• Καύση


    1. ΓΕΝΙΚΑ


    Όπως είναι γνωστό, μπορούμε με την βοήθεια μιας θερμικής μηχανής, να μετατρέψουμε θερμότητα, σε μηχανικό έργο. Κάθε θερμική μηχανή, για την επίτευξη της παραπάνω μετατροπής, πρέπει να εργάζεται μεταξύ δυο θερμικών συστημάτων διαφορετικής μεταξύ τους θερμοκρασίας (υψηλής και χαμηλής).
    Από το σύστημα υψηλής θερμοκρασίας, η μηχανή παραλαμβάνει θερμότητα, από την οποία ένα μέρος μετασχηματίζει σε μηχανικό έργο, ενώ την υπόλοιπη, αποβάλλει στο σύστημα χαμηλής θερμοκρασίας.
    Στη Φύση, σπάνια συνυπάρχουν και τα δύο παραπάνω συστήματα. Συνεπώς, αν θέλουμε να παραλάβουμε μηχανικό έργο με τη βοήθεια θερμικής μηχανής, είναι απαραίτητο, να δημιουργήσουμε τεχνητά το ένα από τα δύο συστήματα. Συνήθως, χρησιμοποιούμε ως σύστημα χαμηλής θερμοκρασίας, τον αέρα του περιβάλλοντος και το νερό των ποταμών, λιμνών ή της θάλασσας. Το σύστημα υψηλής θερμοκρασίας, δημιουργούμε τεχνητά με την καύση των διαφόρων καυσίμων.
    Καύση μπορούμε να ονομάσουμε, κάθε εξώθερμη χημική αντίδραση ενός υλικού καυσίμου με το οξυγόνο, που όμως, συντελείται με αρκετά υψηλό ρυθμό απόδοσης θερμότητας, έτσι ώστε, η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της, να είναι τεχνικά εκμεταλλεύσιμη. Έτσι, η οξείδωση του σιδήρου π.χ. στο περιβάλλον, η οποία είναι εξώθερμη χημική αντίδραση ταυ σιδήρου με το οξυγόνο του αέρα, δεν μπορεί να χαρακτηρισθεί ως καύση, επειδή ο ρυθμός παροχής θερμότητας κατά την διάρκεια της, είναι πρακτικά μηδενικός. Κατά την καύση, μετατρέπεται η χημική ενέργεια του καυσίμου, σε θερμική. Το οξυγόνο που απαιτείται για την διεξαγωγή της, λαμβάνεται από τον αέρα του περιβάλλοντος ή συνυπάρχει με το καύσιμο, όπως στα εκρηκτικά υλικά. Μερικές φορές, η καύση γίνεται με καθαρό οξυγόνο (περίπτωση πυραυλοκινητήρων). Όπως σε κάθε χημική αντίδραση, έτσι και στην καύση, η έρευνα του φαινομένου, περιλαμβάνει δύο βασικούς τομείς:
    α) Την παρακολούθηση ;τών: ουσιών που παίρνουν μέρος στην καύση απο ποιοτική και ποσοτική σκοπιά, (δηλ. την μελέτη του μετασχηματισμού τους κατά την καύση και την διατύπωση των σχέσεων μεταξύ των ποσοτήτων των αρχικών υλών και των προϊόντων καύσης). Τα θέματα αυτά εξετάζει η Στοιχέιομετρία.
    β). Τον προσδιορισμό της ταχύτητας αντίδρασης. Η γνώση του παράγοντος αυτού, έχει βασική σημασία για την εκλογή του μεγέθους της μηχανής ή συστήματος για τη λήψη προκαθορισμένης ισχύος.


    2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ

    2.1 Έναυση και θερμοκρασία αυτής

    Για την επίτευξη της καύσης ενός καυσίμου υλικού, είναι απαραίτητη, εκτός από την παρουσία του οξυγόνου και μια πηγή έναυασης. Οξείδωση του καυσίμου, είναι δυνατή σε όλες τις θερμοκρασίες. Στις μικρές θερμοκρασίες, το φαινόμενο τούτο, αναπτύσσεται με τόσο μικρή ταχύτητα, ώστε η θερμότητα που εκλύεται, να αποδίδεται στο περιβάλλον, χωρίς αισθητή αύξηση της θερμοκρα¬σίας του καυσίμου. Μόνο πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία, αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης, τόσο ώστε, η θερμότητα που παράγεται κατά την διάρκεια της, να υπερτερεί εκείνης που αποδίδεται στο περιβάλλον. Με τον τρόπο αυτό, αυξάνεται η θερμοκρασία του καυσίμου και επιταχύνεται συνεχώς η αντίδραση του με το οξυγόνο. Η ικανότητα του καυσίμου να αντιδρά με το οξυγόνο, είναι μια από τις χημικές του ιδιότητες. Η ταχύτητα όμως της αντίδρασης αυτής, δεν προσδιορίζεται μόνο από την παραπάνω του ικανότητα, επειδή η καύση και η εξαερίωση του καυσίμου, είναι τόσο χημικά όσο και φυσικά φαινόμενα και ο φυσικός χαρακτήρας συμβάλλει αποφασιστικά, στην διαμόρφωση της ταχύτητας αντίδρασης (π.χ. στις υψηλές θερμοκρασίες, η ταχύτητα αντίδρασης εξαρτάται αποκλειστικά από τον φυσικό χαρακτήρα του φαινομένου της ανάμειξης του καυσίμου, με τον φορέα του οξειδωτικού μέσου).

    2.2 Σημείο ανάφλεξης

    Είναι, η κατώτατη θερμοκρασία στην οποία αν θερμανθεί το καύσιμο, αναφλέγεται κάτω από ορισμένες συνθήκες, αν το πλησιάσει μια πηγή θερμότητας, αλλά δεν συνεχίζει να καίεται όταν απομακρυνθεί η πηγή.

    2.3 Σημείο καύσης

    Είναι η κατώτατη θερμοκρασία του καυσίμου, στην οποία αυτό αναφλέγεται και συνεχίζει να καίεται και μετά την απομάκρυνση της πηγής έναυσης.

    2.4 Σημείο αυτανάφλεξης

    Είναι η θερμοκρασία, στην οποία αν θερμανθεί το καύσιμο, αναφλέγεται κάτω από ορισμένες συνθήκες, χωρίς την προσέγγιση του από πηγή θερμότητας.
    Η ανάφλεξη, εξαρτάται από την ικανότητα και την ταχύτητα αντίδρασης του καυσίμου με το οξυγόνο, αλλά και από άλλους παράγοντες, όπως π.χ. το μέγεθος του κόκκου του, την υγρασία του, την θερμοκρασία του περιβάλλοντος, την θερμική αντινοβολία που δέχεται ή προσδίδει οτο περιβάλλον, την ταχύτητα του αέρα της καύσης, το βαθμό διασκορπισμού του (προκείμενου περί υγρού καυσίμου) κλπ., δηλ. από μια σειρά φυσικών ή κατασκευαστικών μεγεθών. Παρακάτω δίδονται τιμές της θερμοκρασίας ανάφλεξης διαφορων καυσίμων, σε οC κατά W.Gumz 26

    α) Στερεά καύσιμα

    Ξύλο (μαλακό) 220
    Ξύλο (σκληρό) 300
    Τύρφη (ξηραμένη σε αέρα) 225-280
    Φαιάνθρακες 135-240
    Λιθάνθρακες για παραγωγή αεριόφωτος 214-230
    Ανθρακίτης 485
    Ξυλάνθρακες 133-208
    Κοκ 505-560
    Γραφίτης 658
    Αιθάλη 560-600

    β) Υγρά καύσιμα

    Βενζίνη 330-520
    Βενζόλιο 520-600
    Πετρέλαιο 230-242
    Βαρύ πετρέλαιο 212

    γ) Αέρια καύσιμα

    Μονοξείδιο άνθρακα CΟ 590-610
    Υδρογόνο Η2 450-530
    Μεθάνιο CH4 645
    Αιθάνιο C2H6 500-530
    Αθυλένιο C2H4 485-540
    Προπάνιο C3H8 490-510
    Βουτάνιο C4H10 460-490
    Ακετυλένιο C2H2 355
    Φωταέριο 450-560

    Οι παραπάνω τιμές, δεν αποτελούν απόλυτα μεγέθη και είναι αποτέλεσμα μετρήσεων με διάφορες μεθόδους. Κατά συνέπεια, έχουν μόνο συμβουλευτικό χαρακτήρα και πρέπει να θεωρηθούν, προσεγγίσεις.


    3. ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΣΕ ΧΑΜΗΛΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

    Η οξείδωση, που παρατηρείται σε θερμοκρασίες κατώτερες από το σημείο ανάφλεξης, λέγεται βραδεία οξείδωση . Η γνώση της, έχει σπουδαίας σημασία για την αποθήκευση των στερεών καυσίμων. Κυρίως, σε καύσιμα με μικρό μέγεθος κόκκου, παρατηρείτα οξείδωση με το οξυγόνο του αέρα,στην θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Από .την οξείδωση αυτή, σχηματίζονται CO2,CO και Η2Ο. Η αντίδραση με το οξυγόνο, είναι τόσο πιο έντονη,όσο μικρότερο είναι το μέγεθος του κόκκου του καυσίμου και όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος.
    Εξαιτίας της βραδείας οξείδωσης, παρατηρείται διάσπαση του κόκκου του καυσίμου (με αποτέλεσμα μικρή μείωση της θερμογόνου ικανότητας του) και ακόμα, αύξηση της θερμοκρασίας του καυσίμου, που μπορεί να οδηγήσει στην ανάφλεξή του (κυρίως στους φαιάνθρακες). Για τον λόγο αυτό, πρέπει όσο είναι δυνατόν,να εμποδίζεται η κυκλοφορία του αέρα μέσα στο σωρό των στερεών καυσίμων, για να αποφεύγεται έτσι, η επαφή τους με το οξυγόνο. Για τον ίδιο λόγο, πρέπει η θερμοκρασία τους, να μην υπερβαίνει τους 50-60 °C, το ύψος του σωρού να μην υπερβαίνει τα 4-6 m και ακόμα, να αποφεύγεται ανάμειξη καυσίμων, με διαφορετικό μέγεθος κόκκου. Γι’ αυτό το λόγο, επιβάλλεται ο αδιάκοπος έλεγχος της θερμοκρασίας του σωρού, η προστασία του από την ηλιακή ακτινοβολία κ.λ.π.


    4. ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ

    4.1 Γενικά

    Η ύλη αποτελείται από διάφορα στοιχεία. Τα στοιχεία που βρίσκονται συνηθέστερα στα καύσιμα είναι: ’νθρακας (C), Υδρογόνο (Η), Οξυγόνο (Ο), ’ζωτο (Ν), θείο (S), και Νερό (Η2Ο). Τα συστατικά ενός καυσίμου που καίονται, είναι ο άνθρακας, το υδρογόνο και το θείο. Οι ποσοτικές σχέσεις των στοιχείων αυτών με το οξυγόνο, για τέλεια καύση, δίδονται από τις παρακάτω σχέσεις {27}:
    C + O -> CO2 (γ-1)
    H2 + 1/2O2 -> H20 (γ-2)
    S + O2 -> SO2 (γ-3)

    Οι σχέσεις αυτές, δεν είναι μαθηματικές εξισώσεις. Στην πρώτη π.χ. σχέση, δεν εννοούμε ότι, ο άνθρακας και το οξυγόνο ισούνται με το διοξείδιο του άνθρακα, αλλά ότι, από την τέλεια καΰση του άνθρακα, δημιουργείται διοξείδιο του άνθρακα. Αντίθετα, ΟΙ παραπάνω σχέσεις, έχουν την ισχύ εξισώσεων, σε ό¬τι αφορά τις μοριακές ποσότητες των στοιχείων που αντιδρούν και των προϊόντων των αντιδράσεων.
    Έτσι, με την πρώτη σχέση, εννοούμε ακόμα ότι:
    Για την τέλεια καύση ενός kmol άνθρακα, απαιτείται ένα kmol οξυγόνου και από αυτήν παράγεται ένα kmol διοξειδίου του άνθρακα. Η περιεκτικότητα των στερεών και υγρών καυσίμων σε διάφορα στοιχεία, δίδεται συνήθως κατά μάζα. Δηλαδή, προκειμένου για ένα λιθάνθρακα δίδεται η περιεκτικότητα του σε στοιχειακό άνθρακα σε kg άνθρακα ανά kg καυσίμου, σε στοιχειακό υδρογόνο σε kg υδρογόνου ανά kg καυσίμου κ.ο.κ. Αν λουιόν ένα kg λιθάνθρακα,περιέχει μC kg στοιχ. άνθρακα, ή μC / 12 kmol στοιχ. άνθρακα, (αφού κάθε kmol άνθρακα αντιπροσωπεύει μάζα περίπου 12 kg, όπως είναι γνωστό), η πιο πάνω σχέση, μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι, για την καύση αυτής της ποσότητας άνθρακα, θα απαιτηθεί ίσος αριθμός kmol Ο2 και θα παραχθεί, πάλι, ίσος αριθμός kmol CO2. Δηλαδή, θα απαιτηθούν μC / 12 kmol Ο2 και θα παραχθούν μC / 12 kmol CO2 .Όμοια σκεφτόμαστε και για την καύση του περιεχομένου Η2 και S2.
    Η περιεκτικότητα πάλι, των αερίων καυσίμων σε διάφορα στοιχεία, δίδεται συνήθως κατ' όγκο. Η περιεχτικότητα αυτή, συμπίπτει, κατά τα γνωστά, με την περιεκτικότητα του αερίου καυσίμου κατά Mol (ισχύει κυρίως για ιδανικά αέρια). Δηλαδή, αν ενα αέριο καύσιμο, έχει περιεκτικότητα σε άνθρακα C κατ' όγκο, αυτό σημαίνει ότι, κάθε kmol του καυσίμου, περιέχει C kmol άνθρακα. Σύμφωνα λοιπόν με όσα ειπώθηκαν, για την καύση αυτού του άνθρακα, θα απαιτηθούν C kmol οξυγόνου και θα παραχθούν C kmol CO2. Τα ίδια ισχύουν και για την καύση του Η2 και του S2 των αερίων καυσίμων.

    4.2 Στοιχειομετρικη καύση

    Έτσι θα ονομασθεί η τελεια καύση, στην οποία χρησιμοποιείται, τόσο οξυγόνο όσο ακριβώς απαιτείται για την οξείδωση των στοιχείων του καυσίμου. Όπως είναι φυσικό, στα προϊόντα μιας τέτοιας καύσης, δεν υπάρχει οξυγόνο. Βέβαια, στην πραγματικότητα για την επίτευξη μιας τέλειας καύσης, απαιτείται γενικά μια περίσσεια οξυγόνου (ή αέρα) που είναι τόσο πιο μεγάλη, όσο οι συνθήκες ανάμειξης του οξυγόνου με το καύσιμο, είναι δυσμενέστερες. Η έρευνα της στοιχειομετρικής καύσης, παρόλα αυτά, αποτελεί την βάση για την εξέταση κάθε πραγματικής καύσης.

    4.2.1 Στοιχειομετριχη καύση χημικής ένωσης κατά FDBR

    Έστω ότι, το καύσιμο απορεί να εκφρασθεί με τον μοριακό τύπο:
    Cm Hn Sp Oq Nr (όπου m, n,p,q,r φυσικοί αριθμοί). Τότε, η γενική έκφραση της οξείδωσης του, είναι:

    Cm Hn Sp Oq Nr + ( m + +p - ) O2 -> mCO2 + H2O + pSO2 + N2

    Η μοριακή μάζα του καυσίμου, είναι:

    M = mMc + MH2 + pMS + MO2 + MN2

    Όπου:
    MC ,MH2 ,MS ,MO2 &MN2
    οι μοριακές μάζας kg/kmol) των περιεχομένων του (δηλ. άνθρακα, υδρογόνου, θείου, οξυγόνου και αζώτου) και οι οποίες .δίδονται, σε επόμενο πίνακα.

    Από την παραπάνω γενική έκφραση, προκύπτει η εξής:
    1 kg καυς. + kmol O2 -> kmol CO2 +
    + kmol H2O + kmol SO2 + kmol N2 (γ-6)
    ή 1 kg καυσ. + kmol O2 -> kmol CO2 +
    + kmol H2O + kmol SO2 + kmol N2 (γ-7)

    Οι μοριακές μάζες των διαφόρων στοιχείων ή ενώσεων που χρησιμοποιούμε, είναι οι παρακάτω:

    Μοριακή μάζα άνθρακα ΜD = 12,011 kg/kmol
    Μοριακή μάζα υδρογόνου ΜΗ2 = 2,016 kg/kmol
    Μοριακή μάζα θείου ΜS = 32,066 kg/kmol
    Μοριακή μάζα οξυγόνου Μ02 = 32,000 kg/kmol
    Μοριακή μάζα αζώτου ΜΝ2 = 28,016 kg/kmol
    Μοριακή μάζα αζώτου αέρα ΜΝ2 = 28,16 kg/kmol
    Μοριακή μάζα διοξειδίου του άνθρακα ΜCO = 44,010 kg/kmol
    Μοριακή μάζα υδρατμού ΜH2O = 18,016 kg/kmol
    Μοριακή μάζα διοξειδίου του θείου ΜSO2 = 64,066 kg/kmol
    Μοριακή μάζα αέρα ΜL = 28,970 kg/kmol

    (Ο αέρας, υποτίθεται ότι, περιέχει μόνο οξυγόνο και άζωτο με την παρακάτω κατά μάζα σύσταση):

    • Σε οξυγόνο:

    XO2L = 0.2321 (kg O2/kg αέρα)
    • Σε άζωτο:

    XO2L = 0.2321 (kg O2/kg αέρα)

    Στη συνέχεια, δίδονται ορισμένα χαρακτηριστικά μεγέθη οτοιχειομετρικής καύσης χημικής ένωσης. Στις παραστάσεις που ακολουθούν, με το σύμβολο μ, παριστάνεται η κατά μάζα περιεκτικότητα του καυσίμου, στο στοιχείο που σημειώνεται ως δείκτης του μ, ή η μάζα του στοιχείου του δείκτη που αναφέρεται στην στοιχειομετριχή καύση 1 kg καυσίμου. [Π.χ. μC είναι η περιεκτικότητα του καυσίμου σε άνθρακα (kg άνθρακα /kg καυσίμου) και μO2 είναι το απαιτούμενο οξυγόνο για την στοιχειομετρική καύση ενός kg καυσίμου (kg οξυγόνου/kg καυσίμου)].
    Από την παραπάνω γενική σχέση της καύσης 1 kg καυσίμου, προκύπτουν τα εξής χαρακτηριστικά μεγέθη:

    • Απαιτούμενο οξυγόνο:
    μΟ2ο = . ΜΟ2 (γ-8 )

    • Απαιτούμενος αέρας (χωρίς υγρασία):
    ΜLoT = (γ-9)

    Σημείωση: Ο δείκτης L, υποδηλώνει τον αέρα, ο δείκτης o, ότι αναφερόμαστε σε στοιχειομετρική καύση και ο δείκτης Τ, ότι ο αέρας είναι χωρίς υγρασία.

    • Παραγόμενο CΟ2:

    μCO2 = (γ-10)

    • Παραγόμενο SΟ2:

    μSO2 = (γ-11)

    • ’ζωτο στο καυσαέριο (με την προϋπόθεση ότι η καύση γίνεται με αέρα):

    ΜΝ2Ο = + ( 1 - xO2L )*μLoT (γ-12)

    • Υδρατμός στο καυσαέριο (με προϋπόθεση ότι ο αέρας της καύσης είναι ξηρος)

    μ(H2O)B = (γ-13)

    • Συνολικη ποσότητα καυσαερίου ξηρού (χωρίς υγρασία):

    mGoT = μCO2 + μSO2 + μN2o (γ-14)

    • Συνολική ποσότητα καυσαερίου φυσικού (με την προϋπόθεση ότι ο αέρας,της καύσης δεν έχει υγρασία):

    μGo = μGoT + μ(H2O)B (γ-15)

    Προφανώς, ισχύει ακόμα, από τον ισολογισμό μάζας στην καύση:

    μGo = μLoT + 1 (γ-16)


    Εκτός από τα σύμβολα που ήδη αναφέρθηκαν στα προηγούμενα, συναντάμε και τα εξής:

    R: Σταθερά της καταστατικής εξίσωσης για το αέριο καύσιμο (σε kj/kg*k).

    Hun: Κατώτερη θερμογόνος ικανότητα αερίου καυσίμου ανηγμένη σε ένα
    «κανονικό κυβικό μέτρο» όγκου του.

    Ηon: Ανώτερη θερμογόνος ικανότητα αερίου καυσίμου ανηγμένη σε ένα
    «κανονικό κυβικό μέτρο του».

    Ηu: Κατώτερη θερμογόνος ικανότητα καυσίμου ανηγμένη σε μάζα ενός kg

    Ηo: Ανώτερη θερμογόνος ικανότητα καυσίμου ανηγμένη σε μάζα ενός kg

    C/H: Λόγος μαζών άνθρακα και υδρογόνου, που περιέχονται στο καύσιμο.

    xCO2T: Ανώτατη περιεκτικότητα του ξηρού (χωρίς υγρασία) καυσαερίου του καυσίμου σε CO2 (σε kg CO2/kg καυσαερίου).

    yCO2T: παραπάνω μέγεθος, αλλά εκφρασμένο σε m3CO2/m3 καυσαερίου.

    xCO2T ή
    yCO2T : Ανώτατη περιεκτικότητα του ξηρού καυσαερίου του καυσίμου σε SO2 (σε kg SO2/kg καυσαερίου ή σε m2 SO2/m3 καυσαερίου).

    φΤ: Λογος καυσαερίου – αέρα

    φΤ = (χωρίς υγρασία) kg / kg

    φνΤ: Λογος καυσαερίου – αέρα

    φvT = (χωρίς υγρασία) m3 / m3