1. WSTĘP

W mechanizmach spalania paliw w postaci płynnej wyróżnia się kilka etapów. Po pierwsze należy skłonić ciecz do parowania pod wpływem dostarczanego ciepła. Po drugie należy zapewnić mieszanie par z utleniaczem. Po trzecie następuje zapłon mieszaniny gazowej. Paliwa ciekłe spala się w postaci rozpylonej, ponieważ rozdrobnienie na krople zapewnia dużą intensywność parowania cieczy. Szybkość spalania jest zależna od rozmiarów geometrycznych pojedynczej kropli. Z tego powodu rozpylanie ma bardzo ważne znaczenie dla jakości spalania paliw ciekłych. To nie jedyny czynnik mający wpływ na czas spalania kropli paliwa. Duże znaczenie ma również dostęp utleniacza, którego niedobór skutkuje spalaniem niezupełnym i niecałkowitym. Pozostałości palne zarówno w lotnych jak i stałych produktach spalania świadczą o niepełnym wykorzystaniu potencjału energetycznego danej porcji paliwa. Dodatkowo takie substancje jak pyły, tlenki węgla czy azotu stanowią substancje niekorzystne dla środowiska. Dlatego ich emisja musi być kontrolowana (i jest nawet przez przepisy prawne), a parametry spalania tak dobrane, aby spalanie było zupełne i całkowite. Szczególnie, że paliwa płynne są bardzo powszechnym źródłem energii głównie w transporcie i energetyce, a wszelkie składniki spalin z wyjątkiem pary wodnej mogą być traktowane jako zanieczyszczenia.

Występują tam oprócz wspomnianych już CO i NO również CO_2, NO_2, N₂O, zanieczyszczenia metaliczne (wśród nich tzw. metale ciężkie).

Tlenki siarki i wspomniane już azotu są wynikiem obecności w paliwie niepożądanych domieszek i są odpowiedzialne za zakwaszenie (np. w reakcji NO_x z parą wodną powstaje HNO₃).

CO emitowany jest głównie przez silniki spalinowe w mniejszym stopniu przez energetykę. Głównym powodem jego powstawania jest spalanie przy niedoborze tlenu (np. niecałkowite spalanie metanu CH₄ + ³/₂O₂ → CO + 2H₂O). CO jest gazem palnym, więc jego obecność w spalinach świadczy o tym, że reakcja spalania zaszła w sposób niezupełny.

Spalanie olejów ciężkich, o dużej lepkości, jest bardziej skomplikowane. Głównie przez fakt, odparowywania lżejszych frakcji z powierzchni kropli w pierwszej fazie. Jeżeli lżejsze frakcje odparowują wewnątrz kropli następuje zjawisko mikroeksplozji, które dodatkowo wspomaga rozdrabnianie kropel. Mikroeksplozja powstaje także w wyniku ruchu wirowego cieczy we wnętrzu kropli, o ile jest on dostatecznie intensywny. Ruch wirowy natomiast jest wynikiem mieszania się zimnej cieczy z głębi kropli z cieplejszą, bliższą jej powierzchni.
Spalanie kropli paliwa płynnego może mieć charakter homogeniczny, gdy następuje zapłon par; w następstwie przekazywania ciepła od płomienia do kropli następuje spalanie heterogeniczne – spalanie indywidualnych kropel oleju.

Charakterystyczną cechą płomienia olejowego jest jego silne „świecenie” w kolorze żółtym. Żółta barwa jest spowodowana promieniowaniem emitowanym przez sadzę, która składa się niemal wyłącznie z węgla (99% C) jest substancją pylistą i palną. To promieniowanie zwiększa zdolność płomienia do przekazywania ciepła. Jej obecność jest spowodowana niedostatkiem tlenu. Do analizy ilości sadzy w spalinach służy poglądowa i mało precyzyjna skala Bacharacha, składająca się z 9 stopni (liczby całkowite od 0 do 9) i do każdego stopnia załączony jest wzorzec porównawczy. Ta skala została użyta w doświadczeniu.

1. CEL

Celem ćwiczenia była analiza podczas spalania oleju produktów reakcji (NO, CO oraz sadzy) oraz temperatur: płomienia i spalin. Należało także dokonać spostrzeżeń zależności w/w wielkości od ilości utleniacza reprezentowanego przez współczynnik nadmiaru powietrza.

1. SCHEMAT STANOWISKA POMIAROWEGO

1. TABELE Z WYNIKAMI

Tabela 1.	Zestawienie pomiarów

O2 %	CO $$\frac{\text{mg}}{m^{3}}$$	NO $$\frac{\text{mg}}{m^{3}}$$	tp	ts	LB −
5,60	30	115	1100	497	0
5,20	40	117	1140	516	0
4,39	52	124	1180	520	0
3,70	56	127	1200	524	0
2,55	53	120	1190	520	2
1,91	55	110	1150	526	4
0,83	2500	85	920	488	9
0,53	11400	50	910	495	9

Tabela 2.	Zestawienie obliczeń

CO3% O2 $$\frac{\text{mg}}{m^{3}}$$	NO3% O2 $$\frac{\text{mg}}{m^{3}}$$	λ
40,71	156,76	1,36
53,02	155,44	1,33
65,60	156,69	1,27
67,84	154,07	1,22
60,18	136,47	1,14
60,36	120,88	1,10
2602,92	88,38	1,04
11695,74	51,15	1,03

1. PRZYKŁADOWE OBLICZENIA

Współczynnik nadmiaru powietrza λ

$$\lambda = \ \frac{21}{21 - O_{2}}$$

$$\lambda = \ \frac{21}{21 - 5,6} = \ 1,36$$

Wielkość CO przeliczona na 3 % O₂

$\text{CO}_{3\%\ O_{2}} = CO\ \bullet \ \frac{20,95 - 3}{20,95 - \ O_{2}}\ $

$$\text{CO}_{3\%\ O_{2}} = 30\ \bullet \ \frac{20,95 - 3}{20,95 - \ 5,6} = 40,74919\ \frac{\text{mg}}{m^{3}}$$

Wielkość NO przeliczona na 3 % O₂

$\text{NO}_{3\%\ O_{2}} = NO\ \bullet \ \frac{20,95 - 3}{20,95 - \ O_{2}}\ $

$$\text{NO}_{3\%\ O_{2}} = 115\ \bullet \ \frac{20,95 - 3}{20,95 - \ 5,6} = 156,75896\frac{\text{mg}}{m^{3}}$$

1. WNIOSKI

Zgodnie z informacjami zawartymi we wstępie, należało oczekiwać, że wraz z niedostatkiem utleniacza – malejące wartości współczynnika λ wzrasta w spalinach zawartość tlenku węgla CO oraz sadzy. Obydwa składniki są palne więc ich obecność świadczy o niskiej efektywności procesu spalania. Oznacza to, że dostęp utleniacza jest jednym z parametrów, za pomocą którego możemy regulować proces spalania.

Ponieważ inaczej notowaliśmy wyniki obecności NO, którego udział w spalinach zmniejszał się wraz z malejącą zawartością utleniacza, to ten fakt jest pozytywny dla całego procesu.

Kompromis dla niskiej emisji analizowanych składników może być upatrywany w takim rozwiązaniu technicznym jak strefa dopalania, w której należy zapewnić przede wszystkim odpowiednio wysoką temperaturę i duży współczynnik nadmiaru powietrza oraz kilkusekundowy czas przebywania sadzy w tej strefie.

Ciekawy trend przedstawiają także wykresy temperatur płomienia w zależności od współczynnika λ. Utrzymuje się na wysokim poziomie osiągając maksimum 1200 °C, po czym wykazuje tendencję malejącą. Maksymalna zanotowana temperatura spalin przypada na punkt, w którym Liczba Bacharacha osiąga wartość 2. Oznacza to obecność sadzy w spalinach i możliwe jej dopalanie w strefie płomienia. Zgodnie z teorią zawartą we wstępie, promieniowanie sadzy poprawia zdolność płomienia do przekazywania ciepła. Dla większych liczb Bacharacha sadzy jest zbyt dużo , aby mogła się skutecznie dopalić. Dla większych współczynników nadmiaru powietrza obecność sadzy w płomieniu jest znikoma lub na poziomie 0 (wg skali Bacharacha oznacza to brak sadzy) wobec czego zanika jej promieniowanie. W konsekwencji temperatura płomienia spada do 910 °C. Temperatura spalin doznaje niewielkich wahań i oscyluje w okolicach 500 – 520 °C.