Struktura płomienia gazowego
Wstęp teoretyczny
Zapłon mieszaniny gazowej
Zapłon
Definicja: intensywna reakcja egzotermiczna wywoływana w mieszance palnej
Mieszanina palna
Definicja: mieszania, w której płomień rozprzestrzenia się nieograniczenie także po zaprzestaniu działania źródła zapłonu
Temperatura zapłonu
Definicja: określona temperatura po osiągnięciu, której nie opłaca się dalsze podgrzewanie
Rodzaje zapłonów
Zapłon wymuszony: źródło zapłonu inicjuje zapłon, a dalsze rozprzestrzenianie przebiega niezależnie od źródła
Samozapłon: mieszanina po osiągnięciu temperatury samozapłonu podlega szybkiemu przyspieszeniu reakcji spalania co obrazuje gwałtowny wzrost temperatury
Zapłon wymuszony
Rodzaje metod inicjacji zapłonu
Iskra elektryczna
Spaliny
Płomień
Gorąca ścianka
Iskra elektryczna
Oddziałuje na mieszanie cieplnie i chemicznie. Termicznie opiera się na źródle wysokiej temperatury, a chemicznie jonizacji oraz dysocjacja gazu w wysokiej temperaturze.
Wywołuje zapłon wymuszony przy pewnej wartości energii.
Płomień
Oddziaływanie charakteru cieplno-łańcuchowego
Płomień pilotujący: zapala i podtrzymuje spalanie
Płomień turbulentny dyfuzyjny: uniesienie płomienia
Płomień wstępnie zmieszanych gazów: pali się w niewielkiej odległości od wylotu palnika
Czynniki wpływające na minimalną wartość energii zapłonu
Ciśnienie
Rodzaj i skład mieszaniny palnej
Rodzaj i odległość między elektrodami
Prędkość mieszaniny palnej
Stężeniowe granice zapłonu
Stężeniowe granice zapłonu
Definicja: określa zakres w jakim do zapłonu może dojść, po za nimi zapłon nie istnieje
Mieszanina palna z małym udziałem paliwa
Wydzielona ilość ciepła nie jest w stanie doprowadzić sąsiedniej warstwy do temperatury zapłonu (propagacja płomienia). Koniecznie trzeba zapewnić temperaturę rekompensującą straty do otoczenia oraz podgrzewanie zimnej mieszanki palnej napływającej do strefy spalania do takiego stopnia aby zaszło spalanie.
Dolna i górna stężeniowa granica zapłonu
Wzór Le Chateliera:
Zależności stężeniowych granic zapłonu
Ciśnienie: jego wahania wpływają na wartość zakresu zapłonu
Temperatura: wzrost powoduje rozszerzenie granic zapłonu
Rozcieńczenie mieszaniny palnej obojętnym składnikiem: pogarsza warunki spalania i obniża wartość górnej granicy zapłonu.
Płomień laminarny
Zjawisko powstawania płomienia
W długim i zamkniętym przewodzie umieszcza się nieruchomą mieszankę palną. Inicjując zapłon powstaje fala reakcji przemieszczająca się w kierunku zamkniętego końca przewodu.
Podgrzana mieszanka zwiększa prędkość reakcji. Dochodzi do nagrzania sąsiednich warstw świeżej mieszanki inicjując szybką reakcję.
Prędkość spalania laminarnego
Definicja: prędkość rozchodzenia się czoła laminarnego płomienia względem świeżej mieszanki palnej lub ścianki przewodu.
Cechy charakterystyczne
W cienkie warstwie zachodzą przemiany fizyczno-chemiczne
Zmianie ulega skład chemiczny i temperatura gazu
Wyczerpanie produktu będącego w niedomiarze
Struktura płomienia
Stopniowo temperatura świeżego gazu ulega podnoszeniu kosztem doprowadzanej energii. Reakcja zachodzi również w przegrzewie ale w wolniejszym tempie. Wzrost szybkości reakcji powoduje starty na rzecz obszaru podgrzewania. Rekompensowane są one przez znaczne ilości wydzielanego ciepła. Temperatura osiąga maksymalną wartość. W obszarze reakcji znajduje się wąski obszar świecenia . Większość gazu spala się w obszarze intensywnej reakcji.
Wielkości wpływające na spalanie laminarne
Szybkość przebiegu reakcji
Ciepło właściwe
Współczynnik przewodnictwa cieplnego
Palnika Bunsena
Budowa
Otrzymywanie płomienia
Paliwo gazowe doprowadza się do palnika przewodem. Podczas wypływania gazu z dyszy następuje zasysanie powietrza z otoczenia. W rurce palnika dochodzi do wymieszania paliwa i utleniacza. Tarczkę regulacyjnym ustalamy poziom dopływu powietrza. Mieszanka palna jest wydalana do nieruchomego otoczenia. Płomień przyjmuje dzwonowaty lub prawie stożkowaty kształt, jest nie co uniesiony nad wylotem palnika.
Niecałkowite i niezupełne spalanie
Ponieważ dopływ powietrza jest ograniczony cześć półproduktów spalania zostaje dopalonych w wtórnym płomieniu dyfuzyjnym tworzącym się nad głównym płomieniem.
Płomień kinetyczny
Powstawanie
Wstępnie zmieszane reagenty paliwa i utleniacza przed dyszą palnika w mieszalniku zostają następnie wydalone przez wylot palinka. Dochodzi do inicjacji spalania.
Struktura
Budowa
Wstępna strefa podgrzewania i inicjacji utleniacza z paliwem znajduje się przed czołem płomienia. Na jej końcu znajduje się punkt samoistnego utleniania paliwa bez dostaw ciepła z głównej strefy reakcji.
Głowna strefa reakcji to czoło płomienia. W niej powstają produkty pośrednie i końcowe spalania. Rodniki dyfundują do strefy podgrzewania i inicjacji początkując utleniania paliwa.
Wtórny płomień dyfuzyjny tworzy się w strefie popromiennej płomienia głównego. Dopalają się w nim półprodukty spalania powstałe w głównej strefie reakcji.
Płomień dyfuzyjny
Powstawanie
Struga paliw wypływając z wylotu palnika zostaje wciągnięta w czysto fizyczny proces mieszania z powietrzem. Płomień tworzy się w warstwie granicznej strumienia gazu palnego i gazowego utleniacza lub na granicy strumienia gazu palnego i otaczającego go nieruchomego utleniacza.
Struktura
Schemat
Obszar intensywnej reakcji chemicznej: umieszczony w obszarze stechiometrycznego stosunku dyfundującego strumienia paliwa do strumienia utleniacza. Przyjmuje postać święcącej powierzchni. Następuje całkowite utlenienie paliwa. Żółty kolor zawdzięcza zachodząca początkowo procesowi pirolizy. Duże stężenie i temperatura.
Strefa podgrzewania i inicjacji reakcji: położona po obu stronach czoła płomienia. Niewielki prędkości dopływu paliwa z wnętrza płomienia oraz dopływu utleniacza z zewnątrz.
Strefa popromienna: położona z obu stron czoła płomienia powyżej strefy intensywnej reakcji. Nie można jej oddzielić fizycznie. Dominują procesy równowagi. Niewielkie stężenie oraz temperatura.
Podział płomienia dyfuzyjnego
Laminarny
- dyfuzja czysto molekularna
- poprzeczny wymiar równy średnicy wylotowej dyszy palnika
- zewnętrzna powierzchnia gładka i wyraźnie zarysowana
- niewielka prędkość wypływu strumienia
Turbulentny
- dyfuzja turbulentna
- poprzeczny wymiar znacznie większy od średnicy wylotowej dyszy palnika
- zewnętrzna powierzchnia nieokreślonego kształtu i ciągle zaburzona zmianami (fale, drgania).
Przejście od płomienia dyfuzyjnego laminarnego do turbulentnego
Przebieg przejścia
Stopniowy wzrost prędkości wypływu strumienia paliwa. Po przekroczeniu prędkości dla granicznej liczby Re powoduje zaburzenie stateczności wierzchołka. Dalszy wzrost prędkości powoduje postęp zaburzenia w dół w kierunku wylotu dyszy. Płomień zaczyna przechodzić w turbulentny. Dzieli się on na dwa rodzaje. Zwykły turbulentny rozpoczynający się u wylotu dyszy oraz uniesiony płomień rozpoczynający się w pewnej odległości od wylotu dyszy.
Po osiągnięciu punktu wylotowego dyszy dalszy wzrost prędkości nie ma wpływu na stateczność płomienia.
Obszar intensywnej reakcji chemicznej to święcąc powierzchnia. W tym obszarze stu synek dyfundującego paliwa do strumienia utleniacza przyjmuje wartość stechiometryczną.
Podział
Laminarny:
- dyfuzja czysto molekularna
- porzeczny wymiar niewiele większy od średnicy wylotowe dyszy palnika
- zewnętrzna powierzchnia gładka i wyraźnie zarysowana
- niewielka prędkość wypływu mieszanki palnej
Turbulentny
- dyfuzja turbulentna
- wymiar poprzeczny znacznie większy od średnicy wylotowej dyszy palnika
- zewnętrzna powierzchnia nieokreślonego kształtu zaburzana zmianami (fale, drgania)
Stabilność płomienia
Stabilność
Odporność płomienia na małe zaburzenia oraz zespół warunków umożliwiających zaistnienie płomienia.
Proces stabilizacji płomienia w przestrzeni nieograniczonej, np. płomień butanu
Zmniejszając prędkość strumienia gazu do wartość równej lub mniejszej od prędkości rozchodzenia się czoła płomienia powoduje jego przeskok do wnętrza palnika.
Zwiększenie prędkości strumienia gazu do pewnych granic może powodować jego zerwanie lub oderwanie się od wylotu palnika.
Przy ustalonej średnicy palnika zachodzi zależność prędkości strumienia i liczby Re.
Przy dużych średnicach palnika prędkość strumienia krytycznej liczby Re poptrafi przyjąć taką wartość, że uniemożliwia zaistnienie płomienia laminarnego.
Płomień bogaty w paliwo jest stabilniejszy względem prędkości, granica zerwania płomienia przesuwa się ku wyższym wartością prędkości aby przy ustalonym stężeniu uniemożliwić zerwanie lub przeskok płomienia.
Bezpłomieniowe spalanie
Warunki zaistnienia spalania
Temperatura powietrza dostarczonego do komory spalania musi być większa od temperatury zapłonu paliwa.
Wysoki stopień recyrkulacji spalin w obszarze mieszania.
Spalanie przy niskim stężeniu O2
Cechy
Reakcja spalania przebiega w znacznej objętości komory bez widocznego czoła płomienia
Lepsza stabilizacja płomienia
Wysoki wyrównany radiacyjny strumień ciepła zarówno w pobliżu palnika i jak na końcu komory spalania
Zmniejszenie emisji tlenku węgla i tlenków azotu
Podwyższenie efektywności cieplnej procesu spalania
Cechy wykorzystywanie w zastosowaniu przemysłowym
Większa efektywność cieplna pieców gazowych
Równomierny rozkład temperatury pieca gazowego
Niewielkie stężenie tlenków azotu w spalinach
Zastosowanie
Przemysł szklarski i ceramiczny
Hutnictwo
Petrochemia
Palniki gazowe
Funkcje wymagane do spełnienia przez palniki
Przygotowanie mieszaniny palnej
Zapewnieni ciągłego zapłonu mieszaniny palnej
Całkowite i zupełne spalanie
Ustabilizowanie czoła płomienia na wylocie z dyszy palnika
Określona aerodynamika struktury płomienia
Odpowiednie ukierunkowanie płomienia w komorze
Zabezpieczenie projektowanej wydajności cieplnej palnika
Podział ze względu na sposób działania
Dyfuzyjne
Paliwo i utleniacz podane są osobne. Mieszanie następuje w dyszy wylotowej palnika lub w komorze.
Kinetyczna
Paliwo i utleniacz mieszane mechanicznie. Strumień mieszaniny palnej podawany jest z prędkością zapobiegającą przeskoczeniu płomienia.
Kinetyczno-dyfuzyjne
Gaz częściowo mechanicznie mieszany z powietrzem pierwotnym. Częściowo zmieszana mieszanka podawana osobno podlega zmieszaniu z powietrzem wtórnym. Dopiero wtedy mieszanie jest ukończone.
Podział ze względu na cechy konstrukcyjne
Gazowy inżektorowy (atmosferyczny)
Występuje wstępne mieszanie. Powietrze zasysane przez gaz wypływający z dyszy paliwowej palnika.
Gazowy nadmuchowy
Powietrze dostarczane za pomocą nadmuchu z pełnym, niepełnym lub bez wstępnego mieszania.
Podział ze względu na organizację przepływu strumienia paliwa i utleniacza na wylocie z palnika
Palnik wirowy
Palnik nie wirowy
Paliwa gazowe
Klasyfikacja
Podział ze względu na pochodzenie
Naturalne:
Gaz ziemny, gazy płynne i metan pokładów węgla
Sztuczne:
Gaz miejski, wodór, gaz koksowniczy, produkty zgazowania egla
Podział ze względu na energetyczność
Bogate
Ciepło spalania 39 MJ/m3
Ubogie
Ciepło spalanie 27 MJ/m3
Podział według PN
1 – gazy sztuczne (GS)
2 – Gaz ziemny (GZ)
3 – gazy płynne (GPB)
4 – mieszaniny propan - butanu technicznego (GP)
Paliwo gazowe
Właściwości
Gazy sztuczne
Zbudowane głównie z wodoru, metanu, azotu i tlenku węgla. Przykładowe oznaczenia techniczne GS – 25, - 30, - 35.
Gaz ziemny
Paliwo kapale zbudowane głównie z metanu, np.: GZ – 25, - 30, - 35, - 41, - 50.
Gazy płynne
Mieszaniny węglowodorowe powstające przez stabilizację gazoliny surowej, ropy lub przeróbkę gazów rafineryjnych. Często nazywane LPG. Zbudowane gównie z propanu, butanu i izobutanu.
- mieszanina A (butan techniczny)
- mieszanina B (propan – butan techniczny)
- mieszanina C (propan techniczny)
Gaz ziemny
Powstawanie
Dość niejasny sposób powstania. Prawdopodobnie obumarłe szczątki roślinne podawane w litosferze działaniu wysokich ciśnień i temperatur uległy częściowej przemianie w węglowodory. Głównym węglowodorem jest metan i jego homologi.
Występowanie
Spotykany wraz z ropą naftową lub osobno w rozpuszczony w litosferze, zaabsorbowany w skałach lub pokładach węgla.
Sztuczne gazy palne
Gaz miejski
Powstaje przez nisko – lub średniotemperaturowy wytlewanie węgla. Składa się głównie z wodoru, metanu, azotu, tlenka węgla i tlenu. Wartość opałowa ok. 17,5 MJ/m3.
Gaz koksowniczy
Powstaje przez wysokotemperaturowe odgazowywanie węgla. Skład i własności podobne do gazu miejskiego.
Gaz ze zgazowywania węgla
Działanie mieszaniną pary wodnej z tlenem na węgiel kamienny lub brunatny.
Ważniejsze parametry
Skład
Ciepło spalania i wartość opałowa
Gęstość i gęstość względna
Liczba Wobbego
Wilgoć
Temperatura punktu rosy
Granice stężeniowe wybuchu
Zapotrzebowanie powietrza do spalania
Liczba oktanowa LO
Zalet stosowania paliwa gazowego
Wysokość sprawność energetyczna urządzeń grzewczych
Bark wymagań magazynowania u odbiorcy
Stałość ciepła i temperatury spalania
Łatwość regulacji płomienia
Automatyzacja paleniska i kotła
Bezdymne spalanie i brak popiołu
Mniejsza emisja dwutlenku węgla w porównaniu do spalania węgla