Pagină web în lucru!
Partea în engleză este mai completă....

Caut student/a pentru a ajuta la corecturi, eventual traduceri.....

Please consider supporting our efforts.

"/>

Newsletter subscription

Motoarele termice și îmbunătățirea randamentului combustiei

 

MOTOARELE TERMICE ŞI ÎMBUNĂTĂŢIREA RANDAMENTULUI COMBUSTIEI

Modelarea teoretică a funcționării motoarelor termice și practic dezvoltarea termodinamicii ca o ramură a fizicii a cunoscut un progres semnificativ după publicarea de către Sadi Carnot în anul 1824 a studiului intitulat ,,Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à developper cette puissance”.
Se acceptă că într-un proces ciclic monoterm se realizează doar transformarea lucrului în căldură, nu și invers. Pentru a obține convertirea căldurii în lucru mecanic este necesar ca mașina termică să funcționeze cu două surse de căldură, la temperaturi diferite.
Carnot a imaginat ciclul de funcționare al unei mașini termice ideale biterme reversibile despre al cărei randament a demonstrat că limitează superior randamentul oricărei mașini termice reale care ar funcționa între aceleași temperaturi extreme ca și ciclul Carnot.
Mașina termică reală diferă de cea ideală prin faptul că între piesele sale aflate în mișcare
Figura 11

există frecări și pierderi de căldură, ceea ce modifică bilanțul energetic.
In continuare este prezentat un asemenea ciclu ideal de functionare a unei masini termice numit şi ciclul Carnot. Acesta ciclu se compune din patru procese. Între stările A si B gazul se destinde izoterm, cilindrul fiind în contact termic cu sursa calda la temperatura T1. În cursul acestei destinderi izoterme, gazul primeste caldura Q1 de la sursa calda.
Se întrerupe apoi contactul termic cu sursa calda si se destinde adiabatic gazul adiabatic între stårile B și C. În starea C, gazul atinge temperatura T2 a sursei reci.
În cursul proceselor A – B si B - C gazul efectueazå lucru mecanic asupra pistonului (îl împinge) si prin intermediul sau face sa se roteasca volantul.
O data ajuns la temperatura T2, gazul este pus în contact termic cu al doilea rezervor de caldura, sursa rece. Din cauza inertiei, volantul se roteste în continuare, în timp ce pistonul, cu care este angrenat, comprima izoterm (la T2) gazul între C și D. În timpul acestei comprimari izoterme gazul cedeaza sursei reci caldura Q2. În starea 4 se întrerupe contactul termic cu sursa rece si pistonul comprima adiabatic gazul pâna în starea initiala A, când temperatura sa redevine T1.
Ciclul Carnot direct reprezentat în planul de coordonate (p, V) în fig 11 este parcurs în sensul acelor de ceasornic. Lucrul mecanic total furnizat (L > 0) va fi reprezentat de aria cuprinsa în interiorul ciclului, pozitiva prin conventie.
Asa dupa cum se vede, el descrie doua curbe izoterme pe portiunile A-B si C-D si doua curbe adiabatice pe portiunile B-C si D-A. Aceste transformari sunt in anumite conditii ideale si deci si o masina termica ce ar functiona dupa acest ciclu ar avea randamentul ideal:
h = (T1 – T2) / T1
T1 – temperatura de intrare
T2 – temperatura de iesire
Pentru a se realiza acest randament, trecerea de la T1 la T2 trebuie sa se faca brusc, astfel ca vaporii sa nu intalneasca pe drum temperaturi intermediare iar transformarile sa fie perfect reversibile.
Masinile termice nu ating niciodata randamentul maxim ideal, fiind destul de departe de acesta. Ca idee generală randamentul mașinilor termice variază în limite destul de largi, după cum urmează:
• Masina cu abur simplă = 2%
• Masina cu abur perfectionata = 20%
• Turbinele cu vapori = 25%
• Motorul cu carburator = 35%
• Motorul Diesel = 45%

Cum poate fi îmbunătăţit randamentul unui proces de combustie ?

Prezentul material este o continuare a unui text anterior şi aduce clarificări importante despre cum poate fi condus practic un proces de combustie pentru a obţine maximum de lucru mecanic.

1. Poate apa deionizată adaugată la combustibil sub forma de emulsie sau injectată printr-o duză separată direct în cilindru de combustie să îmbunătăţească randamentul motorului?

Aşa cum s-a prezentat anterior, un motor cu combustie internă generează lucru mecanic datorită unui gradient de presiune generat de combustibilul ars în cilindru. În general, motoarele cu combustie funcţioneaza pe baza de gaz metan sau GPL sub presiune, benzină, motorină sau alte fracţiuni rezultate din distilarea petrolului.
Am văzut pe internet cîteva brevete de inventie care propun introducerea apei in proporție variabilă de la 10 pana la 40% în combustibilii lichizi pentru a creşte eficacitatea motorului. Pînă acum cîțiva ani aș fi crezut că aceste brevete sunt o absurditate, sau cel puțin așa par din punctul de vedere al unui fizician clasic. Nu e admisibil ca la un combustibil care are o anumită putere calorică, să adaugi o substanță necombustibilă care desigur îi reduce puterea calorică și să ai pretenția că la final obții un randament mai mare al funcționării motorului. Acum, cînd analizez cu atenție fenomenele prin prisma unei noi teorii a termodinamicii, acest fapt apare ca cea mai simplă și evidentă posibilitate de a converti căldura (sau o mare parte din această căldură) direct în lucru mecanic.
Deşi actuala termodinamică nu a acordat atenţie acestor brevete, un studiu atent al combustiei poate dovedi că aceste brevete au o explicaţie ştiinţifică căt se poate de simplă (desigur nu în cadrul actualei termodinamici!).
Să considerăm din nou motorul diesel şi să facem o comparație între funcționarea unui asemenea motor alimentat cu octan și apoi alimentat cu un amestec 45% octan, 50% apă si 5% emulsificant. Desigur că suntem interesați de randamentul motorului, exprimat prin capacitatea de a produce lucru mecanic, pentru aceste două substante combustibile.
Pentru simplicitate să admitem că injectorul este comandat să introducă de fiecare dată în faza de aprindere un volum de 0,1 ml combustibil, iar volumul cilindrului de combustie de 0,7 l.
În ciclul normal de funcţionare al motorului, presupunand că acest combustibil e octanul avem urmatoarele volume rezultate din combustie:

pentru care avem entalpia de reacție ∆H = -5460 kJ/mol.
Un mol de octan ocupă un volum de aproximativ 0,2 l în vreme ce un mol de gaz (oxigen, apă sau dioxid de carbon) ocupă un volum de 22,4 l. Din stoechiometria ecuației avem că 12,5 moli de oxigen adică 280 litri sunt consumați în timpul arderii. În condițiile de reacție toți produșii sunt sub formă gazoasă, și acești produși ocupă 381 l.
Dacă injectorul aruncă 0,1 ml de octan în cilindru, înseamnă că la admisie va fi necesar un volum de minim 0,14 l oxigen şi asta inseamnă un volum de aer minim de 0,7 l. Din reacţie rezultă conform calculelor 0,0896 l CO2 şi 0,1008 l H2O. Analiza motorului se face între 2 faze succesive din ciclul de funcționare al motorului, reaspectiv punct mort inferior cînd cilindrul e plin cu aer atmosferic și al doua fază cînd după combustie pistonul se rotește și ajunge din nou în punctul mort inferior. Putem considera că transformarea are are loc la volum constant deși aceasta este doar o aproximare, întrucît masa de gaz se modifică în cursul arderii.
Volumul de azot, adică 0,56 l N2 (0,7-0,14), preluat la admisie este doar încălzit si nu participă la procese chimice.
Dacă la un mol de octan (200 ml) se degajă -5460 kJ/mol atunci la arderea a 0,1 ml se degajă aproximativ -2,73 kJ. Din nou, pentru simplicitate, să considerăm că întreaga căldură de reacție contribuie doar la creșterea temperaturii gazelor din cilindru.
Fără a intra în detalii, să aproximăm căldura specifică a amestecului de gaze cu cea a azotului și fie aceasta Cv = 0,8 kJ/kg K. Pentru un calcul detaliat trebuie luată în considerare caldura specifică a fiecarui gaz, variația fiecărei călduri specifice cu temperatura, precum și compoziția procentuală a gazului final, însă cum caldura specifică a gazelor pure nu prezintă o plajă mare de variație, aproximația facută mai sus ne permite să facem o caracterizare destul de bună a fenomenului.
Avem nevoie de masa gazelor în cilindru după ardere și aceasta se obtine simplu din definiția molului ca fiind în acelasi timp masa gazului raportată la masa moleculară și volumul gazului raportat la volumul molar.
Pentru azot:
unde M =28, v=0,56 l și VM=22,4
în consecință masa de azot in cilindru este
asemănător masa dioxidului de carbon este
și cea a apei vapori este

In total masa gazelor dupa combustie în cilindru este aproximativ 0,957 g și acest amestec primeste o caldură de -2,73 kJ.
Din definiția capacității calorice:

Cu aceste aproximări și idealizări, in faza finală de destindere, cand gazele de combustie sunt expulzate in atmosferă temperatura lor e de circa 3500°C, și desigur că această căldură se pierde.
În practică, această temperatură nu este atinsă nici măcar în faza de aprindere, întrucît există un circuit de răcire care preia parte din caldura degajată, corpul motorului nu este izolat termic și pierde altă căldură prin transfer direct etc. Se consideră că temperatura maximă obținută în faza de ardere pentru amestecul de gaze este undeva între 2000 și 2500 °C, iar temperatura de evacuare a gazelor din cilindru este undeva între 600 și 900 °C.
Lucrul mecanic util e dat de expansiunea gazelor (azot, bioxid de carbon și apă) în cilindrul motorului.
Desigur exemplul nostru pur ,,teoretic” se poate adapta cu usurință unei modelări reale.
Să vedem ce se întîmplă dacă combustibilul conține 50 % apă și pentru a simplica situația să considerăm că octanul și emulsifiantul au aceeași căldură de ardere.
În acest caz, deși înjectorul aruncă în cilindru 0,1 ml lichid, din acesta doar 0,05 ml este octan și 0,05 ml este apă. Desigur că experimentul are loc fără a modifica caracteristicile tehnice ale motorului (în faza de admisie se preia acelasi volum de aer etc. ).
Refăcînd același calcul de mai sus avem că 0,05 ml octan va produce jumatate din căldura produsă anterior, va consuma jumatate din oxigenul din cilindrul de ardere, va genera jumatate din dioxidul de carbon și apa produsă anterior.
Dacă injectorul aruncă 0,05 ml de octan în cilindru, înseamnă că la admisie va fi preluat din aer un volum de 0,7 l dar va ramane un exces de oxigen nereactionat întrucăt în procesul arderii se consumă doar 0,07 l oxigen. Din reacţie vor rezulta conform calculelor 0,0448 l CO2 şi 0,0504 l H2O.
Volumul de azot și excesul de oxigen, adică 0,63 l (0,7-0,07), preluat la admisie este doar încălzit si nu participă la procese chimice iar din ardere se va degaja în acest caz aproximativ -1,365 kJ. Din nou, pentru simplicitate, să considerăm că întreaga căldură de reacție contribuie doar la creșterea temperaturii gazelor din cilindru și la vaporizarea apei care am adaugat-o în combustibil.
0,05 ml apă lichidă pentru a se transforma în vapori are nevoie de aproximativ

Aceste rezultate sunt uimitoare. Deși am introdus 50% apă în combustibil, și această apă s-a vaporizat în cilindru, și poate genera un gradient de presiune respectiv un lucru mecanic util suplimentar, diminuarea căldurii degajată în reacție și respectiv diminuarea temperaturii gazelor de ardere deși semnificativă, nu atinge valoarea de 100°C cand apa se transformă în lichid.
Astfel căldura care trebuie eliminată din sistem va fi de 1,23 kJ.
Dacă repetăm calculele de mai sus referitoare la temperatura de evacuare a gazelor din cilindrul de ardere, în condițiile ideale considerate, se poate observa că aceasta este de aproximativ 1500°C.
masa gazelor în cilindru după ardere :
Pentru azot:
unde M =28, v=0,56 l și VM=22,4
în consecință masa de azot in cilindru este
pentru oxigen
asemănător masa dioxidului de carbon este
și cea a apei vapori este

Din definiția căldurii molare:

Cu aceste aproximări și idealizări, in faza finală de destindere, cand gazele de combustie sunt expulzate in atmosferă temperatura lor e de circa 1500 °C, și desigur că această căldură secundară se pierde.
În acest caz, deși se pierde un pic din gradientul de temperatură, se obține o creștere substanțială de lucrul mecanic util datorat vaporizării apei in cilindru care generează un gradient de volum.
În carte se va face un calcul mai detaliat al randamentului în lucru mecanic util pentru cazuri ideale și cazuri reale.
Deși acest calcul a fost facut pentru un motor ideal, se poate eficientiza actuala funcționare a motoarelor ,,cu ardere internă” în așa fel încăt cu un procent de pînă la 75% sau chiar 80% apă sub formă de emulsie în combustibil, randamentul motorului să fie aproximativ același ca în cazul arderii combustibilului pur. Desigur că o creștere a procentului de apă în combustibil ridică alte probleme referitoare la aprindere, coroziune etc., dar acestea sunt probleme secundare care pot fi depașite usor.
Ceea ce nu se intelege în cadrul actualei termodinamici și de către teoreticieni e faptul că, în principiu, un motor poate funcționa fără să aibă nevoie de două surse de căldură și de asemenea nu este necesar ca o parte din căldura dezvoltată în timpul combustiei să fie transferată sursei reci.
Un asemenea motor din păcate nu mai poate fi catalogat ca ,,motor cu ardere internă”. El este de fapt un motor mixt aburi-ardere internă cu generare de aburi direct în cilindrul de ardere al motorului.

2. Cum se poate eficientiza procesul de producere a energie electrice în cadrul temrocentralelor

Aproximativ 80% din producția mondială de electricitate se bazează pe arderea combustibilor (carbune, petrol, biomasa, etc). Creșterea fără precedent a consumului de energie electrică ridică serioase probleme privind poluarea mediului înconjurător, modificarea climei și generează o multime de alte prejudicii care afectează în mod negativ întreaga planetă.
Desigur că există tendința de a se limita aceste efecte ale activității industriale umane printr-o serie de regulamente, însă marii producători sunt încă reticenți la a introduce reguli restrictive. Reticența lor e datorată faptului că adoptînd aceste reguli sunt necesare investiții care să limiteze factorii poluanți.
Desigur că mai devreme sau mai tîrziu va trebui să se treacă la o producție de energie curată fără emisii secundare, însă prezentul studiu se adresează situației actuale și arată că fără nici un regulament se poate dubla producția de energie bazată pe combustie, fără însă a crește consumul de combustibil. Asta înseamnă că putem dubla producția de energie, menținînd limitele actuale de noxe emise, ceea ce este deja un pas uriaș.
Producția energie electrice în termocentrale are loc pe baza ciclului Rankine fig. 1.


Figura 1. Ciclul Rankine simplificat producînd lucrul mecanic L
În cadrul acestui ciclu un volum de apă suferă transformări fizice (evaporare, condensare, creștere sau scădere a temperaturii) ca urmare a contactului cu două rezervoare de căldură aflate la temperaturi diferite. Apa este evaporată în boiler și apoi sub formă de vapori este transferată turbinei unde vaporii efectuează lucru mecanic antrenînd turbina ce produce curent electric. Vaporii sunt apoi trecuti într-un condensator și apoi în pompa de căldură și introduși înapoi în ciclul de încălzire.
În prezent, arderea combustibilului în centralele termoelectrice are loc la presiune constantă (presiunea atmosferică) și asta duce la pierdere de randament, întrucît gradientul de volum ce se generează în timpul arderii combustibililor lichizi nu se poate utiliza.
Pentru a îmbunătăți randamentul înregului proces, trebuie ca arderea combustibilului să fie făcută într-un turbomotor de mari dimensiuni, sau într-o cameră specială cu volum variabil, pentru a recupera gradientul de volum ce poate fi transformat în lucru mecanic, iar căldura degajată în reacție trebuie transferată unui ciclu Rankine pentru a fi transformată în lucru mecanic ca în fig. 2.

Figura 2. Variantă îmbunătățită de ardere a combustibilului lichid
În aceste condiții de ardere îmbunătățite doar lucrul mecanic recuperat din turbomotor (L1) este mai mare decît lucrul mecanic L produs de ciclul Rankine clasic (fig. 1). Utilizănd drept agent de vaporizare/condensare un compus organic sau un amestec de compuși organici, care să valorifice mai bine temperaturile inferioare în cazul acesti ciclu modificat se poate ajunge ca randamentul total exprimat în luucru mecanic util (L1+L2) să fie dublu față de lucrul mecanic obținut în cazul ciclului Rankine clasic.
Toate sunt bune și frumoase, dar acest ciclu modificat are un inconvenient. Se adaptează foarte bine pentru fracțiunile medii și grele din petrol, are randamente putin mai mici dar superioare ciclului clasic pentru hidrocarburile cu numar inferior de atomi și nu se pretează așa de ușor la arderea cărbunilor. Cum marii poluatori și producători de electricitate sunt și deținători de mari rezerve de cărbuni, va fi necesară reactivarea procedeului Bergius sau Fischer Trops de obținere a petrolului sintetic din cărbune. Aceste procedee au fost utilizate, sau dovedit eficiente economic și sunt utilizate și în prezent pe scara redusă. Faptul că nu s-a pus accentul pe aceste procedee în ultima jumatete de secol e o consecință a prețului mic al petrolului de extracție. Însă, utilizînd noi tehnologii, noi catalizatori, noi condiții de reacție, se poate obține petrol sintetic din cărbuni la un preț competitiv.
.

© 2017 All Rights Reserved Coșofreț Sorin Cezar

MegaMenu RO