Podstawy teoretyczne

Płomień jest strefą reakcji chemicznej, w której zachodzi proces utleniania paliwa (spalania). Ze względu na sposób mieszania paliwa z utleniaczem rozróżniamy dwa rodzaje płomienia: Płomień kinetyczny otrzymujemy po wstępnym zmieszaniu przed dyszą palnika paliwa i utleniacza.

Wstępna strefa podgrzewania i inicjacji utleniania paliwa znajduje się przed czołem płomienia. Dalej znajduje się główna strefa reakcji, czyli czoło płomienia. Za nią położona jest strefa popłomienna. Za koniec strefy podgrzewania i inicjacji przyjmuje się punkt, w którym proces utlenienia przebiega samoistnie, bez dostarczania ciepła z głównej strefy reakcji. W czole płomienia, który jest główną strefą reakcji, zachodzą najbardziej intensywne reakcje utleniania.

Przy niedomiarze utleniacza, w płomieniu kinetycznym wytwarza się zewnętrzny stożek typu dyfuzyjnego. Jest to wtórny płomień dyfuzyjny.

Płomień dyfuzyjny to taki, który powstaje w warstwie granicznej między strumieniami gazu palnego i gazowego utleniacza lub pomiędzy strumieniem gazu palnego a otaczającym go nieruchomym gazowym utleniaczem. W obszarze widocznym jako świecąca powierzchnia, zachodzi intensywna reakcja chemiczna. W tym miejscu stosunek dyfundującego strumienia paliwa do strumienia utleniacza przyjmuje wartość stechiometryczną, tj stosunek powietrza do paliwa określa równanie reakcji. W tego typu płomieniu, reakcja spalania jest poprzedzona procesem mieszania, zależącym od praw rządzących dyfuzją w strumieniach gazowych. Ze względu na te zjawiska płomienie dyfuzyjne dzielą się na laminarne oraz turbulentne.

a) laminarne – dyfuzja ma charakter molekularny, płomień jest niewiele szerszy od otworu wylotowego dyszy, zewnętrzna powierzchnia jest wyraźnie zarysowana b) turbulentne – dyfuzja ma charakter turbulentny, płomień jest szerszy niż wylot dyszy paliwowej.

Trudno określić kształt płomienia, jego powierzchnia stale drga i nie da się jednoznacznie określić zarówno jego szerokości jak i wysokości.

Palniki gazowe to urządzenia w pewien sposób kontrolujące spalanie paliwa. Mają za zadanie zmieszać paliwo z utleniaczem przed wylotem dyszy, zapewnić ciągłość reakcji. Palniki są różnej konstrukcji, zależnie od potrzeb. Najczęstsza klasyfikacja:

- palniki zewnętrznego mieszania (dyfuzyjne) – podaje się jedynie paliwo, utleniacz pobierany jest z otoczenia

- palniki wstępnie zmieszanych gazów (kinetyczne) – paliwo zmieszane jest z utleniaczem przed zapłonem, najczęściej przed wylotem dyszy palnika

- palniki kinetyczno-dyfuzyjne – następuje niepełne mieszanie wstępne, część paliwa zmieszana jest z utleniaczem przed podaniem, reszta utleniacza podawana jest oddzielnie.

Schemat układu pomiarowego

Wykaz przyrządów pomiarowych

1. Termopara i cyfrowy miernik temperatury

2. Rotametr

3. Chromatograf

Tabele pomiarowe

x

c

t

w

c100%

qpow

q’gaz

qgaz

r

mm

A

°C

%

A

l/h

l/h

l/h

%

0

1,313 * 10-5

910

2,60

1,348 * 10-5

120

7

5,40

4,30

1

1,101 * 10-5

900

18,32

2

1,065 * 10-5

880

20,99

3

1,001 * 10-5

860

25,74

4

8,747 * 10-6

820

35,11

5

8,175 * 10-6

750

39,35

6

5,343 * 10-6

630

60,36

7

7,153 * 10-6

470

94,69

8

2,471 * 10-7

320

98,17

9

2,131 * 10-7

200

98,42

10

130

11

100

12

70

13

60

Przykłady obliczeń

1,2

= ′

= 7 ∙ 2,018 = 5,40 /ℎ

5,40

=

+

= 5,40+ 120 = 4,30%

1,313 ∙ 10$%

= 1 − #∙ 100% = 1 −

!""%

1,348 ∙ 10$%# ∙ 100% = 2,60%

Wykresy

w(x)

100

90

80

70

60

, %

50

w

40

30

20

10

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

x, mm

Wykres 1. Zależność stopnia wypalenia gazu w od odległości od środka palnika x

t(x)

1000

900

800

700

600

500

t, °C

400

300

200

100

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

x, mm

Wykres 2. Zależność temperatury t od odległości od środka płomienia x Uwagi i wnioski

Stężeniowa granica zapłonu dla propanu wynosi od 2,1 do 9,5 % gazu w powietrzu. Otrzymana wartość 4,3% mieści się zatem w tych granicach. Analizując pierwszy wykres można łatwo dostrzec, że stopień wypalenia gazu zwiększał się wraz z odległością od środka płomienia. Po 4 mm, kiedy nastąpiło przejście z pierwszego stożka do drugiego, charakterystyka stała się bardziej płaska, a następnie gwałtownie wzrastała aż do odległości 7, gdzie nastąpiło wyjście sondy z płomienia. Wyniki dla 8 i 9 mm są do siebie bardzo podobne, gdyż odpowiadają zawartości propanu w powietrzu w pomieszczeniu. Zależność temperatury od odległości od środka płomienia na drugim wykresie maleje wraz ze wzrastaniem odległości. W granicach pierwszego stożka temperatura maleje powoli, a następnie coraz szybciej. Nie zaobserwowano spłaszczenia charakterystyki po wyjściu z płomienia, jak miało to miejsce w pierwszym wykresie. Temperatura spadała aż do odległości 11 mm, gdzie nastąpiła jej stopniowa stabilizacja.