Puterea calorica

Puterea calorica este parametrul care defineste din punct de vedere calitativ un anume combustibil si reprezinta cantitatea de caldura pe care o poate produce prin ardere completa o unitate standard de combustibil. Unitatile standard cele mai utilizate sunt:

  • pentru combustibilii lichizi si solizi se foloseste kg.
  • pentru cei gazosi se utilizeaza metrul cub normal (Nm3 – un metru cub de gaz masurat la p = 1 bar = 10,13 m coloana de apa si T = 0 0C) si metrul cub standard (Sm3 – masurat la p = 1 bar si T = 15 0C)

Puterea calorica va fi deci exprimata in: pc = [Kj/kg,  Kj/Nm3,  Kwh/Kg,  Kwh/Nm3  etc.]

Trebuie insa luat in discutie si aspectul privind reactia de oxidare a hidrogenului in cadrul reactiei de ardere, in care produsul final este apa. Apa rezultata in urma arderii unui combustibil nu poate fi decat sub forma de vapori intrucat este produsa la temperaturi de peste 1000 °C. Acesti vapori sunt evacuati odata cu gazele de ardere si ajung, pe cos, in atmosfera. Problema este ca vaporii de apa contin o cantitate de caldura (caldura necesara pentru a aduce apa din stare lichida in stare de vapori), numita caldura latenta a vaporilor de apa, caldura care se pierde odata cu trecerea vaporilor in atmosfera. Aceasta caldura latenta este cedata mediului in momentul in care are loc trecerea vaporilor de apa din stare de vapori in stare lichida, adica la condensare.

Prin urmare exista doua situatii diferite in ceea ce priveste marimea cantitatii de caldura obtinuta prin arderea unei cantitati standard de combustibil:
- Qs – cantitatea de caldura obtinuta in urma arderii atunci cand, dupa trec de schimbatorul de caldura, gazele de ardere nu contin vapori de apa. Evident ca in acest caz apa produsa in timpul procesului de ardere se transforma in lichid (vaporii de apa condenseaza pe suprafata schimbatorului) si este evacuata separat din camera de ardere.

In acest caz caldura latenta a vaporilor este cedata schimbatorului deci contribuie ca si caldura utila la bilantul energetic al arderii. Este metoda utilizata in cazul centralelor in condensatie pentru marirea sensibila a randamentului unei centrale termice. Evident ca in acest caz si puterea calorica a combustibilului este mai mare si se defineste ca si Putere calorica superioara (bruta) - Pcs
- Qi – cantitatea de caldura obtinuta in cazul evacuarii apei numai sub forma de vapori odata cu gazele de ardere rezultate. In acest caz, datorita temperaturii ridicate a schimbatorului de caldura (peste temperatura de condensare a vaporilor de apa), caldura latenta a vaporilor este pierduta ca si caldura utila fiind disipata in mediul atmosferic. Puterea calorica a combustibilului se defineste aici ca Puterea calorica inferioara (neta) - Pci

Unitatile de masura cele mai utilizate pentru energia termica (cantitate de caldura) sunt Kilocaloria [Kcal] si Kilojoulul [Kj]. 

Caloria este unitatea de masura de baza pentru energia termica si reprezinta cantitatea de caldura necesara pentru a ridica temperatura unui mililitru de apa distilata, cu un grad Celsius. O kilocalorie este egala cu 1000 de calorii adica cantitatea de caldura necesara pentru a ridica temperatura unui litru de apa (1000 ml), cu un grad Celsius.

Joulul desi, definit initial ca unitate de masura a lucrului mecanic si / sau a energiei mecanice, se foloseste in prezent pentru masura oricaror forme de energie inclusiv cea termica.
1 J = 0.2388 cal
1 cal = 4,1876 J

Watt-ul este unitate de masura pentru putere in sistemul international de unitati, deci in watti exprimam de regula energia termica sau cantitatea de caldura produsa sau transferata in unitate de timp, plecand de la formula:  P (putere) = W (E) (energia) / t (timp).
1 Kwh = 0.8605 Kcal. 
1 Kcal  =  1,163 Kwh.

Pentru a calcula energia termica produsa intr-un interval de timp (deci puterea x timpul) de  un arzator se inmulteste cantitatea de combustibil consumata  in unitatea de timp (kg/h pentru combustibil solid si lichid, Nm3/h pentru combustibil gazos) cu puterea calorica a combustibilului.

Exemple: - pentru un arzator pe gaz metan care consuma 10 Nm3/h, energia termica va fi:

            Pth  = 10 Nm3  x  8 550 Kcal/Nm3  =  85 500 Kcal  =  99,4365 Kwh
Acelasi arzator daca functioneaza pe GPL va avea puterea:
Pth  = 10 Nm3  x  22 000 Kcal/Nm3  =  220 000 Kcal  =  255,860 Kwh

  • pentru un arzator pe motorina cu un consum de 10 Kg/h:

            Pth  = 10 Kg  x  10 200 Kcal/Kg  =  102 000 Kcal  =  118,626 Kwh

            Sa revenim insa la reactiile de ardere descrise mai sus pentru a vedea cum se desfasoara aceste procese in realitate, adica atunci cand intervin diversi factori perturbatori.
Constatam, am putea spune din pacate, ca lucrurile stau putin altfel. Reactiile chimice ale arderii si cantitatile de caldura obtinute depind de mult mai multi factori pe care vom incerca sa ii luam in considerare in paragrafele de mai jos.
Rezulta, de aici ca pentru a produce caldura trebuie sa introducem in camera de ardere a unui schimbator de caldura un amestec de combustibil si oxigen si sa initiem procesul de oxidare rapida, printr-un procedeu de aprindere.

Teoretic, pentru a obtine cantitatea maxima de caldura (randamentul maxim) dintr-un proces de ardere, este necesar  ca fiecare atom de combustibil sa intre in reactie cu oxigenul, rezultand o serie de compusi neinflamabili eliminati in gazele de ardere. In acelasi timp nu trebuie sa existe nici atomi de oxigen in plus pentru ca acestia, neparticipand la reactiile de ardere, doar traverseaza camera de ardere, incalzindu-se si plecand pe cos cu o parte a caldurii produse.
Practic, insa, realizarea unui proces de ardere ideal este o problema imposibila (randament egal cu 100 % nu se poate atinge) si, de multe ori, greu de realizat chiar si la randamente mai mici, de 90...95 %.

Promotii Centrale termice

Principalele impedimente care apar in practica, in controlul arderii, pot fi impartite in doua categorii:

1. Realizarea amestecului proportional optim intre cantitatea de oxigen si cantitatea de combustibil din camera de ardere si mentinerea constanta in timp a acestuia, este dificila, mai ales cu echipamente accesibile ca pret.
O proportie diferita cu mult de cea optima are doua efecte negative majore:

- Emisia in atmosfera a unei cantitati mari de monoxid de carbon ( CO ), un gaz incolor si foarte toxic pentru organismul uman. Proportia de  CO in gazele de ardere emise in atmosfera este strict limitata de legislatia de mediu a fiecarei ţări si este conditie de autorizare a functionarii unei centrale termice. Conditiile in care se pot produce cantitati mari de CO si metodele de reducere a acestora vor fi detaliate in paginile de mai jos.
- Reducerea randamentului arderii. Are loc atat in cazul in care aerul este in exces cat si atunci cand aerul este insuficient pentru ardere. De asemenea vom detalia mai jos.

2. Atat oxigenul cat si combustibilii nu se gasesc in natura in stare pura si din aceasta cauza, intr-o camera de ardere, intervin si alte substante care, intr-un fel sau altul “strica” calitatea procesului.

Principalele astfel de substante ar fi:

- Azot  ( N ): intrucat oxigenul necesar arderii este luat din aerul atmosferic, iar procentul de azot in aer este de aproximativ 79 %, rezulta ca pentru fiecare m3  de oxigen folosit la ardere, prin camera de ardere trec si 3,5  m3 de azot. In anumite conditii de temperatura azotul se poate combina cu oxigenul, rezultand mono- si bioxid de azot (NO  + NO2  =  NOx  ), substante toxice, a caror emisie in atmosfera trebuie drastic limitata.
- Sulf  ( S ): este prezent in cantitati mici, ca impuritate de extractie sau tehnologica, in componenta combustibililor lichizi (motorina si CLU) si poate produce in procesul de ardere bioxid de sulf
( SO2 ), in reactie cu oxigenul. Bioxidul de sulf este o substanta iritanta si urat mirositoare. Utilizarea unor combustibili de calitate superioara elimina, in mare parte, posibilitatea producerii SO2.

Realizarea amestecului optim si introducerea lui in camera de ardere cad in sarcina arzatorului, modul de reglare al acestuia fiind un factor decisiv in functionarea de durata a ansamblului arzator/cazan.

Fenomenele care apar intr-o camera de ardere:

- reactiile chimice ale arderii,
- substantele care rezulta in urma arderii si efectul lor asupra mediului,
- importanta masurarii si optimizarii parametrilor arderii.