Παρουσίαση/Προβολή
(M0705E) - Γιανναδάκης Αθανάσιος
Περιγραφή Μαθήματος
Οι διαδικασίες της καύσης και ο έλεγχος αυτών έχουν αποδειχθεί απαραίτητες διεργασίες για την ανθρώπινη ύπαρξη αλλά και την εξέλιξη του τρόπου ζωής. Ο ρόλος των φαινομένων της καύσης στην καθημερινότητα αναγνωρίζεται εύκολα. Για παράδειγμα η θέρμανση στο σπίτι ή στο γραφείο εξασφαλίζεται είτε άμεσα από την καύση κάποιου καυσίμου (αερίου ή υγρού) είτε έμμεσα με ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων.
Οι μεταφορές επίσης σχετίζονται με την καύση καυσίμων άμεσα ή έμμεσα. Το ποσοστό κατανάλωσης καυσίμων από επίγεια και εναέρια μεταφορικά μέσα αποτελεί ίσως και το μεγαλύτερο κομμάτι της συνολικά παραγόμενης ποσότητας καυσίμων. Τα αεροσκάφη κινούνται με θερμοκινητήρες ενώ οι σιδηρόδρομοι όταν δεν ηλεκτροδοτούνται φέρουν κινητήρες diesel. Αλλά και στη ναυσιπλοία η κίνηση βασίζεται στην κατανάλωση ορυκτών καυσίμων ακόμα και στις μέρες μας.
Ταυτόχρονα η βιομηχανική παραγωγή στηρίζεται στην κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων καυσίμων. Οι βιομηχανίες χάλυβα, σιδήρου, αλουμινίου για παράδειγμα φέρουν στον εξοπλισμό τους κλιβάνους για την παραγωγή του αρχικού προϊόντος. Επίσης στη βιομηχανία συναντώνται συστήματα καύσης όπως λέβητες θερμαντήρες (διύλησης), διατάξεις τήξης (του γυαλιού) ξηραντήρες. Τέλος η βιομηχανία τσιμέντου αποτελεί ένα σημαντικό καταναλωτή θερμικής ενέργειας η οποοία προέρχεται από διεργασίες καύσης.
Ο ρόλος της καύσης δεν περιορίζεται μόνο στις γραμμές παραγωγής, οι διεργασίες καύσης χρησιμοποιούνται και για την καταστροφή των απορριμάτων, δηλ. αφού τα όποια προϊόντα έχουν διανύσει τον κύκλο ζωής τους. Η αποτέφρωση των απορριμάτων είναι μια παλιά μέθοδος αλλά στις μέρες μας το ενδιαφέρον έχει αναζωπυρωθεί αφού πλεονεκτεί στο θέμα της ασφαλούς διαχείρισης τοξικών αποβλήτων.
Πέρα όμως από τα ευεργετήματα που προσφέρουν οι διεργασίες της καύσης, από την άλλη πλευρά αυτές οι διαδικασίες συνεισφέρουν πολύ σημαντικά στην περιβαλλοντική ρύπανση. Οι βασικοί ρυπαντές που παράγονται από τα συστήματα καύσης είναι οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες, τα προιόντα ατελούς καύσης, τα οξείδια του αζώτου (ΝΟx) το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) τα οξείδια του θείου (SOx) και τέλος τα αιωρούμενα σωματίδια. Τα βασικά προβλήματα που σχετίζονται με τη ρύπανση είναι η πρόκληση βλαβών στην υγεία, το φωτοχημικό νέφος, η όξινη βροχή, η παγκόσμια θέρμανση και η καταστροφή του στρώματος του όζοντος. Γενικότερα οι αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον των συστημάτων καύσης συνεισφέρουν στην επονομαζόμενη «κλιματική αλλαγή».
Με δεδομένη λοιπόν τη σημασία των συστημάτων καύσης ειδικά σήμερα που γίνεται προσπάθεια απεξάρτησης από τη χρήση ορυκτών καυσίμων όσο το δυνατόν, οι μηχανικοί θα πρέπει να γνωρίζουν τα φαινόμενα της καύσης. Η θεωρία της καύσης θα πρέπει να αποτελεί ελκυστική επιστήμη για τον μηχανικό, η οποία στέκεται ενοποιώντας τις επιστήμες του τομέα Θερμότητας (Θερμοδυναμική, Μετάδοση Θερμότητας, Φαινόμενα Μεταφοράς), αλλά φέρνει και τη Χημεία κοντά στα πρακτικά ενδιαφέροντα του Μηχανολόγου Μηχανικού.
Ημερομηνία δημιουργίας
Τετάρτη 21 Οκτωβρίου 2020
-
Περιεχόμενο μαθήματος
Εισαγωγή, εφαρμογές καύσης, χημική θερμοδυναμική, Καύση πλήρης, ατελής, περίσσεια αέρα.
Στοιχειομετρία σχημάτων καύσης, Σύνθεση καυσίμων, Αδιαβατική θερμοκρασία φλόγας, Είδη καυσίμων.
Ανώτερη και Κατώτερη Θερμογόνος Δύνμη. Χημική κινητική, τύποι χημικών αντιδράσεων, επίλυση πολυβηματικών συστημάτων.
Εξισώσεις διατήρησης πολυσυστατικών αντιδρώντων συστημάτων.
Εισαγωγή στη μεταφορά μάζας, Πείραμα Stefan. Εξάτμιση σταγόνας καυσίμου, καύση σταγόνας.
Τύποι κυμάτων καύσης, υποηχητική – υπερηχητική καύση, ταχύτητα μετώπου φλόγας.
Στρωτές φλόγες προανάμειξης, όρια ευφλεκτότητας και αρχές σταθεροποίησης φλόγας.
Στρωτές φλόγες διάχυσης τύπου jet, πρακτικές εφαρμογές. Καύση υγρών καυσίμων / σταγονιδίων σε ημιλιμνάζουσα ατμόσφαιρα. Τυρβώδη φαινόμενα καύσης, πρακτικές εφαρμογές.
Εισαγωγή στην τεχνολογία Φυσικού Αερίου. Επίλυση Δικτύων Φυσικού Αερίου.
Μαθησιακοί στόχοι
Η μελέτη και εκπόνηση υπολογισμών σε εξειδικευμένα θέματα καύσης. Πιο συγκεκριμένα οι φοιτητές / φοιτήτριες θα είναι σε θέση να:
- Εκτελούν απλούς στοιχειομετρικούς υπολογισμούς σχημάτων καύσης με βάση τη χημεία της καύσης (πλήρης, ατελής, με περίσσεια αέρα, λόγο αέρα καυσίμου, λόγο ισοδυναμίας).
- Aναλύουν σχήματα καύσης ως προς τις βασικές αρχές Θερμοδυναμικής, Θερμοχημείας, Μεταφοράς μάζας και θερμότητας, Χημικής Κινητικής.
- Υπολογίζουν τη Θερμογόνο Δύναμη καυσίμων (Ανώτερη / Κατώτερη).
- Εκτιμούν - Υπολογίζουν την Αδιαβατική Θερμοκρασία Φλόγας καυσίμων.
- Υπολογίζουν την ταχύτητα χημικών αντιδράσεων με βάση τη Χημική Κινητική των σχημάτων καύσης.
- Επιλύουν δίκτυα φυσικού αερίου με μητρωική ανάλυση.
- Προσομοιώνουν σχήματα καύσης - φωτιάς με υπολογιστικά μοντέλα (FDS).
Προτεινόμενα συγγράμματα
- Turns S.,R., (2000), “Εισαγωγή στην Καύση Αρχές και Εφαρμογές",3η έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα.
- Παπανίκας Γ.,Δ., (2007) «Τεχνολογία Φυσικού Αερίου» Φ. ΠΑΠΑΝΙΚΑ & ΣΙΑ ΟΕ
- Glassman I., Yetter R.A., (2008) “COMBUSTION” Elsevier, 4TH Edition,
- Koύτμος Π., (2017), «Τεχνολογία Καύσης», Εκδόσεις Παν/μίου Πατρών,
- Kuo K. & Acharaya R., (2012), “Applications of Turbulent and Multiphase Combustion” John Wiley & Sons,
- Law C., (2006), “Combustion Physics” Cambridge University Press,
- Lefebvre A.,H., (1999), “Gas Turbine Combustion 2nd Edition, Taylor & Francis,
- Reitz R., (1987), “Modelling and Atomization Processes in High – Pressure Vaporizing Sprays”, Atomization Spray Technology,
- Siriganno W.A., (2010), “Fluid Dynamics and Transport of Droplets and Sprays”, Cambridge University Press,
- Tilman A., (1991), “The Combustion of Solid Fuels and Wastes”, Academic Press,
- Williams A., (1990), “Combustion of Liquid Fuels”, London, Butterworth & Co.
- Annamalai K., & Puri I.K., (2007), “Combustion Science and Engineering, NY: Taylor & Francis,
- Chigier N., (1981), “Energy Combustion and Environment NY: McGraw Hill