1. WSTĘP TEORETYCZNY

Paliwa ciekłe dzieli się na naturalne(ropa naftowa, oleje łupkowe), sztuczne(alkohole, oleje roślinne).

Spalanie paliw ciekłych w większości zastosowań polega na ich rozpyleniu i spalaniu zbioru kropel, stąd ważny jest mechanizm spalania pojedynczej kropli. Paliwa ciekłe spala się w postaci rozpylonej. Rozpylanie ma bardzo ważne znaczenie dla jakości spalania paliw ciekłych. Rozdrobnienie na krople zapewnia dużą intensywność parowania cieczy. W warunkach technicznych gorszemu rozpyleniu paliwa towarzyszy m.in. gorsze wypalenie objawiające się zwiększoną emisją CO oraz sadzy. Podczas spalania kropla paliwa jest otoczona płomieniem , który przekazuje do niej drogą przewodzenia i promieniowania strumień ciepła. Przejmująca ciepło kropla intensywnie paruje, wydzielając strumień pary. Z otoczenia w kierunku kropli dyfunduje strumień tlenu. Oba strumienie reagują ze sobą w czole płomienia, który można uznać za sferyczną powierzchnię wokół kropli. Proces spalania można podzielić na dwie fazy – odparowania i spalania par.

Spalanie kropli oleju przebiega w sposób nieustalony i jest poprzedzone czasem indukcji zapłonu, potrzebnym do nagrzania kropli do temperatury wrzenia. Czas indukcji zapłonu stanowi mniej niż 20% czasu jej spalania.

Na szybkość spalania paliw ciekłych największy wpływa mają:

- parowanie cieczy,

- mieszanie par z utleniaczem,

- kinetyka chemiczna reagowania paliwa z tlenem. W rzeczywistych warunkach na czas spalania kropli oleju wpływa ponadto wiele innych czynników, taki jak rozpylanie paliwa, turbulencja, temperatura i stężenie tlenu.

Spalanie ciężkiego oleju jest bardziej złożone niż oleju lekkiego, ze względu na większe rozmiary kropel i bardziej nierównomierne nagrzewanie ich. W spalaniu tym można wyróżnić cztery etapy:

1. czas indukcji zapłonu: z wierzchnich warstw kropli parują lekkie frakcje oleju, które spalają się płomieniem wokół kropli.

2. Spalanie: w coraz większej temperaturze cięższe frakcje oleju ulegają krakingowi, a lotne produkty rozkładu zasilają płomień(formuje się powłoka koksowa)

3. mikroeksplozja – ciężkie frakcje oleju mogą tworzyć powłokę na powierzchni kropli, która blokuje wypływ gazów z kropli. Wydzielana wewnątrz kropli para tworzy pęcherze, wywołujące wzrost ciśnienia wewnątrz. Następuje wtedy rozerwanie powłoki koksowej i kropla rozpada się.

4. Dopalanie cząstek koksu olejowego.

Charakterystyczną pozostałością po spalaniu oleju ciężkiego są cząstki koksu, zwykle
w postaci twardej skorupy o rozmiarach zbliżonych do średnicy wyjściowej kropli oleju.
Ze względu na małą reaktywność trudno się dopalają. Cząstki koksu zawiera głównie węgiel.

2. SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO

1.Zbiornik oleju

2.Filtr oleju

3.Palnik olejowy

4.Dysza

5.Komora spalania

Przyrządy pomiarowe:

A. Termopara do pomiaru temperatury płomienia

B. Wzornik pomiaru sadzy metodą Bacharacha (zaczernienie filtru papierowego)

C. Analizator spalin
D. Termopara do pomiaru temperatury spalin.

3. DANE POMIAROWE

Tabela 1. Zestawienie danych pomiarowych

	O2	CO	NO	sadza (S)	Temperatura palnika	Temperatura spalin
	%	$$\frac{\text{mg}}{m^{3}}$$	$$\frac{\text{mg}}{m^{3}}$$	°B	°C	°C
1	6,72	50	89	0	1026	475
2	5,85	42	93	0	1087	485
3	5,13	40	101	0	1118	492
4	4,40	22	107	0	1141	502
5	3,35	20	112	0	1148	506
6	2,88	18	112	1	1155	508
7	1,50	28	104	2	1218	504
8	0,81	65	96	5	1234	502
9	0,20	3600	40	9	1205	480

4. TABELA OBLICZENIOWA

Tabela 2. Zestawienie wyników obliczeń.

	λ	CO^3%	NO^3%
		$$\frac{\mathbf{\text{mg}}}{\mathbf{m}^{\mathbf{3}}}$$	$$\frac{\mathbf{\text{mg}}}{\mathbf{m}^{\mathbf{3}}}$$
1	1,47	63,03	112,18
2	1,39	49,90	110,50
3	1,32	45,37	114,56
4	1,27	23,86	116,02
5	1,19	20,40	114,22
6	1,16	17,88	111,26
7	1,08	25,85	96,00
8	1,04	57,95	85,59
9	1,01	3115,39	34,62

5. PRZYKŁADOWE OBLICZENIA

• Wyznaczenie współczynnika nadmiaru powietrza λ:

λ=$\frac{21}{21 - O_{2}}$=$\ \frac{21}{21 - 6,72}$= 1,470588≈ 1,47

• Przeliczenie poziomu zanieczyszczeń na odniesiony do stałej zawartości tlenu 3%

CO^zm∙$\frac{21 - 3}{21\mathbf{-}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}}$ = 50 ∙ $\frac{\mathbf{21}\mathbf{-}\mathbf{3}}{\mathbf{21}\mathbf{-}\mathbf{6}\mathbf{,}\mathbf{72}}$=63,02521≈63,03 $\frac{\text{mg}}{m^{3}}$

NO^3%=NO^zm∙$\frac{21 - 3}{21\mathbf{-}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}}$ = 89 ∙ $\frac{\mathbf{21}\mathbf{-}\mathbf{3}}{\mathbf{21}\mathbf{-}\mathbf{6}\mathbf{,}\mathbf{72}}$=112,18487≈112,18 $\frac{\text{mg}}{m^{3}}$

6.WYKRESY

Rysunek 2. Wykres zależności emisji zanieczyszczeń przeliczonych na 3% udział tlenu w spalinach (CO3% oraz NOX

3%) od współczynnika nadmiaru powietrza

Rysunek 3. Wykres zależności zawartości sadzy (S) od współczynnika nadmiaru powietrza(λ)

Rysunek 4. Wykres zależności temperatury płomienia i spalin (Tp i Ts) od współczynnika nadmiaru powietrza (λ).

7. WNIOSKI

Celem ćwiczenia było zapoznanie się ze zjawiskiem spalania paliw ciekłych, a przy tym obserwacja działania palnika olejowego i struktury wytwarzanego płomienia. Dodatkowo wykonywano pomiary temperatur oraz emisji zanieczyszczeń (tlenku węgla, tlenków azotu
i sadzy) podczas spalania oleju opałowego.

Na podstawie pomiarów i wykonaniu wykresów zaobserwowano, że wraz ze niedostatkiem ilości utleniacza (dostarczanego do spalania tlenu) ilość emitowanego CO początkowo maleje, a po osiągnięciu minimum przy λ=1,16 stale rośnie, z kolei ilość emitowanego NOx rośnie, osiągając maksimum dla λ=1,27, a następnie maleje. Ilość wydzielonej sadzy wzrasta wraz ze zmniejszaniem ilości dostarczania tlenu (początkowo nic się nie dzieje, od pewnego momentu jest to gwałtowne , pod koniec przeprowadzania doświadczenia można zaobserwować czarny dym) - dla większych współczynników λ poziom sadzy wynosi 0, a przy najmniejszym λ poziom sadzy wg skali Bacharacha wynosi 9 (Rys.3). Temperatury zarówno płomienia jak i spalin początkowo wzrastają wraz ze wzrostem współczynnika nadmiaru powietrza, a następnie spadają. Temperatura płomienia osiąga maksimum przy λ=1,04, a temperatura spalin przy λ=1,16.

Obecność sadzy oraz CO świadczy o niskiej efektywności procesu spalania, ponieważ oba te związki są palne. Widać, że za pomocą dostarczanego utleniacza możemy regulować proces spalania. Przy malejącej ilości tlenu rośne ilość wydzielanego CO, ponieważ mniejsza ilość utlenia się z wolnym tlenem tworząc dwutlenek węgla - CO₂