Măsurarea pentru sistemele de încălzire

Updated: Jan 13


Datorită numărului crescător al proceselor de combustie de orice natură, mediul înconjurător este expus la concentrații tot mai mari de agenți de poluare. Formarea smog-ului, a ploii acide și incidența tot mai mare a alergiilor sunt consecințele directe ale acestui fenomen. Așadar, modalitatea cea mai ecologică de recuperare a energiei trebuie să fie prin limitarea agenților de poluare. Poluanții sub formă gazoasă pot fi limitați doar dacă sistemele de ardere sunt operate cât mai eficient posibil sau sunt închise în situația în care depășesc normele legale. Analiza gazelor de ardere este utilizată pentru a determina concentrațiile poluanților și pentru a regla cât mai bine sistemele de încălzire.


Combustibilii sunt alcătuiți în general din carbon și hidrogen. Gazele naturale pot conține amestecuri de hidrocarburi și, în procente mici, azot sau sulf, în funcție de proveniență. Aerul de combustie este format din oxigen, azot, o cantitate mică de gaze reziduale și vapori de apă. Atunci când combustibilul este ars în aer, se consumă oxigen. Acest proces se numește oxidare. Elementele componente ale aerului de combustie și combustibilului formează legături noi și astfel, compuși noi.






Compoziția gazelor de ardere.


Oxigenul (O2)


Oxigenul remanent ce nu este utilizat în procesul de ardere în cazul unui exces de aer este evacuat ca și componentă a fluxului de gaze, fiind utilizat pentru determinarea eficienței arderii. În plus, este utilizat la calcularea pierderilor de gaze și a conținutului de dioxid de carbon.


Monoxidul de carbon (CO)


Monoxidul de carbon este un gaz toxic fără culoare sau miros, rezultând în urma arderii incomplete. Acesta are aproximativ aceeași densitate ca și a aerului, spre deosebire de CO2 care este mai greu și se acumulează în partea de jos a încăperilor. În cazul în care concentrația depășește un anumit nivel, va împiedica absorbția oxigenului în sânge. De exemplu, dacă aerul inhalat conține 700 ppm CO, orice persoană care inhalează acest aer ar deceda în decurs de trei ore. Concentrația maximă permisă la locul de muncă este 30 ppm.



Dioxidul de carbon (CO2)


Este un gaz incolor și inodor cu un gust ușor acid. Sub influența razelor solare și a clorofilei, plantele convertesc dioxidul de carbon în oxigen. Respirația ființelor vii transformă oxigenul înapoi în dioxid de carbon. Acest fapt ar trebui să creeze un echilibru dar este perturbat de gazele de ardere, ceea ce duce la creșterea efectului de seră. Concentrația maximă permisă la locul de muncă este 5.000 ppm.


Oxizii de azot (NOx)


La temperaturi mari, azotul prezent în combustibil și în aerul ambiental reacționează cu oxigenul atmosferic și formează monoxidul de azot. După o anumită perioadă, acest gaz se oxidează cu oxigen și formează dioxid de azot. Dioxidul de azot este un gaz toxic solubil în apă ce poate cauza vătămarea puternică a plămânilor, contribuind la formarea ozonului în prezența radiațiilor ultraviolete. Concentrația maximă admisă este 5 ppm NOx. Formarea acestor oxizi depinde de tipul legăturii azotului din molecula de combustibil, de lungimea flăcării de igniție și de temperatură.


Dioxidul de sulf (SO2)


Dioxidul de sulf este un gaz toxic incolor cu miros înțepător. Acesta rezultă din sulful prezent în combustibil și irită sistemul respirator și ochii. Concentrația maximă admisă la locul de muncă este 5 ppm. Acidul sulfuros este format în urma reacției cu apa sau cu condensul format.


Trioxidul de sulf (SO3)


În timpul combustiei, o parte din dioxidul de sulf (aproximativ 3-7 %) se oxidează și formează trioxidul de sulf. Această substanță solidă, de culoare albă, absoarbe multă apă, formând acid sulfuric.


Vaporii de apă (umiditatea)


Hidrogenul conținut în combustibil se combină cu oxigenul și formează apă. Alături de apa conținută în combustibil și în aerul de combustie, în funcție de temperatura gazelor de ardere, este evacuată ca și umiditate în gazul de ardere sau sub formă de condens. 1 kg de hidrogen necesită 8 kg de oxigen pentru combustia completă, rezultând 9 kg de apă. La arderea convențională, apa de combustie este disponibilă sub formă de vapori iar cantitatea acesteia depinde de combustibil. Gazul natural conține cea mai mare cantitate de hidrogen iar cărbunele cea mai mică. Vaporii de apă din gazele de ardere furnizează energie, fiind utilizați în tehnologia cazanelor în condensare.




Unități de măsură uzuale


ppm (părți per milion)


Poluanții din gazele de ardere sunt determinați prin măsurarea concentrațiilor componenților. Sunt utilizate mai multe unități de măsură pentru exprimarea acestor concentrații; ca și specificația ”procent (%)”, unitatea de măsură ppm reprezintă o proporție. Procent înseamnă ”x părți per sută” iar ppm reprezintă ”x părți per milion”. De exemplu, dacă o sticlă de cu gaz conține 250 ppm monoxid de carbon iar un milion de particule sunt luate din această sticlă, 250 din acestea vor fi particule de monoxid de carbon în timp ce 999,750 particule vor fi azot și oxigen. Această unitate de măsură nu depinde de presiune sau temperatură și este utilizată pentru a exprima concentrații mici. Concentrațiile mai mari sunt exprimate în procente (%).


mg/Nm3 (milligrame per normal metru cub)


În cazul acestei unități de măsură, volumul standard este considerat ca variabilă de referință iar masa gazului poluant este specificată în miligrame. Deoarece această unitate de măsură este în funcție de presiune și temperatură, volumul în condiții normale este luat ca referință la temperatura de 273,15 K (0 ºC) și presiunea de 1.013 mbari (1 atm).


Totuși, această informație nu este suficientă deoarece proporțiile de volume din gazele de ardere se modifică în funcție de cantitatea de oxigen (diluția gazelor de ardere cu aer ambiental). Citirile așadar trebuie raportate la un anumit volum de oxigen numit oxigen de referință. Doar valorile raportate la același conținut de oxigen pot fi comparate direct. Conținutul măsurat de oxigen din gazele de ardere este necesar și la conversia din ppm în mg/Nm3. Conversiile pentru monoxid de carbon și oxizi de azot sunt prezentate mai jos. Factorii ce apar în formule corespund densităților standard a gazelor în mg/m3.


mg/kWh (milligrame per kilowatt-oră de energie consumată)


Calculele sunt realizate utilizând parametri specifici combustibilului în scopul de a determina concentrațiile gazelor poluante într-o unitate de măsură a energiei. Așadar există mai mulți factori de conversie în funcție de combustibil. Totuși, înainte de conversia în această unitate de măsură, valorile emisiilor trebuie raportate la gazul de ardere nediluat (oxigen de referință 0 %).






Măsurări uzuale


În scopul de a asigura că un sistem de ardere funcționează optim, trebuie efectuate câteva verificări funcționale, reglaje și măsurători la instalațiile ce funcționează pe combustibil gazos, lichid și solid, atât la punerea în funcțiune cât și la intervale regulate.


Verificarea presiunii gazului


Înainte de a pune în funcțiune un arzător, trebuie verificată presiunea gazului. Aceasta trebuie să se afle în domeniul de presiune permis, fiind indicată și în manualul tehnic al producătorului. Manometru diferențial cu Bluetooth și aplicație pentru mobil este utilizat pentru această măsurătoare (fig. 1). Reglajul este întâlnit de obicei la centralele termice convenționale.



Fig. 1 Măsurarea presiunii gazului - testo 510i



Reglarea raportului gaz/aer


Scopul principal al unui sistem de ardere compatibil cu mediul înconjurător este arderea completă a combustibilului și utilizarea cât mai eficientă a sistemului. Succesul unei exploatări optime constă în reglarea volumului de aer disponibil pentru combustie. În practică, o cantitate mică de aer în exces s-a dovedit a fi ideală pentru operarea sistemului. Puțin mai mult aer este furnizat pentru ardere decât ar fi necesar teoretic (fig. 2 și 3). Raportul dintre aerul în exces și aerul teoretic necesar arderii este denumit ca raport combustibil – aer și se notează cu λ (lambda).








Fig. 2 Arderea ideală










Fig. 3 Arderea reală



Raportul combustibil – aer este determinat în baza concentrației componenților gazului de ardere adică în funcție de CO, CO2 și O2. Diagrama arderii afișează corelațiile dintre parametri (fig. 4). O eficiență maximă a arderii este atinsă doar atunci când pierderile de gaze sunt minizate cu un exces mic de aer.



Fig. 4 Diagrama arderii




Măsurarea temperaturii aerului de combustie


Majoritatea analizoarelor de gaze de ardere sunt echipate standard cu o sondă de temperatură pentru aerul ambiental. Așadar, temperatura aerului de combustie din apropierea punctului de admisie în arzător poate fi măsurată prin fixarea instrumentului pe arzător. În cazul centralelor cu conducte pentru admisie/evacuare concentrice și în cazul celor cu tiraj forțat, această sondă este înlocuită cu o altă sondă de temperatură, ce este introdusă în zona de admisie a aerului proaspăt/de combustie (fig. 5).




Fig. 5 Măsurarea temperaturii aerului și gazelor de ardere



Măsurarea temperaturii gazelor de ardere


Senzorul de temperatură din sonda de prelevare probe măsoară temperatura gazelor de ardere. Sonda de prelevare probe este introdusă prin orificiul de măsurare în coșul de evacuare a fumului. Punctul în care se găsește temperatura cea mai mare (centrul arderii) este identificat iar sonda este poziționată acolo. În centrul fluxului de gaze se găsesc cele mai mari valori de temperatură și dioxid de carbon iar oxigenul are valoarea cea mai mică.


Măsurarea concentrațiilor de gaze de ardere


Oxigenul ce nu a fost consumat în cazul unui exces de aer este evacuat ca și componentă a gazelor de ardere fiind utilizat pentru măsurarea eficienței arderii. Conținutul de oxigen este utilizat și la calcularea concentrației de dioxid de carbon din gazele de ardere, un parametru important pentru reglarea centralelor termice în condensare. Concentrația de dioxid de carbon poate fi utilizată și pentru calcularea pierderilor de gaze. Atunci când procentul de dioxid de carbon are valoarea cea mai mare posibilă cu cel mai mic exces de aer (ardere completă), pierderile de gaze au valoarea cea mai mică. Pentru fiecare combustibil există un conținut maxim posibil de dioxid de carbon (CO2max) ce este determinat din compoziția chimică a combustibilului. Totuși, această valoare nu poate fi atinsă în practică deoarece un anumit exces de aer este întotdeauna necesar pentru exploatarea în siguranță a arzătorului, reducând astfel concentrația de CO2 din gazele de ardere.


Din acest motiv, la reglarea arzătorului, scopul nu este atingerea valorii maxime de CO2 ci obținerea unei valori cât mai mari posibile. Verificarea concentrației de monoxid de carbon oferă o indicație asupra calității arderii. Dacă traseul gazelor de ardere este blocat, acestea ar intra în camera unde este instalat arzătorul, fiind astfel un pericol pentru operator. Pentru a preveni acest lucru, odată ce s-a încheiat reglajul arzătorului, concentrația de monoxid de carbon trebuie măsurată și traseul gazelor de ardere verificat. Pe lângă utilitatea practică a măsurării oxigenului, monoxidului de carbon și dioxidului de carbon, aceștia trebuie să se încadreze și în limitele prevăzute de legislația în vigoare, alături de oxizii de azot (NO, NO2) și oxizii de sulf (SO2, SO3). În legislație sunt indicate valorile maxime admise exprimate în mg/Nm3 iar în prescripția PTA1-2010 sunt exprimate în ppm. Așadar, pentru raportare trebuie ținut cont de conversia dintre unitățile de măsură.



Calcularea eficienței sau randamentului (η)


Gradul de eficiență a arderii unui sistem de încălzire sau randamentul arderii reprezintă inversul pierderilor de gaze și are o valoare mai mică de 100%. În cazul centralelor în condensare, este măsurat și randamentul total al sistemului, acesta fiind suma dintre randamentul arderii și randamentul generat la recuperarea căldurii de condensare a vaporilor de apă. Analizoarele de gaze profesionale afișează ambii parametri, aceștia fiind indicați și în cartea tehnică a arzătorului.


Măsurarea tirajului


În cazul centralelor cu tiraj natural, acest parametru este cerința principală pentru evacuarea gazelor de ardere. Deoarece densitatea gazelor fierbinți este mai mică decât cea a aerului atmosferic, este creat un vid în fluxul de gaze, denumit tiraj. În cazul centralelor cu tiraj forțat, presiunea din coș nu este importantă deoarece sistemul este prevăzut cu un sistem de evacuare dirijată.


Măsurarea CO și CO2 ambiental


Din motive de siguranță, măsurarea monoxidului de carbon și a dioxidului de carbon ambiental trebuie efectuată pe lângă măsurătorile de gaze de ardere atunci când se verifică sistemele de ardere aflate în spațiile de locuit deoarece în eventualitatea în care gazele de ardere sunt deversate în încăpere pot duce la concentrații mari în aerul ambiental și astfel la intoxicarea oamenilor. Măsurarea în paralel a ambilor parametri oferă o indicație timpurie asupra concentrațiilor periculoase.






Utilizarea analizoarelor de gaze



Pentru a se asigura disponibilitatea în orice moment, un instrument de măsură trebuie păstrat și utilizat în conformitate cu specificațiile producătorului. Acesta se depozitează în condiții de temperatură și umiditate adecvate, ferit de intemperii. De asemenea, pentru a avea o durată de viață cât mai lungă a analizorului, senzorilor electrochimici și a accesoriilor, acestea trebuie întreținute periodic. Analizorului și sondei de prelevare probe li se vor schimba filtrele pentru impurități iar senzorii electrochimici vor fi calibrați cu gaz de test și reglați dacă este necesar.


Un echipament ce nu este utilizat corespunzător va duce la erori de măsurare ce pot avea ca și consecințe reglarea necorespunzătoare a sistemului de ardere, consumul unei cantități prea mari de resurse de energie și bani sau chiar la vătămarea persoanelor din jurul acestor sisteme.


În cazul în care doriți să testați noul analizor de gaze de ardere testo 300, puteți aplica în mod gratuit pentru un test de produs, accesând acest link. Ba mai mult, dacă vă numărați printre câștigători, veți putea păstra, în mod gratuit, analizorul testo 300. Nu ratați această ocazie și înscrieți-vă acum! Noi vă ținem pumnii strânși!


Articol realizat de colega noastră Raluca Nemethy - șef laborator etalonări



1,841 views

ABONEAZĂ-TE ACUM

Primești pe e-mail cele mai noi articole din domeniul tău.
  • White Facebook Icon
  • White LinkedIn Icon
  • White Instagram Icon
  • White Twitter Icon
  • White YouTube Icon

Testo România

 

Calea Turzii 247

400495 Cluj-Napoca România

 

T: +40 264 202 170

E: info@testo.ro

www.testo.ro