1. Wstęp teoretyczny
Zapłon wymuszony następuje wtedy gdy proces spalania i dalsze jego rozprzestrzenianie
zapoczątkujemy z
ródłem zapłonu takim jak np. iskra elektryczna płomień pilotujący.
Proces zapłonu charakteryzuje się określonymi stężeniowymi granicami, poza którymi zapłon nie
nastąpi w żadnych warunkach. W gazowych mieszaninach paliwo-powietrze, nawet wtedy, gdy
z
ródło zapłonu jest nieskończenie wielkie zapłon następuje wówczas, kiedy stężenie składników
palnych w mieszaninie z utleniaczem występuje w określonych granicach.
Granice zapłonu mieszanin składająch się z wielu składników palnych (nie zawierających składników
obojętnych) można określić ze wzoru Le Chateliera.
gdzie:
Lg.d  dolna lub górna granica zapłonu wyrażona w procentach,
ai  zawartość i-tego składnika palnego w paliwie wyrażona w procentach.
Wybuch lub inaczej eksplozja chemiczna jest to gwałtowna reakcja chemiczna połączona
z intensywnym wydzielaniem ciepła, zdolna do samopodtrzymującej się propagacji w materiale.
Zwiekszenie ciśnienia podczas wybuchu spowodowane jest wzrostem temperatury lub zmianą liczby
moli gazu w wyniku reakcji chemicznych. Wybuchy paliw możemy podzielić na gazowe i pyłowe.
Jeżeli w powietrzu oprócz pyłu jest też gaz palny to mówimy o mieszaninie hybrydowej. Dynamika
wybuchu jest zdeterminowana prędkością rozprzestrzeniania się płomienia w kierunku świeżej
mieszanki. Wybuchy paliw zachodzą w fazie gazowej.
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi parametrami dotyczącymi palności
paliw gazowych oraz określenie granic palności mieszaniny propan-butanu.
3. Przebieg ćwiczenia
Podczas tego doświadczenia badać będziemy dolną granice palności, a więc użyjemy dużo
utleniacza i mało paliwa. Do dyspozycji mamy zbiornik o objętości 4dm3 ,wypełniony powietrzem.
Do tego zbiornika wtłaczać będziemy propan-butan (o składzie propan=70%, butan=30%) oraz
powietrze lub też z tego zbiornika wytłaczać powietrze. Wtłaczając paliwo i powietrze będziemy
powodować nadciśnienie, które zmierzymy i dzięki niemu dowiemy się ile danego gazu dodaliśmy.
Badając różne proporcje mieszaniny paliwo-powietrze będziemy sprawdzać jej granice palności
stosując zapłon wymuszony za pomocą iskry elektrycznej.
4. Schemat pomiarowy
P-B
gdzie:
1. Butla z propan-butanem, 2. Sprężarka powietrza, 3. Pompa próżniowa, 4. Zbiornik z mieszanina,
5. Zapalarka wysokonapięciowa.
5. Obliczenie teoretycznej granicy palności (dolnej i górnej)
ap  ilość procentowa propanu,%
ab  ilość procentowa butanu, %
Lp.d  dolna granica zapłonu propanu w powietrzu, %
Lb.d  dolna granica zapłonu butanu w powietrzu, %
Lp.g  górna granica zapłonu propanu w powietrzu, %
Lb.g  górna granica zapłonu butanu w powietrzu, %
6. Pomiary
Tabela 1
Nadciśnienie Nadciśnienie
Tabela 2
(propan-butan) (powietrze)
Zapłon
Podciśnienie Nadciśnienie
[bar] [bar]
Zapłon
(propan-butan) (powietrze)
0,112 4,00 TAK
0,095 3,72 TAK
[bar] [bar] [bar]
0,092 3,92 NIE
0,300 2,31 NIE
0,132 3,34 TAK
0,155 3,86 TAK
7. Przykładowe obliczenia
Ilość propan-butanu i powietrza wtłoczonego przy nadciśnieniu obliczamy z proporcji:
gdzie 4l to objętość zbiornika a 1 bar to wartość ciśnienia atmosferycznego.
Całkowita ilość mieszaniny będzie, więc równa:
Druga sytuacja z tabeli nr 2 przedstawia sytuacje gdy na początku za pomocą pompy próżniowej
wytłaczamy powietrze do pewnego podciśnienia i wtłaczamy w jego miejsce propan-butan
aż do stanu początkowego 4l. Obliczenia ilości substancji palnej i powietrza są następujące:
A całkowita ilość mieszaniny będzie równa:
Procentowa ilość propan-butanu będzie wynosić:
8. Wyniki pomiarów
Ilość propan- Ilość Ilość Ilość propan- Ilość Ilość
butanu powietrza mieszaniny butanu powietrza mieszaniny
[litr] [litr] [litr] [litr] [litr] [litr]
0,45 16,00 20,45 1,20 9,24 13,24
0,38 14,88 19,26
0,37 15,68 20,05
0,53 13,36 17,89
0,62 15,44 20,06
Ilość propan-
butanu w
Zapłon
mieszaninie
[%]
2,19 TAK
1,97 TAK
1,84 NIE
2,95 TAK
3,09 TAK
9,06 NIE
9. Oś granicy palności
10. Wnioski
Pomiary i obliczenia stężeniowych granic zapłonu ,przy którym ten zapłon zachodzi, mniej
więcej pokrywają się z oczekiwanymi wynikami. Błąd obliczeń wynika z trzech podstawowych
czynników takich jak: warunki otoczenia (temperatura, ciśnienie atmosferyczne) mieszanki paliwa
i powietrza przy których powinno się wykonywać badanie granic palności nie są idealne; nie znamy
dokładnej wartości procentowej mieszanki propan-butanu (bierzemy tą wartość z pewną
niedokładnością); pod uwagę należy też wziąć niedokładność przyrządów pomiarowych. Dwa wyniki
(jeden dla dolnej i jeden dla górnej granicy palności) minimalnie nie pokrywają się z teoretycznymi
granicami palności wyznaczonych ze wzoru Le Chateliera, jednak możemy przyjąć ten błąd jako
dopuszczalny biorąc pod uwagę wszystkie czynniki, które decydują o dokładności pomiarów.
Widzimy, że propan-butan to gaz, który ma mały zakres granic palności porównując do innych
gazów, a już bardzo daleki od wartości zakresu palności acetylenu, który jest blisko czternastokrotnie
większy.