Kotlovi Predavanje 5

PARNI KOTLOVI - 5
Pitanja – P4
Definicija goriva
Sastav goriva
Goriva masa
Tehnička analiza

DINAMIKA SAGOREVANJA
U ticaj fizičkih veličina na tok hemijskih reakcija koje se odvijaju pri procesu sagorevanja
U spešno se razv i j a i pretvorila se u samostalnu disciplinu.
Veoma složen a problematika
N aročito su teškoć e pri utvrđivanju primenljivih analitičkih rešenja,
N edovoljno se koristi u rešavanju praktičnih zadataka vezanih za sagorevanje goriva, kao i tokom proračuna i p rojektovanja ložišnih uređaja.

DINAMIKA SAGOREVANJA
Pri razradi novih ložišnih uređaja i ložišta još uvek se oslanja na
iskustvo,
eksperimente i
projektantsku intuiciju.
Razmatra će se osnovne zakonitosti iz oblasti kinetike sagorevanja, ograničavajući se na faktore koji su najznačajniji za proces sagorevanja i koji neposredno utiču na koncepciju ložišta i ložišnih uređaja .

HEMIJSKA RAVNOTEŽA REAKCIJA
H EMIJSKA RAVNOTEŽA I ZAKON DEJSTVUJUĆIH MASA
U odnosu na agregatno stanje učesnika u procesu sagorevanja razlikujemo heterogeno i homogeno sagorevanje
Heterogeno : gorivo i oksidator u različitom agregatnom stanju
Homogeno : gorivo i oksidator u istom agregatnom stanju

Heterogeno : odvija se na površini koja razdvaja faze,
Homogeno : mešanjem gasnih faza u smeši odvija se u celoj zapremini smeše
Pri odvijanju hemijske reakcije može se osloboditi ili apsorbovati toplota, odnosno hemijska reakcija može biti egzotermna ili endotermna

Ogledima je utvrđeno da se hemijska reakcija ne vrši potpuno i da teče samo do određene granice na kojoj se prividno zaustavlja .
U trenutku zaustavljanja se u sistemu zajedno sa produktima reakcije nalazi i izvesna količina početnih i prelaznih materija,
to se objašnjava istovremenim odvijanjem reakcije u dva suprotna smera .

Povratne reakcije
Ako se sa A i B označe hemijski simboli materija koje stupaju u reakciju, a sa M i N hemijski simboli produkata reakcije i ako su a, (  ,    odgovarajući brojevi molova tih materija, onda se hemijska reakcija može predstaviti:

Povratne reakcije
Tokom procesa se smanjuje količina početnih materija (A i B) što će dovesti do usporenja reakcije u smeru sleva nadesno,
reakcija u suprotnom smeru će se ubrzati zbog povećanja količine produkata reakcije M i N .
Pri određenoj temperaturi će se brzine suprotno orijentisanih reakcija izjednačiti , količina materija se tokom vremena neće menjati tako da se čini da je reakcija zaustavljena .

Povratne reakcije
U tom slučaju je nastupila hemijska ravnoteža , pri kojoj se stvara onoliko produkata koliko ih se istovremeno razlaže.
Sa kinetičkog gledišta, uspostavljanje hemijske ravnoteže ne označava potpuno zaustavljanje reakcije , nego samo izjednačavanje brzina reakcije u oba smera.

Povratne reakcije
Brzina hemijske reakcije i stanje ravnoteže zavise od hemijske prirode i koncentracije reagujućih materija, kao i od fizičkih uslova u kojima se reakcija odvija :
temperatura,
pritisak,
zapremina

Povratne reakcije
Nastupanje hemijske ravnoteže reakcije pri konstantnoj temperaturi i pritisku zavisi od koncentracije materija koje učestvuju u reakciji i ova zavisnost je definisana zakonom dejstvujućih masa
prema njemu je brzina reakcije u homogenoj sredini pri konstantnoj temperaturi srazmerna proizvodu koncentracija reagujućih materija .
Prema ovom zakonu, brzina reakcije u slučaju kad se ona odvija sleva nadesno u proizvoljnom trenutku vremena iznosi

Povratne reakcije
Prema ovom zakonu, brzina reakcije u slučaju kad se ona odvija sleva nadesno u proizvoljnom trenutku vremena iznosi:

Povratne reakcije
Pošto je reakcija hemijski povratna, onda će i produkti M i N reagovati stvarajući početne materije A i B brzinom :

Povratne reakcije
U izrazima C A , C B , C M i C N [mol/m3] predstavljaju koncentracije pojedenih materija koje učestvuju u reakciji, dok su k 1 i k 2 koeficijenti srazmere koji zavise od:
temperature
hemijske prirode reagujućih materija i
koji se nazivaju konstantama hemijske reakcije

Povratne reakcije
Rezultujuća brzina koja predstavlja razliku ove dve brzine se tokom reakcije smanjuje,
u trenutku izjednačenja brzina w1 i w2 jednaka je nuli,
to odgovara stanju ravnoteže.
Prema tome, u ravnotežnom stanju je

Konstanta ravnoteže
Sledi
Odnos konstanti brzina reakcije pri hemijskoj ravnoteži nazi v a se konstantom ravnoteže (Kc).
Pošto su konstante brzine reakcije pri određenoj temperaturi nepromenljive,neće se menjati ni konstanta ravnoteže i
Ona predstavlja karakterističnu veličinu za određenu reakciju

Ravnotežno stanje
Ravnotežne stanje hemijske reakcije na zadatoj temperaturi nastupa pri određenom odnosu materija koje učestvuju u reakciji, pa konstanta ravnoteže ne zavisi od početnih koncentracija ovih materija .
Na osnovu konstante ravnoteže može da se odredi sastav ravnotežne smeše pri određenoj temperaturi.
Parcijalni pritisak gasova u smeši je pri određenoj temperaturi srazmeran njihovim koncentracijama, pa se konstanta ravnoteže može predstaviti i preko parcijalnih pritiska

Uticaj temperature na hemijsku ravnotežu
Prema konstanti ravnoteže može se odrediti sastav ravnotežne smeše pri datoj temperaturi.
Sa promenom temperature ravnoteža se pomera u zavisnosti od znaka i veličine toplotnog efekta.
Zavisnost konstante ravnoteže od temperature pri V = const (izohorska reakcija) je

a pri p = const (izobarska reakcija)

Ako je Q > O onda se sa porastom temperature Kc i Kp povećavaju.
Povećavanje znači povećanje količine početnih materija i odgovarajuće smanjenje produkata reakcije ,
stanje ravnoteže se pomera prema početnim materijama,
za potpuniji tok egzotermnih reakcija povoljnija nešto niža temperatura .
Ako je Q < O , onda se sa povišenjem temperature konstanta reakcije smanjuje , pa se ravnoteža pomera ka produktima reakcije. Zbog toga endotermne reakcije zahtevaju višu temperaturu .

Energija aktivacije i Areniusov zakon
Brzina homogene ili heterogene reakcije pri konstantnom pritisku i nepromenjenoj količini materija zavisi od:
temperature i
koncentracije materija koje se nalaze u reakciji.
Sa porastom temperature naglo se povećava brzina hemijske reakcije koju karakteriše konstanta k.
Uticaj temperature na brzinu reakcije može da se odredi definisanjem zavisnosti konstante brzine reakcije od temperature.

Pri proučavanju hemijskih reakcija je primećeno da ln k linearno zavisi od recipročne vrednosti apsolutne temperature.
Ovu zavisnost je uočio Arenius koji je predložio da se zavisnost konstante brzine hemijske reakcije od temperature predstavi u logaritamskom obliku

Diferencijalnom
eksponencijalnom

E [kJ/mol]— energija aktivacije,
k o - empirijski koeficijent koji, u statističkom smislu, predstavlja najveći mogući broj aktivnih sudara molekula koji se nalaze u reakciji, po jedinici vremena i zapremine
R = 8,321 [kJ/mol K] - univerzalna gasna konstanta,
T [K] - apsolutna temperatura reakcije.

Energija aktivacije
Veliko ubrzanje hemijske reakcije pri porastu temperature ne može da se objasni povećanjem broja sudara molekula , pošto je u poređenju sa brzinom reakcije ono neznatno.
Veliki temperaturski koeficijent reakcije se može objasniti time da sposobnost reagovanja nemaju svi molekuli nego samo oni koji su bogati energijom, takozvani aktivni molekuli .
Ovi molekuli se stvaraju endotermnom reakcijom od običnih. Proces pri kome se energija molekula menja bez hemijske transformacije naziva se aktivacijom , a toplota koja se troši za stvaranje aktivnih molekula energijom aktivacije

Energija aktivacije
U početnom stanju (tačka A) molekuli troše određenu količinu energije (E1) u toku vremena ta da bi se sistem doveo do početka reakcije (tačka B).
Pri odvijanju reakcije koja se posle vremena  r završava (tačka C) oslobađa se energija E2.
Egzotermna reakcija: energetsko stanje na kraju reakcije niže nego na početku, tako da se oslobađa određena količina toplote koja je jednaka razlici oslobođene energije i dovedene energije

Uticaj pritiska na brzinu hemijske reakcije
Istovremeno sa direktnom reakcijom uvek se vrši povratna reakcija i sistem teži ka stanju ravnoteže.
Često je brzina povratne reakcije tako mala, da se može zanemariti i smatrati da se reakcija odvija samo u jednu stranu.

Jednostrane ili nepovratne reakcije mogu da se, u zavisnosti od broja molekula koji stupaju u rakciju, podele na:
monom olekular e reakcije u kojima reaguje jedna vrsta molekula stvarajući jedan ili nekoliko molekula
bimolekularne reakcije u kojima uzajamno reaguju dva jednorodna ili različita molekula, dajući jedan ili više novih molekula .
Na isti način se mogu definisati tri- i više molekularne reakcije.

Oblasti sagorevanja
Da bi mogao da se ostvari proces sagorevanja potrebno je da se, pre svega, ostvari fizički kontakt između sagorljive i oksidišuće materije, to jest, da se stvori smeša.
Osim toga, potrebno je određeno vreme za sprovođenje sagorevanja koje, kao što je rečeno, zavisi od koncentracije materija koje učestvuju u procesu, prisustva inertnih gasova, temperature, pritiska i drugih faktora.

Oblasti sagorevanja
Ukupno vreme potrebno za sagorevanje sastojaće se, dakle, od vremena
stvaranja smeše (  f) i
vremena ostvarivanja hemijske reakcije (  h)
 s =  f +  h

Oblasti sagorevanja
Ako je vreme potrebno za ostvarivanje smeše zanemarljivo malo u odnosu na vreme proticanja reakcije sagorevanja
(  f <<  h),
onda faktori značajni za ostvarenje smeše uopšte ne utiču na trajanje procesa sagorevanja i njega ograničavaju samo veličine značajne za vreme trajanja hemijske reakcije sagorevanja.
Ukoliko je trajanje procesa sagorevanja ograničeno samo brzinom hemijske reakcije, onda se sagorevanje odvija u kinetičkoj (hemijskoj) oblasti.

Oblasti sagorevanja
Ukoliko je vreme trajanja hemijske reakcije zanemarljivo u odnosu na vreme potrebno za ostvarivanje smeše
(  h <<  f),
onda brzinu procesa sagorevanja ograničavaju samo faktori značajni za stvaranje smeše, pa se sagorevanje odvija u difuznoj (fizičkoj) oblasti.
Postoji mogućnost da ova dva vremena budu približno jednaka (  f =  h). U tom slučaju se sagorevanje odvija u prelaznoj oblasti koja se ne može precizno definisati.

Oblasti sagorevanja
Kako je temperatura procesa sagorevanja jedan od najuticajnih faktora na brzinu sagorevanja, oblasti sagorevanja se mogu predstaviti u funkciji od te temperature
pri visokim temperaturama, sagorevanje se odvija u difuznoj oblasti i zavisi od brzine stvaranja smeše, odnosno od fizičkih faktora koji utiču na proces sagorevanja.
1-w hem.r, 2-w stvsm veca 3-w stvsm manje

Oblasti sagorevanja
U ložištima parnih kotlova sagorevanje se odvija najčešće u difuznoj oblasti,
pa stepen dobrote sagorevanja u znatnoj meri zavisiti od fizičkih faktora, kao što su:
količina kretanja sagorljive smeše,
karakter strujanja smeše,
Stepen vrtloženja smeše i tako dalje.

http://masfak.info	643
http://webcache.googleusercontent.com	8
http://www.slideshare.net	4

Kotlovi Predavanje 5

by masfaknis on Dec 01, 2009

Accessibility

Categories

Upload Details

Usage Rights

3 Embeds 655

Statistics

Kotlovi Predavanje 5 — Presentation Transcript