COZMA, Lucian Ștefan; GOLEA, Daniela Georgiana; ȚENU, Cosmin Vasile (2024), Amestec de combustibil ieftin și ecologic destinat arderii catalitice în cazanele termoenergetice și motoarele de ardere internă, o soluție pentru Europa, Cunoașterea Științifică, 3:3, 61-88, https://www.cunoasterea.ro/amestec-de-combustibil-ieftin-si-ecologic/

 

Inexpensive and environmentally friendly fuel blend for catalytic combustion in power boilers and internal combustion engines – a solution for Europe

Abstract

Reducing fossil fuel consumption can be achieved by introducing water and additives into the fuel mixture to allow the chemical dissociation of water and the secondary combustion reactions. Water can be chemically dissociated by chemical agents such as calcium carbide (carbide) or calcium oxide (unburned lime), whereby fuels (acetylene) with good energy properties and oxidizers (oxygen gas obtained by quenching lime) are formed. The use of additives (10% of the mixture) consisting of a mixture of unburned lime, carbide and activated carbon in combination with a conventional fuel (solid, liquid or gaseous in a proportion of 10% of the mixture) and a significant surplus (about 80% of the total mixture) of water, results in a fuel with a high combustion temperature, a much lower total cost than any conventional fuel and environmentally friendly operation. This mixture is first sent to the surface of a catalyst screen (glowing surface) and from there to the hearth (combustion chamber). The method brings major improvements in energy (power station boiler technology) and transportation (internal combustion engine technology), opening up the possibility of an impressive reduction in fossil fuel consumption and lower operating costs. We present the results of our experiments on new fuel recipes and their applications. We have established that significant improvements can be made in the scheme of boilers in thermal power plants, steam generators of all sizes, but especially for industrial applications, and internal combustion engines. The method is part of the general effort to reduce the consumption of fossil fuels and to reduce the NOx emissions produced by thermal machinery. We believe that the proposed schemes can be improved in many ways, leading to a 90% reduction in fossil fuel consumption and to a fuel based on limestone (as a raw material), a raw material found on Earth in much greater quantities than oil/natural gas, which is much easier to process and can be recovered from the content of flue gases, allowing these combustion products to be used for regeneration, i.e. to produce other quantities of fuel. Our recipe involves a fuel that is cheap, widely found in nature, easy to manufacture, partially renewable, environmentally friendly.

Keywords: fuel, catalytic combustion, thermal energy boilers, internal combustion engines, Europe

Rezumat

Scăderea consumului de carburanți fosili se poate face prin introducerea în amestecul combustibil a apei și a unor aditivi care să permită disocierea chimică a apei și apariția unor reacții secundare de combustie. Apa poate face obiectul disocierii chimice sub acțiunea unor agenți chimici cum ar fi carbura de calciu (carbidul) sau oxidul de calciu (varul nestins) din reacțiile respective formându-se carburanți (acetilena) cu bune proprietăți energetice și oxidanți (oxigen gazos obținut prin stingerea varului). Utilizarea unor aditivi (10% din amestec) formați dintr-un amestec de var nestins, carbid și carbon activ în combinație cu un carburant clasic (solid, lichid sau gazos în proporție de 10% în amestec) și un surplus important (cca 80% din amestecul total) de apă, conduce la obținerea unui combustibil cu temperatură înaltă de ardere, cost total mult mai scăzut decât orice combustibil clasic și funcționare în regim ecologic. Acest amestec este trimis mai întâi pe suprafața unui ecran catalizator (suprafață incandescentă) și de acolo în focar (camera de ardere). Metoda aduce îmbunătățiri importante în energetică (tehnologia cazanelor de termocentrale) și transporturi (tehnologia motarelor de combustie internă) deschizând posibilitatea scăderii impresionante a consumului de carburanți fosili și a scăderii costurilor de exploatare. Prezentăm rezultatele experiențelor noastre privind obținerea de noi rețete de combustibili și aplicații ale acestora. Am stabilit că se pot aduce importante îmbunătățiri în schema cazanelor din termocentrale, generatoarelor de aburi de orice gabarit, dar în special cele de aplicații industriale, precum și motorelor de combustie internă. Metoda se înscrie în efortul general de reducere a consumului de carburanți fosili și reducere a noxelor produse de mașinile termice. Considerăm că schemele propuse pot face obiectul multor îmbunătățiri, conducând la reducerea cu 90% a consumului de carburant fosil și la obținerea unui combustibil bazat pe calcar (ca materie primă), o materie primă aflată pe Terra în cantități mult mai mari decât petrolul/gazele naturale, mult mai ușor de prelucrat și care poate fi recuperată din conținutul gazelor eșapate, permițând utilizarea acestor produse de ardere în vederea regenerării, adică a fabricării altor cantități de combustibili. Rețeta noastră presupune un combustibil ieftin, larg întâlnit în natură, ușor de fabricat, parțial regenerabil, ecologic.

Cuvinte cheie: combustibil, arderea catalitică, cazane termoenergetice, motoare de ardere internă, Europa

 

CUNOAȘTEREA ȘTIINȚIFICĂ, Volumul 3, Numărul 3, Septembrie 2024, pp. 61-88
ISSN 2821 – 8086, ISSN – L 2821 – 8086
URL: https://www.cunoasterea.ro/amestec-de-combustibil-ieftin-si-ecologic/
© 2024 Lucian Ștefan COZMA, Daniela Georgiana GOLEA, Cosmin Vasile ȚENU. Responsabilitatea conținutului, interpretărilor și opiniilor exprimate revine exclusiv autorilor.

 

Amestec de combustibil ieftin și ecologic destinat arderii catalitice în cazanele termoenergetice și motoarele de ardere internă, o soluție pentru Europa

Lucian Ștefan COZMA[1], Daniela Georgiana GOLEA[2], Cosmin Vasile ȚENU[3]

lucian.stefan@yahoo.fr, kolerdaniela@gmail.com, ghencea1974@gmail.com

[1] Doctor în Științe Militare (Universitatea Națională de Apărare), fizician (Universitatea București)

[2] Doctorand în Securitate/Științe politice (Universitatea din Ruse „Angel Kanchev”, Bulgaria)

[3] Promoția 24 a Colegiului Național de Apărare, master în Securitate și Apărare (Universitatea Națională de Apărare, București), inginer (Universitatea Politehnică București, Facultatea de Mecanică),

 

Introducere

Încă de la începutul secolului XX au existat preocupări privind utilizarea acetilenei drept combustibil pentru motoarele cu ardere internă^[1]. Chiar și în decursul sec. XXI această problemă preocupă unii cercetători, existând chiar și propuneri recente privind utilizarea acetilenei^[2]. Preocuparea noastră a fost aceea a obținerii unor noi rețete de combustibili în care carburantul clasic (cărbune, gaz metan, petrol etc.) să nu mai fie amestecat doar cu aerul, ci să utilizăm amestecuri mai complexe în care să utilizăm preponderent apa, reducând foarte multe ponderea de carburant fosil. S-a căutat chiar și eliminarea aerului din amestecul combustibil. Am obținut teoretic și experimental mai multe rețete de asemenea amestecuri combustibile, care să fie totodate simplu de realizat și presupunând cheltuieli reduse la nivel de producție industrială. Astfel, am stabilit o rețetă de combustibil ce poate fi utilizată de orice motor de combustie internă existent în momentul de față, în aceasta intrând în proporție de 10% un amestec de CaC₂, CaO și Carbon activ, reactantul principal reprezentat de apă (cca 80% din masa totală) și numai 10% un carburant clasic (solid, lichid, gazos sau mixt).

În ceea ce privește funcționarea cazanelor de termocentrale, în urma calculelor și experimentelor efectuate an stabilit cel puțin un procedeu de separare a cărbunelui lignit pentru a fi ars în condiții mai bune (sub aspect energetic și ecologic) pornind de la asocierea lui cu un aditiv care să-i preia integral umiditatea.

Din punctul de vedere al alegerii carburantului optim, toate analizele noastre s-au oprit asupra Hidrogenului, deoarece acesta prezintă un conținut energetic ridicat (141,7 MJ/kg sau 33844,4636 kcal/kg față de 55,5 MJ/kg sau 13255,9473 kcal/kg în cazul gazului metan, 45,6 MJ/kg sau 10891,3729 kcal/kg în cazul motorinei, 40,5 MJ/kg sau 9673,258813 kcal/kg în cazul motorinei biodiesel, 46,3 MJ/kg sau 11058,565 kcal/kg în cazul benzinei, 29,6 MJ/kg sau 7069,83854 kcal/kg în cazul Cărbunelui, 16,2 MJ/kg sau 3869,303525 kcal/kg în cazul lemnului etc.); este nepoluant, deci, foarte avantajos din punct de vedere ecologic și nici nu conduce la creșterea entropiei sistemului termodinamic planetar.

Metoda stocării Hidrogenului la bordul vehicolului a fost luată în calcul încă din perioada interbelică, fiind propuse de atunci mai multe soluții tehnologice: utilizarea Hidrogenului lichefiat, stocarea Hidrogenului sub presiune, stocarea Hidrogenului în cadrul unor hidruri metalice etc. A fost, de asemenea, propusă și metoda producerii Hidrogenului la bordul vehicolului, dar o astfel de opțiune ar fi justificată doar în cazul în care este utilizată o metodă care să asigure obținerea unei cantități mari de gaz într-o perioadă cât mai scurtă de timp și cu cheltuieli energetice mici, în măsura în care nivelul acestor cheltuieli ar face ca tehnologia respectivă să fie competitivă în raport cu tehnologiile clasice ale sistemelor de propulsie bazate pe combustibili fosili.

În principiu există mai multe metode de obținere a Hidrogenului, dintre care amintim: prin descompunerea apei în urma unei reacții chimice; prin electroliză (hidroliză); metoda descompunerii catalitice a benzinei sau a motorinei. La nivel industrial, cracarea catalitică a hidrocarburilor a dat rezultate bune din punctul de vedere al bilanțului energetic și al simplității tehnologice. Din punctul de vedere al aplicațiilor practice, benzina (de pildă) poate fi ușor stocată la bordul vehicolului, urmând doar să se monteze un reactor destinat cracării catalitice, economisirea de energie în cadrul randamentului general al propulsiei fiind cuprinsă între 22 și 40%.

O altă metodă mult analizată a fost și aceea a electrolizei apei (hidroliza) prin această metodă putând fi livrat Hidrogen în cantități mari și pornind de la o materie primă foarte ieftină. Din păcate, actualmente randamentul hidrolizei este foarte mic iar cheltuielile energetice foarte mari. Astfel, pentru producerea unui metru-cub normal (Nm³) de Hidrogen (cu masa de 82 grame și puterea calorifică de 2570 kcal/Nm³) este consumată o energie electrică de 12-16 kWh, adică în medie 8640 kcal/Nm³ Hidrogen…

În cursul procesului de hidroliză facem să circule în jurul electrodului pentru Hidrogen un reactiv (cum ar fi Potasiul) vom avea absorbirea chimică a Hidrogenului cu formarea unei hidruri; în același timp, la electrodul pentru Oxigen putem face să circule un oxid care să absoarbă oxigenul în molecula sa, formând (de regulă) peroxizi și în acest fel, la finele procesului am avea Hidrogenul stocat sub forma unei hidruri iar Oxigenul stocat sub forma unui peroxid. În stare solidă, cele două substanțe ar putea constitui medii de stocare ideale la bordul unui vehicul de dimensiuni mici sau medii.

Pentru recuperarea Hidrogenului și Oxigenului urmează ca hidrura sau/și peroxidul să fie supuse acțiunii căldurii, deci, cu o altă cheltuială de energie, care se adaugă consumului energetic foarte mare aferent hidrolizei în sine. Ținând cont de cele arătate mai înainte, rezultă că prin descompunerea apei ca urmare a unei reacții chimice putem obține procedeul cel mai eficient atât ca bilanț energetic cât și economic, dar și sub aspectul simplității tehnologiei.

Aditivarea cărbunelui în focarele termocentralelor

De regulă, prin diverse metode se caută ca pulberea de cărbune să fie cât mai bine uscată înainte de injectarea în arzător, dar noi considerăm acest lucru ca nefiind neapărat necesar. Procedeul stabilit de noi face ca prin proiectarea particulelor de combustibil în focarul cazanului cu o anumită viteză inițială, prin utilizarea unui ecran catalizator (fierbinte) să se producă, prin disociere, o combustie la parametrii superiori oricărei metode clasice de ardere. Procedeul folosește direct un aditiv care împreună cu praful de cărbune pătrunde în camera de ardere având ca suport transportor vaporii de H₂O extrași de aditiv din conținutul de apă al cărbunelui sau prin exces de vapori (aer fierbinte și umed) în cazul unor cărbuni uscați. Produs al unei combinații a cărbunelui lignit și aditivul potrivit, noul combustibil este mai economic prin aceea că mărește calitatea cărbunelui.

Fig. 1 Schema instalației de ardere destinată centralelor termoelectrice alimentate cu cărbune, alimentată cu aer comprimat (generat de o tubosuflantă electrică) și un amestec combustibil format din cărbune pulbere și aditivi speciali (un amestec de CaO și CaC₂) : 1- electroturbosuflantă; 2- bunker cărbune; 3- bunker aditivi amestecaţi la proporţiile nominale; 4- centrifuga de amestec primar al aditivilor și carburantului; 5- paletele de omogenizare ale centrifugei (4); 6- centrifuga de amestec pentru injecție; 7- palete de omogenizare ale centrifugei (6); 8- aer cald încărcat cu umiditate; 9- focarul cazanului; 10- catalizator format dintr-o suprafață înclinată și prevăzută cu orificii de comunicație cu focarul, această suprafață fiind menținută aproape de incandescență. Prin aplicarea acestei metode în cadrul termocentralelor se estimează o ridicare a puterii termoenergetice de la 1200 kcal/kg la circa 3000 kcal/kg dar cu o mare economie de cărbune, reducându-se necesarul de cărbune la cca. 80 to/h în loc de 200 to/h pentru un cazan ce produce 400 to/h aburi.

Prin realizarea unei arderi la temperaturi mai înalte se înlătură fenomenul formării abundente a zgurii și cenușei. Pentru arderea în aceste condiții a cărbunelui în focarele cazanelor din termocentrale, praful de cărbune lignit are nevoie de o umiditate de 35-40% și apoi se adaugă un aditiv potrivit scopului urmărit, aditiv ce (potrivit rezultatelor cercetării noastre) se găsește ca materie primă în cantități foarte mari în natură.

Prin aplicarea procedeului nostru de ardere a cărbunelui praf în diferite focare de ardere se înlătură uscarea excesivă a cărbunelui, economisindu-se la fiecare 200 tone/oră cărbune circa 35 de tone pe oră din cărbunele consumat pentru uscare. Luând ca bază de raportare un cazan de centrală termoelectrică având o producție de 200 t/h de cărbune, deservit pentru prepararea prafului de 6 mori cu o capacitate de 33,3 tone/h, deducem că puterea calorifică a cărbunelui nu are cum să depășească 1200 kcal/kg. Prin aplicarea arderii propuse de autori și creată de aditivul aplicat în cadrul procedeului de ardere, aceeași cantitate de Cărbune își va spori capacitatea termoenergetică la cca 3000 kcal/kg, totul în funcție de păstrarea temperaturii catalizatorului ce se va introduce în focarul cazanului. În privința identificării aditivului necesar acestui proces, s-a plecat de la maniera în care molecula de apă ar putea fi disociată chimic, prin fixarea Hidrogenului și Oxigenului la molecula unor alte substanțe (produșii de reacție) care să poată constitui în sine, carburant și comburant în cadrul unui amestec combustibil. Astfel, s-a testat utilizarea ca materie primă pentru combustibil a Carbonatului de Calciu (CaCO₃ denumit și „piatră de var”) care are o energie calorică specifică de aproximativ 1000 kcal/kg, fără a avea posibilitatea de a fi utilizat drept combustibil ca atare, în mod singular.

Prin arderea CaCO₃ până la decarbonatare la temperaturi cuprinse între 1000 și 1300ºC în cuptoare speciale se obține Oxidul de Calciu și Bioxidul de Carbon:

 

CaCO₃ → ^1300ºC  CaO + CO₂ ^↑.

 

Știm că Oxidul de Calciu (CaO) este foarte avid de apă: pentru un kilogram de CaO (var nestins) sunt necesari cca 1,5-1,7 litri de H₂O. Prin „stingerea” Oxidului de Calciu cu apă, adică prin reacția CaO + H₂O se va obține Hidroxidul de Calciu Ca(OH)₂ și se degajă căldură:

 

Ca (s) + ½ O₂ (g) → CaO (s) cu ΔH(g) = – 63,7 kJ/mol = – 151,85 kcal/mol.

 

Stingând un kilogram de Oxid de Calciu cu 1,5 litri de apă avem:

 

1000 g CaO + 1500 g H₂O = 2500 g Ca(OH)₂ adică aproximativ 83 moli, deci, 12600 kcal.

Dacă se dorește, Oxidul de Calciu se poate transforma în Carbură de Calciu (CaC₂) iar Carbura de Calciu la contactul cu apa se transformă în acetilenă (un foarte bun carburant) și hidroxid de calciu (materie primă pentru producția de CaO și CaC₂).

În momentul de față, pentru obținerea Carburii de Calciu se consumă multă energie electrică și din această cauză nu este întotdeauna recomandată folosirea lui drept carburant. Dacă din masa de apă am putea obține acetilenă și respectiv, Oxigen, acestea ar participa ulterior în reacții secundare de combustie la un nivel energetic ridicat.

Știm faptul că Acetilena conține ca pondere masică 92,3% Carbon și 7,7% Hidrogen, iar cantitatea de căldură reală degajată prin arderea unui kilogram este de 12000 kcal/kg sau 9860 kcal/kg dacă este calculată defalcat după cantitatea de Carbon și Hidrogen, rezultând o diferență de 2140 kcal/kg. Spre comparație, în cazul benzinei cantitatea de căldură este de 10800 kcal/kg, iar în cazul metanului este de 13300 kcal/kg.

Astfel, din reacția apei cu Carbura de Calciu CaC₂ (carbidul) rezultă o substanță (acetilena) cu un conținut mare de Hidrogen (temperatura de autoaprindere de 425ºC, față de 570ºC la benzină, 650-750ºC la metan și 585ºC la Hidrogenul gazos pur) și deci, bune proprietăți de carburant:

 

CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H_{2 ,}

 

în care masele moleculare sunt de 63 pentru CaC₂, 18 în cazul apei, 74 pentru Ca(OH)₂ și 26 pentru C₂H₂. Carbidul CaC₂ are o mare afinitate pentru apă, astfel încât în contact cu aceasta se va descompune după reacția amintită puțin mai înainte, astfel încât 1000 grame de carbid în reacție cu 560 grame de apă conduc la formarea a 1154 grame de hidroxid de calciu și 406 grame acetilenă, aceasta având densitatea (în condiții standard) de 1,1791 kg/m³ ceea ce înseamnă că obținem prin reacția unui kilogram de carbid 0,406 kg/1,1791 = 344,4 litri/kg de acetilenă. În practică, din cauza diverselor impurități care participă în reacții, cantitatea volumetrică de acetilenă produsă este de ≈ 300-320 l/kg, obținându-se în acest fel un carburant a cărui putere calorifică este de 12000-14000 kcal/Nm³. Din punct de vedere industrial și ținând cont de puterea calorifică, acea cantitate de carburant produsă prin reacția a 1000 m³ de carbid (cu apa) este echivalentă cantității de 1120 tone benzină.

Carbidul este mult mai ușor de găsit în natură și de fabricat, decât produsele petroliere; mai mult, carbidul poate fi refabricat din cadrul materiilor recuperate din produsele de ardere. Admițând că am realiza un reactor care alimentează un motor termic de dimensiuni medii, am putea admite că utilizâm o cantitate de 88,35 kg CaC₂ de puritate 100% și astfel rezultă din calculul stoechiometric necesitatea participării următoarelor cantități în cazul celorlalți reactanți sau produși de reacție:

 

49,68 kg H₂O; 102,12 kg Ca(OH)₂ și 1,38 kmoli C₂H₂.

 

Reactanții au masa de cca 150 litri. În urma reacției se poate ajunge la temperatura de cca 1000º Celsius, la care Ca(OH)₂ se descompune conform reacției

 

Ca(OH)₂ → CaO + H₂O.

 

Pentru combustia acetilenei se adaugă 40 litri Oxigen la 150 ata și 25º C rezultând (dacă ținem cont de factorii de transformare) o cantitate de gaz de

 

150·40/(0,082·298) = 245 moli.

 

Cantitatea totală de produse gazoase rezultate în urma exploziei va fi de

 

1380 + 1380 + 245 = cca 3005 moli.

 

În interiorul recipientului (reactorului) de 150 litri aflat la temperatura de reacție de cca 1000º Celsius presiunea corespunzătoare va fi de

 

3005·0,082·1273/150 = 2091 ata, valoare pentru care va fi dimensionat acest reactor. Temperatura de combustie a acetilenei este de 3150º Celsius (3425 Kelvin), la care presiunea este de 3005·0,082·3425/150 = 5626 ata.

Presupunând cazul detentei adiabatice a gazelor, lucrul mecanic produs va fi

p₁V₁/(k-1) ·[(p₂/p₁)^k-1/k -1], în care p₁ este presiunea atmosferică de 1 atm, p₂ este presiunea de explozie de 2091 ata, V₁ este volumul de gaze la care se ajunge în urma exploziei, iar k este explonentul adiabatic (k = 1,33).

Volumul V₁ se obține din relația

 

V₁ = V₂  = 150 = 46400 litri în vreme ce volumul intern al reactorului este de cca 150 litri.

Prin urmare, vom avea un lucru mecanic dezvoltat de

 

L = 1·46400/0,33 [(2090/1)^0,33/1,33 -1] = 46400/0,33 (6,761-1) ≈ 829 000 kgm.

 

Pentru calculul cantității de căldură degajate vom porni de la reacția:

 

CaC₂ (s) + H₂O (l) = CaO (s) + C₂H₂ (g)

 

ΔHº₂₉₈ (formare) este de -14,5 kcal/mol la CaC₂, -68,32 kcal/mol la H₂O,  -236 kcal/mol la CaO și + 58,19 kcal/mol la C₂H₂. De unde avem ΔHº₂₉₈ = -98,99 kcal/mol.

La combustia C₂H₂ se va degaja în condiții standard cantitatea de căldură:

 

C₂H₂ (g) + 5/2 O₂ (g) = 2 CO₂ (g) + H₂O (g) în care ΔHº₂₉₈ (formare) este de +54,19 kcal/mol la C₂H₂, 2(-94,05) la CO₂ și

-68,32 la H₂O, de unde ΔHº₂₉₈ = -310,61 kcal/mol iar cantitatea totală de căldură este de ΔHº₂₉₈ = -98,99 – 310,61 = 409,6 kcal/mol.

 

Căldurile molare la presiune constantă ale substanțelor participante la reacție sunt:

CaO (s) → 10 + 0,00484T – 108000T^-2

CaC₂ (s) → 14,1

CO₂ (g) → 6,85 + 0,00299T – 2,475·10^-6T²

O₂ (g) → 6,13 + 0,00299T – 0,806·10^-6T²

 

Reacția totală pentru calculul ΔC_p este:

 

CaC₂ (s) + 5/2 O₂ (g) → CaO (s) + 2 CO₂ (g)

La care ΔC_p = Δa·ΔbT·ΔcT²·ΔdT^-2, în care Δa = (2·6,85) + 10 -14,1 – (2,5·6,13) = 5,72, iar Δb = [(2·8,533) + 4,84 – (2,5·2,99)] ·10^-3 = 14,431·10^-3, apoi Δc = – (2·2,475) – (2,5·0,806) ·10^-6 = 2,94·10^-6 ·10^-3 și Δd = 0,108·10⁶.

În aceste condiții avem

 

ΔHº₃₄₂₅ = -409600-5,72(3425-298) + (14,43/2)·10^-3 (3425²-298²) – [(2,94·10^-6)/3] (3425³-298³) – 0,108·10⁶ (1/298 – 1/3425).

 

De unde, ΔHº₃₄₂₅ = -409600 – 5,72(3425-298) + (14,43/2)·10^-3(3425²-298²) – (2,94·10^-6/3)(3425³-298³) – 0,108·10⁶ (1/298 – 1/3425).

 

Astfel, avem

 

ΔHº₃₄₂₅ ≈ – 409600 -17870 + 8400 – 40000 – 331 ≈ – 383800 cal/mol.

 

Pentru întreaga cantitate de 1,38 kmol vom avea o cantitate de căldură degajată de ≈ 529000 kcal. Într-un motor termic în care este injectată (alături de un combustibil clasic) acetilenă au loc o serie de reacții în trepte: prima dată reacționează acetilena cu oxigenul

 

C₂H₂ + O₂ = 2 CO + H₂, adică, se formează alte două gaze combustibile;

urmează reacția de ardere 2 CO + H₂ + 3O = 2 CO₂ + H₂O fiind pentru aceasta necesar un surplus de Oxigen, care în amestecul nostru este adus prin descompunerea (disocierea chimică) apei sub acțiunea CaO.

Noi rețete de combustibili pentru motoarele termice

Avem în vedere modificarea carburatoarelor la motoarele termice clasice, în scopul de a permite utilizarea unor noi amestecuri de combustibil în care participarea carburantului clasic este redusă la doar 10%. Pentru adaptarea motoarelor termice clasice la noul amestec combustibil este necesară instalarea unor noi componente: un rezervor pentru H₂O; un stabilizator de nivel; un încălzitor montat pe conducta de evecuare a gazelor arse (eșapament); un al doilea încălzitor montat pe conducta de recirculare a apei calde ce iese din motor și merge la radiator; un evaporator al apei preîncălzite în cadrul celor două aparate de contracurent. Vaporii de apă ajung prin conducte la containerul cu Oxid de Calciu, respectiv cu Carbon, precum și la Carbura hidrogenică prevăzută în rețeta de combustibil la care face referire lucrarea de față. Procesele de amestecare și reacție inițială se desfășoară în carburator, iar produșii de reacție și rezultați din amestecarea componentelor combustibilului sunt injectați în cilindrii motorului. De preferință, camera de ardere a motorului este înzestrată cu un ecran catalizator menținut în regim incandescent. Oxidul de Calciu prin stingere cu vaporii de apă în prezența unui catalizator se transformă în gaze combustibile.

În final, temperatura înaltă din interiorul cilindrilor provoacă disocierea vaporilor de apă în Hidrogen și Oxigen. Acest aport de Oxigen facilitează combustia integrală în cilindru și astfel se realizează nu doar o îmbunătățire a randamentului de combustie dar și o degresare internă a cilindrilor prin împiedicarea formării de reziduuri și aderării acestora la suprafața pereților. Carbonul-pulbere este injectat în camera de ardere (cilindru) cu ajutorul suprapresiunii vaporilor de apă în care se află particule de CaO transformate în Ca(OH)₂.

Apa aceasta urmează a fi introdusă în combustie ca un amestec de vapori gazeificați, având acțiune catalitică. La temperatura înaltă din camera de combustie (cilindru) au loc reacțiile:

 

C + H₂O →  CO + H₂  apoi C + H₂O → CO₂ + H₂  și în final

 

H₂ + O₂ →  H₂O, ceea ce înseamnă că la sfârșitul arderii această apă se va găsi sub forma inițială.

 

O astfel de combustie poate fi caracterizată astfel: moleculele de combustibil se rup în fracțiuni ce se recombină între ele; compușii rezultați nu sunt stabili decât într-un interval restrâns de temperatură, iar creșterea inevitabilă a acesteia va conduce la descompunerea lor în fracțiuni din ce în ce mai mici capabile să dea naștere altor fenomene de combustie cu degajări mai mari de energie; stadiul final este acela în care se formează CaO, C și H₂O, ca produși de reacție.

Materia primă de bază pentru fabricarea noului amestec combustibil este calcarul sub formă de Carbonat de Calciu. Carbonatul de Calciu este sarea Calciului cu Acidul Carbonic, fiind practic o substanță solidă de culoare albă, în care raportul ionilor de Ca²⁺ și CO₃^2- este de 1:1. Un mare avantaj în ceea ce privește utilizarea Carbonatului de Calciu drept materie primă pentru obținerea combustibililor este acela că el este foarte răspândit în natură^[3], sub forma diverselor minerale, cu ar fi: Calcitul, Aragonitul, Vateritul etc.

De asemenea, Carbonatul de Calciu se găsește în cantități mari în materia organică: în oase și dinți, în cochili și corali etc. În rocile obișnuite  găsește mai ales sub formă de Calcar (aproape în stare pură) sau sub formă de dolomite, acestea reprezentând un amestec în diverse proporții de Calciu și Magneziu. Carbonatul de calciu este aproape insolubil în apă, dar în mod lent, mai ales sub acțiunea ploilor acide se formează Hidratul de Calciu, Ca(HCO₃)₂ de această dată, ușor solubil în apă. În cea mai mare parte, Carbonatul de Calciu este obținut prin extracția directă (scoarța terestră conține roci calcaroase în proporție mai mare de 5%) din cariere, ceea ce reprezintă un mare avantaj din perspectiva utilizării sale în fabricarea combustibililor. La nivel industrial se poate obține Carbonat de Calciu pur, iar acesta prin calcinare la temperaturi de 850-1000ºC, se descompune în Oxid de Calciu și Bioxid de Carbon. O metodă industrial larg utilizată presupune folosirea Oxidului de Calciu la care se adaugă apă, rezultând din această reacție Hidroxidul de Calciu care apoi este barbotat cu Dioxid de Carbon, formând precipitatul de Carbonat de Calciu:

 

CaO + H₂O → Ca(OH)₂ și Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ ↓ + H₂O.

 

Potrivit amestecului de combustibil propus de noi, vom reduce sau elimina inconvenientele caracteristice motoarelor de combustie clasice, astfel: arderea se va putea desfășura în regim anaerob; este mult diminuată depunerea produselor de ardere pe suprafața internă a eșapamentului sau a focarului și a șicanelor (în cazul generatoarelor de aburi); introducem în cea mai mare proporție apa în cadrul amestecului combustibil, prin aceasta obținând gaze arse formate preponderent din apă, deci, substanță nepoluantă.

Mai mult, celelalte substanțe care sunt evacuate în eșapament pot fi reținute de filtre speciale și recuperate ca materie primă pentru producerea de noi cantități de combustibil. Am considerat ca noul combustibil ar putea avea, de pildă, în compoziție:

• motorină 20%, ceea ce înseamnă 10000 kcal/kg·0,2 kg = 2000 kcal;
• var nestins CaO 30%, însemnând 12000 kcal/kg ·0,3 kg = 3600 kcal;
• apa necesară 0,51 kg din care Hidrogenul are 1932 kcal și Oxigenul 1705 kcal;
• Carbonul activ 30% cu 8000 kcal/kg ·0,3 kg = 2400 kcal;
• carbidul CaC₂ în proporție de 20% cu 920 kcal;
• CaC₂ în cantitate de 0,22 kg din care Hidrogenul are 756 kcal și Oxigenul 568 kcal.

 

În total, amestecul dezvoltă o putere calorifică inferioară de cca 5735 kcal/kg, iar pentru consumul orar al unui generator de aburi (agregat termoenergetic) de dimensiuni medii sunt necesare 12,72 kg de amestec combustibil. Putem adăuga un procent de 55% pentru acoperirea unor pierderi neprevăzute, așadar, 12,72·1,25 = cca 15 kg din care:

• motorina, 15·0,2 = 3 kg;
• varul nestins CaO, 15·0,3 = 4,5 kg;
• Carbon, 15·0,3 = 4,5 kg;
• carbidul, CaC₂ 15·0,2 = 3 kg.

 

În total 15 kg combustibil plus apa necesară, cca 9,5 – 10 litri. Utilizând acest amestec combustibil urmărim alimentarea unui cazan care trebuie să producă 120 kg/h aburi la presiunea de 200 kg/cm². Entalpia corespunzătoare a aburului este de 645,8 kmol/kg iar pentru producerea cantității de 120 kg/h ar fi nevoie de o cantitate totală de căldură de cca 74490 kcal/h. Presupunând că noul combustibil are puterea calorifică inferioară de cca 5700 kcal/kg, cu un randament termic al generatorului de 0,9, atunci cantitatea de combustibil necesară ar fi de 74490/(5700·0,9) = 14,5 kg sau 15 kg. Pentru arderea celor 15 kg vom avea nevoie de un necesar de Oxigen de 2,065 Nm³/kg·15 kg = cca 30,975 Nm³/h sau dacă ar fi utilizat aerul:  9,02 m³/kg·15 kg = cca 135,3 m³/h (s-a plecat din start de la ipoteza consumului orar). Astfel, la regimul de 120 kg/h aburi am avea un consum de:

• apă 120 litri pentru producerea aburului;
• amestecul combustibil 15 kg (fără apa necesară reacțiilor chimice);
• în care aportul de Oxigen ar fi de 31 Nm³/h sau aportul de aer de 136 m³/h.

Amestecul prezentat mai devreme este doar cu titlu de exemplu; se pot aplica și alte rețete, cea mai bună rețetă experimentată de noi fiind aceea compusă din 10% benzină normală, 10% aditivi (formați dintr-un amestec fin de CaO + CaC₂ + C) și 80% apă; amestecul apei cu aditivii fiind realizat într-un carburator centrifugal de concepție specială, iar injectarea la motor a benzinei și produselor de reacție apă+aditivi făcându-se independent.

Aplicații în energetică

Sunt cunoscute invențiile^[4] lui Traian Vuia, din perioada interbelică, privind realizarea unui generator de aburi cu circulație forțată, dispozitiv capabil să genereze aburi la presiune mai mare de 100 ata și temperatură de cca 500ºC. Modelul respectiv a fost utilizat experimental (în perioada 1950-1955) pentru realizarea unor centrale termice destinate uzinelor și blocurilor de locuințe, unor locomotive, tractoare, camioane sau avioane.

Fig. 2 Modelul general al generatorului de aburi Vuia, cu ardere catalitică și adaptările aduse la acesta pentru a fi utilizat noul amestec de combustibil : 1– focarul (arzătorul) cazanului Vuia este alimentat cu un amestec (carburatorul nu este ilustrat) format din combustibilul clasic (solid, lichid sau gazos) în proporție de 10%, încă 10% aditivi (CaO, CaC₂ și Carbon activ) și restul apă în proporție de 80%, apa fiind un monopropelant, deoarece conține carburantul (H₂) și comburantul (O₂); aditivii și catalizatorul realizează disocierea chimică a apei astfel încât în focar sunt injectați separat Hidrogenul și Oxigenul, fiecare din aceștia captați în molecula câte unuia din produșii de reacție, reprezentând carburant și oxidant; 2– alimentarea cu apă nu se face direct în focar ci aceasta trece printr-un carburator centrifugal; 3– alimentarea cu apă (pentru producția de aburi de mare presiune și temperatură ridicată) se face la presiunea de 1 ata și temperatura camerei (15ºC); 4– evacuarea aburului la temperatură și presiune mare; aburul ejectat printr-o conductă după ce în a patra șicană (8) apa avea temperatura de 18ºC, în a treia șicană (9) temperatura de 55ºC, în a doua șicană (10) temperatura de 140ºC iar la evacuare (4) în prima șicană (11) aburul are 450ºC; 5– eșapamentul permite ieșirea gazelor arse (dintre care cea mai mare parte reformează molecula de apă) aceste gaze având aproximativ variația temperaturii de la cazanul Vuia original, și anume, 1800 ºC în focar; apoi 950 ºC în prima șicană, 460 ºC în a doua șicană, 235 ºC în șicana a treia și 110 ºC în ultima șicană, aceasta fiind și temperatura maximă la evacuare; 6– într-o variantă de realizare se poate păstra aprinderea clasică, prin bujie; dar există și posibilitatea utilizării unui amestec hipergolic; 7– zona de formare a descărcării electrice la aprindere și regiunea de comunicație între focar și șicane; 12– focarul de ardere anaerobă, amestecul combustibil conținând carburant și comburant.

Despre aplicațiile acestor invenții s-au făcut prezentări detaliate în lucrarea lui G. Brola^[5] și parțial reprodusă de unii autori români^[6],^[7]. Cunoaștem la ora actuală faptul că un Cazan Vuia în varianta industrială avea raportul de 1,7 tone abur/h pentru fiecare 1 tonă de masă (un cazan industrial de 60 tone masă producea 100 tone abur/oră) sau 3360 kg aburi/oră la variantele de cazane mici, echivalentul a 2000000 cal/h, 1,15 kg/CP la primele variante de generatoare sau 1,5 CP absorbiți pentru fiecare 100 kg abur produs. Ca dimensiuni, un generator de aburi Vuia pentru aplicații la bordul unor vehicule de dimensiuni mici/medii poate avea 0,56 m diametru, 1,365 m înălțime, volumul de 0,36 m³ și produce 3360 kg abur/h. Întrebuințarea aburului pentru producerea de lucru mecanic este oportună doar în cazul în care aburii au presiune și temperatură ridicată: la temperaturi joase numai cca 10% din energia combustibilului ars poate fi transformată în lucru mecanic, restul fiind energie cheltuită sau disipată.

În cazul în care aburul are temperatură și presiune mare, randamentul se ridică la 30-40%. În perioada interbelică, atunci când Vuia a inventat și realizat generatorul care îi poartă numele, acesta urmărea practic să obțină o ardere rapidă și completă a combustibilului, să recupereze un procent cât mai mare din cantitatea de căldură degajată în focar. Aceste deziderate au fost îndeplinite prin aducerea pereților focarului la incandescență și menținerea lor în această stare pe tot timpul arderii.

Potrivit lui Traian Vuia, faptul că la cazanele clasice flăcările dezvoltate în focare ating zona suprafețelor de vaporizare constituie o deficiență principală a acestora. Acest fapt conduce la pierderi mari de căldură, ceea ce mai departe conduce la inposibilitatea realizării combustiei complete. Pe de altă parte, se ridică și problema recuperării cât mai bune a căldurii degajate din focar; pentru aceasta, Vuia a amplasat conductele (serpentinele) de apă în centrul focarului și conducerea gazelor arse a făcut-o în contracurent cu apa.

Astfel, arderea are loc într-o cameră de ardere centrală care constă dintr-un tub realizat din metal inoxidabil și rezistent la temperaturi înalte. Temperatura de combustie la generatorul Vuia se apropie de 2000º Celsius iar viteza maximă a gazelor este de cca 300 m/s, astfel încât arderea este completă și în eșapament nu se găsesc reziduuri de carburant nears. Circulația gazelor arse se face de la centru către periferie, prin șicane de tablă cu diametrul crescător. Apa de alimentare circulă în contracurent fiind introdusă forțat prin țevi răsucite în spirală (serpentine) la periferia generatorului, trecând prin camerele concentrice ale gazelor de ardere, pentru a se evacua în regiunea centrală, de obicei sub forma aburului de înaltă presiune. Este de remarcat faptul că înainte de a fi emis, aburul traversează în toată lungimea ei desfășurată camera de ardere, iar focarul joacă rolul de supraîncălzitor.

În acest mod, contracurentul este realizat în mod integral, printr-o scădere a temperaturii gazelor arse sub 100º Celsius la evacuare, în vreme ce în focar, la o distanță liniară de cca 150 mm față de gura de eșapament, temperatura gazelor este de peste 2000º Celsius. De regulă, temperatura de evacuare a gazelor arse depășește cu cca 40º Celsius temperatura de injecție a apei în instalație. În cazul în care temperatura apei de alimentare nu depășește 40º Celsius, gazele arse pot ajunge la evacuare la o temperatură de numai 60º Celsius, ceea ce conduce la condensarea vaporilor de apă conținuți în aceste gaze arse, recuperându-se în acest fel o cantitate de căldură de cca 600 kcal/kg de combustibil ars.

În cazul prezentat (generatorul Vuia) avem trei elemente care contribuie la funcționare: apa, combustibilul și aerul comprimat. Între aceste trei elemente există anumite raporturi care trebuiesc bine cunoscute și riguros respectate. În cazul generatorului Vuia avem o ardere catalitică în cadrul unui focar cu pereții permanent incandescenți, deci raportul sus-amintit trebuie să fie apropiat de acela dat de proporția stoechiometrică de 11,2 m³ de aer pentru un kilogram de petrol. La acest raport corespunde o emisie de 15,2% CO₂.

Printre dezavantajele principale ale generatorului Vuia s-au aflat:

• necesitatea de a utiliza compresor de aer;
• depunerile de zgură pe suprafețele interne ale șicanelor;
• prezența fenomenului poluării cu bioxid și monoxid de carbon sau alte produse de ardere care constituie poluanți.

Rețeta de amestec combustibil propusă și experimentată de autori deschide posibilitatea înlăturării acestor inconveniente, utilizării unei construcții mult mai simple a instalației, cu o deservire mai simplă și reducerea personalului de exploatare; în cazul cazanelor care posedă grătar, acesta este eliminat din schemă dacă se utilizează amestecul propus de noi; exploatarea se face în condiții ecologice iar regimul de funcționare este mai ușor reglabil. În plus, se va putea face pregătirea mult mai rapidă pentru punerea în funcțiune și totodată, scoaterea rapidă din funcțiune atunci când este cazul.

De departe, cel mai mare avantaj este acela al economiei de combustibil, căci introducând în amestec aproape 80% apă, vom obține finalmente un amestec combustibil foarte economic, ușor de obținut și parțial regenerabil prin captarea și reutilizarea unora din produșii de reacție.

Autorii consideră că inovarea trebuie căutată în cadrul procesului de ardere, introducând constituenți care prin reacții inițiale pot genera la rândul lor carburanți sau/și comburanți de mare valoare energetică și care pot produce reacții secundare de combustie, la un randament foarte bun. Este vorba și de realizarea practică la nivel industrial a arderii prin suprafață, o ardere accelerată fără flacără. Ceea ce noi denumim „arderea prin suprafață” constituie fenomenul de accelerare a arderii particulelor în contact su suprafețele încălzite la temperaturi înalte, producându-se astfel modificări ale compoziției chimice a amestecului combustibil. Gradul de producere a acestui fenomen depinde de temperatură, de natura suprafeței și de producerea altor fenomene asociate.

În rezumat, fenomenul anterior amintit se petrece astfel:

• faptul că arderea nu are loc în interiorul masei de combustibil se explică prin aceea că această masă se încălzește la foarte scurt timp de la momentul aprinderii amestecului, prin efectul radiației calorice, înainte de contactul cu flacăra;
• de îndată cu un strat de combustibil atinge temperatura de aprindere (de cca 550-600º Celsius) amestecul de gaze tinde să se aprindă și formează instantaneu o radiație calorică acționând asupra straturilor mai adânci, dar în contracurent cu stratul de gaz arzând, ceea ce face ca regiunea în care se amorsează aprinderea să pătrundă tot mai adânc în masa combustibilului.

Prin formarea acestui proces în care evoluează succesiv straturi calde, nicio particulă de combustibil nu rămâne nearsă, sub rezerva realizării dozajului convenabil de oxigen. Prin aceasta se înțelege că o ardere care are loc în aceste condiții trebuie să fie perfectă chiar în lipsa excesului de aer din amestecurile clasice de combustibil. Această particularitate este considerată de noi ca fiind un avantaj foarte important, mai ales că amestecul nostru conduce la obținerea unor temperaturi mult mai mari de ardere.

Se știe la ora actuală faptul că un exces de aer de 50% scade randamentul cu 7 până la 30% în funcție de temperatura gazelor de eșapament. Pentru a explica viteza mare de ardere obținută în unele focare s-a recurs la așa-numitul „efect catalitic”, adică efectul accelerator al suprafețelor interioare incandescente asupra reacțiilor de ardere.

În cazul nostru, focarul generatorului de aburi realizează arderea preponderent la suprafață în modul următor: arderea are loc într-un spațiu constituit dintr-un canal realizat din material refactar și apoi într-un corp cilindric în care amestecul carburant este injectat sub presiunea de 20 până la 300 kg/cm² și circulă cu viteză mare. Când pereții camerei de ardere au devenit incandescenți, flacăra dispare subit și arderea are loc la o temperatură cu atât mai înaltă cu cât viteza și presiunea se măresc. Din cauza temperaturii înalte din focar, combustibilul este afectat instantaneu de aceasta, fiind adus la stadiul de volatilizare integrală, particulele fine rezultate fiind supuse procesului de oxidare prin ardere, cu degajare mare de căldură. În astfel de cazuri, faza arderii este complet schimbată căci oxidarea particulelor de carburant se face în lanț, într-o succesiune de etape ultrarapide, în fracțiuni, în care produsele de ardere corespunzătoare primei faze au o acțiune catalitică asupra etapelor următoare. Astfel de fenomene complexe se succed cu mare rapiditate, iar potrivit teoriei cinetice, în acest caz se produc și reacții actinice, prin care au acțiuni prin care sunt emise și absorbite cuante de energie care trec de la un atom la altul, apărând totodată și fenomene electrice intime.

S-au făcut cercetări asupra reacției în lanț a compușilor hidroxili prin oxidarea hidrocarburilor disociate la temperaturi foarte înalte, admițând teoria pre-oxidării, dar toate aceste experimente au fost realizate cu amestecuri de Oxigen și hidroxili încălzite progresiv, caz în care disocierea este lentă, trecând prin produse intermediare până la adăugarea unei molecule de Oxigen la una de Hidrogen pentru a forma fenomenul de pre-oxidare.

În cazul nostru, însă, combustibilul este supus brusc unei temperaturi foarte înalte, deci, mecanismul de oxidare este unul complet diferit. Mai exact, ar fi exact ca și cum s-ar produce un fenomen de cracare multiplă; un gen de disociere confirmată de teoria lui Max Serruys elaborată în cadrul lucrărilor sale din 1937 privind fenomenele de detonație^[8]. În cazul generatorului de aburi pe care îl studiem în lucrarea de față, tubul focarului nu are pereți care să atingă chiar temperatura de ardere din centrul focarului, fiind răcit convectiv de către instalația de preluare și transmitere a căldurii către apă și operând totodată transmisia căldurii prin radiație. Transmiterea prin radiație a căldurii este proporțională cu puterea a patra a temperaturii mediului de transmisie și fiindcă în arderea fără flacără temperatura este foarte înaltă, coeficientul de transmisie prin radiație va fi și el foarte ridicat. Din această pricină, suprafețele de schimb termic trebuie să posede o mare capacitate de absorbție și transfer al căldurii. Pereții exteriori ai primei camere sunt de asemenea realizați din metal inoxidabil și rezistenți la temperaturi înalte, mai ales că o porțiune din aceștia sunt menținuți aproape de incandescență. În fiecare cameră cilindrică (șicană) de scurgere a gazelor arse sunt așezate serpentine care, prin racorduri exterioare (nesupuse acțiunii factorilor din camera de ardere) comunică la serpentina imediat următoare.

Așa cum s-a arătat, circulația apei și a gazelor arse se face în contracurent prin camerele inelare (șicanele) concentrice. Cu un astfel de generator se obține un randament de 90-95% din puterea calorifică superioară a combustibilului utilizat. Arderea este completă și temperatura gazelor arse la evacuare este relativ scăzută. Generatorul recuperează pe de altă parte și căldura latentă de vaporizare a vaporilor de apă proveniți din stingerea CaO și CaC₂, căci acești vapori sunt condensați.

Astfel, se condensează cca 1,1 kg de apă (raportat la valorile parametrilor generatorului prezentat exemplificativ mai devreme) la 1 kg de combustibil potrivit rețetei propuse de autori, dând cca 650 kcal. Această apă reprezintă cca 11% din masa totală de apă antrenată în reacție, va intra în procesul de disociere din focarul cu ardere catalitică și astfel va participa la sporirea bilanțului termic al generatorului. Vaporizarea fiind instantanee, combustibilul va fi consumat proporțional cu necesitatea de a se produce căldură. În felul acesta, randamentul se menține ridicat în regimuri de funcționare variabile.

Grație diametrului redus al țevilor (între 8 și 12 mm) și dispozitivelor speciale (de pildă, racordurile exterioare, tubul focar care protejează serpentinele supraîncălzitorului etc.) generatorul de abur descris aici permite producerea de aburi de foarte mare presiune (100-220 kg/cm²) și de temperatură mare (peste 500º Celsius) iar procentul de vaporizare poate atinge 150-200 kg abur la 1 m² de suprafață activă (de încălzire) în care se cuprinde atât preîncălzitorul cât și supraîncălzitorul.

Arderea având loc într-o incintă, presiunea gazelor arse are drept consecință o mare accelerare a acestora, deci viteza de ejectare este mare. Acest model de generator nu are suprafețe interne evaporatoare la temperaturi relativ joase, ci în cea mai mare parte pereți incandescenți. În cadrul acestui model îmbunătățit de generator de aburi, amestecul combustibil întâlnește direct tubul incandescent și deci, amestecarea și reacția componentelor sale se face prin acțiune termică și disociere, iar nu mecanic prin intermediul unui dispozitiv de pulverizare. Pe măsură ce au loc aprinderea combustibilului și disocierea, gazele arse intră în al doilea spațiu inelar (șicană) permițând astfel arderii să se desfășoară de o manieră completă prin mărirea suprafeței active.

Grație focarului central în regim incandescent se poate utiliza în același arzător (fără a se aduce modificări) practic orice combustibil lichid, gazos sau pulverulent ori combinații ale acestora. Un astfel de generator este bine conceput și din punct de vedere termodinamic, camerele inelare de ardere (șicanele) fiind cu atât mai strâmte cu cât sunt mai periferice, aceasta din cauză că gazele arse pierd treptat căldura (prin cedarea acesteea către serpentinele prin care circulă apa) fiind totuși nevoite să-și păstreze viteza de scurgere ridicată (de care depinde coeficientul de transmisie a căldurii). Totodată, diametrul conductelor (serpentinelor) de apă va crește în sens contrar față de descreșterea șicanelor, căci pe măsura transformării apei în aburi, densitatea scade, fluidul se dilată și volumul necesar devine mai mare, fiind necesar să se evite pierderile de presiune ce pot apare de-a lungul serpentinei din cauza creșterii rapide a vitezei fluidului. Astfel, este întotdeauna un compromis între pierderea de presiune, valoarea vitezei, debitul de fluid și diametrul țevii (serpentinei). De pildă, pierderea de presiune este dată de relația:

 

Δp = (k + k’·l/d) cu v²/(2g) = (k + k’· l/d)·wv/(2g)·v, debitul fiind

 

Q = (π·d²/4)(w·v), de unde v = 4Q/(π·d²w)

 

în care w este densitatea fluidului, k și k’ reprezintă coeficienții de pierdere de sarcină locală și continuă, v este viteza fluidului, d este diametrul tubului și l este lungimea tubului.

Rezultă din aceasta faptul că debitul este proporțional cu pătratul diametrului tubului și cu viteza fluidului, dar viteza este invers proporțională cu diametrul. Dacă vom înlocui pe v cu valoarea sa din prima formulă, Δp devine

 

(k + k’·l/d)·w·[4π/(2gπd²w)]² = (k + k’· l/d)·16Q³/(2gπ²d⁴w).

 

Se remarcă astfel faptul că pierderea de sarcină variază proporțional cu pătratul debitului și este invers proporțională cu de două ori pătratul diametrului. De fapt, exact acesta este motivul pentru care diametrul țevilor serpentinei crește pe măsură ce se apropie de tubul central. Dezvoltând formulele cu toate funcțiile lor ajungem la o curbă care posedă un punct de infelxiune și o regiune în care stabilitatea termică a funcționării generatorului este absolută. Cu privire la depunerile de pe pereții interiori ai serpentinelor, acestea se produc teoretic în regiunea în care proporția de apă atinge 90-95%, adică în punctul de tranziție apă-abur saturat. În mod concret, acest punct oscilând permanent de-a lungul serpentinei, zona de depuneri este de fapt spălată de aburi și apă, de unde imposibilitatea practică a producerii depunerilor respective. Din cauza vitezei mari (între 20 și 40 m/s) de circulație a fluidului și a vaporizării instantanee a apei, depunerile nici nu au timp să se formeze.

La oprirea instalației, grație radiației tubului focar incandescent, toată apa reziduală ce mai este conținută în generator este transformată în aburi și evacuată. În această etapă, pulsațiile de vaporizare și pungile de aburi sunt anulate grație amplasamentului serpentinelor și facilitării circulației apei și vaporizării sale instantanee.

Pe de altă parte, acest generator este inexplozibil; dacă admitem că s-ar atinge o suprapresiune (dintr-o cauză sau alta) atunci s-ar produce fisurarea serpentinelor, prin urmare, aburul ar scăpa în camera de ardere și ar provoca stingerea arzătorului și deci, oprirea automată a instalației.

Concluzii

În privința obținerii de noi combustibili mai ieftini și mai ecologici, rezultatele dorite nu se vor putea obține decât în baza unor rețete de amestecuri, iar nu doar prin utilizarea Hidrogenului, biocarburanților, alcoolilor sau acetilenei în mod singular.

Pentru a obține performanțele dorite este necesar ca: să asigurăm un proces de combustie progresivă, în etape succesive, a componentelor; să utilizăm apa preponderent în amestec, disociind-o pe parcursul procesului de carburație și combustie; să utilizăm carburanți aditivați; să încercăm obținerea oxigenului necesar arderii din procesul de carburație a amestecului combustibil, fără a mai implica aerul atmosferic; să utilizăm arderea de tip catalitic, cu suprafețe incandescente; să recuperăm parțial gazele eșapate pentru a regenera materia primă pentru un nou combustibil.

Bibliografie

Bibliografie selectivă

1. Andrei Mețianu, Generatorul de abur cu ardere catalitică Traian Vuia, Editura Tehnică, București, 1957.
2. Constantin Aramă, Andrei Șerbănescu, Economia de combustibil la automobile, Editura Tehnică, București, 1974;
3. Gabriel Brola, Generateurs de vapeur a tres haute pression, Editura Dunod, Paris, 1941;
4. Ioan Anghelache, Noi combustibili pentru automobile, Editura Tehnică, București, 1993;
5. Ion Cojocaru, Ion Iacovachi, Traian Vuia. Viața și opera, Editura Științifică și Enciclopedică, București, 1988;
6. Nicolae Apostolescu, Dragoș Sfințeanu, Automobilul cu combustibili neconvenționali, Editura Tehnică, București, 1989.

Patents

1. FR395754/1909-03-17;
2. CA118376/1909-05-18;
3. US1169308/1916-01-25;
4. FR661254/1929-07-23;
5. CH137309/1929-12-31;
6. GB304588/1930-01-02;
7. CA300258/1930-05-20;
8. GB338402/1930-11-20;
9. FR740226/1933-01-23;
10. GB394204/1933-06-22;
11. CH165252/1933-11-15;
12. CA346926/1934-12-18;
13. FR918590/1947-02-12;
14. US1841230/1949-01-12;
15. US1496810/1924-06-10;
16. US3982391/1976-09-28;
17. US4054423/1977-10-18;
18. US4279619/1981-07-21;
19. US4372753/1983-02-08;
20. US4444159/1984-04-24;
21. FR2542006/1984-09-07;
22. US4884533/1989-12-05;
23. US5771873/1998-06-30;
24. US6076487/20.06.2000.

Note

[1] O interesantă și bine documentată expunere cronologică a acestor propuneri se poate consulta la pagina web http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/acetylene-eng/acetyle neeng.htm;

[2] Web site-uri accesate la data de 07.08.2022: https://www.climatecolab.org/contests/2016/transportation/ c/proposal/1331105; https://www.intec hopen.com/books/the-future-of-internal-combustion-engines/alternative-fuels-for-internal-combustion-engines; https://www.ijrte.org/wp-content/uploads/papers/v8i2/B1080078219.pdf; https://www.longdom.org/openaccess/experimental-investigation-of-performance-of-acetylene-fuel-based-diesel -engine-0976-4860-1000151.pdf;https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610214000952; https:// pdfs.semanticscholar.org/d70d/1 543949cbcf9f1bfb6a12ae2fe00adc6c1c9.pdf etc;

[3]Carbonatul de Calciu este larg răspândit în natură sub forma mineralelor de Calcit și Aragonit, totodată intrând și în compoziția a trei roci calcaroase foarte răspândite: Creta, rocă microcristalină fină sedimentară, poroasă formată prin depunerea Calcitului (calcarelor) și din fosilizarea Coccolithelor și a Coccolithophoridelor sau a  scoicilor foraminifere; Calcarul, o rocă biogenă mai compactă decât Creta, și care ia naștere direct (cochilii de melci, de scoici, corali sau bureți de mare etc.) sau indirect (din organismele fototrope care sunt caracterizate prin asimilarea CO₂ și odată cu alcalinizarea mediului se formează calcar dizolvat în apă) din scheletul viețuitoarelor;

[4] Potrivit brevetelor CA300258 (generator de aburi), CA346926 (generator de aburi), CH137309 (generator de aburi), CH165252  (generator de aburi), FR661254 (generator de aburi), FR740226 (generator de aburi), FR918590 (generator de aburi), GB304588 (generator de aburi), GB338402 (generator de aburi), GB394204 (generator de aburi), US1841230 (generator de aburi), FR395754 (motor cu aer cald), CA118376 (motor cu aer cald), US1169308 (motor cu aer cald), etc;

[5] G. Brola, Generateurs de vapeur a tres haute pression, Editura Dunod, Paris, 1941;

[6] Andrei Mețianu, Generatorul de abur cu ardere catalitică Traian Vuia, Editura Tehnică, București, 1957;

[7] Ion Cojocaru, Ion Iacovachi, Traian Vuia. Viața și opera, Editura Științifică și Enciclopedică, București, 1988;

[8] Max Serruys, Experimental study of ignition by hot spot of internal combustion engines, Publications Scientifiques et Techniques de Ministère de l’Air, Paris, 1937.