Az éghető gázok csoportosítása Gázcsaládok Gázcsaládok és gázcsoportok Felső Wobbe-szám 15 C-on és 1013,25 mbar nyomáson, MJ/m 3 Legkisebb Legnagyobb Első gázcsalád, 22,4 24,8 a csoport Második gázcsalád, H csoport L csoport E csoport Harmadik gázcsalád, B/P csoport (propán és bután) P csoport (propán) 39,1 45,7 39,1 40,9 72,9 72,9 72,9 54,7 54,7 44,8 54,7 87,3 87,3 76,8 1
Gázkeverékek tüzeléstechnikai jellemzői 1. Összetétel Jellemző gázösszetételek, térfogatszázalék Városi gáz Földgáz Pébégáz Metán CH 4 38-40 96-97 Etán C 2 H 6-1 - 2 Propán C 3 H 8-0 - 1 75-20 Bután C 4 H 10-0,1-0,2 20-80 Pentán C 5 H 12-0,0-0,1 Szénmonoxid CO 9-10 - Hidrogén H 2 28-30 - Oxigén O 2 0-1,0 - Nitrogén N 2 18-20 0,5-1,5 Széndioxid CO 2 3-4 0,5-1,0 2
2. Sűrűség, relatív sűrűség A földgáz (mint különböző gázok keveréke) sűrűsége az alkotók sűrűségéből számítható: ρ = n kev ( ri ρi ) i= 1 Összetétel Térfogatarány Sűrűség Szorzat C n H m r i, m 3 /m 3 ρ 0, kg/m 3 r i. ρ 0i, kg/m 3 Metán, CH 4 0,9801 0,7168 0,702557 Etán, C 2 H 6 0,0062 1,3560 0,008380 Propán, C 3 H 8 0,0026 2,0190 0,005229 Bután, C 4 H 10 0,0006 2,7030 0,001649 Pentán, C 5 H 12 0,0002 3,4570 0,000657 Hexán, C 6 H 14 0,0000 3,8400 0,000000 Nitrogén, N 2 0,0086 1,2505 0,010779 Széndioxid, CO 2 0,0017 1,9768 0,003321 Összesen 1,0000 0,732572 Relatív sűrűség: Jele: d ( - ) d = ρ ρ gáz levegő A gáz és a levegő sűrűsége azonos állapotra vonatkozik. 3
3. Égéshő és fűtőérték Égéshő: egységnyi gáz tökéletes elégésekor a kémiailag kötött energiára jellemző átalakulási hő, ha a gáz és az égéshez felhasznált levegő kezdeti hőmérséklete, valamint az égéstermék véghőmérséklete egyaránt 273,15 [K], és az égés során keletkező víz cseppfolyós halmazállapotú. Jele: H f Szokásos mértékegysége: MJ/m 3, MJ/kg, kj/m 3, kj/kg Fűtőérték: egységnyi gáz tökéletes elégésekor a kémiailag kötött energiára jellemző átalakulási hő, ha az égés során keletkező víz gőz halmazállapotban marad. Jele: H a Szokásos mértékegysége: MJ/m 3, MJ/kg, kj/m 3, kj/kg H n f = Hfkev = ri Hfi) i= 1 n a akev i H ai ) i= 1 ( H = H = ( r Összetétel Térfogatarány Fűtőérték Szorzat C n H m r i, m 3 /m 3 H ai, kj/m 3 r i. H ai, kj/m 3 Metán, CH 4 0,9801 35949 35235 Etán, C 2 H 6 0,0062 64616 399 Propán, C 3 H 8 0,0026 93910 243 Bután, C 4 H 10 0,0006 122572 75 Pentán, C 5 H 12 0,0002 146040 28 Hexán, C 6 H 14 0,0000 173719 0 Nitrogén, N 2 0,0086 0 0 Széndioxid, CO 2 0,0017 0 0 Összesen 1,0000 35980 4
A különböző gázok H f / H a aránya Tüzelőanyag Arány Fűtőérték Égéshő H f /H a H a, MJ/m 3 H f, MJ/m 3 Földgáz, L típus 1,10 32 35,5 Földgáz, H típus 1,13 35,8 40,5 Városi gáz 1,12 15,5 17,4 Propán 1,09 94 102,5 Bután 1,08 124 134 Tüzelőolaj (EL)* 1,05 42,8 45 * A fűtőérték és az égéshő MJ/kg-ban 1,10 1,13 1,12 1,09 1,08 1,05 H f /H a 160 140 120 H f és H a, MJ/m 3 100 80 60 Ha, MJ/m3 Hf, MJ/m3 40 20 0 Földgáz, L típus Földgáz, H típus Városi gáz Propán Bután Tüzelőolaj (EL)* Tüzelőanyag 5
4. Gyulladási hőmérséklet Öngyulladás: ha a teljes keveréktérfogatban adott hőmérséklet elérésekor a lassú oxidációs reakciók hirtelen, robbanásszerűen gyors égési reakciókba mennek át. Más szóval: az a legkisebb éghető keverék-hőmérséklet, amelynél a legkisebb hőmérséklet-emelkedés hatására végbemehet a reakció öngyorsulása. Gyulladási hőmérséklet: a rendszer határoló falának az a legkisebb hőmérséklete, amelynél az öngyulladás bekövetkezhet. A különböző gázok öngyulladási hőmérséklete 6
5. Gyulladási koncentráció A gyulladási koncentráció határai az éghető anyag olyan koncentrációértékei, amelyek a lehetséges gyulladás tartományát behatárolják. A gyulladási koncentráció határait befolyásolja pl. a kezdeti nyomás és hőmérséklet, az inert-tartalom, a szennyező és adalékanyagok stb. A metán-levegő keverék gyulladási koncentrációhatárai az inerttartalom és a keverék metántartalma függvényében 7
6. Normál lángterjedési sebesség Az égési reakció sebessége a normál lángterjedési sebességgel jellemezhető, amely a lángfront normális irányú terjedési sebessége. A normál lángterjedési sebesség és az égési sebesség kapcsolata Nyitott, rövid csőben vizsgálva a lángfrontot, egységnyi idő alatt a da elemi felületen elégő keverék térfogata: dv kev = u n da = u df Az összefüggésből az égés terjedési sebessége: da un u = un = df cosϕ A normál lángterjedési sebesség nem egyenlő az égési sebességgel. A normál lángterjedési sebesség az éghető gáz fizikai-kémiai jellemzője, független a berendezéstől. Az égési sebességet az égés körülményei, tehát a berendezés kialakítása befolyásolják. 8
Különböző gázok normál lángterjedési sebessége 9
7. Wobbe-szám A gázégőből kiáramló, kémiailag kötött energiaáram az azonos hőmérséklet- és nyomásviszonyokra vonatkoztatott égéshő és a kiáramló térfogatáram szorzata. Q & = V & A kilépő térfogatáram függvénye a kiömlési keresztmetszetnek, a nyomáskülönbségnek, a kiömlési tényezőnek, a relatív sűrűségnek, a nyomás- és hőmérsékletviszonyoknak. Részletesen: Q& = α A C H f p T p s Az összefüggésből csak a tüzeléstechnikai jellemzőnek tekintett gáztulajdonságokat meghagyva, kapjuk a Wobbe-számot. Jele: Wo Definíciók: Felső: Alsó: Bővített Wobbe-szám Wo H f H f Wof = MJ/m 3, MJ/kg d H a Woa = MJ/m 3, MJ/kg d b = H f p d csatl A gázok cserélhetőségét jellemzi. Adott gázfajtával üzemelő gázfogyasztó készüléken egy másik gázfajtát elégetve, a felszabaduló energiamennyiség csak akkor egyenlő, ha a Wobbe-számaik egyenlők. 10
A különböző relatív sűrűségű gázok Wobbe-számai 11
A gázok cserélhetősége. Vizsgálógázok Cserélhetőségi jellemzők: a cserélhetőségi eljárásokban vizsgált készülék- és gázjellemzők. Cserélhetőségi jellemző A csere célja Hőterhelés (égőteljesítmény) A levegőbeszívás mértéke injektoros égőknél A jellemzők állandó értéken tartása A lángkúp hossza A lángleszakadás elkerülés A lángvisszagyulladás elkerülés A stabil égés biztosítása A szénmonoxid-képződés kiküszöbölése A koromképződés kiküszöbölése A tökéletes égés biztosítása Sárga lánghegy elkerülése Csatlakozási gáznyomás A cserélhetőségi szempontok meghatároznak egy tartományt, amelyen belül kell tartani a szolgáltatott gáz minőségét. A tartományon belül kijelölnek egy minőségi pontot, amelyre a gázfogyasztó készüléket tervezik és gyártják. 12
A vezetékes földgáz minőséghatárai 13
A gázfogyasztó készüléknek a gázcsaládon és csoporton belüli alkalmasságát olyan, a minőséghatárokon kívül eső ún. határgázokkal ellenőrzik, amelyek a vizsgált jellemző szempontjából szélsőséges minőséget képviselnek. A 2. gázcsalád vizsgálógázai Jele CH 4 C 3 H 8 N 2 H 2 Vizsgált jellemző tf% tf% tf% G 20 100 alapgáz beállítás G 21 87 13 tökéletlen égés G 221 69 16 15 visszagyulladás G 25 86 14 lángleszakadás G 25 86 14 alapgáz beállítás G 26 80 13 tökéletlen égés G 271 74 26 lángleszakadás A fenti definíciók, diagramok és táblázatok az alábbi irodalomból származnak, ahol bővebb információk is találhatók: Dr. Vida M. főszerk.: Gáztechnikai kézikönyv, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1991 14
Az e l m é l e t i l e v e g ő s z ü k s é g l e t és é g é s t e r m é k m e n n y i s é g számítása Az égéshez szükséges minimális oxigénigény: O2min = 0,5 (CO) + 0,5 (H2) + (n + m/4) (CnHm) - (O2) Az elméleti levegőszükséglet: Vlev,elm = O2min / 0,21 = O2min * 4,762 Az elméleti égéstermékmennyiség: Vét,elm = (CO) + n (CnHm) + (CO2) + 0,7897 Vlev,elm + (N2) G á z ö s s z e t é t e l Minimális oxigénszüks. Elméleti levegőszüks. Minimális száraz égést. Megnevezés m 3 /m 3 Szorzótény. m 3 /m 3 Szorzótény. m 3 /m 3 Szorzótény. m 3 /m 3 Metán, ( C H4 ) 0,98064 2,00 1,9613 9,5240 9,3396 1,00 0,9806 Etán, ( C2 H6 ) 0,00697 3,50 0,0244 16,6670 0,1162 2,00 0,0139 Propán, ( C3 H8 ) 0,00239 5,00 0,0120 23,8100 0,0569 3,00 0,0072 Bután, ( C4 H10 ) 0,00086 6,50 0,0056 30,9530 0,0266 4,00 0,0034 Pentán, ( C5 H12 ) 0,00014 8,00 0,0011 38,0960 0,0053 5,00 0,0007 Hexán, ( C6 H14 ) 0,00007 9,50 0,0007 45,2390 0,0032 6,00 0,0004 Széndioxid, ( CO2 ) 0,00822 0,00 0,0000 0,0000 0,0000 1,00 0,0082 Nitrogén, ( N2 ) 0,00072 0,00 0,0000 0,0000 0,0000 1,00 0,0007 Szénmonoxid, (CO) 0,00000 0,50 0,0000 2,3810 0,0000 1,00 0,0000 Hidrogén, ( H2 ) 0,00000 0,50 0,0000 2,3810 0,0000 0,00 0,0000 Oxigén, ( O2 ) 0,00000-1,00 0,0000-4,7620 0,0000 0,00 0,0000 Összetevő összesen 1,0000 O2 min = 2,0050 V lev,elm = 9,5478 V ét,elm = 8,5552 1
A m i n i m á l i s s z á r a z é g é s t e r m é k - ö s s z e t é t e l s z á m i t á s a N e m e s g á z o G á z ö s s z e t é t e l S z é n d i o x i d N i t r o g é n k Megnevezés m 3 /m 3 Szorzótény. m 3 /m 3 Szorzótény. m 3 /m 3 Szorzótény. m 3 /m 3 Metán, ( C H4 ) 0,98064 1,00 0,9806 0,00 0,0000 0,00 0,0000 Etán, ( C2 H6 ) 0,00697 2,00 0,0139 0,00 0,0000 0,00 0,0000 Propán, ( C3 H8 ) 0,00239 3,00 0,0072 0,00 0,0000 0,00 0,0000 Bután, ( C4 H10 ) 0,00086 4,00 0,0034 0,00 0,0000 0,00 0,0000 Pentán, ( C5 H12 ) 0,00014 5,00 0,0007 0,00 0,0000 0,00 0,0000 Hexán, ( C6 H14 ) 0,00007 6,00 0,0004 0,00 0,0000 0,00 0,0000 Széndioxid, ( CO2 ) 0,00822 1,00 0,0082 0,00 0,0000 0,00 0,0000 Nitrogén, ( N2 ) 0,00072 0,00 0,0000 1,00 0,0007 0,00 0,0000 Szénmonoxid, (CO) 0,00000 1,00 0,0000 0,00 0,0000 0,00 0,0000 Hidrogén, ( H2 ) 0,00000 0,00 0,0000 0,00 0,0000 0,00 0,0000 Oxigén, ( O2 ) 0,00000 0,00 0,0000 0,00 0,0000 0,00 0,0000 Összetevő összesen 1,0000 CO2 max = 0,1186 N2 elm = 0,8711 Ar elm = 0,0103 2
A t é n y l e g e s é g é s t e r m é k j e l l e m z ő k számítása L é g e l l á t á s i t é n y e z ő lambda = 1,4000 A tényleges s z á r a z égéstermék mennyiség : V ét, sz = 12,3743 m 3 /m 3 A tényleges n e d v e s égéstermék mennyiség : V ét, n = 14,3717 m 3 /m 3 A tényleges s z á r a z égéstermék összetevői : CO2 sz = 0,0820 m 3 /m 3 N2 sz = 0,8432 m 3 /m 3 Ar sz = 0,0099 m 3 /m 3 O2 sz = 0,0648 m 3 /m 3 összesen 0,9999 m 3 /m 3 A tényleges n e d v e s égéstermék összetevői : CO2 = 0,0706 m 3 /m 3 N2 = 0,7260 m 3 /m 3 Ar = 0,0086 m 3 /m 3 O2 = 0,0558 m 3 /m 3 H2 O = 0,1390 m 3 /m 3 összesen 0,9999 m 3 /m 3 3