كيف يتم الاحتراق
بسم الله الرحمن الرحيم
الكربون والهيدروجين من العناصر التي تدخل في تركيب مختلف انواع الوقود. واثناء الاشتعال يحدث تفاعل كيميائي فتتأكسد تلك العناصر فيتحول الكربون الى ثاني اكسيد الكربون والهيدروجين الى ماء. في حين تتحول طاقة الوقود الكميائية الى حرارة . واثناء تحرر الطاقة الحرارية ينخفض محتوى الوقود الحراري, او ما يعرف بالانثالبية.
يمكن لعملية الاحتراق ان تبدأ بشكل تلقائي. ولكن كقاعدة عامة فانه من الضروري ان يتعرض الوقود لدرجة عالية من الحرارة من مصدر خارجي ليصل الى درجة حرارة الاشتعال. وعندما يصل الى درجة حرارة الاشتعال يولد الوقود كمية من الحرارة اكبر من تلك التي اكتسبها من المصدر الخارجي.
ولكي تتم عملية الاحتراق لابد من توفر الاكسجين, والذي غالبا ما يتم الحصول عليه من الهواء واحيانا من مصدر اخر غير الهواء.
تنقسم عمليات الاحتراق الى قسمين:
الاول: احتراق كامل, يسمى ايضا بالاحتراق الكيميائي المتكافئ, حيث ان جميع عناصر تركيبة الوقود تكون قد اتحدت تماما مع ذرات الاكسجين. كمية الاكسجين المطلوبة لانجاز هذا النوع من الاحتراق يمكن الحصول عليها من خلال موازنة معادلة التفاعل الكيميائي. ابسط مثال على الاحتراق الكامل:
C+ O2 --> CO2 + Heat
الثاني: الاحتراق غير الكامل, وذلك ان الناتج من التفاعل الكيميائي بسبب عملية الاحتراق تكون له القابلية للاتحاد مرة اخرى من الاكسجين ليتحول الى مركب اخر. فمثلا غاز اول اكسيد الكربون (CO) له القابلية ان يتأكسد مرة اخرى ليتحول الى غاز ثاني اكسيد الكربون (CO2). وبالتالي فانه من الاهمية بمكان ان تتكيف كمية الاكسجين المقدمة لانجاوز عملية الاحتراق المطلوبة.
ولتقدير فعالية عملية الاحتراق يتم احتساب درجة الكفاءة ηb. ولضمان الاحتراق الكامل يتطلب فائض معين من الاكسجين. حيث ان الفرق ما بين التدفق النظري والتدفق الفعلي للهواء يسمى بفائض الهواء. ولاجل تجنب فقدان الطاقة على شكل حرارة وللحد من الانبعاثات الملوثة فانه ينبغي المحافظة على فائض الهواء عند مستوى منخفض قدر الامكان, من خلال مزج الهواء مع الوقود بشكل جيد. وكلما ارتفعت كمية فائض الهواء كلما انخفضت درجة الحرارة في غرفة الاحتراق. بعض الافران يتم تزويدها بفائض هواء كبير لغرض خفض درجة حرارة غاز الاشتعال.
وبما ان الوقود يحتوي على مواد اخرى غير الكربون والهيدروجين, فانه اثناء عملية الاحتراق يتم انتاج بعض الغازات والتي تحمل ايضا مقدار معين من الطاقة. ابسط الامثلة المعتادة على ذلك هو غاز اكسيد الكبريت.
علما انه كلما ارتفعت درجة حرارة الاحتراق كلما انخفض تشكل مركبات الهديدروكربونات الضارة. ومع ذلك فان ارتفاع درجة الحرارة يعني تكون انتاج غازات اكسيد النتروجين, والتي تتشكل من النتروجين ومن الاكسجين المستخلص من الهواء اثناء عملية الاحتراق.
واذا ما استخدمنا وقودا اخر غير ذلك المركب من الكربون, فانه تتشكل مركبات اخرى من الملوثات مثل مركبات الكبريت والنتروجين.
كمية الحرارة التي تصدر اثناء الاحتراق تعتمد بالدرجة الاولى على مقدار الاكسجين المستخدم في عملية التفاعل الكيميائي.
درجة كفاءة الاحتراق
درجة كفاءة الاحتراق, ηb , هي النسبة ما بين كمية الحرارة الفيزيائية التي انتجت بفعل عملية الاحتراق وما بين القيمة الحرارية الموجودة في الوقود. بعبارة اخرى هي مقياس لمدى كفاءة طاقة الوقود الكيميائية والتي تحولت الى طاقة حرارية. وبالتالي فهي لا تخبرنا عن مدى كفاءة الحرارة ليتم استخدامها في وقت لاحق ( لهذا الغرض يمكن الحصول على تعاريف اخرى لدرجة الكفاءة).
والعوامل التي تؤثر في درجة كفاءة الاحتراق:
- النسبة المئوية لكمية الغازات غير المحترقة, مثل غاز اول اكسيد الكربون (CO) وغاز الهيدروجين (H2).
- النسبة المئوية للوقود غير المحترق, مثل السخام والرماد.
وتنشأ بعض الغازات غير المحترقة اثناء عملية الاحتراق بسبب نقص في كمية الاكسجين.
درجة كفاءة القود السائل او الغازي تصل الى 99 %. اما الفحم الممزوج ببعض الصدأ فدرجة كفائته هي 95 %, في تتراوح كفاءة مسحوق الفحم بين 95 و 99 %.
محتوى الرطوبة ونسبة الاكسجين
عادة ما تستخدم كمية من الاكسجين/ الهواء اكبر من تلك التي يتطلبها الاحتراق الكيميائي المتكافئ. وذلك لانه لا يمكن ضمان الحصول على احتراق كامل اذا كانت كمية الاكسجين مساوية بالضبط لما يحتاجة الاحتراق الكامل, وذلك بسبب ان مزيج الاكسجين مع الوقود ليس متكاملا.
وتشير نسبة الاكسجين او الهواء (λ) الى العلاقة ما بين الهواء/ الاكسجين المضاف فعليا الى عملية الاحتراق ( I او S) وما بين كمية الاكسجين/ الهواء المطلوب نظريا لاتمام عملية الاحتراق المتكامل (I0 او S0), كما في الشكل التالي:
اذا كانت النسبة اكبر من واحد فان هناك فائض في الاحتراق الكيميائي. واذا كانت اقل من واحد فان هناك نقص في الاحتراق الكيميائي.
ان عامل الهواء او الاكسجين مهم جدا لكفاءة الاحتراق. فاستخدام كمية كبيرة من الاكسجين او من الهواء تعني الحاجة الى مزيد من الطاقة لتسخين تلك الكمية. حيث ان تأثير البرودة اثناء احتراق الهواء سيكون اكبر منه اثناء احتراق الاكسجين. وذلك لان الهواء يحتوي على 3.76 مول من النتروجين مقابل كل 1 مول من الاكسجين. ولكن من ناحية اخرى اذا كانت نسبة الهواء/ ضئيلة فانه الغاز الصادر من علمية الاحتراق سيحتوي على مخلفات اخرى غير محترقة, والتي تمثل ايضا فقدان للطاقة.
بعبارة اخرى ان نسبة الاكسجين/ الهواء لها علاقة مباشرة بتكون غازات اكسيد النتروجين.
ان افضل نسبة لعامل الهواء لاحراق الوقود الغازي هي ما بين 1.05 و 1.07
اما المحروقات النفطية السائلة فافضل نسبة لها هي ما بين 1.10 و 1.15
واذا كانت قيمة نسبة عامل الهواء غير معروفة فيمكن الحصول عليها من خلال تحليل الغازات الصادرة من عملية الاحتراق.
الاحتراق الكيميائي المتكافئ
ويعني ان تتوافق امدادت الاكسجين بالضبط مع الكمية المطلوبة ـ نظريا ـ لاتمام عملية الاحتراق المتكامل. بالنسبة للوقود الذي يحتوي على الكربون والاكسجين والهيدروجين فانه يتم الوصول الى الاحتراق المتكافئ عن طريق الصيغة التالية للاحتراق بمساعدة الاكسجين:
واما الاحتراق بمساعدة الهواء فنستخدم فيه المعادلة التالية للوصول الى عملية الاحتراق المتكافئ
وتسمى كمية الاكسجين/ الهواء المستهلكة ضمن عملية الاحتراق المتكامل بكمية الاكسجين/ الهواء المتكافئة او النظرية.
عملية الاحتراق اللا تبادلية (Adiabatic)
وهي عملية لا يتم فيها تبادل الحرارة بين المنظومة والبيئة المحيطة بها. وهكذا فانه اثناء عملية الاحتراق اللا تبدالية يتم تحويل جميع طاقة الوقود الكيميائية الى طاقة حرارية للغازات المتولدة ( زائدا المخلفات المحتملة ). في اغلب الاحيان يتم وصف درجة حرارة اللهب اللا تبادلي للوقود كمقياس لكمية الطاقة الحرارية التي يحملها.
في الواقع فانه من المستحيل عزل منظومة ما تماما عن محيطها. لذلك لا وجود للعمليات اللا تبادلية التامة.
درجة حرارة اللهب اللا تبادلية
عندما نتحدث عن درجة حرارة اللهب اللا تبادلية فاننا نعني درجة الحرارة تلك الذي يصل اليها الغاز عند عملية الاحتراق المتكاملة واللا تبادلية. ويمكن حساب درجة الحرارة تلك من خلال توازن الطاقة.
ومع ذلك, تجدر الاشارة الى ان درجة حرارة اللهب اللا تبادلية تعتمد على الغازات الناتجة من عملية الاحتراق, والتي تعتمد على مادة الاكسدة المستخدمة وعلى التوازن المعتمد على اختلاف درجة الحرارة بين مختلف مكونات تلك الغازات.
في درجات الحرارة المرتفعة تنفصل بعض منتجات الاحتراق, مما يؤدي الى انخفاض درجة حرارة اللهب. لان التفكك عبارة عن عملية ممتصة للحرارة.
فيما لو استخدم الاكسجين في عملية الاحتراق فان درجة حرارة اللهب اللا تبادلية تكون اعلى منها فيما لو تم استخدام الهواء. حيث انه في الهواء يوجد ايضا النتروجين والذي يقوم بامتصاص الحرارة فتنخفض درجة الحرارة.
فيما يلي جدول باهم انواع الوقود ودرجة حرارتها اللا تبادلية, بحسب العنصر الداخل في عملية الاحتراق.
الوقود هواء ( درجة مئوية) هواء ( كلفن) اكسجين ( درجة مئوية) اكسجين (كلفن) H2 2097 2370 2806 3079 CO 2108 2381 2780 2978 CH4 1950 2223 3069 3053 C2H2 2260 2535 2902 3342 C2H4 2088 2361 2813 3175 C2H6 1986 2259 2865 3086 C3H8 1988 2261 2827 3138 C4H10 1973 2246 2705 3100 ديزل 2357 2630 -- --
الموضوع مترجم ـ مع بعض التصرف ـ من اللغة السويدية, والترجمة حصرية لمنتديات درر العراق
للوصول الى الموضوع بلغته الاصلية اضغط هنا
رد مع اقتباس
المشاركة الأصلية كتبت بواسطة The Master
