ENERGENTI U SUSTAVIMA GRIJANJA I IZGARANJE

Ključne riječi:

Postignuća učenika. Učenik će:

Kao što smo peći dijelili obzirom na gorivo koje koriste (peći na kruta goriva, kapljevita i plinovita), tako ćemo i dijeliti vrste goriva u ovoj nastavnoj cjelini. Dakle goriva dijelimo na kruta, kapljevita (tekuća) i plinovita.

Goriva su tvari koje pri izgaranju daju određenu količinu topline.

KRUTA GORIVA

Od krutih goriva najčešće se koriste ugljen i biomasa.

Ugljen je gorivo fosilnog porijekla koje se i danas dosta primjenjuje. Većinski sastojci ugljena su ugljik (C), vodik (H) i kisik (O). Osim navedenih sastojaka ugljen sadrži još i sumpor (S), dušik (N), vodu (H₂O) i niz drugih sastojaka.

Glede porjekla, te kojim se postupkom ugljen dobiva, obrađuje i koji mu je sastav, postoje sljedeće vrste ugljena:

kameni ugljen
mrki ugljen (s vlagom od 50 - 60%)
lignit (ima drvenastu strukturu)
briketi (nastaju mljevenjem, sušenjem i briketiranjem kamenog ili mrkog ugljena)
ugljena prašina (nastaje mljevenjem osušenog kamenog ili mrkog ugljena)
koks (nastaje suhom destilacijom ugljena na temperaturi od oko 1000 °C)
drveni ugljen (dobiva se izgaranjem drveta bez prisustva kisika).

Tablica 3-1 prikazuje neka svojstva dviju vrsta ugljena iz slovenskih rudnika.

Ugljen se danas može nabaviti na tržištu, odnosno u kojem se obliku može isporučiti, može se vidjeti u tablici 3-2.

Biomasa je kruto gorivo biološkog porjekla. Ona je obnovljivi izvor energije i može biti u raznim oblicima: ogrjevno drvo, osušena slama ili životinjski izmet, treset, itd. Drugim riječima, biomasa je gorivo koje se dobiva iz biljaka ili dijelova biljaka kao što su , slama, stabljike žitarica, itd.

Biomasu možemo podijeliti na:

drvnu biomasu (ostatci iz šumarstva, otpadno drvo, piljevina),
drvnu uzgojenu biomasu (brzorastuće drveće),
nedrvenu uzgojenu biomasu (brzorastuće alge i trava)
ostatke i otpade iz poljoprivrede,
životinjski otpad i ostatke.

Danas se u sustavima grijanja od krutih goriva uglavnom koristi drvo i otpad koji nastaje pri obradi drveta.

Ogrjevna vrijednost goriva

Ogrjevna vrijednost goriva je iznos topline kojeg oslobodi jedinica mase ili količina goriva pri njegovom punom izgaranju, ako se pri tome nastali dimni plinovi ohlade na istu temperaturu s kojom su gorivo i zrak prethodno i ušli u ložište. Za tu se temperaturu uzima vrijednost od 25 °C.

Razlikujemo dvije ogrjevne vrijednosti goriva: donju ogrjevnu vrijednost (H_d) i gornju ogrjevnu vrijednost (H_g)

Donja ogrjevna vrijednost (moć) goriva (H_d)

Donja ogrjevna vrijednost goriva je ona količina topline koja nastaje potpunim izgaranjem jedinične količine goriva pri kojoj se dimni plinovi ohlade na ishodišnu temperaturu (25 °C), a vodena para u njima ostaje u parnom stanju.

Gornja ogrjevna vrijednost (moć) goriva (H_g)

Gornja ogrjevna vrijednost goriva je ona količina topline koja nastaje potpunim izgaranjem jedinične količine goriva pri kojoj se dimni plinovi ohlade na ishodišnu temperaturu (25 °C), a vodena para se iz njh izlučuje kao kondenzat.

Vrijednost za donju ogrjevnu vrijednost (H_d) za kruta goriva dana su u tablici 3-1 (Mrki ugljen = 16494 kJ/kg, lignit = 9889 kJ/kg), za kapljevita goriva u tablici 3-3 (Ekstralako loživo ulje = 42000 kJ/kg, lako specijalno loživo ulje LS = 42000 kJ/kg), za plinovita goriva dana je gornja ogrjevna u megadžulima po metru kubnom vrijednost u tablici 3-4.

Po pitanju eksploatacije, goriva trebaju ispunjavati sljedeće uvjete:

da ih ima u dovoljnoj količini i da su jeftina
da su pogodna za transport i skladištenje
da im je temperatura paljenja 300 - 400 °C i da su proizvodi njihova izgaranja neškodljivi za ljude.

Prema svojem nastanku, goriva mogu biti prirodna i umjetna, a po agregatnom stanju kruta, kapljevita i plinovita.

KAPLJEVITA GORIVA

Loživo ulje je kapljevito gorivo koje se dobiva frakcijskom destilacijom sirove nafte.

Loživo ulje se koristi u malim i velikim energetskim postrojenjima u sustavima grijanja obiteljskih kuća i pripreme potrošne tople vode (PTV) kao i u industrijskim elektranama i termoelektranama.

Glede kemijskog sastava u loživom ulju, ugljik (C) zauzima oko 86%, vodika (H) oko 13%, a ostatak od 1% čine kisik i dušik.

Loživa ulja koja danas nalazimo na tržištu, a u skladu s propisima Republike Hrvatske, su:

ekstalako loživo ulje (EL): koristi se u sustavima grijanja i pripreme PTV - a. Dodaje mu se boja kako bi se prepoznalo i zaštitilo od zlouporabe.
lako specijalno loživo ulje (LS): namijenjeno je sustavima grijanja i industriji
lako loživo ulje (L)
srednje loživo ulje (S)
teško loživo ulje (T)
ekstrateško loživo ulje (ET).

Za L, S, T i ET loživa ulja je potrebno predgrijavanje. Osim ovih navedenih postoje još i niskosumporna loživa ulja koja zadovoljavaju propise Europske unije, a to je da udio sumpora ne smije iznositi više od 1%.

PLINSKA GORIVA

OSNOVNA SVOJSTVA VAŽNIJIH PLINSKIH GORIVA

Plinska goriva su plinovi i smjese plinova, čijim izgaranjem nastaje toplina. Ovaj se energent koristi gotovo svugdje - kod sustava grijanja i pripreme PTV - a, u proizvodnji električne i toplinske energije, a u današnje vrijeme i automobili kao gorivo koriste plin.

Prednosti plinskih goriva

- velika uporabna svojstva,

- dostupan je u svako vrijeme,

- relativno su jeftina,

- relativno jedostavna za uporabu i manje štetan okolišu za razliku od krutih goriva.

Zahvaljujući ovim prednostima danas je plin, a posebice prirodni plin, najbolji energent i najčešće se preporučuje za sustave grijanja i pripreme PTV-a.

Prema izvoru ili načinu dobivanja plinska goriva dijelimo na:

prirodni plin - dobiva se izravno iz zemlje
umjetni plin - ukapljeni naftni plin (dobiva se preradom nafte), gradski plin (dobiva se preradom ugljena), bioplin (dobiva se raznim tehnološkim procesima)

Prirodni plin

Prirodni plin je danas najtraženije plinsko gorivo.

Nalazi se u Zemlji na dubinama od 3000 - 6000 m, dovodi se na površinu bušenjem.

Prirodni plin je neotrovan bez boje okusa i mirisa kako bismo osjetili njegovo prisustvo u prostoriji dodaje mu se miris.

Ima relativnu gustoću manju od jedan (d < 1) što ga čini lakšim od zraka te se skuplja pri stropu, što omogućava lakše istjecanje iz prostorije.

Ukapljeni naftni plin (UNP)

Ukapljeni naftni plin se sastoji od propana i butana u različitim omjerima.

Proizvodi se u rafinerijama preradom nafte i naftnih plinova.

Ukapljuje se pri niskim tlakovima od 1,7 do 7,5 bara i temperaturi -160°C.

Ukapljivanjem se volumen plina smanjuje za čak 600 puta, te ga je u ukapljenom stanju lako transportirati i skladištiti.

UNP nije otrovan, te mu se dodaje miris radi prepoznatljivosti.

UNP ima relativnu gustoću veću od jedan (d > 1) što ga čini težim od zraka, te prostoriju ispunjava od poda prema plafonu, osim toga ima nisku granicu eksplozivnosti što ga čini opasnim plinom.

Relativna gustoća (d)

Kod plinova jednaka je omjeru gustoće plina i gustoće zraka pri temperaturi t = 0 °C i atmosferskom tlaku p = 101325 Pa:

Relativna gustoća nam pokazuje da li je plin teži ili lakši od zraka:

ako je d > 1 plin je teži od zraka i problem ga je istjerati iz prostorije jer se nakuplja od poda prema plafonu,
ako je d < 1 plin je lakši od zraka i lako ga je istjerati iz prostorije, jer prostoriju ispunjava od plafona prema podu.

Wobbeov broj (W)

Wobbeov broj je mjera toplinskog opterećenja plamenika.

Wobbeov broj je omjer gornje ogrjevne vrijednosti plina i drugog korjena iz relativne gustoće plina, te nam pokazuje zamjenjivost plinova, a računa se sljedećom jednadžbom:

U tablici 3-4 dana je podjela plinskih goriva prema osobinama izgaranja (H_g i W_g), i prikazuje plinska goriva prema skupinama.

Prvoj skupini pripadaju gradski i koksni plinovi koji se lako miješaju sa zrakom (daju kratak plamen, time stvaraju čađ ).
Drugoj skupini pripada prirodni plin, koji pri izgaranju stvara nešto duži plamen, a prilikom izgaranja oslobađaju CO - ugljikov monoksid.
Trećoj skupini pripada ukapljeni naftni plin (UNP), to je plin koji se lošije miješa sa zrakom, plamen im je žute boje i pri izgaranju stvara čađ.

ELEKTRIČNA STRUJA

Zagrijavanje prijenosnika topline (vode) električnom energijom je skup postupak. Zagrijavanje se obavlja pomoću električnog grijača koji je uronjen u vodu.

Snaga grijača ovisi o masi vode u koju je grijač uronjen.

Električna energija se koristi kao pomoćna energija prilikom pripreme potrošne tople vode (PTV-a).

Elektroinstalacije se moraju izvesti stručno kako bi bile što sigurnije. Moraju se zaštititi od mogućih prodora vode i/ili stranih tijela u unutrašnjost njihova kućišta te njihovog doticaja s dijelovima koji su pod naponom. Takva se zaštita označava tzv. IP oznakama.

Na natpisnim pločicama električnih uređaja moraju se nalaziti oznake i simboli dodatne zaštite, koji su prikazani na slici 3-6.

IZGARANJE

Bez obzira na to o kakvoj se vrsti goriva radi, goriva imaju gorive i negorive tvari.

Gorive tvari su: ugljik (C), vodik (H) i sumpor (S).

Negorive tvari su: kisik (O - podržava gorenje), dušik (N), voda ili vlaga (H₂O)

Izgaranje je kemijski proces oksidacije gorivih tvari, iz goriva i kisika iz zraka, uz pojavu svjetlosti i topline. Izgaranje može biti potpuno i nepotpuno.

Potpuno izgaranje je proces izgaranja u kojem svi gorivi sastojci koji se nalaze u gorivu potpuno izgore, a dimni plinovi ne smiju sadržavati nikakve gorive sastojke. Pri potpunom izgaranju oslobađa se najveći iznos topline.

Nepotpuno izgaranje je proces izgaranja u kojem gorivi sastojci nisu potpuno izgorjeli, već samo djelomično. Dimni plinovi sadrže dosta spojeva koji bi pod određenim uvjetima mogli potpuno izgorjeti. Kod nepotpunog izgaranja oslobađa se manje topline nego kod potpunog izgaranja.

POTREBNA KOLIČINA ZRAKA ZA IZGARANJE

44.

Za izgaranje je potreban zrak, koji sadržava kisik (O). Kisik (O) je plin koji podržava izgaranje (nema izgaranja bez kisika). Ukupna količina zraka koja se dovodi u ložište kako bi se odvijalo potpuno izgaranje goriva (Vz) sastoji se od:

teoretska potrebna, minimalna količina zraka potrebna za izgaranje goriva (V_zmin) se izračunava na temelju kemijskog sastava goriva, što zapravo, tablično propisuje proizvođač goriva, kao što je dano u tablici 3-1.

dodatak iznad teoretske količine zraka, izražen je faktorom izgaranja pretička zraka λ (%). Stvarna količina zraka, koju je potrebno dovesti u tehničkim ložištima radi postizanja potpunog izgaranja, veća je od teoretske (minimalne) količine, a ona se izražava pretičkom zraka. Vrijednost pretička zraka ovisna je prije svega o vrsti goriva, izvedbi ložišta, te načinu izgaranja. Radi usporedbe, u tablici su prikazane približne vrijednosti pretička zraka :

Vrsta goriva i izvedba ložišta	Pretičak zraka
Loženje plinovitim gorivima	1,03 – 1,15
Loženje tekućim gorivima	1,05 – 1,25
Ugljena prašina kamenog ugljena	1,2 – 1,4
Ugljena prašina mrkog ugljena i lignita	1,25 – 1,35
Loženje drvenim otpacima	1,3 – 1,8
Loženje gradskim smećem	1,8 – 2,2

Pretičak zrak je višak zraka pri kojem u ložištu gorivo izgara, to je omjer stvarne i minimalne količine zraka, a ovisi o vrsti goriva:

Pritisak zraka za izgaranje bitno utječe na mogućnost pojave kondenzacije dimnih plinova. Proces izgaranja u ložišnom uređaju treba voditi sa što manjim pretičkom zraka.

Ako je vrijednost pretička traka λ < 1, tada se radi o nepotpunom izgaranju.

DIMNI PLINOVI

Dimni plinovi su produkti izgaranja koji kroz dimnjak odlaze u atmosferu.

Dimni plinovi se sastoje od različitih plinova:

CO₂ – (ugljični dioksid),
CO – (ugljični monoksid),
N₂ – (dušik), O₂ – (kisik),
SO₂ – (sumporni dioksid),
NO_x – (razne količine dušičnog oksida) …) i
čađe.

Točka rošenja dimnih plinova je ona temperatura na kojoj počinje kondenzacija vodene pare koja se nalazi u dimnim plinovima. Proces kondenzacije nastaje na unutarnjim stijenkama dimnjaka dovoljnjim ohlađivanjem dimnih plinova.

Što smo naučili ?

Kako se goriva dijele prema agragatnim stanjima ?
Nabrojite vrste ugljena.
Što je biomasa ?
O čemu ovisi ogrjevna moć krutih goriva?
Što je donja ogrjevna vrijednost goriva ?
Što je gornja ogrjevna vrijednost goriva ?
Što je loživo ulje ?
Koje vrste loživih ulja postoje ?
Koje vrste loživih ulja postoje ?
Koje vrste plinskih goriva postoje ?
Što je izgaranje ?
Kakvo izgaranje postoji ?
Što je potpuno izgaranje ?
Što je nepotpuno izgaranje ?
Pri kojem izgaranju dobivamo više topline ?
Što je pretička zraka ?
Od čega se sastoje dimni plinovi (navedi oznaku kemijskog spoja plina i naziv plina) ?
Koja je točka rosišta dimnih plinova ?