási tartományai
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
84/240
84
Reakciókinetika
Míg a sztöchiometriai egyenletek a reakcióban résztvevő molekulák kezdeti és végállapotát adják
meg, addig a reakciókinetika a kémiai reakciók sebességével is foglalkozik.
Reakciósebesség: - égési v. lángterjedési sebesség
- sokkal gyorsabb mint a tüzelőanyag-levegő keveredési sebessége
/ Was vermicht, ist verbrannt / Jost 1939.
Reakciósebesség: valamely reakcióban résztvevő anyag c [mol/dm3] –ben mért koncentrációjának
időbeni differenciálhányadosa
dt
dcv −= (-) a koncentráció csökken a reakció előrehaladásával
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
85/240
85
[ ] zárójel jelenti a koncentrációt
pl.: [A] az A molekulaféleség koncentrációja
Egy bimolekuláris folyamat
AB B A =+ reakciósebessége bármely időpillanatban arányos az egymásra ható anyagok
koncentrációjának szorzatával[ ]
[ ] [ ] B Ak dt
ABd v ⋅== Wilhelmy törvény
k reakciósebességi állandó, független a koncentrációtól, de függ a hőmérséklettől
Ha több molekulaféleség és nem egyetlen molekulával vesz részt a reakcióban, akkor
termékek bBaA =++ ...
ekkor a reakciósebesség
[ ] [ ] ...⋅⋅= ba B Ak v
a kitevők összegét a reakciók rendűségének nevezik
pl.: monomolekuláris → elsőrendű
bimolekuláris → másodrendű
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
86/240
86
Reakciók rendszáma
( ) [ ]a AT k v ⋅−=
ahol ( )T k hőmérséklettől függő reakciósebességi állandó
[ ][ ]a Ak
dt
Ad −= 1=a elsőrendű reakció
ilyen pl.: gázfázisú molekulák termikus bomlása
H H H +↔2[ ]
[ ]122 H k
dt
H d −=
Műszaki 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.
másodrendű reakció 2=a
( ) [ ] [ ]11 B AT k v ⋅−=
a reakciósebesség a két anyag koncentrációváltozásával arányos
pl.: H O H H OH
H OH H O
OOH O H
+→+
+→+
+→+
22
2
2
Ezek a leggyakrabban előforduló reakciótípusok.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
87/240
87
Reakciók sebessége
- kinetikus gázelmélet szerint a molekulák átlagos sebessége a hőmérséklet függvénye
- adott hőmérsékleten a molekulák sebességét a Maxwell-féle sebesség-eloszlási görbe adja meg
- nagyobb hőmérsékleten a nagyobb sebességű molekulák gyakorisága nő
Aktiválási energia: (minimális gyulladási energia)
aktív állapotú molekula energiatartalma és a molekulák átlagos energiatartalma közötti
különbség az aktiválási energia
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
88/240
88
Maxwell-Boltzmann elmélet szerint az összes molekulának csak RT E
e−
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 valószínűségét adja meg:
RT
E
e zk −⋅= 0 ahol z0 A és B részecskék ütközési száma
átírva ezt az Arrhenius (1883) összefüggésbe
RT
E
ek k −⋅= 0 ahol α β T k ⋅=0 .21 állés =
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
89/240
89
A reakciósebesség tehát:
( ) cT k c
T k
ek dt
dcv RT
E
⋅=⋅⋅=−= −
)(
0
RT
E k k −= 0lnln
vagyis a reakciósebességi állandó logaritmusa a hőmérséklet reciprok értékének lineáris függvénye
⋅=⇒=mol
Jtg8,314E α α
R
E tg
Szénhidrogén reakciók aktiválási energiája 80-160 kJ/mol.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
90/240
90
Reakció lépések
Startreakció
( )
( )
( ) M H H M H
OO H O H
OH OH O H
++↔+
+↔+
+↔+
2
222
22
3
2
1
Láncreakció
( ) H O H OH H +↔+ 224
Láncelágazás
( )
( )
( ) OH OH OO H
H OH O H
OOH O H
+↔+
+↔+
+↔+
2
2
2
7
6
5
Rekombináció és láncletörés
( )
( )
( )
( ) M O H M H OH
M OH M H O
M O M OO
M H M H H
+↔++
+↔++
+↔++
+↔++
2
2
2
11
10
9
8
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
91/240
91
CO oxidáció
4
3
2
1
2
2
2
22
OOH O H
H COOH CO
OH OH O H O
OCOOCO
+→+
+→+
+→+
+→+
OH COO H CO +→+ 22 (kevésbé jelentős, mint a 3.)
Parafinok (alkének) oxidációja
222 >+ n H C nn
M CH H C M H C ++→+ 35283 C-C kötés felszakad
M H H C M H C ++→+ 4252 CH kettős C kötéssel és H atom leválás M H CH M CH ++→+ 23 etilén és metilén keletkezik
OH OO H +→+ 2 levált H radikálokat képez
OH H C O H C
H H C H H C
O H H C OH H C
+→+
+→+
+→+
7383
27383
27383
a radikálok újabb molekulákat szakítanak fel
M CH H C M H C
M H H C M H C
++→+
++→+
34273
6373
CO H H C O H C
HCO H C O H C
242635263 +→+
+→+
Külön tárgyalható CH4 oxidáció is.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
92/240
92
Gázégők felépítéseElemek
- gázcsatlakozás- levegő hozzávezetés- égőház kialakítás- gázmennyiség előszabályozás- levegőmennyiség állítási lehetőség- keverő-berendezés (előkevert lángnál)- égőfej kialakítás → biztosítja a stabil égést és kívánt lángalakot- stabilizáló berendezés
Alkalmazási területekHáztartás
23 kW-ig11-35 kW etázskazán
Gáztüzelő kisberendezés58 kW-ig ipari konyha, szárítóberendezés, csarnokf űtés
46-120 kW f űtőkazán58-580 kW melegvizes kazánAutomatizált gáztüzelő berendezések
170-1450 kW több huzamú melegvizes kazán2,9-5,8 MW kis gőzfejlesztő
Kazánégő 5,8-58 MW gőzkazán
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
93/240
93
Fúvóka méretezése
Fúvóka keresztmetszete
23
msm
sm
w
V A ==
ɺ
A gáz V ɺ
térfogatáramát a szükséges, előírt Qɺ
hőteljesítményből számíthatjuk:
=
⋅⋅=
s
m
m
kg
kg
kJ s
kJ
H
QV
gázu
3
3
ρ
ɺɺ
A fúvóka nyílásának átmérő je / furata/:
][4
0 m A
d π
⋅=
Kiömlési sebesség /w / nagysága függ a gáz túlnyomás nagyságától.
∆⋅=
s
m pw
ρ α
2
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
94/240
94
Méretek:
ld D ⋅= 5,80
s – fúvókaszáj és konfúzor vége közti távolság
Dd
Ds ⋅+= 31,065,0
0
l – fúvókaszáj és sugárfelütközés távolsága
3,00d Dl
−= → ez a minimális keveredési hossz
D L 6>
D L 10max =
De 5,11÷=
D y 125 ÷=
°19~δ ( ) °6~2 maxγ
( ) °÷ 4530~2 β Fúvóka kiömlési sebesség:
ρ α
pw
∆⋅=
2
ahol 0 p p p g −=∆
95,04,0 ÷=α fúvókaszelvény alakjától és a kiömlési furat megmunkálásától függően
Ha Pa p 4105 ⋅>∆ , akkor
−⋅⋅⋅
−⋅
=
−
κ
κ
κ
κ 1
1
011 1
1
2
p
pv pw p0
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
95/240
95
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
96/240
96
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
97/240
97
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
98/240
98
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
99/240
99
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
100/240
100
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
101/240
101
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
102/240
102
kényszerkeveréses égő
ha kW Q 1ɺ hőteljesítményű, akkor 38,0Qk D t ɺ⋅≥ ahol
⋅=
W
mk t
41065,8
Sugárzó gázégő
kerámia → rossz hővezető kell legyen, hogy a folyamat működjék
1250 kJ/h hőteljesítményű f űtőlap sugárzási felülete kb 260 cm2 mintegy 800 db furattal.
lánghőmérséklet ~ 800-900 °C
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
103/240
103
Közvetlen tüzelésű sugárzó égő típusok
Mártix égő (kerámia v. fém)
Porózus kerámia hab égő
Perforált (lyuggatott) kerámia égő
Előnye: nagy hőfluxus és nagy hatásfok
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
104/240
104
Cross section of a flameless fiber matrix burner
Gázf űtőkészülék teljesen automatizált kapcsolással
A termoelektromos gyújtásbiztosító sémája
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
105/240
105
Lamináris lángterjedési sebesség
Hővezetés a reakciózónából fedezi a gáz / levegő keverék hőmérsékletnövelését T0- ról Tgy
gyulladási hőmérsékletre
Mallard és le Chatelier elmélete
Feltétel: δ gyl T T −
, a hőmérsékletváltozás lineárisHőmérleg
dx
dT Q ⋅= λ
( )
ɺ A
T T T T cm
gylgy p ⋅
−⋅=−⋅
δ λ 0 (1)
keverék hővezetés afelmelegítése lángfrontban
δ - lángfront vastagság T0 - keverék kezdeti hőmérsékleteA – lángfront felület Tgy - gyulladási hőmérsékletλ - hővezetési tényező Tl – lánghőmérsékletmɺ - gáz / lev. keverék tömegáram
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
106/240
106
A folyamatot egydimenziós problémaként kezeljük.
Ezért írható, hogy
A Awm l ⋅Λ⋅=⋅⋅= ρ ρ ɺ (2)
w - gáz / lev. keverék sebessége
ρ - gáz / lev. keverék sűrűségeΛl – lamináris lángterjedési sebesség
wl =Λ a lángfront helyben maradásának feltétele
Hőmérleg egyenletbe (2)-t helyettesítve
( )δ
λ ρ gyl
gy plT T
T T c −
⋅=−⋅Λ⋅ 0
δ ρ
λ 1
0
⋅
−
−⋅
⋅
=ΛT T
T T
c gy
gyl
p
l
A reakciózóna / lángfront / vastagsága: δ nem ismert
Feltételezzük, hogy δ és Λl között arányosság van.
Vezessük be ω ɺ fogalmát:
ω ɺ fejezze ki a reakciósebességet a koncentráció időbeli változásakéntscm
gramm 13 ⋅
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
107/240
107
Ha a tömegáram / mɺ / állandó és a vizsgált felület / A / egységnyi, akkor (2) egyenletünk új alakja:
δ ω ρ ρ ⋅=Λ⋅=⋅ ɺlw (3)
Ezzel a lángtejedési sebesség
δ
ρ
ω ⋅=Λ
ɺl ill.
lΛ⋅
=
ρ
ω
δ
ɺ1
behelyettesítve az eredeti lángterjedési sebesség egyenletbe:
lgy
gyl
pl
T T
T T
c Λ⋅⋅
−
−⋅
⋅=Λ
ρ
ω
ρ
λ ɺ
0
átrendezve
ρ
ω
ρ
λ ɺ⋅
−
−⋅
⋅=Λ
0T T
T T
c gy
gyl
pl
ρ ω ɺ⋅Λ al ~ ahol
pca ⋅= ρ
λ
A lamináris lángfrontban a reagáló gáz / levegő keverék
ω λ
ρ ɺɺ p
lc
m ~Λ⋅= (4)
(3) és (4) egyenletekből a lángfront vastagságára kapjuk, hogy
l
a
Λ~δ
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
108/240
108
Linan és Williams elmélete az előbbihez képest néhány eltérést mutat
- a lángfront vastagsága δl, ami > δ mivel az I és II zónák összegét jelölik vele
- a hővezetést kiterjesztették (Tl-T0) tartományra
A lángterjedési sebességre
ρ ω
ρ ϖ
ρ λ ɺɺ ⋅=⋅⋅
=Λ ac p
l egyenletet kapja
ami az előzőktől
0T T
T T
gy
gyl
−
− hőmérsékleti tagban különbözik
Zeldovich, Szemenov, Frank-Kameneczkij szerint Tgy elhanyagolható, feltételezésük szerint a
reakció-sebesség gyorsan csökken a hőmérséklet csökkenésével.
ω ɺ értékét ezért kiterjesztik Tl-T0 hőmérséklet tartományra.
Ez a közelítés nagy aktiválási energiájú kémiai folyamatokra igaz, ami a lángban rendszerint fenn
áll.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
109/240
109
A levezetés mellőzésével bevezethető Zeldovich szerint egy hőmérsékleti tag:
( ) β =
−⋅
⋅
0
2
T T E
T R
l
l az un. Zeldovich szám
Ugyanakkor
δ δ β l= kifejezi a reakciózónák arányát
Ezzel a lángterjedési sebesség
ρ
ϖ
β
ɺ⋅=Λ
al
A lángfront vastagsága
β β δ δ ⋅Λ
=⋅=l
la
Példa:
Szénhidrogén / levegő előkevert láng sebessége ~30cm/s
mol
kJ E 160= , K T l 2100= ,
s
cma
2
6,23= ,K mol
kJ R
⋅= 314,8
Ezekkel az adatokkal
cml 1,01268,030
6,23=⋅=δ
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
110/240
110
Nyomás hatása a lángfront vastagságára
A gáz / levegő keverék tömegáram
2
4
~ pm lΛ⋅≡ ρ ɺ
ahol n → a reakció rendszáma
CH / levegő esetén másodrendű → n = 2
A lángfront vastagsága (β=áll feltétel esetén)
mcc
a
pl pll
ɺ⋅Λ⋅⋅Λλ
ρ
λ δ ~~~
mivel ( ) p f c p≠
λ ezért a nyomás növekedésével δl csökken.
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
111/240
111
Dimenzió analízissel is hasonló eredményhez jutunk:
hővezetési tényező sK m
J
K m
W
⋅⋅=
⋅λ
fajlagos hőkapacitásK kg
J c p
⋅
sűrűség3m
kg ρ
hőmérsékletvezetési tényező
⋅=
s
m
ca
p
2
ρ
λ
Lángfront vastagság
[ ]mss
mal →⋅⋅
2
~ τ δ
Reakcióidő
[ ]s
sm
kgm
kg
→
⋅3
3~ω
ρ τ
ɺ
Lángterjedési sebesség
ω λ
ρ τ τ
δ ɺ
p
l
c
a 1~ ==Λ
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
112/240
112
Kísérleti módszerek a lángterjedési sebesség meghatározására
a) égő módszer
s
cmQt
3
=ɺ térfogatáram
=Λ scm
AQt lɺ
α sin⋅=Λ nl w
probléma: falhatás → nem egyenletes sebességeloszlás
b) hengeres cső módszer
w R All ⋅⋅=⋅Λ π 2
probléma: falhatás
hőfejlődés miatt nyomásváltozás
c) szappan buborék módszer
( anyagmennyiség égése térfogat-növekedést hoz létre) = tágulási sebesség
láng Rll Aw A ρ ρ ⋅⋅=⋅⋅Λ 0
filmezéssel lehet csak wR-t meghatározni
probléma:
T0 / Tláng bizonytalanρl / ρ0 meghatározása
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
113/240
113
Szabadsugár áramlásI. Lamináris
II. Turbulens
Legegyszerűbb eset:
- kör keresztmetszetű nyíláson kilépő levegősugár környezeti hőmérsékleten végtelen
térben lévő nyugvó levegőben mozog
- nyomásból származó erők és felhajtóerők elhanyagolhatók
I – Impulzuserő
wm I ⋅= ɺ ∫ ⋅⋅⋅=⋅= ρ π ρ dy ywV m 2ɺɺ
∫ ⋅⋅⋅=r
dy yw I 0
22 ρ π
A közepes sebesség
m
I wk
ɺ=
sugár és környezet közötti sebességkülönbség miatt súrlódási erők ébrednek
környezetből részecskéket ragadnak magukkal → nő a sugár tömegárama
sugár elméleti széle ott van ahol w = 0
8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured
114/240
114
Ha a szabadsugár közeg hőmérséklete más, mint a környezet hőmérséklete, vagy a közeg anyaga
más mint a környezeté, akkor az impulzuscserét hő- és anyagtranszport is kíséri
Lamináris esetben a cserefolyamatokat vezérlő mennyiségek, jellemzők:
- kinematikai viszkozitás ( ν )
- hőmérsékletvezetési tényező ( a )- diffúziós tényező ( D )
Turbulens áramlási mezőben ezekre szuperponálódnak turbulens cserejellemzők:
- impulzus ( εi )
- hő ( εq )
- anyag ( εc )
Turbulens jellemzők nagysága több nagyságrenddel meghaladják a laminárisét.
Perdületmentes egyedi sugárra kiterjedt ismeretek állnak rendelkezésre.Tüzeléstechnikában további geometr