Tuzelestechnika Jegyzet Secured

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

    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

    O

     H 

    O

    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

    CO

    CO

    2

    max2

    0

    0

    2

    max2 11   ≈⋅

    −+=λ   

    O2 méréssel

    20

    0

    2

    2

    21

    21

    211

    O L

    O

    O

    −≈⋅

    −+=λ   

  • 8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured

    56/240

     56

    Sztöchiometriai levegő(A)-tüzelőanyag(F) arány

    sztöchatüz

    lev

    sztöch   m

    m

     A 

      

     =

     

      

     

    Equivalence ratio Φ 

    sztöch

    sztöch

     A

     AF 

     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

    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

  • 8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured

    69/240

     69

  • 8/15/2019 Tuzelestechnika Jegyzet Secured

    70/240

     70

    Lángterjedési sebesség   Λ 

    s

    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

    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

      

       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

    lr n   π  ( l a kis kúpok magassága )

    úje   T T   =  

    22

    22 11  

     

      

     +⋅⋅⋅=

     

      

     +⋅⋅n

    új

    n

    er 

    l

    r nr 

     L

    T r 

      π π   

    ezért

    22

    11    

      

     +=

     

      

     +nr 

    l

     L amiből

    n L

    l

    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 

    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

    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

    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   −⋅=−⋅=  

    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 

    gr nV 

    ⋅=→

    ⋅⋅=⋅

    ⋅=⋅=

    π 

    π π π    ɺɺ  

    mivelr 

    wg

    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 zk   −⋅= 0   ahol z0 A és B részecskék ütközési száma

    átírva ezt az Arrhenius (1883) összefüggésbe

     RT 

    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 

    ⋅=⋅⋅=−=  −

    )(

    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 

  • 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

    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

      ∆⋅=

    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

    ⋅=

    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

    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

    ⋅⋅=

    ⋅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