COMBUSTIBILI -combustibili folositi in industria aerospatiala- referat chimie

COMBUSTIBILI

-combustibili folositi in industria aerospatiala-

referat chimie

Combustibili

Prin combustibil se intelege orice substanta, sau amestecuri de substante, care in urma unei reactii chimice de ardere, produce o mare cantitate de caldura.

Dun categoria combustibililor chimici fac parte:carbuni de pamant ,titeiul si gazelle de sonda, gazelle naturale, lemnul etc. Dupa starea de agregare si dupa provenienta lor, combustibilii chimici se pot grupa in solizi, lichizi si gazosi.

Caracteristicile combusitbililor

Pentru caracterizarea unui combbustibil, in afara de starea fizica si de provenienta trebuie sa i se mai cunoasca compozitia chimica, puterea calorica, cantitatea de aer necesara arderi, temperatura gazelor de ardere etc.

Compozitia combustibililor: Combusitbili solizi contin diferite combinati organice ale elementelor C,H,S(elemente combustibile),O si N,alaturi de umiditate, (Wt) si substante minerale (Al) care dau cenusa.

Carbonul este elementul principal al combustibililor solizi. Acesta se gaseste in proportie de 50-95%, in functie de natura si varsta combustibililui . Prin arderea completa a unui kilogram de carbon se obtine o energie de 33.44o kJ.

Hidrogenul se gaseste in combustibilii solizi intre 2-6 %. Acesta este, de asemenea un element care ridica valoarea termica a combustibililui, intrucat prin ardere se degaja o mare cantitate de caldura .

Sulful participa cu o pondere de 0,1 - 7 %, in compozitia diferitilor combusitbili solizi. In combusitbil , sulful se gaseste sub trei forme: in combinati organice (sulf organic), sub forma de sulfuiri metalice, in combinati anorganice oxigenate (de exemplu,

sulfati). In procesul de ardere intervin numai sulful organic si cel piritic. Cu toate ca la arderea sulfului se degajeaza o mare cantitate de caldura, acest element este daunator in

procesul de ardere a combustibilior, deoarece SO2 format corodeaza patile metalice ale

focarului si are actiune poluanta (fiind un component al ploilor acide). Pe langa acesta, sulful necesita pentru aprindere o temperatura mare (500 - 600 C).

Azotul se gaseste in general in cantitate mica, nedepasind 2%. El este un element nedorit in masa combustibilului. Acesta nu participa la ardere, dar ia caldur a pentru a se incalzi pana la temperatura cu care gazele arse parasesc instalatia de ardere si prin urmare consuma o parte din caldura degajata la arderea combustibilului.

Oxigenul se gaseste in combusitbili in proportie de 2 % (antracid) pana la 44 % (lemn). Prezenta sa in combusitbil conduce la micsorarea valorii termice a acestuia, deoarece fiind combinat mai ales cu carbonul si hidrogenul, o cantitate din aceste elemente combustibile sunt deja oxidate.

Umiditatea combustibililor constituie de asemenea, un balast, prin faptul ca aceasta consuma o mare cantitate de caldura pentru a trece din starea lichida in starea de vapori. De asemsnea mareste volumul si corozivitatea gazelor de ardere.

Cenusa consituie un balast al combusitbilului, intrucat ii micsoreaza puterea calorica si uneori poate duce la dezorganizarea completa a procesului de ardere, fie prin faptul ca se acumuleaza in focar si impiedica admisia aerului, fie ca se topeste la o temperatura joasa (1150 - 1700 C), si formeaza un conglomerat plastic cu inglobarea unor cantitati de combustibil.

De aceea, in practica industriala,intotdeauna, la alegerea sistemului de ardere a combustibililor solizi se ia in consideratie cantitatea de cenusa si proprietatile ei.

Compozitia combustibilului poate fi determinata prin analiza chimica elementara, si prin analiza tehnica.

Prin analiza elementara se determina continutul procentual de C, H, N, O, S din masa organica a combustibilului, iar prin analiza tehnica se determina umiditatea, materiile volaitle, cenusa si carbunele fix

Combustibili lichizi, cu cateva exceptii, provin din titei si sunt de trei tipuri:

gaze lichefiate,

combusitbili distilati,

combustibili reziduali

Combustibilii lichizi distilati sunt:

benzina,

petrolul lampant

motorina

Acestia contin in principal hidrocarburile C5 - C10,  C10 - C15 si respectiv C12 - C1.

Combustibilii reziduali: sunt formati, in general, din reziduul obtinut la distilarea primara a titeiului si din reziduurile obtinute la craacarea termica a pacurilor sau a motorinelor.Acestia au o compozitie foarte complexa.

Combustibilii gazosi : au o compozitie foarte variata, ce depinde de originea acestora.Astfel, gazele naturale din tara noastra contin peste 99 % CH4, iar gazele combustibile artificiale constau dintr-un amestec de gaze combustibile si necombustibile.

Compozitia combustibililor gazosi: se exprima obisnuit in procente volumetrice. Principalele componente combustibile ale acestora sunt:CO, H2, CH4, alte hidrocarburi si H2S,iar componentele necombustibile insotitoare sunt: CO2, O2 si N2.

Combustibili lichizi nepetrolieri

Gudron: nisipurile canadiene de gudron sunt extrase cu apa calda pentru a recupera un ulei greu. Uleiul este transformat in kerosen si benzina (care sunt hidrotratate), in plus fata de combustibil (care este recuperat). Nisipurile bituminoase sunt dezvoltate in Utah.

Uleiuri din sisturi bituminoase :șistul bituminos este contine kerogen organic.

Uleiul brut este extras din roci minate, sau prin injectare de abur dupa spargerea rocii cu explozibili. Se obtine ulei brut  cun un conținut ridicat in azot, oxigen, si sulf. Sisturile au fost hidrotratate si rafinate in testele demonstrative in carburanti conventionali relativi.

Combustibili derivați din carbune: Combustibili lichizi derivati din gama de carbune de la gudroane de carbune, foarte aromate, la lichide asemanatoare cu petrolul. Lichide din diferite procese de hidrogenare arata ariații ce reflect gradul de hidrogenare atins.

De asemenea, lichidele prime pot fi in continuare hidrogenate pana la produsele rafinate. Proprietatile si costurile depind de gradul de hidrogenare si intervalul de fierbere a fractiunii selectate. Un echilibru corect intre combustibil si modernizarea echipamentelor este esentiala pentru utilizarea cea mai economica de lichidele provenite din carbune in cazane, cuptoare industriale, motoare diesel si turbine cu gaz.

Combustibili proveniți din carbune au puncte de fierbere ridicate.Au conținut scazut in sulf si cenusa, contin hidrocarburi, fenoli, azot si oxigen si compusi heterociclici.Fiind mai aromați decat combustibili petrolieri, trebuie sa arda cu o flacara mai luminosa. De la 288 la 477 K (60 pana la 400 ° F) proprietatile includ:

Capacitatea de caldura : 1.47 - 1.67 kJ / (kg ⋅ K) (0.35 - 0.40 Btu / [lb ⋅ ° F])

Conductivitate termica: 0.14-0.15 W / (m ⋅ K) (0.080-0.085 Btu / [⋅ ⋅ h ft ° F])

Analiza: Genetica umana - tipuri mendeliene de eredit Analiza: Pielea - organ conjunctivo-epitelial

Caldura de vaporizare: 349 kJ / kg (150 Btu / lb)

Caldura de fuziune: nula

Puterea calorica

Puterea calorica exprima cantitatea de caldura care rezulta prin arderea completa a unei unitati de combustibil.

Puterea calorica a combustibililor solizi si lichizi se exprima in kj/kg sau kcal/kg,iar a celor gazosi in kj/m3N.

Majoritatea combustibililor contin in compozitia lor hidrogen, component care prin ardere se transforma in apa.In afara de acestea, inainte de ardere, combustibilii contin o cantitate mai mare sau mai mica de apa, care exprimata procentual reprezinta umiditatea initiala a acestora.Apa rezulta prin arderea hidrogenului si apa sub forma de umiditate poate sa se gaseasca in produsele de ardere sub forma de vapori sau sub forma lichida.

Intrucat calitatea de caldura determinata de arderea combustibililor depinde de starea de agregare a apei din produsele de ardere, in practica se deosebeste puterea calorica superioara si puterea calorica inferioara.

Puterea calorica inferioara (Qi ): reprezinta cantitatea de caldura obtinuta prin arderea

unei cantitati de combustibil, in cazul cand produsele de ardere au temperatura de 20 C;

in acest caz, apa din produsele de ardere fiind lichida, in puterea calorica determinata se include si caldura lanenta de condensare a vaporilor de apa .

Puterea calorica inferioara (Qi) reprezinta cantitatea de caldura determinata la arderea unei unitati de combustibil in conditiile in care produsele finale sunt evacuate la o temperatura mai mare de decat temperatura de condensare a vaporilor de apa.

In practica se ia in considerare numai puterea calorica inferioara, intrucat din instalatiile industriale se elimina produsele de ardere continand apa sub forma de vapori.

Arderea combustibililor

In vederea arderii unui combustibil, trebuie sa se asigure mai intai, prezenta simultana si a oxigenului si apoi sa se produca aprinderea.

Arderea oricarui combustibil este precedata de aprindere. Pentru aprinderea unui combustibil trebuie se existe o anumita proportie locala intre combustibil si oxigen si sa existe o sursa de energie pentru incalzirea combustibilului pana la temperatura de aprindere. Temperatura de aprindere de natura combustibilului si reprezinta cea mai joasa temperatura la care incepe arderea interna. Aprinderea combustibilului este precedata intotdeauna de o perioada de timp, numita perioada de inductie, pe durata careia, sub influenta temperaturii inalte si a altor factori, combustibilul sufera procese de descompunere si oxidare, cu formare de combinatii mai simple, produse intermediare active ca radicali, atomi sau molecule semi-stabile, cu o energie de activare mica, care participa la propagarea reactiilor de ardere.

Aprinderea si arderea combustibililor gazosi: are loc prin reactii inlantuite,initiate termic.

Combustibili gazosi: oferind cea mai mare suprafata de contact intreei si oxigen, se aprind foarte usor; arderea are loc in intreg volumul amestecului de combustibil - aer.

Arderea combustibililor lichizi: se realizeaza marindu-se suprafata de contact cu oxigenul sau aerul, in care scop, acestia se pulverizeaza.

Arderea combustibililor solizi: este un proces eterogen si se compune din urmatoarele etape:

incalzirea si uscarea combustibililor;

descompunerea pirogenica a combustibilului cu formare de materii volatile si a cocsului;

arderea materiilor volatile;

arderea cocsului

Combustibili pentru motoare cu ardere interna

Motoarele termice utilizeaza drept sursa de energie un combustibil care arzand in anumite conditii in prezenta aerului furnizeaza o cantitate de caldura ce se transforma in energie mecanica.

Combustibili cei mai des folositi pentru motoarele cu ardere interna prvin din titei, care este supus unui ansamblu de tratamente chimice si fizice.Acesti combustibili datorita caracteristicilor functionale ale motoarelor in care se folosesc, sunt diferentiati in:

benzine - pentru motoarele cu aprindere prin scanteie

motorine - pentru motoarele cu aprindere prin compresie

petroluri in amestecuri pentru turbomotoare

Benzinele: din punct de vedere chimic sunt un amestec de hidrocarburi C5 - C10  din clasa alcanilor (parafinice),cicloalcanilor (naftenice) aromatice si nesaturate liniare (olefinice). In benzina procentul de carbon este de 80 - 82% iar cel ce hidrogen de 14 - 15%.

Motorinele(combustibili Diesel): sunt fractiuni petroliere cu densitate cuprinsa intre

850 - 890 kg/cm3 si cu temperatura de fierbere cuprinsa intre 200 - 370 C.

Ele provin, in general, de la distilarea atmosferica a titeiului si constau din amestecuri de hidrocarburi ce au in moleculele lor de la 12 pana la 18 atomi de carbon.

Combustibilii pentru motoarele Diesel se caracterizeaza prin proprietati opuse benzinei, respectiv, hidrocarburile componente trebuie sa se oxideze cu usurinta cu

formare de peroxizi si alte produse de oxidare incompleta, pentru ca autoaprinderea

sa se produca usor.

Petrolurile turbo (combustibilii pentru turbomotoare): intrebuintate in industrie, transporturi terestre, aeriene, navale, cuprind o mare varietate de produse: produse petroliere, suspensii de pulberi metalice in fractiuni de titei, combustibili gazosi etc.

In cazul turbomotoarelor de aviatie se utilizeaza fractiuni de titei cu intervalul de distilare cuprins intre 163 si 302 C, kerosen si petrol lampant, precum si fractiunea larga in intervalul temperaturilor de distilare cuprins intre 52 si 302 C.

Cifra octanica

Principalul criteriu pentru determinarea calitatii antidetonante a benzinelor este cifra octanica (CO). Cu cat valoarea cifrei octanice este mai mare, cu atat benzina are o rezistenta mai mare la detonatie.Cifra octanica se determina prin compararea benzinei cu un combustibil etalon cu o cifra octanica cunoscuta.

Caracteristici ale motorinelor:

Motorinele trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:

rezistenta mica la autoaprindere;

vaporizare usoara;

punct de congelare scazut.

Aditivi pentru combustibili

Aditivii sunt substante introduse in carburanti in vederea imbunatatiri acestora.

Aditivi pentru benzine:

aditivi antidetonanti (impiedica autoaprinderea, maresc cifra octanica)

aditivi anticorozivi (reduc coroziunea pieselor metalice ce intra in contact cu benzinele)

aditivi degivranti (au rolul de a impiedica formarea ghetii pe carburator,

produsa de evaporarea benzinei).

Aditivi pentru motorine:

aditivi acceleratori (maresc cifra cetanica,micsoreaza temperatura de autoaprindere si favorizeaza procesul de ardere).

aditivi anticongelanti (impiedica formarea si dezvoltarea procesului de cristalizare a hidrocarburilor parafinice).

aditivi contra fumului (fac ca emisia de fum sa fie mult mai redusa iar consumul de combustibil sa se reduca si el)

Primele avioane supersonice care folosesc combustibili sintetici

Daca nu stiati, cel mai mare consumator de combustibil din SUA este armata. Nici nu ne mira atunci ca orice crestere a pretului barilului cu 10$ inseamna o majorare a cheltuielilor cu kerosenul (combustibilul folosit de avioane) de 600 milioane $ anual. O solutie evidenta pentru cei preocupati de protejarea mediului ar fi reducerea numarul de avioane si implicit zboruri.

Pentru armata SUA solutia este insa reducerea costului barilului de combustibil, lucru ce a si fost realizat de curand cu ajutorul combustibililor sintetici (proportie de 50%). Primul avion care a zburat folosind combustibil sintetic a fost un bombardier B1-B Lancer. Partea sintetica a combustibilului este derivata din gaz natural prelucrat prin procedeul Fischer-Tropsch.

Scopul declarat de armata SUA este de a folosi combustibili fosili pentru fiecare zbor pana in 2011. Pe langa reducerea de pret de 30-50$ din costul barilului de combustibil se preconizeaza si o ardere mai curata, cu mai putini compusi care contribuie la efectul de incalzire globala. Chiar daca se putea si mai bine, nu trebuie sa ignoram initiativa, ea putand avea impact si asupra aviatiei civile peste cativa ani.

Biocombustibil pentru avioane

Avioanele care vor folosi biocombustibili vor intra in dotarea companiilor aeriene din intreaga lume in urmatorii trei ani, au anuntat reprezentantii Boeing. Milioane de pasageri vor calatori astfel in fiecare an cu avioane cu emisii reduse de gaze cu efect de sera

Darrin Morgan, expert de mediu al producatorului american, a declarat ca Boeing asteapta in perioada imediat urmatoare aprobarea oficiala pentru acest proiect. "Vom primi certificarea mult mai devreme decat ar fi crezut cineva. Ne asteptam ca in urmatorii trei pana la cinci ani sa primim permisiunea pentru a zbura folosind biocombustibili. Poate chiar mai devreme de atat", a declarat Morgan, citat de ziarul britanic The Guardian. Expertul a adaugat ca avioanele care vor folosi biocombustibil vor zbura in paralel cu cele care functioneaza cu kerosen. Cu toate acestea, consumarea cu moderatie a combustibililor proveniti din plante este bariera pe care industria aeronautica trebuie s-o invinga. Astfel, la productia actuala mondiala de biocombustibil este necesar ca o suprafata egala cu cea a Europei sa fie anual cultivata cu soia destinata biocombustibililor. Boeing se asteapta ca, in prima faza, 30% din aeronave sa zboare cu biocombustibili. Ar fi posibila chiar acoperirea tuturor zborurilor, dar in momentul de fata nu s-a luat in calcul nicaieri in lume marirea productiei de plante pentru biocombustibili. In momentul de fata, industria consuma aproximativ 255 de miliarde de litri de kerosen in fiecare an.

TIPURI DE COMBUSTIBIL

In trecut,au existat multe grade diferite de benzina de aviatie,de exemplu 80/87, 91/96, 100/130, 108/135 si 115/145,concepute special pentru motoare turbo de mare putere si supraalimentate radial. Cu toate acestea,cu o cerere in scadere toate acestea au fost reduse la un singur tip, AvGas 100/130,cunoscut ,de asemenea,si sub numele de AvGas 100.

Plumbul a fost adaugat pentru a creste rezistenta combustibililor impotriva detonarii in interiorul motorului in timpul combustiei.

AvGas a fost mult timp folosit ca combustibil pentru aeronave cu piston cu reglaj electric,dar cum vom vedea,motoarele diesel de aviatie vor folosi JET sau motorina.

Motoarele de avioane cu piston functioneaza utilizand aceleasi principii de baza ca motoarele cu aprindere prin scanteie de autoturisme,dar au o cerinta de performanta mult mai mare.

Motoarele de aviatie sunt proiectate pentru a rula la puterea de 55% sau mai mult,in cazul in care motoarele de masina ruleaza la o putere medie de 30% sau mai putin.

AvGas este foarte volatil si extrem de inflamabil la temperaturi normale de functionare. Manipularea corecta si sigura a acestui produs este,prin urmare,de cea mai mare importanta.

Benzina de aviatie -AVGAS are caracteristici diferite pentru a satisface cerintele diferitelor tipuri de motoare cu piston  - unele cu performante mai ridicate si altele cu performante mai scazute. Aceste diferente de caracteristici ale benzinei Avgas sunt codate pe culori pentru a va ajuta la identificarea corecta a combustibilului. Combustibilul normal pentru avioanele usoare este 100LL care este colorata albastru.

Combustibilul trebuie sa aiba calitati anti-detonare (antisoc)care sunt date de catre valoarea cifrei octanice sau cifrei de performanta. Cu cat cifra octanica(motor/performanta) este mai mare, cu atat este mai mare raportul de comprimare pe care amestecul combustibil/ aer il poate dezvolta fara sa detoneze. Tetraetilul de plumb este adaugat la combustibilii cu cifra octanica mai mare pentru a le imbunatati calitatile anti-detonare.

Cifra de performanta mai ridicata indica puterea posibila (prin comparatie cu combustibilul de referinta standard) inainte ca un amestec bogat sa detoneze, si cifra mai scazuta indica puterea posibila inainte ca acelasi combustibil fara plumb ar detona. Anumite motoare necesita un combustibil anume.

Kerosen

Kerosen,cunoscut drept asparaffin in Marea Britanie si Africa de Sud,este un combustibil din hidrocarburi lichide.Numele este derivat din grecescul Keros (κηρός ceara).

Cuvantul Kerosen a fost inregistrat ca marca de Abraham Gesner in anul 1854.

Acesta este de obicei numit parafina (uneori uleiul de parafina) in Marea Britanie, Asia de Sud-Est si Africa de Sud (a nu se confunda cu uleiul de parafina,mult mai vascos folosit ca un laxativ).Este utilizat pe scara larga pentru aeronave jet-motor (cu jet de combustibil) si unele rachete. Kerosenul este de obicei stocat intr-un recipient in albastru pentru a se evita confundarea cu benzina mult mai inflamabila, care este de obicei pastrat intr-un recipient rosu. Motorina este in general pastrata in recipient galben pentru acelasi motiv.

Kerosenul este un lichid subtire,limpede,format din hidrocarburi,cu o densitate de 0.78 - 0.81 g/cm3.Acesta este obtinut din distilarea fractionata a petrolului intre 150 ° C si 275 ° C. Punctul de aprindere a kerosenului este intre 37 si 65 ° C (100 si 150 ° F) si temperatura sa de autoaprindere este de 220 ° C (428 ° F).

Caldura de ardere a kerosenului este similara cu cea a dieselului:valoarea cea mai mica de incalzire este de aproximativ 18500 Btu/lb sau 43.1 MJ/kg,iar valoarea sa cea mai mare este de 46.2 MJ/kg.

Din proprietati rezulta ca kerosenul este un combustibil putin mai usor ca petrolul lampant, insa diferenta este mica.Principala utilizare a kerosenului este drept combustibil pentru motoarele reactoare din aviatie.

Utilizari:

-Kerosenul Este adesea folosit in industria de divertisment pentru spectacole de foc, cum ar fi respiratie de foc, jonglerie incendiu sau puncte de interes si dans foc;

-Kerosenul a fost folosit pentru a trata bazine de apa,pentru a preveni tantarii din reproducere,in special in cazul febrei galbene izbucniya in 1905 in New Orleans;

-acesta poate fi utilizat pentru a elimina paduchi de par,dar aceasta practica este dureroasa si foarte periculoasa.De asemenea,aceasta practica elimina toate uleiurile si grasimile naturale de pe scalp;

-este utilizat in ambalarea si depozitarea de fosfor alb pentru a evita contactul cu oxigenul,ceea ce ar duce la ardere imediata;

-in X-ray cristalografie, kerosenul poate fi folosit pentru a stoca cristale;

-este uneori folosit ca un solvent;

-este folosit ca un lubrifiant pentru taiere de sticla.

In 2008, costul kerosenului a fost de 39.92 dolari per milion BTU ($ 37.84/GJ) pentru incalzire.

In mijlocul secolului 20, kerosenul sau TVO (vaporizare ulei tractor) a fost folosit ca si combustibil ieftin pentru tractoare.Kerosenul este utilizat drept combustibil pentru motoarele construite de Motors Yamaha, Suzuki Marine si Tohatsu.

Astazi kerosenul este utilizat in principal drept combustibil pentru motoarele cu reactie (Jet A, Jet A-1, Jet B, JP-4, JP-5, JP-7 sau JP-8).

Reactia de combustie poate fi aproximata, dupa cum urmeaza,cu formula molecular C12H26 (dodecane):

C12H26(l) + 37/2 O2(g) --> 12 CO2(g) + 13 H2O(g); ∆H˚= -7513 kJ.

Ingestia de kerosen este daunatoare sau chiar fatala.