Ρύθμιση καύσης: Αναλογία αέρα–καυσίμου, O₂, CO₂ και περίσσεια αέρα

Ρύθμιση καύσης: Αναλογία αέρα–καυσίμου, O₂, CO₂ και περίσσεια αέρα

Η σωστή ρύθμιση καύσης αποτελεί βασικό παράγοντα για την ενεργειακή απόδοση, την ασφαλή λειτουργία και τον περιορισμό των εκπομπών ενός καυστήρα πετρελαίου ή φυσικού αερίου.

Η διαδικασία δεν περιορίζεται στην αλλαγή της θέσης ενός τάμπερ αέρα ή στη μεταβολή της παροχής καυσίμου. Απαιτεί αξιολόγηση της αναλογίας αέρα–καυσίμου, μετρήσεις καυσαερίων και επαλήθευση της σταθερότητας της φλόγας σε όλο το προβλεπόμενο εύρος λειτουργίας.

Οι σημαντικότερες παράμετροι είναι το οξυγόνο (O₂), το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), η περίσσεια αέρα και η θερμοκρασία καυσαερίων.

1. Τι είναι η αναλογία αέρα–καυσίμου;

Η αναλογία αέρα–καυσίμου περιγράφει την ποσότητα αέρα που παρέχεται σε σχέση με την ποσότητα καυσίμου.

Για να πραγματοποιηθεί πλήρης καύση, απαιτείται συγκεκριμένη θεωρητική ποσότητα οξυγόνου.

Επειδή ο ατμοσφαιρικός αέρας περιέχει περίπου 21% οξυγόνο κατ’ όγκο, η απαιτούμενη ποσότητα αέρα είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την ποσότητα του οξυγόνου που συμμετέχει στην αντίδραση.

Στην πράξη, οι καυστήρες λειτουργούν συνήθως με περισσότερο αέρα από τη θεωρητικά αναγκαία ποσότητα.

Αυτό βοηθά στην ολοκλήρωση της καύσης παρά τις πραγματικές ατέλειες ανάμειξης.

2. Τι είναι η στοιχειομετρική καύση;

Στοιχειομετρική καύση είναι η θεωρητική περίπτωση στην οποία παρέχεται ακριβώς η απαιτούμενη ποσότητα οξυγόνου για πλήρη καύση του καυσίμου.

Για το μεθάνιο, το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου, η ιδανική αντίδραση είναι:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Στην πραγματική καύση με αέρα συμμετέχει και το άζωτο, το οποίο αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του ατμοσφαιρικού αέρα.

Η στοιχειομετρική κατάσταση αποτελεί σημείο αναφοράς και όχι απαραίτητα κατάλληλο πραγματικό σημείο λειτουργίας ενός καυστήρα.

3. Τι είναι η περίσσεια αέρα;

Η περίσσεια αέρα εκφράζει την επιπλέον ποσότητα αέρα σε σχέση με τη θεωρητικά απαιτούμενη.

Ο συντελεστής αέρα συμβολίζεται συνήθως με λ:

λ = Πραγματικός αέρας / Στοιχειομετρικός αέρας

Επομένως:

• λ = 1: Θεωρητικά στοιχειομετρική παροχή αέρα.

• λ = 1,10: Παροχή αέρα 10% μεγαλύτερη από τη θεωρητική.

• λ = 1,20: Παροχή αέρα 20% μεγαλύτερη από τη θεωρητική.

Η περίσσεια αέρα ως ποσοστό υπολογίζεται:

Περίσσεια αέρα (%) = (λ − 1) × 100

Η σχέση αυτή αναφέρεται στην παροχή αέρα και όχι απευθείας στο ποσοστό O₂ που μετρά ο αναλυτής.

4. Πώς επηρεάζει η περίσσεια αέρα την απόδοση;

Η υπερβολική περίσσεια αέρα αυξάνει τη μάζα των καυσαερίων που θερμαίνεται και αποβάλλεται από την καπνοδόχο.

Αυτό μπορεί να αυξήσει τις θερμικές απώλειες.

Αντίθετα, πολύ μικρή περίσσεια αέρα μπορεί να προκαλέσει ατελή καύση, αυξημένο CO, αιθάλη σε καυστήρες πετρελαίου ή αστάθεια φλόγας.

Η βέλτιστη ρύθμιση επιδιώκει την κατάλληλη ισορροπία μεταξύ:

• Πλήρους και σταθερής καύσης.

• Αποδεκτών εκπομπών.

• Ασφαλούς περιθωρίου αέρα.

• Περιορισμένων θερμικών απωλειών.

Δεν είναι σωστό να επιδιώκουμε τη χαμηλότερη δυνατή ένδειξη O₂ ανεξάρτητα από τις υπόλοιπες παραμέτρους.

5. Τι δείχνει το O₂ στα καυσαέρια;

Το O₂ δείχνει το οξυγόνο που παραμένει στα καυσαέρια μετά την καύση.

Σε γενικές γραμμές:

• Υψηλότερο O₂ συνδέεται με μεγαλύτερη περίσσεια αέρα.

• Χαμηλότερο O₂ συνδέεται με μικρότερη περίσσεια αέρα.

Ωστόσο, μια αυξημένη ένδειξη O₂ μπορεί επίσης να προκύψει από εισροή αέρα στο σύστημα καυσαερίων μετά τη ζώνη καύσης.

Γι’ αυτό έχει σημασία η σωστή θέση δειγματοληψίας και η κατάσταση στεγανότητας του συστήματος.

Η κατάλληλη τιμή O₂ εξαρτάται από τον τύπο καυστήρα, το καύσιμο, το φορτίο και τις οδηγίες του κατασκευαστή.

6. Τι δείχνει το CO₂;

Το CO₂ είναι προϊόν της πλήρους καύσης των ενώσεων άνθρακα.

Για δεδομένο καύσιμο και συνθήκες πλήρους καύσης, όσο αυξάνεται η περίσσεια αέρα τόσο μειώνεται συνήθως η συγκέντρωση CO₂ στα ξηρά καυσαέρια, λόγω αραίωσης.

Το θεωρητικό μέγιστο CO₂ εξαρτάται από τη σύσταση του καυσίμου.

Δεν υπάρχει μία κοινή μέγιστη τιμή CO₂ για φυσικό αέριο, πετρέλαιο και άλλα καύσιμα.

Σε αρκετούς αναλυτές το CO₂ υπολογίζεται από το O₂ και την επιλεγμένη σύσταση καυσίμου, αντί να μετριέται απευθείας.

7. Σχέση O₂ και περίσσειας αέρα

Για μια απλοποιημένη προσέγγιση, σε κανονική πλήρη καύση και ξηρά καυσαέρια, χρησιμοποιείται συχνά η σχέση:

λ ≈ 21 / (21 − O₂)

όπου το O₂ εκφράζεται σε ποσοστό κατ’ όγκο.

Η σχέση είναι προσεγγιστική και δεν υποκαθιστά τον ακριβή υπολογισμό με βάση τη σύσταση του καυσίμου.

Για παράδειγμα, εάν:

O₂ = 4%

τότε:

λ ≈ 21 / 17 ≈ 1,235

Άρα η εκτιμώμενη περίσσεια αέρα είναι περίπου 23,5%.

Η πραγματική εκτίμηση πρέπει να λαμβάνει υπόψη το καύσιμο, τη μέθοδο μέτρησης και πιθανές εισροές αέρα.

8. Γιατί είναι σημαντικό το CO;

Το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) είναι προϊόν ατελούς καύσης και σημαντικός δείκτης προβληματικών συνθηκών.

Υψηλό CO μπορεί να οφείλεται σε:

• Ανεπαρκή αέρα καύσης.

• Κακή ανάμειξη αέρα και καυσίμου.

• Ασταθή φλόγα.

• Ακατάλληλη κεφαλή καύσης.

• Προβλήματα ψεκασμού σε καυστήρες πετρελαίου.

• Δυσμενείς συνθήκες λειτουργίας.

Η χαμηλή ένδειξη O₂ δεν αποτελεί επιτυχία εάν συνοδεύεται από αύξηση CO.

Επίσης, το CO πρέπει να αξιολογείται με βάση τη μονάδα μέτρησης, τις συνθήκες αναφοράς και τις ισχύουσες απαιτήσεις.

9. Τι είναι η διόρθωση CO σε αναφορά O₂;

Σε ορισμένες εφαρμογές, οι εκπομπές συγκρίνονται σε καθορισμένη περιεκτικότητα αναφοράς O₂.

Για ξηρά καυσαέρια, χρησιμοποιείται η σχέση:

COref = COmeas × (21 − O₂ref) / (21 − O₂meas)

όπου:

• COref: Συγκέντρωση CO στη συγκέντρωση O₂ αναφοράς.

• COmeas: Μετρούμενη συγκέντρωση CO.

• O₂ref: Οξυγόνο αναφοράς.

• O₂meas: Μετρούμενο οξυγόνο.

Η σχέση χρησιμοποιείται μόνο όταν είναι κατάλληλη για τη συγκεκριμένη μέθοδο αναφοράς και οι συγκεντρώσεις αφορούν την ίδια βάση, όπως ξηρά καυσαέρια.

Δεν πρέπει να συγχέεται η διορθωμένη συγκέντρωση με την πραγματική συγκέντρωση στο σημείο μέτρησης.

10. Ρύθμιση καυστήρα φυσικού αερίου

Σε έναν καυστήρα φυσικού αερίου, η παροχή αερίου και η παροχή αέρα πρέπει να συνεργάζονται σύμφωνα με τη σχεδίαση του συστήματος.

Ανάλογα με τον καυστήρα, η ρύθμιση μπορεί να γίνεται μέσω:

• Μηχανικής σύνδεσης αέρα–καυσίμου.

• Ηλεκτρονικού ελέγχου αναλογίας.

• Σερβοκινητήρων αέρα και αερίου.

• Κατάλληλων συστημάτων παρακολούθησης O₂, όπου προβλέπονται.

Η επαλήθευση γίνεται στα προβλεπόμενα σημεία φορτίου.

Η μεταβολή της αναλογίας αέρα–καυσίμου πρέπει να πραγματοποιείται μόνο από αρμόδιο τεχνικό προσωπικό με κατάλληλα όργανα.

11. Ρύθμιση καυστήρα πετρελαίου

Στον καυστήρα πετρελαίου, η ποιότητα καύσης εξαρτάται από:

• Την παροχή καυσίμου.

• Την πίεση ψεκασμού.

• Τα χαρακτηριστικά του μπεκ.

• Την παροχή και κατανομή αέρα.

• Τη γεωμετρία της κεφαλής καύσης.

Η αλλαγή της πίεσης αντλίας επηρεάζει την παροχή από το μπεκ.

Για συγκεκριμένο μπεκ, η παροχή μεταβάλλεται προσεγγιστικά με την τετραγωνική ρίζα της διαφορικής πίεσης ψεκασμού:

Q₂ / Q₁ ≈ √(ΔP₂ / ΔP₁)

Η σχέση ισχύει ως προσέγγιση όταν οι υπόλοιπες συνθήκες παραμένουν συγκρίσιμες.

Η επιλογή μπεκ και οι πιέσεις λειτουργίας πρέπει να ακολουθούν τις προδιαγραφές του κατασκευαστή.

12. Γιατί απαιτείται ρύθμιση σε διαφορετικά φορτία;

Ένας διβάθμιος ή αναλογικός καυστήρας δεν λειτουργεί πάντα στο ίδιο σημείο.

Η σχέση αέρα–καυσίμου μπορεί να μεταβάλλεται καθώς αυξάνεται ή μειώνεται το φορτίο.

Για αυτό η αξιολόγηση πρέπει να καλύπτει, όπου εφαρμόζεται:

1. Ελάχιστη ισχύ.

2. Ενδιάμεσες βαθμίδες.

3. Μέγιστη ισχύ.

4. Μεταβατικές συνθήκες μεταξύ βαθμίδων.

Μια αποδεκτή μέτρηση στη μέγιστη ισχύ δεν αποδεικνύει ότι η καύση είναι σωστή σε ολόκληρο το εύρος λειτουργίας.

13. Τι είναι το O₂ Trim;

Το O₂ Trim είναι σύστημα αυτόματης διόρθωσης της αναλογίας αέρα–καυσίμου με βάση τη μέτρηση οξυγόνου στα καυσαέρια.

Σκοπός του είναι η περιορισμένη προσαρμογή της παροχής αέρα, ώστε να αντισταθμίζονται μεταβολές όπως:

• Αλλαγές στις συνθήκες αέρα καύσης.

• Μεταβολές χαρακτηριστικών καυσίμου.

• Μικρές αποκλίσεις του συστήματος.

• Μεταβολές λειτουργικών συνθηκών.

Το O₂ Trim δεν υποκαθιστά τη βασική ασφαλή ρύθμιση αέρα–καυσίμου.

Απαιτεί κατάλληλα όρια διόρθωσης, επιτήρηση αισθητηρίου και εγκεκριμένη λογική ελέγχου.

14. Θερμοκρασία καυσαερίων και απώλειες

Η θερμοκρασία καυσαερίων είναι σημαντική για την εκτίμηση θερμικών απωλειών.

Υψηλή θερμοκρασία καυσαερίων μπορεί να συνδέεται με:

• Αυξημένο φορτίο.

• Μειωμένη μεταφορά θερμότητας.

• Ρυπασμένες επιφάνειες λέβητα.

• Υπερβολική περίσσεια αέρα.

Ωστόσο, η θερμοκρασία πρέπει να αξιολογείται σε συνδυασμό με τον τύπο λέβητα, τη θερμοκρασία αέρα καύσης και το φορτίο.

Σε λέβητες συμπύκνωσης, η συμπύκνωση αποτελεί επιδιωκόμενο μέρος της λειτουργίας. Σε άλλες εγκαταστάσεις, ανεπιθύμητη συμπύκνωση μπορεί να προκαλέσει προβλήματα διάβρωσης.

15. Πώς αξιολογούμε την απόδοση καύσης;

Ορισμένοι αναλυτές υπολογίζουν εκτιμώμενη απόδοση καύσης με βάση:

• Τη θερμοκρασία καυσαερίων.

• Τη θερμοκρασία αέρα.

• Το O₂ ή CO₂.

• Τις ιδιότητες του επιλεγμένου καυσίμου.

Η τιμή αυτή αποτελεί υπολογιστικό αποτέλεσμα συγκεκριμένης μεθόδου.

Δεν ταυτίζεται απαραίτητα με:

• Τη συνολική απόδοση λέβητα.

• Την εποχική απόδοση.

• Την απόδοση ολόκληρης εγκατάστασης.

• Την απόδοση βάσει ανώτερης θερμογόνου δύναμης.

Για αξιόπιστες συγκρίσεις απαιτείται κοινή βάση υπολογισμού.

16. Παράδειγμα σύγκρισης δύο καταστάσεων

Ας εξετάσουμε δύο υποθετικές μετρήσεις φυσικού αερίου στο ίδιο φορτίο.

Η κατάσταση Β παρουσιάζει μικρότερη περίσσεια αέρα και χαμηλότερη θερμοκρασία καυσαερίων.

Αυτό μπορεί να συνδέεται με χαμηλότερες αισθητές απώλειες καυσαερίων.

Ωστόσο, η αύξηση του CO πρέπει να αξιολογηθεί σε σχέση με τις επιτρεπόμενες τιμές και τις προδιαγραφές του καυστήρα.

Δεν είναι δυνατό να χαρακτηριστεί η κατάσταση Β ασφαλέστερη ή συνολικά αποδοτικότερη μόνο από αυτά τα τέσσερα δεδομένα.

17. Συνηθισμένα λάθη στη ρύθμιση καύσης

Τα συνηθέστερα λάθη περιλαμβάνουν:

• Ρύθμιση μόνο από το χρώμα της φλόγας.

• Μείωση O₂ χωρίς παρακολούθηση CO.

• Μέτρηση σε ακατάλληλο σημείο καυσαερίων.

• Χρήση αναλυτή χωρίς απαιτούμενο έλεγχο ή βαθμονόμηση.

• Ρύθμιση μόνο στη μέγιστη ισχύ.

• Παράβλεψη της συμπεριφοράς κατά τη μεταβολή φορτίου.

• Αλλαγή πίεσης καυσίμου χωρίς τεχνική τεκμηρίωση.

• Σύγκριση εκπομπών σε διαφορετικές συνθήκες αναφοράς.

Η σωστή ρύθμιση απαιτεί συνολική αξιολόγηση.

18. Τι πρέπει να καταγράφεται μετά τη ρύθμιση;

Ένα τεχνικό δελτίο ρύθμισης πρέπει να περιλαμβάνει, όπου εφαρμόζεται:

Οι συγκεντρώσεις αερίων πρέπει να αναφέρονται με σαφήνεια ως προς τη βάση μέτρησης και τυχόν διορθώσεις.

19. Πρότυπα και τεχνικές αναφορές

Ανάλογα με την εφαρμογή, σχετικές τεχνικές αναφορές είναι:

• EN 676: Αυτόματοι καυστήρες εξαναγκασμένου ελκυσμού για αέρια καύσιμα.

• EN 267: Αυτόματοι καυστήρες εξαναγκασμένου ελκυσμού για υγρά καύσιμα.

• EN 50379: Προδιαγραφές φορητών ηλεκτρικών συσκευών μέτρησης παραμέτρων καυσαερίων συσκευών θέρμανσης.

• EN 298: Αυτόματα συστήματα ελέγχου καυστήρων.

• ISO 6145: Δυναμική παρασκευή μιγμάτων αερίων για σκοπούς βαθμονόμησης, εντός του πεδίου εφαρμογής του.

Η εφαρμοσιμότητα και η ισχύουσα έκδοση κάθε προτύπου πρέπει να επιβεβαιώνονται για τη συγκεκριμένη εγκατάσταση.

Συμπέρασμα

Η ρύθμιση καύσης αποτελεί διαδικασία τεχνικής βελτιστοποίησης που συνδυάζει την αναλογία αέρα–καυσίμου με πραγματικές μετρήσεις καυσαερίων.

Το O₂ και το CO₂ βοηθούν στην εκτίμηση της περίσσειας αέρα, ενώ το CO παρέχει κρίσιμη πληροφορία για την ποιότητα και την ασφάλεια της καύσης.

Η βέλτιστη λειτουργία δεν επιτυγχάνεται απλώς με τη μείωση του αέρα, αλλά με την επίτευξη σταθερής, ασφαλούς και αποδοτικής καύσης σε ολόκληρο το προβλεπόμενο εύρος φορτίου.

Οι ρυθμίσεις πραγματοποιούνται αποκλειστικά από κατάλληλα εξουσιοδοτημένο προσωπικό, σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή και τις ισχύουσες απαιτήσεις.