ΚΑΥΣΙΜΑ - ΚΑΥΣΗ Σαν καύσιμα έχει καθιερωθεί να ονομάζουμε όλα εκείνα τα υλικά τα οποία καίμε για να πάρουμε θερμότητα. www.fantakis.gr

Τα καύσιμα τώρα ανάλογα με τη φυσική τους κατάσταση χωρίζονται σε: Στερεά: ξύλο, ξυλοκάρβουνο, πυρήνα, κωκ, λιθάνθρακες κ.λ.π. Υγρά: μαζούτ, diesel, κεροζίνη, βενζίνη, οινόπνευμα κ.λ.π. Αέρια: προπάνιο, βουτάνιο, αέριο λιθανθράκων, φυσικό αέριο, βιαέριο κ.λ.π.

ΘΕΡΜΟΓΟΝΟΣ ΔΥΝΑΜΗ ή ΘΕΡΜΑΝΤΙΚΗ ΑΞΙΑ. Σαν θερμογόνο δύναμη ορίζουμε το ποσό της θερμότητας το οποίο παράγεται κατά τη στοιχειομετρική καύση μιας ορισμένης ποσότητας καυσίμου. Η θερμογόνος δύναμη μετράται σε ειδικές συσκευές που ονομάζονται θερμιδόμετρα. Οι συνήθεις μονάδες μέτρησης είναι το Kcal/Kg , το BTU/Lb, Kcal/m3, KWh/Kg, KWh/m3, κ.λπ. Τo Κcal, το cal και το BTU είναι μονάδες μέτρησης της θερμότητας. Σαν Kcal ορίζεται το ποσό της θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας ενός λίτρου νερού από τους 14,5 oC στους 15,5 oC. 1 Kcal = 1000 cal. 1 Kcal = 3,968 BTU. 1 KWh = 860 Kcal = 3600 Kj 1 Kj = 1 Nm = 0.24 Kcal = 0.28 Wh

Η θερμογόνος δύναμη διακρίνεται σε ανώτερη Ηο και κατώτερη Ηκ. Η θερμογόνος δύναμη διακρίνεται σε ανώτερη Ηο και κατώτερη Ηκ. Στη ανώτερη θερμογόνο δύναμη συμπεριλαμβάνεται και η θερμότητα συμπύκνωσης των υδρατμών που δημιουργήθηκαν κατά την καύση, δηλαδή κατά την μέτρηση της πρέπει να περιμένουμε ώστε η θερμοκρασία των καυσαερίων να πέσει στους 25 oC. Στη μέτρηση της κατώτερης θερμογόνου δύναμης η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι 150 oC, που σημαίνει ότι το νερό βρίσκεται σε αέριο μορφή. Για το λόγο αυτό η κατώτερη θερμογόνος δύναμη είναι πάντα μικρότερη από τη ανώτερη θερμογόνο δύναμη.

ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ. Η ποιότητα ενός καυσίμου καθορίζεται από τη θερμογόνο δύναμη του, η οποία με τη σειρά της εξαρτάται από τη περιεκτικότητα του καυσίμου σε άνθρακα ( C ). Αυτονόητο είναι ότι όσο μεγαλύτερη θερμογόνο δύναμη έχει ένα καύσιμο τόσο καλύτερο θεωρητικά θεωρείται. Η ποιότητα επίσης του καυσίμου καθορίζεται και από την επικινδυνότητα των καυσαερίων που παράγονται, την ασφάλεια που έχει κατά τη μεταφορά και αποθήκευση του, τον αυτοματισμό που επιδέχεται η εγκατάσταση της καύσης του καθώς και από το κόστος της εγκατάστασης αυτής και την ευκολία συντήρησης της.

ΚΑΥΣΙΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΩΝ ΘΕΡΜΑΝΣΕΩΝ. Με βάση τη παραπάνω αναφορά στην ποιότητα των καυσίμων, τα κατ εξοχή καύσιμα λεβήτων κεντρικής θέρμανσης θεωρούνται:

Το πετρέλαιο diesel. Καύση πετρελαίου Είναι καύσιμο μεγάλης σημασίας. Χρησιμοποιείται σε κινητήρες εσωτερικής καύσης και στους περισσότερους καυστήρες κεντρικής θέρμανσης. Έχει θερμογόνο δύναμη Ηκ = 10200 Kcal/Kg. Προσφέρει μεγάλη ασφάλεια στη μεταφορά και αποθήκευση του, εύκολο άναμα, ασφαλή καυσαέρια και επιδέχεται πλήρη αυτοματισμό ελέγχου της καύσης του. Καύση πετρελαίου

Τα υγραέρια. Καύση υγραερίου Παράγονται κατά δύο τρόπους: α) κατά την κλασματική απόσταξη του αργού πετρελαίου. β) κατά την άντληση του αργού πετρελαίου, εξέρχονται από το στόμιο της γεώτρησης Ονομάζονται υγραέρια, γιατί σε σχετικά μικρή πίεση η φυσική τους κατάσταση είναι η υγρά. Διατίθενται προς κατανάλωση σε υγρή μορφή, μέσα σε δοχεία πιέσεως. Υγραέρια είναι το Προπάνιο και το Βουτάνιο. Η θερμογόνος δύναμη τους ανέρχεται σε Ηκ = 11000 Kcal/Kg.

Χαρακτηριστικά στοιχεία υγραερίων Ιδιότητες Προπάνιο Βουτάνιο Πυκνότητα στους 10 ο C , 1013 mbar 2.011 kg/m 3 2.708 kg/m 3 Λόγος πυκνότητας προς αέρα 1,55 2,06 Όγκος 1,0 kg αερίου στους 15 ο C 535 l/kg 393 i/kg Σημείο βρασμού στα 1013 mbar - 42 oC - 0.5 oC Θερμογόνος δύναμη στους 0 οC, 1013 mbar 26 Kwh/m3 34,3 Kwh/m3 Συντελεστής Wobbe Wo 20.8 kwh/m3 23.7 Kwh/m3 Θερμοκρασία φλόγας με αέρα 1925 oC 1895 oC Θερμοκρασία φλόγας μα Ο2 2850 oC Θερμοκρασία ανάφλεξης με αέρα 510 oC 430 oC Όρια ανάφλεξης 2.0 – 9.5 % 1.5 – 8.5 % Απαιτούμενος αέρας για την καύση 23.9 m3 / m3 gas 31.0 m3 / m3 gas Δείκτης Wobbe : Ho: η ανώτερη θερμογόνος δύναμη d : σχετική πυκνότητα

Το φυσικό αέριο. Καύση φυσικού αερίου Βρίσκεται στη φύση με μορφή υπόγειων κοιτασμάτων απ όπου λαμβάνεται με γεωτρήσεις. Δημιουργείται όπως και το αργό πετρέλαιο από την αποσύνθεση οργανικών ουσιών. Είναι πλούσιο σε μεθάνιο και η σύσταση του ποικίλει από περιοχή σε περιοχή άντλησης. Μεταφέρεται με αγωγούς με πίεση που συχνά ξεπερνά τα 70 bar. Αποθηκεύεται σε υπέργειες δεξαμενές σε πίεση 15-20 bar, ή σε υπόγειους φυσικούς αποταμιευτήρες σε πίεση που φθάνει τα 200 bar. Για την μεταφορά του από την Βόρεια Αφρική μεταφέρεται σε ειδικά δεξαμενόπλοια σε υγρή μορφή ψυχόμενο στους -180 οC και με αυτόν τον τρόπο μειώνεται ο όγκος του από τα 1000 lit στα 1,7 lit. Διακρινονται σε γαιαέρια τύπου Η (με μεγάλη θερμογόνο δύναμη) και τύπου L (με μικρή θερμογόνο δύναμη) Kcal/m3. Tα καύσιμα αυτά είναι μίγμα υδρογονανθράκων με γενικό χημικό τύπο CvHx. Που σημαίνει ότι τα μόρια τους αποτελούνται κυρίως από άνθρακα ( C ) και υδρογόνο ( H ). Μεταφορά υγροποιημένου φυσικού αερίου

Χαρακτηριστικά στοιχειά Φυσικού Αερίου Ιδιότητες Φυσικό Αέριο L Φυσικό Αέριο Η Μεθάνιο 81,2 % 93,0 % Προπάνιο – Βουτάνιο - Αιθάνιο 3,4 % 4,9 % Διοξείδιο του άνθρακα CO2 1.2 % 1.0 % ;Άζωτο N2 14.2 % 1.1 % Θερμοκρασία ανάφλεξης οC 650 670 Ταχύτητα ανάφλεξης m/s 0,35 Όρια ανάφλεξης 5-15 % Ανώτερη θερμογόνος δύναμη Kwh / m3 (0oC, 1013 mbar) 8.4-10.2 11.1-13 Κατώτερη θερμογόνος δύναμη Kwh / m3 (0oC, 1013 mbar) 7.5-9.2 10.0-11.8 Κατώτερη θερμογόνος δύναμη λειτουργίας Kwh / m3 (20oC, 1013 mbar) 7,0-8,6 9,2-10,9 Δείκτης Wobbe Kwh / m3 11.4-13.5 13.0-15.7

Η ΚΑΥΣΗ Είναι πολύ χρήσιμο να κατανοήσουμε το μηχανισμό της καύσης προκειμένου να καταλάβουμε τη λειτουργία του καυστήρα και τον τρόπο ρύθμισης του για την επίτευξη του μέγιστου βαθμού απόδοσης.

Τι είναι η καύση Καύση ονομάζουμε τη ταχεία ένωση ενός υλικού με το οξυγόνο, με αποτέλεσμα τη παραγωγή θερμότητας. Είναι δηλαδή η καύση μια ραγδαία οξείδωση. Το οξυγόνο ( Ο ) που απαιτείται για τη καύση σε ένα λέβητα το παίρνουμε από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Ο αέρας περιέχει 20,91 % κατ όγκο ή 23,15 % κατά βάρος οξυγόνο. Το άλλο συστατικό του αέρα είναι το άζωτο ( Ν ), το οποίο θεωρητικά δεν συμμετέχει στη διαδικασία της καύσης. Το άζωτο αυτό επηρεάζει αρνητικά την απόδοση της καύσης, διότι ένα σημαντικό ποσό θερμότητας διατίθεται για την αύξηση της θερμοκρασίας του, το οποίο χάνεται κατά την έξοδο των καυσαερίων προς το περιβάλλον. Ένα ακόμη αρνητικό γεγονός της παρουσίας του αζώτου είναι ότι μειώνει τη θερμοκρασία της καύσης. Τα αρνητικά αυτά συμβάντα μειώνονται όταν μειώνεται η ποσότητα του αέρα καύσης στο ελάχιστο.

Σημείο έναυσης ονομάζεται η θερμοκρασία που προκαλεί την ένωση του οξυγόνου με το καύσιμο και την έναρξη της καύσης. Τα δύο βασικά συστατικά των καυσίμων είναι ο άνθρακας ( C ), και το υδρογόνο ( Η ). Όταν η καύση λαμβάνει χώρα το υδρογόνο και ο άνθρακας ενώνονται με το οξυγόνο και παράγεται θερμότητα. Για την ακρίβεια το οξυγόνο έχοντας μια πολύ δυνατή έλξη προς το υδρογόνο ενώνεται πρώτα με αυτό αφήνοντας ελεύθερο τον άνθρακα, έτσι ένας πολύ μεγάλος αριθμός από μόρια άνθρακα διασκορπίζεται ανάμεσα στο καιγόμενο υδρογόνο, ερυθροπυρώνεται και ενώνεται με τη σειρά του με το οξυγόνο. Έτσι το οξυγόνο ενώνεται με τον άνθρακα και παράγεται διοξείδιο ( CO2 ) ή μονοξείδιο ( CO ) του άνθρακα και με το υδρογόνο παράγοντας νερό ( H2O ). Τo νερό λόγω της μεγάλης θερμοκρασίας που επικρατεί στα καυσαέρια παρουσιάζεται με μορφή υδρατμού. Μία καύση ονομάζεται τέλεια όταν όλο το καύσιμο ενώνεται με το οξυγόνο παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα και νερό.

Υπάρχουν τρία είδη καύσης: Στοιχειομετρική καύση. Τέτοια καύση έχουμε όταν το οξυγόνο ( O ). είναι σε ποσότητα όσο ακριβώς χρειάζεται για να καεί το καύσιμο τέλεια. Τότε τα προϊόντα της καύσης είναι διοξείδιο του άνθρακα ( CO2 ) και νερό ( H2O ). Στη πράξη δεν είναι δυνατή η επίτευξη στοιχειομετρικής καύσης. Καύση με περίσσεια αέρα. Τέτοια καύση έχουμε όταν το οξυγόνο είναι περισσότερο απ όσο απαιτείται για να έχουμε στοιχειομετρική καύση. Τότε στα προϊόντα της καύσης θα υπάρχει και το οξυγόνο που περίσσευσε. Ατελής καύση. Αυτή η καύση λαμβάνει χώρα όταν το οξυγόνο είναι λιγότερο από το απαιτούμενο για στοιχειομετρική καύση. Στα καυσαέρια της καύσης αυτής θα εμφανιστούν και προϊόντα ατελούς καύσης που είναι ο άκαυτος άνθρακας ( C ) και το μονοξείδιο του άνθρακα ( CO ).

Αντιδράσεις καύσης. CvHx + O2 → CO2 + H2O + Q1 Στοιχειομετρική καύση CvHx + O2 → CO2 + H2O + O2 + Q2 Καύση με περίσσεια αέρα CvHx + O2 → CO + H2O + Q3 Ατελής καύση CvHx + O2 → C + H2O + Q4 Ατελής καύση Με Q συμβολίζουμε τη θερμότητα που παράγεται κατά την καύση. Το μεγαλύτερο ποσό θερμότητας το παίρνουμε στη στοιχειομετρική καύση. Δηλαδή είναι Q1  Q2, Q3, Q4.

Ατελής καύση Όταν το πετρέλαιο καίγεται ατελώς παρατηρείται μαύρος καπνός, που οφείλεται στον άκαυτο άνθρακα που είναι στερεά σωματίδια. Ενώ στα καύσιμα αέρια η ατελής καύση δεν είναι ορατή διότι στα καυσαέρια παρουσιάζεται μονοξείδιο του άνθρακα ( CO ) που είναι άχρωμο αέριο και εξαιρετικά δηλητηριώδες. Το μονοξείδιο του άνθρακα ( CO ) είναι καύσιμο αέριο και καιγόμενο με το οξυγόνο δίνει διοξείδιο του άνθρακα. CO + O2 → CO2 + Q5

Η καλή ρύθμιση Αποδοτική καύση επιτυγχάνεται όταν η θερμοκρασία της φλόγας διατηρείται σε υψηλά επίπεδα, ενώ ο αέρας της καύσης κρατείται στα ελάχιστα επίπεδα για τέλεια καύση. Για απόλυτα ακριβή ρύθμιση θα πρέπει να χρησιμοποιήσει όργανα μέτρησης της αιθάλης και της περιεκτικότητας των καυσαερίων σε οξυγόνο, σε μονοξείδιο και σε διοξείδιο του άνθρακα. Η στοιχειομετρική καύση του φυσικού αερίου δίνει ποσοστό διοξειδίου του άνθρακα στα καυσαέρια 11,5%.

Η αποδοτική καύση Για να επιτύχουμε αποδοτική καύση σε ένα καυστήρα θα πρέπει : Να διατηρείται η θερμοκρασία της φλόγας σε υψηλά επίπεδα. Να υπάρχει επάρκεια αέρα, για τέλεια καύση. Η ποσότητα του αέρα να μην είναι μεγαλύτερη από την απολύτως αναγκαία για να μην εμφανιστεί αιθάλη ή μονοξείδιο του νάνθρακα. Το καύσιμο και ο αέρας να στροβιλίζονται και να ανακατεύονται μαζί ώστε να αποτελούν ομοιογενές μίγμα. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα, γύρω από κάθε μόριο καυσίμου να υπάρχουν μόρια οξυγόνου έτοιμα να ενωθούν μαζί του. Τα υγρά καύσιμα θα πρέπει να ψεκάζονται σε μορφή λεπτότατων σταγονιδίων. Το νέφος των σταγονιδίων αυτών θα πρέπει να διαχέεται στη μάζα του αέρα καύσης και να αποτελεί μαζί του ομοιογενές μίγμα.