PROPRIETATILE FIZICE PRINCIPALE ALE GAZELOR NATURALE COMBUSTIBILE

PrOprietatile fizice principale ale gazelor naturale combustibile

Gazele naturale combustibile se capteaza din zacaminte subterane cu ajutorul sondelor si sunt constituite din amestecuri de hidrocarburi saturate: metan CH₄ ( minim 75% ), C₂H₆ etan, C₃H₈ propan, C₄H₁₀ butan, etc, avand diverse proportii si unele impuritati ca: hidrogen sulfurat, bioxid de carbon, azot, etc.

Proprietatile fizice principale ale gazelor naturale combustibile sunt presiunea, temperatura densitatea si vascozitatea.

Stari de referinta pentru gazele naturale combustibile

Parametrii de stare ai gazelor naturale combustibile se exprima la o anumita stare de referinta care poate fi: starea normala tehnica, starea normala fizica si starea de referinta standard.

* Starea normala fizica

notata cu indice "N" caracterizata prin:

- temperatura normala fizica, t_N = 0° C ( sau T_N=273,15 K )

- presiunea normala fizica, p_N=101325 N/m² =1,01325 bar =

=760mmHg=1,033 ata (atmosfera tehnica absoluta)

*Starea de referinta standard notata cu indicele S, definita prin:

- temperatura standard, t_S= 15°C ( sau T_S=283,15 K )

- presiunea standard egala cu presiunea normala fizica, p_S = p_N

Pentru instalatiile de gaze naturale combustibile se considera ca temperatura de 15°C este aproape egala cu media temperaturilor anuale la care gazele trec prin contoare si instalatii de utilizare.

Presiunile gazelor naturale se exprima de regula, in scara manometrica (suprapresiuni), avand originea egala cu presiune atmosferica la starea normala fizica, p_N =1,01325 bar ( in scara absoluta) = 101325 Pa

Treptele de presiuni in instalatiile de gaze naturale combustibile

Presiunile gazelor naturale combustibile in zacamintele subterane sunt variabile astfel ca, dupa captare si tratare sunt comprimate cu compresoare de gaze in sistemul de transport si distributie.

Datorita necesitatilor de transport si de utilizare, presiunile gazelor in diverse parti ale retelelor au valori diferite, numite trepte de presiune.

Prin treapta de presiune se intelege intervalul cuprins intre limitele maxima si minima a presiunilor admise in retelele si instalatiile de utilizare a gazelor combustibile. Treptele de presiuni utilizate sunt:

- presiune inalta peste 6 bar;

- presiune medie intre 6 si 2 bar pentru conducte din OL si intre 4 si 2 bar pentru conductele din polietilena ( PE );

- presiune redusa intre 2 si 0,05 bar;

- presiune joasa sub 0,05 bar.

Valorile treptelor de presiune au fost stabilite avandu-se in vedere siguranta in functionarea sistemului de alimentare cu gaze, caracteristicile functionale ale regulatoarelor de presiune, contoarelor si aparatelor de reglare si contorizare, presiunile de utilizare ale arzatoarelor si a altor aparate care functioneaza cu gaze naturale combustibile.

Treptele de presiuni delimiteaza diferitele parti componente ale unui sistem de alimentare cu gaze naturale combustibile.

Densitatea gazelor naturale combustibile

Densitatea ( masa volumica ) ρ reprezinta masa unitatii m [ kg ] de volum [ m ³ ] de gaz omogen, in conditii determinate de temperatura si presiune si se exprima cu relatia

[ kg / m ³ ]

Deci este o marime fizica ce se defineste ca fiind raportul dintre masa unui corp si volumul sau . Densitatea substantelor gazoase este direct proportionala cu masa substantelor analizate si cu temperatura.

Pentru domeniile uzuale de presiuni si temperaturi de utilizare, gazele naturale combustibile se supun legilor gazelor perfecte. In aceste conditii si tinand seama ca densitatile gazelor sunt date in tabele la starea normala fizica, densitatea ρ a gazului la o stare oarecare (p, T ) se determina cunoscand densitatea ρ _N la starea normala cu relatia :

ρ = ρ _N [ kg / m ³ ]

In practica de dimensionare a conductelor de gaze naturale combustibile se foloseste marimea numita densitatea relativa a gazului in raport cu aerul, definita ca raportul intre densitatea ρ a unui anumit volum de gaz si densitatea aceluias volum de aer ρ a in aceleasi conditii de temperatura si presiune :

, gazul si aerul fiind considerate gaze ideale.

Densitatea relativa a unui gaz este o marime adimensionala. La starea de referinta normala fizica, densitatea aerului este ρ a_N = 1,293 kg/ m ³ astfel ca, densitatea gazului va fi ρ_N = 1,293 .

Vascozitatea gazelor naturale combustibile

Vascozitatea gazelor intervine cand gazul real de la modelul de calcul al gazului ideal sunt importante. In calcule se utilizeaza coficientul cinematic de vascozitate γ [ m² / s ] definit ca raportul intre coeficientul dinamic de vascozitate μ [ kg / ms ] si densitatte ρ a gazului:

[ m² / s ]

Vascozitatea gazului variaza cu temperatura si presiunea.

Temperaturi de aprindere

Temperatura pana la care trebuie incalzit gazul combustibil pentru a se aprinde se numeste temperatura de aprindere si are valori caracteristice pentru fiecare gaz combustibil.

In general, temperatura de aprindere este mai coborata la arderea in oxigen pur ( uscat ), decat la arderea in aer sau in oxigen umed.

Practic, aducerea gazului la temperatura de aprindere se realizeaza printr-o scanteie sau cu o flacara, astfel incat, in punctul unde atinge masa amestecului gaz-oxigen, il incalzeste pana la aceasta temperatura.

Temperaturile de aprindere ale principalelor gaze combustibile si limitele de explozie pentru principalele gaze combustibile

Viteza de ardere

Viteza cu care un volum relativ mic de gaz aduce in stare de ardere amestecul din vecinatatea lui poarta denumirea de viteza de propagare a arderii sau viteza de ardere.

Viteza de ardere depinde de concentratia gazului in amestec, de temperatura, presiune, conductibilitatea termica a amestecului, precum si de caldura specifica medie.

Viteza de ardere se atinge atunci cand, dupa ardere, in gazele de ardere nu mai ramane nici gaz combustibil nici oxigen.

Pentru gazele naturale care sunt amestecuri de gaze combustibile(CH₄ metan,C₂H₆ etan, C₃H₈ propan, C₄H₁₀ butan) ca viteza de ardere se considera media vitezelor de ardere ale componentelor.

Limitele de amestec

Proportia minima de gaz, in procente de volum, in amestecul gaz combustibil - aer pentru care arderea poate avea loc se numeste limita inferioara de amestec, iar proportia maxima de gaz, limita superioara de amestec.

In afara limitelor de amestec, arderea nu poate avea loc, chiar daca s-a facut aprinderea cu aport de caldura din afara sistemului.

Autoaprinderea sau explozia

Amestecul de gaz combustibil se poate autoaprinde, fara vreo interventie din exterior, prin simpla incalzire pana la o anumita temperatura. Temperatura la care amestecul se autoaprinde (explodeaza) se numeste temperatura de autoaprindere.

Limita inferioara de explozie ( LIE ) a gazului natural reprezinta procentajul minimal de gaz intr-un amestec aer gaz plecand de la care este posibil ca amestecul sa explodeze in anumite conditii. LIE pentru gazul natural este 5% inr-un amestec de aer - gaz.

Limita superioara de explozie ( LSE ) reprezinta procentul maxim de gaz intr-un amestec aer-gaz permitand aprinderea amestecului ( peste acest procentaj aprinderea nu mai este posibila ). LSE pentru gazul natural este de 15% gaz in aer.

Puterea calorica

Puterea calorica exprima cantitatea de caldura care rezulta prin arderea copmpleta a unei cantitati de combustibil si se exprima in kj/kg sau kcal/kg, pentru combustibilii lichizi sau solizi iar a combustibililor gazosi in kj/ m³ N.

Majoritatea combustibililor contin in compozitia lor hidrogen, component care prin ardere se transforma in apa. Apa rezultata 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 cantitatea de caldura determinata de arderea combustibililor depinde de starea de agregare a apei din produsele de ardere, in practica se deosebeste puterea calorifica superioara si puterea calorifica inferioara.

* Puterea calorifica superioara P_CS , pentru determinarea careia gazele de ardere se considera la temperatura de referinta ( 273,15 K sau 288,15 K ), apa formata in rectia de ardere fiind adusa la starea de lichid, caldura latenta de vaporizare ( condensare ) a apei incluzandu-se efectul termic al reactiei de ardere.

* Puterea calorifica inferioara P_CI , pentru determinarea careia, gazele de ardere fiind considerate la temperatura de referinta ( 273,15 K sau 288,15 K ), apa formata in rectia de ardere este considerata in stare de vapori (la temperatura de referinta ), caldura latenta de vaporizare a apei scazandu-se din efectul termic al reactiei.

In practica instalatiilor de gaze, se foloseste aproape exclusiv puterea calorifica inferioara. De exemplu, gazul metan are P_CI ~ 34,01*10⁶ J/m³ _S ( ~8125 kcal/m³_S ) la T = 288,15 K.