1. Wstęp teoretyczny.
Proces spalania jest zbiorem wzajemnie się warunkujących zjawisk fizycznych i chemicznych. Aby do niego doszło spełnione musi być kilka warunków. W przypadku paliw gazowych istotne znaczenie ma stężeniowa zawartość gazu palnego w mieszaninie z powietrzem. Stężeniowe granice zapłonu określają minimalną i maksymalną zawartość danego gazu palnego, która musi się znajdować w mieszance aby doszło do procesu spalania.
Aby doszło do spalania potrzebny jest zapłon. Jest to najpowszechniej spotykany sposób doprowadzenia układu reagującego do procesu spalania. Za mieszaninę palną, w której nastąpił zapłon, uważa się taką, w której płomień rozprzestrzenia się nieograniczenie także po zaprzestaniu działania źródła zapłonu. Oznacza to, że źródło zapłonu powinno tylko zapoczątkować proces spalania, a jego podtrzymanie powinno przebiegać niezależnie od niego. Występują dwa typy zapłonów:
- zapłon wymuszony (np. przez iskrę elektryczną tak jak w naszym doświadczeniu, czy przez płomień pilotujący)
- samozapłon (polegający na podgrzewaniu substancji aż do osiągnięcia temperatury samozapłonu, po której osiągnięciu dalsze podgrzewanie staje się zbędne, gdyż w mieszaninie nastąpi reakcja spalania a co za tym idzie gwałtownie zacznie rosnąć temperatura)
Proces zapłonu charakteryzuje się określonymi stężeniowymi granicami, poza którymi zapłon nie nastąpi w żadnych warunkach. W mieszaninach gazowych nawet nieskończenie wielkie źródło zapłonu nie jest w stanie zapoczątkować procesu spalania, jeśli zawartość gazu palnego nie znajduję się w granicach. Wówczas ilość wydzielającego się ciepła z procesu spalania nie jest w stanie doprowadzić sąsiedniej warstwy do temperatury zapłonu.
Ponadto warto zaznaczyć, że wraz ze spadkiem ciśnienia granice zapłonu zawężają się, tak aby w punkcie określanym jako minimalne ciśnienie zapłonu zbiec do jednego punktu. Oznacza to, że poniżej wspomnianego punktu zapłon nie nastąpi.
Natomiast wraz ze wzrostem temperatury granice zapłonu rozszerzają się, co wynika z większej energii cząsteczek tworzących mieszaninę ( a zatem mniejszą ilość energii, którą należy dostarczyć do kolejnych warstw).
Dla mieszanin składających się z kilku gazów palnych granice palności określa wzór Le Chateliera
$$L_{g,d} = \frac{100}{\frac{a_{1}}{L_{1(g,d)}} + \frac{a_{2}}{L_{2(g,d)}} + ... + \frac{a_{n}}{L_{n(g,d)}}}$$
W którym to wzorze:
Lg, d – dolna lub górna granica zapłonu mieszanki
an – zawartość n-tego składnika palnego w paliwie, %
Ln(g, d) – dolna lub górna granica zapłonu n-tego składnika mieszanki
2. Obliczenia i wykresy
a) Aby obliczyć teoretyczne granice palności naszej mieszaniny o składzie: 90% propan, 10% n-butan należy skorzystać ze wzoru Le Chateliera:
$$L_{g} = \frac{100}{\frac{0,9}{L_{prop,g}} + \frac{0,1}{L_{n - butan,g}}} = \frac{100}{\frac{0,9}{9,5} + \frac{0,1}{8,}} = 9,38\%$$
$$L_{d} = \frac{100}{\frac{0,9}{L_{prop,d}} + \frac{0,1}{L_{n - butan,d}}} = \frac{100}{\frac{0,9}{2,1} + \frac{0,1}{1,8}} = 2,07\%$$
Podstawione do powyższych wzorów wielkości znaleźliśmy w tabeli 3.1 zamieszczonej w publikacji Spalanie i Paliwa, wyd. IV, pod redakcją Włodzimierza Kordylewskiego.
b) Kolejnym krokiem było obliczanie zawartości procentowej gazu palnego w mieszance przy każdym z pomiarów. Postępowaliśmy według następującego algorytmu:
-w zbiorniku znajdowały się 4 litry powietrza pod ciśnieniem 1 bar.
-następnie była dotłaczana pewna ilość gazu palnego, której odpowiadała zanotowana przez nas wartość nadciśnienia (z prostej proporcji mogliśmy zatem obliczyć objętość dotłoczonego gazu).
-kolejnym etapem było dotłoczenie dodatkowej ilości powietrza, któremu odpowiadała zanotowana przez nas wartość nadciśnienia, z której możemy obliczyć objętość zassanego gazu.
Znając objętość gazu palnego w butli oraz ilość powietrza możemy wyznaczyć stężenie procentowe palnego gazu.
Przykładowe obliczenie dla pierwszego pomiaru:
pnadcisnienie gazu palnego = 0, 2 bar
pnadcisnienie dotloczonego powietrza = 5bar
Układając prostą proporcję otrzymujemy:
$$V_{\text{obj.\ gazu\ palnego}} = 4\frac{l}{\text{bar}} \bullet 0,2\ bar = 0,8\ l$$
$$V_{\text{obj.\ }dotloczonego\ pow.} = 4\frac{l}{\text{bar}} \bullet 5\text{\ bar} = 20\text{\ l}$$
Dodatkowo na początku w zbiorniku znajdowały się 4l powietrza. Możemy zatem zapisać:
$$\%_{zawartosc\ g.palnego\ w\ mieszance} = \frac{V_{\text{obj.g.p.}}}{V_{\text{pow.pocz}} + V_{pow.dotl.} + V_{\text{obj.g.p.}}}*100\% = \frac{0,8}{24,8}*100\% = 3,22\%$$
Obliczona wartość określa procentowe stężenie gazu palnego w mieszance.
Podobne obliczenia wykonaliśmy dla wszystkich siedmiu pomiarów.
Pozostałe wyniki zawarto w poniższej tabeli:
Tabela 1. Wyniki pomiarów oraz obliczone wartości
| Lp. | nadciśnienie gazu palnego | nadciśnienie powietrza | dotłoczony gaz palny | dotłoczone powietrze | ilość mieszanki | stężenie gazu palnego w mieszance | wystąpienie zapłonu |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| [bar] | [bar] | [l] | [l] | [l] | [%] | tak/nie | |
| 1 | 0,20 | 5 | 0,800 | 20,00 | 24,80 | 3,23 | Tak |
| 2 | 0,15 | 4,9 | 0,608 | 19,60 | 24,21 | 2,51 | Tak |
| 3 | 0,16 | 5,4 | 0,640 | 21,60 | 26,24 | 2,44 | Tak |
| 4 | 0,14 | 5 | 0,540 | 20,00 | 24,54 | 2,20 | Tak |
| 5 | 0,12 | 5 | 0,492 | 20,00 | 24,49 | 2,01 | Tak |
| 6 | 0,11 | 4,9 | 0,432 | 19,60 | 24,03 | 1,80 | Tak |
| 7 | 0,11 | 5,28 | 0,440 | 21,12 | 25,56 | 1,72 | Nie |
Teraz możemy zobrazować otrzymane wyniki na wykresie:
3. Wnioski
Celem ćwiczenia było ustalenie dolnej granicy palności mieszaniny propanu(90%) i n-butanu(10%).
Dla każdej próbki wykonywaliśmy trzy pomiary mające określić jej palność. Mieszaninę uznawaliśmy za palną, jeżeli co najmniej dwukrotnie płomień przebył minimum połowę długości rury.
Próbom palności poddawaliśmy mieszankę o coraz niższym stężeniu gazu palnego, w rurze do wybuchów, aż do momentu w którym nie doszło do zapłonu.
Wyznaczona przez nas w sposób empiryczny granica palności znajduję się w przedziale między ostatnią udaną próbą zapłonu 1,80% a pierwszą nieudaną tj. 1,72%.
Odbiega ona od teoretycznej granicy obliczonej na podstawie wzoru Le Chatelliera i danych z tabeli 3.1 zamieszczonej w publikacji Spalanie i Paliwa, wyd. IV, pod redakcją Włodzimierza Kordylewskiego.
Powodem tej różnicy może być niedokładne wymieszanie mieszanki w butli. Możemy też przypuszczać, że faktyczne udziały objętościowe propanu i butanu nieznacznie różnią się od przyjętych przez nas, co mogło wpłynąć na wartość obliczonej teoretycznej granicy palności.
Pewnym błędem był także obarczony pomiar nadciśnienia, co wpływa na procentową zawartość gazu palnego w mieszance.
Ponadto różnice mogła stanowić temperatura mieszaniny gazowej, wraz ze wzrostem której rozszerzają się granice zapłonu.
Podsumowując należy stwierdzić, że pomiary stężeniowych granic palności są stosunkowo precyzyjne. Większą precyzję uzyskalibyśmy poprzez pozostawienie mieszanki w zbiorniku na dłuższy okres w celu jej dokładnego wymieszania.
Stanowisko pomiarowe służyło jedynie do zbadania dolnej granicy zapłonu.