1. WSTĘP

Spalanie paliw gazowych to bardzo istotny dział wiedzy na temat spalania paliw. W technice funkcjonuje bardzo wiele substancji gazowych wykorzystywanych jako paliwa (wystarczy wymienić choćby mieszaninę propanu i butanu, metan czy acetylen). Paliwa stałe jak węgiel również poddaje się procesom zgazowania, by spalać je pod taką właśnie postacią.

Reakcję spalania najpowszechniej inicjuje się poprzez zapłon, a ściślej przez zapłon wymuszony. Czynnikiem wymuszającym może być np. iskra elektryczna lub tzw. płomień pilotujący. Czas zapłonu wymuszonego to ok. 3 -4 ms. Czynniki wymuszające stanowią źródło ciepła oraz jonizują gaz w wysokiej temperaturze. Skuteczność oddziaływania tych czynników charakteryzuje parametr jakim jest minimalna energia zapłonu. Zależy ona od wielu czynników takich jak: ciśnienie, temperatury, rodzaj i skład mieszaniny palnej, odległość między elektrodami oraz prędkość mieszaniny palnej.

Drugi sposób wprowadzenia substancji w stan reakcji spalania polega na dostarczaniu energii pod postacią ciepła do układu w wyniku podgrzewania ścianek. Następuje wówczas zapłon w warstwie przyściennej od ciała stałego o wysokiej temperaturze, w momencie gdy gradient temperatury $\frac{\text{dT}}{\text{dx}} = 0$. Oznacza to, że strumień ciepła wydzielającego się w reakcji jest równy strumieniowi ciepła dostarczanemu na podgrzanie mieszaniny.

Parametry zapłonu nie są jednak jednoznacznymi funkcjami stanu gazów palnych. Wynika to stąd, że przebieg procesu zapłonu zależy od czynników zewnętrznych, niezależnych od termodynamicznych parametrów rozpatrywanej mieszaniny palnej. Badanie stężeniowych granic palności umożliwia zminimalizowanie wpływu czynników zewnętrznych do tego stopnia, że uzyskane wartości parametrów zapłonu mogą być uważane za charakterystyki mieszanin palnych.

Dolna i górna granica zapłonu są odpowiednio minimalnym i maksymalnym stężeniem paliwa w mieszaninie z utleniaczem. Pomiędzy nimi, czyli powyżej dolnej oraz poniżej górnej granicy, zachodzi zapłon mieszaniny. Poniżej dolnej granicy mieszanka jest zbyt uboga, czego konsekwencją jest zbyt mała ilość ciepła wydzielanego w reakcji do podgrzania sąsiednich warstw do temperatury zapłonu. Powyżej granicy górnej mieszanka jest zbyt bogata, co również utrudnia doprowadzenie jej do odpowiedniej temperatury.

Na granice zapłonu ma wpływ ciśnienie. Dla malejącego ciśnienia granice zbliżają się do siebie aż do punktu zbiegu, który nazywa się minimalnym ciśnieniem zapłonu, czyli przy mniejszym ciśnieniu zapłon mieszaniny nie jest możliwy. Rozszerzenie granic zapłonu następuje wraz ze wzrostem temperatury. Obniżenie górnej granicy można uzyskać także przez rozcieńczenie mieszaniny palnej składnikami niepalnymi.

Stężeniowe granice zapłonu można wyznaczyć w drodze eksperymentu lub obliczeń.

1. CEL
   Celem ćwiczenia było porównanie metod eksperymentalnej oraz obliczeniowej wyznaczania dolnej stężeniowej granicy palności.

2. SCHEMAT STANOWISKA POMIAROWEGO

4. WYNIKI POMIARÓW I OBLICZEŃ

Lp.	Podciśnienie bar	Nadciśnienie bar	Ocena palności	V 0 dm^3	V g dm^3	V pow dm^3	V m dm^3	C%v %	Ld^σ %	Lg^σ %
1	-0,20	3,25	1	4	0,8	16,2	17	5	1,9	8,8
2	-0,15	3,67	1		0,6	18,08	18,68	3
3	-0,12	3,95	1		0,48	19,32	19,8	2
4	-0,10	4,10	0		0,4	20	20,4	2
5	-0,22	2,75	1		0,88	14,12	15	6
6	-0,26	2,32	1		1,04	12,24	13,28	8
7	-0,55	2,00	0		2,2	9,8	12	18

1. PRZYKŁADOWE OBLICZENIA

Objętość gazu

V_g=V₀•|P_p|

V_g = 4 • |−0,2| = 0, 8 dm³ 

Objętość powietrza

V_p=V₀•[P₀+P_p+P_n]

V_pow = V₀ • [P₀+P_p+P_n] = 4 • [1+(−0,2)+ 3,25] = 16, 2 dm³

Stężenie procentowe gazu w mieszaninie

$$C_{\% v} = \frac{V_{g}}{V_{m}}100 = \frac{V_{g}}{V_{g} + V_{\text{pow}}}\ 100$$

Obliczenia wg wzoru Le Chateliera (obliczeniowa metoda wyznaczenia granic palności):

$$\mathbf{L}_{\mathbf{d,g}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{100}}{\frac{\mathbf{a}_{\mathbf{b}}}{\mathbf{L}_{\mathbf{b\ (d,g)}}}\mathbf{+}\frac{\mathbf{a}_{\mathbf{p}}}{\mathbf{L}_{\mathbf{p\ (d,g)}}}}$$

$$L_{d} = \frac{100}{\frac{40}{2,1} + \frac{60}{1,8}} = 1,90909\ \%$$

1. WYKRES

2. WNIOSKI

Ponieważ metoda określania granic palności zastosowana w doświadczeniu jest przewidziana przede wszystkim dla dolnej granicy, czyli minimalnego stężenia, przy którym następuje zapłon, więc należy głównie porównać te wyniki określone za pomocą metody Le Chateliera oraz odczyt z wykresu. Można zauważyć, że przy stężeniu poniżej 2 % zapłon już nie nastąpił. Z obliczeń dowiadujemy się, że dolna granica zapłonu wynosi ok. L_d= 1,9 %. A zatem w przybliżeniu do 0,1 punktu procentowego wyniki wyszły niemal tożsame.

Odnośnie górnej granicy warto zauważyć, że mieszana zawierająca poniżej 8% gazów palnych jeszcze uległa zapłonowi.

Dla stężenia ok. 18 %, co potwierdza wynik obliczeń, mieszanina nie miała prawa się zapalić.