1. Wstęp.

Katalizator w ujęciu chemicznym jest to związek, który umożliwia przeprowadzenie reakcji mniejszym kosztem energetycznym niż przeprowadzenie jej bez jego obecności, przy czym sam katalizator nie jest reagentem. Jego ilość przed i po reakcji powinna być taka sama. Wyróżnić można wiele rodzajów katalizatorów jednak najlepsze właściwości katalityczne

mają pierwiastki z grupy platynowców.

Urządzeniem technicznym, w którym zachodzi kataliza jest reaktor katalityczny. Katalizator jest związkiem naniesionym bezpośrednio na nośnik. Najczęściej stosowanymi podstawowymi nośnikami są nośniki ceramiczne oraz metaliczne. Każdy z nich cechuje się właściwościami pozwalającymi dobrać odpowiedni materiał w zależności od warunków pracy. Są to

między innymi wytrzymałość na czynniki mechaniczne (np. drgania), temperatura

topnienia, odporność na korozję lub wielkość powierzchni właściwej.

Katalizatory mają szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach energetyki w wielu maszynach. Między innymi w grzewczych urządzeniach domowych (kotły, piece), motoryzacji (katalizatory samochodowe), turbiny gazowe itp.

Katalizator badany podczas przeprowadzania ćwiczenia jest katalizatorem samochodowym. Zamontowany był do silnika spalinowego.

1. Cel ćwiczenia.

Wyznaczenie skuteczności dopalania zanieczyszczeń katalizatora samochodowego poprzez zmierzenie poziomu tlenu oraz tlenku węgla przed i za katalizatorem przy zmiennym obciążeniu silnika.

Wyznaczenie zależności skuteczności dopalania od strumienia powietrza dopalającego.

1. Schemat stanowiska pomiarowego.

2. Tabela pomiarowa.

Moc P	qv	O2 przed	CO przed	O2 za	CO za	Tkat
W	$$\frac{l}{h}$$	%	ppm	%	ppm	C
0	0	1,05	14280	1,9	9930	457
	500			3,88	358	483
	1000			4,22	155	529
	1500			4,98	100	585
400	0	1,08	25520	1,24	23370	583
	500			1,39	8710	590
	1000			1,7	1340	597
	1500			2,48	230	604
800	0	0,93	43770	1,12	40070	450
	500			1,63	36090	530
	1000			2,38	13060	590
	1500			2,88	1370	600
	2000			3,09	440	605

1. Przykładowe obliczenia.

Przykładowe obliczenia prowadzone są dla parametrów: Moc - P = 400 W i $q_{v} = 500\ \frac{l}{h}$

• Współczynnik nadmiaru powietrza:

$$\lambda = \frac{21}{21 - O_{2\ za}} = \frac{21}{21 - 1,39} = 1,07$$

gdzie: λ - współczynnik nadmiaru powietrza

21 – zawartość tlenu w powietrzu (w procentach)

O_2 za - zawartość tlenu w spalinach (w procentach)

• Rzeczywisty poziom tlenku węgla CO przed katalizatorem.

$$\text{CO}_{\text{przed}}^{3\%} = \text{CO}_{\text{przed}} \frac{21 - 3}{21 - O_{2\ za}} = 25520 \frac{21 - 3}{21 - 1,39} = 23425\ ppm$$

gdzie: 21 – zawartość tlenu w powietrzu (w procentach)

3 – referencyjna zawartość tlenu w spalinach (w procentach)

CO_przed - zmierzona zawartość tlenku węgla przed katalizatorem

O_2 za - zawartość tlenu w spalinach (w procentach)

CO_przed^3% - rzeczywista zawartość tlenku węgla przed katalizatorem

• Rzeczywisty poziom tlenku węgla CO za katalizatorem.

$$\text{CO}_{\text{za}}^{3\%} = \text{CO}_{\text{za}} \frac{21 - 3}{21 - O_{2\ za}} = 8710 \frac{21 - 3}{21 - 1,39} = 7995\ ppm$$

gdzie: 21 – zawartość tlenu w powietrzu (w procentach)

3 – referencyjna zawartość tlenu w spalinach (w procentach)

CO_za - zmierzona zawartość tlenku węgla za katalizatorem

O_2 za - zawartość tlenu w spalinach (w procentach)

CO_za^3% - rzeczywista zawartość tlenku węgla za katalizatorem

• Skuteczność dopalania zanieczyszczeń.

$$S_{\text{CO}} = 1 - \frac{\text{CO}_{\text{za}}^{3\%}}{\text{CO}_{\text{przed}}^{3\%}} = 1 - \frac{7995}{23425} = 0,66 = 66\ \%$$

1. Wyniki obliczeń.

Moc P	qv	O2 przed	CO przed	O2 za	CO za	Tkat	λ	COprzed^3%	COza^3%	SCO
W	$$\frac{l}{h}$$	%	ppm	%	ppm	C	-	ppm	ppm	%
0	0	1,05	14280	1,9	9930	457	1,10	9358	13458	31
	500			3,88	358	483	1,23	376,	15014	98
	1000			4,22	155	529	1,25	166	15318	99
	1500			4,98	100	585	1,31	112	16045	99
400	0	1,08	25520	1,24	23370	583	1,06	21289	23247	8
	500			1,39	8710	590	1,07	7995	23425	66
	1000			1,7	1340	597	1,09	1250	23801	95
	1500			2,48	230	604	1,13	224	24804	99
800	0	0,93	43770	1,12	40070	450	1,06	36281	39631	8
	500			1,63	36090	530	1,08	33537	40674	18
	1000			2,38	13060	590	1,13	12625	42313	70
	1500			2,88	1370	600	1,16	1361	43480	97
	2000			3,09	440	605	1,17	442	43990	99

1. Wykresy.

1. Wykres skuteczności dopalania zanieczyszczeń w funkcji ilości powietrza dopalającego.

2. Wykres skuteczności dopalania zanieczyszczeń w funkcji współczynnika nadmiaru powietrza.

3. Wykres temperatury katalizatora w funkcji ilości powietrza dopalającego.

1. Wnioski.

Po przeprowadzeniu pomiarów oraz wykonaniu obliczeń otrzymano żądane wyniki. Na pierwszym i drugim wykresie można zauważyć że skuteczność dopalania zanieczyszczeń rośnie wraz z ze wzrostem ilości powietrza dopalającego. Skuteczność rośnie wraz z ze wzrostem wartości współczynnika nadmiaru powietrza. Na wykresach widoczna jest silna zależność skuteczności dopalania od obciążenia silnika. Krzywe na wykresie różnią się jednak pod kątem wydajności katalizatora. Można wywnioskować, że największe sprawności osiągane są dla braku obciążenia lub gdy jest ono jak najmniejsze. Osiągane są one również dla niższych temperatur katalizatora. Temperatura katalizatora jest większa, gdy rośnie strumień powietrza dopalającego. Wszystkie pomiary zostały przeprowadzone zgodnie z zaleceniami oraz wszelkimi normami, więc otrzymane wyniki można uznać za poprawne.