Menu

Wiadomości wstępne

 Definicja spalania

Spalaniem nazywamy proces egzotermiczny utleniania zachodzący pomiędzy palnymi składnikami paliwa a tlenem z powietrza.  Zewnętrznym  objawem spalania jest wydzielanie sie dużych ilości ciepła i powstawanie gazów spalinowych. Najwyższa temperatura spalania występuje przy spalaniu zupełnym, czyli takim przy którym wszystkie składniki palne zostają zamienione na CO2, H2O i SO2. Spalanie z nadmiarem tlenu powoduje całkowite spalanie paliw ale obniża temperaturę procesu, z kolei niezupełne spalanie (zbyt mała ilość tlenu), powoduje straty paliwa.

Podział procesów spalania

Wyróżnia się dwa rodzaje spalania: płomieniowe i bezpłomieniowe.

Spalanie płomieniowe (homogeniczne) ma miejsce podczas spalania substancji, które podczas ogrzewania przechodzą w stan lotny. Tak spala się większość materiałów palnych. Czynnikami warunkującymi wystąpienie spalania płomieniowego, jako reakcji ciągłej są: paliwo w odpowiedniej ilości, źródło ciepła o odpowiedniej energii i temperaturze, odpowiednie stężenie substancji lotnej w stosunku do tlenu oraz dostępie tlenu do strefy spalania, czyli cienkiej zewnętrznej warstwy płomienia.

Spalaniem bezpłomieniowe (heterogenicznym) ma miejsce w przypadku takich substancji, które w czasie palenia nie prze­chodzą w stan lotny – w czasie spalania nie występuje płomień. Tak spalają się („żarzą się”) węgiel drzewny czy torf.

Palenie się ciał stałych, ciekłych i gazowych

 

Spalanie ciał stałych poprzedzone musi być nagrzaniem do temperatury charakterystycznej dla każdego materiału, w której ilość wydzielanych z ich masy palnych produktów gazowych stworzy w powietrzu stężenie umożliwiające zapalenie od bodźca energetycznego (np. płomienia). Temperaturę taką nazywa się temperaturą zapalenia. Spalanie ciała stałego następuje na jego powierzchni, a następnie obejmuje dalsze warstwy w głąb materiału.
Spalanie cieczy zachodzi przy intensywności parowania zapewniającej właściwe dla danej substancji stężenie par w powietrzu nad jej powierzchnią. Temperaturę, w której intensywność parowania osiąga graniczną wartość, umożliwiającą zapalenie się cieczy od bodźca energetycznego w postaci iskry, nazywa się temperaturą zapłonu. Spalanie cieczy przebiega bezpośrednio nad jej powierzchnią.
Spalanie gazów zachodzi w obecności tlenu zawartego w powietrzu. Do zapalenia gazu potrzebna jest odpowiednia ilość gazu w stosunku do powietrza (tlenu) i energia cieplna wywołująca proces spalania.

 

Zjawiska towarzyszące spalaniu

 

Zjawiskami tymi są: płomień, dym, ciepło oraz produkty spalania. Wpływają one na rozwój niepożądanego w przypadku pożaru procesu oraz utrud­niają warunki prowadzenia działań ratowniczo–gaśniczych. Intensywność tych zjawisk zależy m. in. od szybkości spalania materiału, a szybkość z kolei od rodzaju spalanego materiału. Różnice w szybkości mogą być uzależ­nione od wytworzonej temperatury poża­ru lub zachodzącej w środowisku spala­nia wymiany gazowej.



Płomień – zjawisko płomienia można określić jako widzialną objętość gazową, w której zachodzą procesy spalania (rozkład termiczny, utlenianie). Płomień powstaje w przestrzeni, w której zachodzi termiczna reakcja spalania. W zależności od rodzaju materiału spalanie może przybierać postać jednorodną (charakteryzuje się płomieniem, właściwy jest dla mieszanin gazów lub par cieczy z powietrzem) lub różnorodną (żarzenie na powierzchni utlenianego materiału). Niektóre materiały (np. alkohole) spalają się płomieniem prawie niewidocznym, natomiast materiały boga­te w węgiel (np. pochodne ropy naftowej) palą się intensywnym, kopcącym płomieniem. Zjawisko świecenia pło­mienia polega na żarzeniu się (w skutek działania energii cieplnej) cząstek węgla oddzielających się od płonącego materiału.



Dym – mieszanina gazowych produktów spalania substancji organicznych. W mieszaninie tej rozproszone są mikroskopijne cząsteczki stałe, ciekłe i gazowe. Polskie Normy określają dym jest fazę produktów rozkładu termicznego i spalania materiału rozpraszającą światło, składającą się z cząstek, które stanowić mogą kropelki cieczy, fragmenty ciała sta­łego oblepione cieczą lub substancją smolistą. Dym posiada charakterystyczny dla siebie zapach, smak, barwę, gęstość oraz toksyczność i jest uzależniony od rodzaju substancji, z których powstaje. Na podstawie wydzielającego się dymu można określić rodzaj palącej się substancji. 

Lotne produkty spalania- dwutlenek węgla powstaje w wyniku pełnego spalania (utleniania) węgla stanowiącego główny składnik substancji organicznych. Gaz ten nie jest trujący, ale jednak w zamkniętych pomieszczeniach może być niebezpieczny. Przy stężeniach powyżej 10% CO2 może powodować objawy niedotlenienia, przy 15% stężenia powoduje utratę przytomności, a po przekroczeniu stężenia ponad 30% może spowodować śmierć. Tlenek węgla jest produktem niepełnego spalania węgla, powstaje przy niedoborze tlenu (np. w zamkniętych pomieszczeniach), bezbarwny, bez zapachu, lżejszy od powietrza i silnie trujący. W organizmie ludzkim powoduje, że krew nie może pobierać tlenu do oddychania – po kilku oddechach przy stężeniu 0,03 mg/l może wywołać śmierć. Dwutlenek siarki jest nierzadko składnikiem dymów pożarowych. Można go rozpoznać po silnym, drażniącym zapachu. Działa niebezpiecznie na śluzówki oczu i górnych dróg oddechowych. Siarkowodór to gaz o charakterystycznym zapachu zgniłych jaj, silnie trujący – poraża układ oddechowy, a wchłaniany może być nawet przez skórę. Cyjanowodór może powstawać w efekcie spalania niektórych tworzyw sztucznych, bezbarwny o migdałowym zapachu. Działa bardzo silnie trująco na układ oddechowy i naczyniowo-ruchowy. Wodór to najlżejszy gaz bez zapachu i barwy, szczególnie niebezpieczny ze względu na silną wybuchowość – wybucha przy zetknięciu z tlenem lub substancjami utleniającymi.

Stałe produkty spalania – sadza i odpady mineralne, czyli popiół. Sadzę tworzą nie spalone cząsteczki węgla wydzielone z substancji o strukturze zawierającej znaczne ilości węgla. Do substancji tych można zaliczyć pochodne ropy naftowej czy smoliste drewno. Sadza (produkt niepełnego spalania) może ulegać dalszemu wypalaniu. Zjawisko to możemy obserwować w pożarach kominowych. Powstawanie popiołu jest charakterystyczne dla pożarów mate­riałów stałych (np. drewnianych konstrukcji budynków). Wysoka temperatura, jaka wytwarza się w środowisku pożaru, może stapiać popiół i tworzyć szklistą masę zwaną żużlem.

 

Ciepło spalania

 

Jest to ilość ciepła  (KJ/kg) jaka powstaje podczas całkowitego i zupełnego spalenia jednostki substancji (1kg lub 1m3), przy czym produkty reakcji zostaną oziębione do temperatury początkowej, a para wodna zawarta w spalinach ulegnie skropleniu. Ciepło spalania jest w praktyce wartością hipotetyczną.

 

Wartość opałowa

 

Jest to wartość ciepła spalania pomniejszona o ilość ciepła zawartą w parze wodnej. Innymi słowy jest to ilość ciepła powstała przy całkowitym i zupełnym spaleniu substancji, przy czym para wodna zawarta w spalinach nie ulega skropleniu, a ciepło w niej zawarte jest bezpowrotnie tracone.

 

Skojarzone wytwarzanie ciepła

 

Ciepło skojarzone powstaje w procesie technologicznym, który polega na jednoczesnym wytwarzaniu energii elektrycznej i cieplnej w elektrociepłowni. Energia cieplna w tym przypadku stanowi tzw. ciepło odpadowe, związane z koniecznością schładzania pary wodnej zasilającej turbiny agregatów prądotwórczych. Produkcja energii skojarzonej zwanej też "Kogeneracją" składa się z następujących etapów:

- spalania węgla (kotły fluidalne), lub gazu (turbiny gazowe)

- podgrzewanie wody z wytwarzaniem pary

- przegrzewanie pary do temperatury >400°C

- napędzania turbin parą przegrzaną

- ochładzania pary w wymiennikach ciepła

- przesyłania ciepła na odległość za pośrednictwem sieci cieplnej (stąd inna nazwa - ciepło sieciowe)

Ciepło skojarzone ma wysokie parametry. W zimie woda sieciowa ma nawet >130°C.

 

Sposoby przekazywania ciepła

W instalacjach centralnego ogrzewania ciepło wytworzone w źródle może być przekzanae do pomieszczeń trzeba drogami, poprzez:

- konwekcję

- promieniowanie

- przewodzenie

Konwekcja ciepła

Konwekcja jest jednym z kilku mechanizmów transportu energii cieplnej (wymiany ciepła), np. przenoszenie za pomocą dyfuzji molekularnej, dyfuzji turbulencyjnej, adwekcja (przenoszenie, konwekcja) ciepła. Konwekcja jest wydajnym sposobem przekazywania ciepła, ale jednocześnie silnie zależnym od substancji i warunków w jakich zachodzi. Konwekcja w atmosferze i wodzie ma duże znaczenie w kształtowaniu klimatu i pogody na Ziemi.

Wyróżnia się:
 
  • Konwekcję swobodną (naturalną)- ruch cieczy lub gazu jest wywołany różnicami gęstości substancji znajdującej się w polu grawitacyjnym.
  • Konwekcję wymuszoną - ruch cieczy lub gazu wywoływany jest działaniem urządzeń wentylacyjnych, pomp itp.
Ilość przekazanego ciepła przez konwekcję zależy od szybkości ruchu płynu, dlatego w celu zwiększenia przekazywania ciepła w komputerach, chłodnicach samochodowych itp. stosuje się wentylatory zwiększające szybkość przepływu powietrza.
    Konwekcja naturalna zachodzi najczęściej pod wpływem różnicy temperatur,  tym samym różnicy gęstości czynnika, która prowadzi do ruchów molekularnych. Cząsteczki o mniejszej gęstości mają tendencje unoszenia sie ku górze, podczas gdy zimniejsze (bardziej gęste) opadają na dół. W przypadku pokoju ogrzewanego przez grzejnik, konwekcja polega na ciągłej cyrkulacji powietrza ogrzanego i schłodzonego. Powietrze ogrzane na grzejniku, jako lżejsze unosi się ku górze pomieszczenia, gdzie oddaje ciepło, schładza się i jako cięższe opada ku podłodze. Opadając spycha powietrze znajdujące się w dolnych partiach pomieszczenia zmuszając je do cyrkulacji, także w kierunku grzejnika, gdzie cały proces zaczyna sie na nowo. Zintensyfikowanie procesu konwekcyjnego uzyskuje sie poprzez odpowiednie konstrukcje grzejników, wytwarzając w nich tzw. "efekt kominowy".

 cieplo1.jpg

Fot. Konwekcja nagrzanego powietrza w pokoju.

Innym rozwiązaniem jest wytworzenie przeciągu, wymuszającego ruch konwekcyjny powietrza w całym pomieszczeniu a nie tylko w pobliżu źródła ciepła.

Promieniowanie

Przekazywanie ciepła przez promieniowanie polega na wymianie ciepła między ciałem cieplejszym a chłodniejszym za pośrednictwem fal elektromagnetycznych (fal cieplnych) bez udziału cząsteczek. Fale ciepła rozchodzą sie w pomieszczeniu we wszystkich kierunkach. Ogrzewanie pomieszczenia polega w tym wypadku na przekazywaniu energii od źródła ciepła (np. grzejnika, kominka), do innych ciał w pomieszczeniu (ścian, mebli). Powierzchnie nagrzanych ciał same stają się źródłem promieniowania. Intensywność promieniowania zależy od temperatury ciała i wielkości jego powierzchni. W technice grzewczej promieniowanie jako wymianę ciepła bardzo często wykorzystuje sie w pomieszczeniach wysokich (hale fabryczne, magazyny), gdzie ciepło konwekcyjne jest w dużej części tracone na ogrzewanie stref w których nie przebywają ludzie.

 

Przewodzeniecieplo3.jpg

   Zachodzi zawsze przy zetknięciu sie ze sobą dwóch ciał o różnej temperaturze i prowadzi do stopniowego wyrównania sie temperatur obu ciał.  Szybkość wymiany ciepła na drodze przewodzenia zależy od parametru zwanego współczynnikiem przewodzenia ciepła [λ], który jest charakterystyczny dla danego materiału, a takze pwoierzchni wymiany ciepła i różnicy temperatur pomiędzy dwoma ciałami. Największy współczynnik przewodzenia ciepła mają metale (miedź, srebro), najmniejszy materiały zwane izolatorami (tworzywa sztuczne, drewno). W technice grzewczej przewodzenie zachodzi np. na granicy woda grzejna, ścianka grzejnika, czy ścianka paleniska kotła - woda kotłowa.

Fot. Przenikanie ciepła przez ściany budynku zachodzi z różna intensywnością.




  

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});