Eficienta arderii la centrale termice

Eficienta arderii

            Dupa cum am vazut intr-un paragraf anterior cantitatea de caldura produsa de un arzator se poate calcula inmultind cantitatea de combustibil ars in unitatea de timp cu puterea calorica a combustibilului, aceasta constituind puterea termica totala obtinuta  (notata cu Pt in figura de mai jos). Puterea termica utilizata insa, in instalatia de caldura aferenta este puterea regasita in apa care parcurge atat corpul schimbatorului de caldura (cazanului) cat si corpurile de caldura ale instalatiei, notata  Pu adica puterea termica utila. Daca Pu = Pt am avea un proces de ardere ideal si un transfer de caldura ideal deci randamentul, care este exprimat prin relatia η = Pu / Pt , ar fi egal cu 1. Evident, practic este imposibil.

In transferul de caldura de la Pt la Pu intervin cel putin trei componente care reprezinta pierderi de caldura catre mediul ambient sau exterior :

Randamentul arderii :  Reprezinta acea componenta a cantitatii de caldura, ca procent din cantitatea totala,  care nu este produsa in camera de ardere datorita unei arderi incomplete a combustibilului. Cu alte cuvinte orice molecula de combustibil (sau atomi de carbon, hidrogen si monoxid de carbon) care este evacuata pe cos sub alta forma decat bioxid de carbon sau vapori de apa reprezinta pierdere de caldura, deci caldura care s-ar fi obtinut prin arderea ei, se pierde.

Prezenta acestor substante in gazele de ardere este detectata cu analizorul de gaze arse. Intrucat prezenta uneia dintre componentele de mai sus in gazele de ardere inseamna, in marea majoritate a cazurilor o deficienta de reglaj, vom analiza pe rand cauzele care duc la aparitia acestora in gazele de ardere si modalitatile de corectare.

a.  prezenta combustibilului nears in gazele de ardere :

Moleculele de combustibil nu sunt detectate, in general, cu sonda analizorului de gaze arse. Sunt evidentiate mai ales prin inspectarea vizuala a camerei de ardere si a cailor de fum ale cazanului (in special pentru combustibili lichizi), uneori prin aspectului fumului sau miros (mai ales cele de GPL si gaz metan).

Cauza nu poate fi decat un dezechilibru mare (in ambele sensuri) intre cantitatile de aer si de combustibil introduse in camera de ardere. Daca exista prea mult combustibil raman molecule nearse datorita lipsei de oxigen pentru reactie. Daca exista prea mult aer, viteza de parcurgere a camerei de ardere fiind mare, moleculele de combustibil nu au timp sa arda complet.

Fenomenul se manifesta in special in cazul utilizarii combustibililor lichizi si, mai ales, in combinatie cu o pulverizare defectuoasa a combustibilului la iesirea din duza.  Cauzele pot fi : presiunea redusa la iesirea pompei de combustibil sau o vascozitate a acestuia peste limitele admise (determinata de temperatura scazuta sau calitatea slaba a combustibilului).

eficienta arderii

Efectul este ca particulele de combustibil intra in camera de ardere avand  dimensiuni mari si arderea completa nu se mai realizeaza.  Arderea unei particule de combustibil nu se produce instantaneu ci progresiv, pe masura ce aceasta inainteaza in camera de ardere. Daca viteza de parcurgere a camerei de ardere este prea mare (reglajul debitului de  aer sau pozitia capului de ardere incorecte), dimensiunile particulei sunt prea mari (presiune mica a pompei) sau camera de ardere este prea scurta (alegere gresita a echipamentelor), flacara patrunde pe caile de evacuare a gazelor de ardere sau se loveste de partea din spate a camerei si arderea devine total necontrolata. Stiind ca dintre cele doua componente ale unui combustibil (C si H) primul intra in reactie hidrogenul, fiind mai volatil, in final ramane, in proportie mai mare carbonul, ceea ce duce la depunerea de funingine pe tubulatura cazanului.

Un alt fenomen care poate avea loc este acumularea lichidului in partea inferioara a camerei de ardere, datorita greutatii mari a particulelor initiale. In acest caz, de regula, flacara ramane in camera de ardere si dupa oprirea arzatorului, arderea in acest caz fiind total necontrolata si cu un randament foarte scazut. 

In concluzie un arzator in aceasta situatie este un arzator defect sau prost reglat si trebuie intervenit imediat.

b.  prezenta carbonului in gazele de ardere

Am vazut cauzele si efectele prezentei carbonului in gazele de ardere la punctul anterior. Masurarea concentratiei de carbon se face utilizand testul ‘baccara’ care consta in aspirarea unui volum standard de gaze de ardere printr-un filtru de hartie speciala si stabilirea procentului prin compararea cu teste etalon de culoare. Este de retinut ca un arzator reglat corect din punct de vedere al continutului de oxigen si monoxid de carbon in gazele de ardere, nu ere motive sa produca funingine, de aceea testul bacara nu este obligatoriu.

Promotii Centrale termice

c.  prezenta monoxidului de carbon in gazele de ardere

Monoxidul de carbon – CO – este un produs intermediar al unei reactii de ardere, de aceea prezenta lui in gazele de ardere semnifica, in cele mai multe cazuri, aer insuficient in amestec. De remarcat ca din acest punct de vedere, prezenta hidrogenului are aceiasi semnificatie, de aceea multe analizoare de gaz le masoara impreuna si le afiseaza ca procent de CO. Intrucat un procent minim de CO inseamna atat emisie mica de noxe cat si crestere de randament, putem spune ca orice reglaj efectuat asupra unui arzator care duce la scaderea procentului de CO in gazele de ardere, este un reglaj bun. Si in cazul excesului mare de aer (procent de oxigen de peste 12 % ) pot sa apara cresteri ale monoxidului de carbon dar cauza este alta, adica timpul scurt de traversare a camerei de ardere de catre atomii de combustibil, timp in care uneori are loc numai prima faza a arderii. Se confirma inca o data ca principalul scop al operatiilor de  reglare a unui  arzator trebuie sa fie minimizarea continutului de CO in gazele de ardere. 

Pc  -   pierderea de caldura la cos. Este cantitatea de caldura inmagazinata in gazele de ardere care pleaca pe cos si se disipa in atmosfera. Depinde de multi parametrii, incepand de la calitatea reglajelor arzatorului pana la forma constructiva a cazanului (camera de ardere si schimbator), tipul cosului de fum etc. Reprezinta principala pierdere a unui generator de caldura, indiferent ce principiu de functionare ar avea.

eficienta arderii

De remarcat ca aceste pierderi pot fi minimizate, prin diverse metode, dar nu pot sa scada sub o anumita valoare limita, impusa de principiul de functionare al schimbatorului (aceasta valoare este data de specialisti in jurul valorii de 6...8 %). Pentru a avea pierderi zero pe cos ar trebui ca temperatura gazelor de ardere la iesirea din corpul cazanului (a schimbatorului termic) sa fie egala cu a aerului care intra in arzator ca aer de amestec). Ori in acest caz nu se mai produce un schimb de caldura din gazele arse catre  apa care circula prin cazan ci invers, ceea ce ar fi un lucru cu totul anormal.
            Cantitatea de caldura transferata intre doua medii aflate in contact (schimbator de caldura) se poate calcula cu formula :

                        Q  = k    S    T, unde :

            k = coeficientul global de transmisie a caldurii depinzand de caracteristicile mediului de transfer, parametrii celor doi agenti prin care se transfera caldura etc.
Coeficientul k se masoara in [W/m2 ∙  K] si se poate calcula cu expresia :

eficienta arderii

in care :
                        - α1  si   α2  sunt coeficientii de schimb de caldura ai mediului care cedeaza, respectiv care primeste caldura,
                        - δp si  λp reprezinta grosimea si,respectiv conductivitatea termica a peretelui  care separa cele doua  medii,
            Expresia matematica de la numitorul formulei de mai sus se numeste rezistenta termica a unui mediu de transfer si este de fapt o suma de termeni reprezentand rezistenta termica a diferitelor straturi de material care intra in componenta mediului de transfer.
 
            S = suprafata de schimb de caldura (suprafata activa de contact intre cele doua medii),
           
            T = TM – Tm   =  diferenta de temperatura intre mediul care cedeaza caldura (TM) si cel care primeste caldura (Tm).

            Este evident ca in cazul in care  TM = Tm sau TM < Tm  nu putem vorbi de un transfer de caldura ( Q este egal cu zero sau Q este negativ). Rezulta deci, ca pentru a avea un transfer de caldura eficient (cantitate mare de caldura transferata in unitate de timp), T trebuie sa fie cat mai mare, considerand ca ceilalti doi factori ai formulei, k si S, sunt constanti pentru o aplicatie data.
Acesta este si principalul motiv pentru care in cazul unui schimb de caldura de-a lungul unei suprafete, se recomanda circulatia in sensuri diferite (in contracurent) a celor doi agenti.

eficienta arderii

Daca sensurile de curgere ar fi in aceiasi directie ∆ T2 ar avea o valoare foarte mica.

Ex. 1 : Preparare acm in boiler cu serpentina. Circulatia celor doua fluide de o parte si de cealalta a peretilor serpentinei se desfasoara in contracurent : agentul primar de sus in jos, apa rece/calda de jos in sus. Daca am introduce agentul primar pe racordul de jos, pe masura ce apa rece se incalzeste, parcurgand boilerul de jos in sus si agentul se raceste (mergand in acelasi sens), in partea superioara a boilerului diferenta de temperatura dintre ele se micsoreaza si o parte a suprafetei de schimb de caldura se poate pierde, ca eficienta.

            Acelasi lucru se intampla si la nivelul schimbatoarelor de caldura in placi sau la transferul caldurii prin radiatoare (este recomandat ca turul instalatiei sa fie legat la racordul superior al radiatorului).

eficienta arderii

2.  Pr – pierderea de caldura prin radiatie, prin peretii schimbatorului catre mediul ambient. In functie de izolatia cazanului, suprafata etc.  aceasta poate reprezenta 0,5  pana la 2 % din Pt. Exista doua situatii diferite :
            - in cazul in care schimbatorul (cazanul) este montat intr-o incapere care are nevoie de incalzire,
aceste pierderi pot fi incluse in putere utila – Pu.
            - in cazul in care cazanul este montat intr-o incapere care, in mod normal nu ar trebui incalzita aceasta componenta reprezinta pierderi de caldura efective.

            Formulele si fenomenele discutate mai sus sunt valabile in cazul in care calculam Pt luand in considerare puterea calorica inferioara a combustibilului (cum se procedeaza in marea majoritate a cazurilor). Daca pornim de la valoarea puterii calorice superioare trebuie sa scadem din valoarea puterii termice totale si cantitatea de caldura latenta continuta in vaporii de apa prezenti in gazele de ardere.

eficienta arderii

Pierderile de caldura la cos se pot calcula pe baza unui set de masuratori efectuate in regimul nominal de functionare al ansamblului cazan/arzator.

  • Ta. - temperatura mediului ambiant, mai precis temperatura aerului de amestec la intrarea in camera de ardere, 
  • Tg. - temperatura gazelor de ardere la iesirea din schimbator. Punctul optim de masura este considerat centrul suprafetei de evacuare a gazelor, la doua diametre ale racordului la cos fata de iesirea din schimbator 
  • CO2 %. - continutul (in procente) de bioxid de carbon in gazele de ardere.  Se va masura in acelasi punct ca si temperatura gazelor arse  .

eficienta arderii

Ks reprezinta un coeficient care depinde de tipul combustibilului si de procentul de CO2 in gazele de ardere.  Valorile principale ale lui Ks sunt date in tabelul de mai jos.

 

Procent CO2 in gazele arse
[%]

                                Valoare  Ks

     Motorina         

       CLU

   Gaz metan

     carbune

4

0.523

0.543

0.418

0.749

5

0.530

0.550

0.427

0.749

6

0.536

0.556

0.437

0.750

7

0.543

0.563

0.447

0.750

8

0.550

0.570

0.457

0.751

9

0.557

0.576

0.466

0.751

10

0.564

0.583

0.476

0.752

11

0.571

0.590

0.486

0.752

12

0.578

0.596

 

0.753

13

0.585

0.603

 

0.753

14

0.582

0.610

 

0.754

15

 

 

 

0.754

16

 

 

 

0.755

            Pentru GPL se poate lua valoarea Ks = 0.51 pentru tot domeniul.

            Din formula de calcul a pierderilor la cos se deduc si principalele metode de marire a randamentului unui generator de caldura (micsorare a pierderilor):

            - scaderea  temperaturii gazelor de ardere :
- curatarea periodica a suprafetelor de schimb de caldura ale cazanului, intrucat depunerile, de orice natura, duc la reducerea sectiunilor de trecere a gazelor de ardere si la un factor redus de transfer a caldurii,
- existenta turbulatoarelor pe caile de evacuare (marirea suprafetei active de schimb de caldura si evitarea curgerii laminare a gazelor in tubulaturile de evacuare),
- mentinerea tirajului cosului in limitele cerute de producator (un tiraj prea mare mareste viteza de traversare a schimbatorului).

- marirea temperaturii aerului de aspiratie al arzatorului,
- priza de aer proaspat se va practica pe cat posibil cat mai departe de arzator si, eventual la partea superioara a camerei (se recupereaza partial din pierderile locale ale cazanului prin preincalzirea aerului de intrare in arzator).

            - marirea procentului de CO2 in gazele de ardere (ardere cat mai completa).

            In practica se mai folosesc si alte formule :

eficienta arderii sau formula eficienta arderii

Unde :             - A1,  A2,  B sunt constante care definesc tipul de combustibil.
               - O2 si CO2 sunt valorile masurate in gazele de ardere, in procente. 

Tip combustibil

A1

A2

B

Gaz metan

0.66

0.38

0.010

GPL

0.63

0,42

0.008

Motorina

0.68

0,50

0,007

CLU

0.68

0,52

0.007

Tabel cu caracteristicile principalilor combustibili gazosi

 

Tip combustibil

Formula chimica

 

Puterea calorica superioara

[Kcal/Nm3]

Puterea calorica inferioara

[Kcal/Nm3]

Densitatea relativa fata de aer
daer = 1

Densitatea

 

[Kg/Nm3]

Procentul maxim de CO2 in gazele arse
[%]

Hidrogen

H2

3 050

2 570

0,070

0,090

-

Monoxid de carbon

CO

3 020

3 020

1,250

2,88

34,7

Metan

CH4

9 520

8 550

0,717

8,52

11,7

Propan

C3H6

24 320

22 350

2,019

21,80

13,8

n-butan

C4H10

32 010

29 510

2,703

28,44

14,1

i-butan

C4H10

31 530

29 050

2,668

28,44

14,1

Acetilena

C2H2

14 055

13 571

1,171

11,40

17,5