1. WSTĘP TEORETYCZNY

Płomień jest strefą w której zachodzi reakcja chemiczna – proces utleniania paliwa czyli spalanie. Ze względu na sposób przygotowania mieszaniny paliwa z utleniaczem można wyróżnić dwa rodzaje płomienia:

1. Płomień kinetyczny – otrzymuje się go, gdy paliwo zostało wymieszane wraz z utleniaczem przed osiągnięciem strefy spalania. Wstępna strefa podgrzewania i inicjacji utlenienia paliwa znajduje się przed czołem płomienia, które jest główną strefą reakcji (zachodzą w niej intensywne reakcje utleniania). Dalej znajduje się strefa popłomienna. Punkt w którym proces utlenienia przebiega samoistnie, bez dostarczania ciepła z głównej strefy reakcji, przyjmuje się jako koniec strefy podgrzewania i inicjacji reakcji. Przy niedomiarze utleniacza, w płomieniu wytwarza się drugi stożek (zewnętrzny) typu dyfuzyjnego – wtórny płomień dyfuzyjny.

2. Płomień dyfuzyjny – powstaje w warstwie granicznej między strumieniami gazu palnego i gazowego utleniacza lub pomiędzy strumieniem gazu palnego
   a otaczającym go nieruchomym utleniaczem (utleniacz i paliwo mieszają się dyfuzyjnie). W obszarze widocznym jako świecąca powierzchnia, zachodzi intensywna reakcja chemiczna – jest to miejsce w którym stosunek dyfundującego strumienia paliwa do strumienia utleniacza przyjmuje wartość stechiometryczną. Reakcja spalania jest poprzedzona procesem mieszania. Płomienie dyfuzyjne dzielą się ze względu na prawa rządzące dyfuzją w strumieniach gazowych:

   • laminarne – dyfuzja ma charakter molekularny, płomień ma wyraźnie zarysowaną zewnętrzną powierzchnię i jest niewiele szerszy od otworu wylotowego dyszy paliwowej.

   • turbulentne – dyfuzja o charakterze turbulentnym, płomień jest szerszy od wylotu dyszy paliwowej i nie ma określonego kształtu (drgania, falowanie)

Paliwo gazowe spala się za pomocą palników gazowych, które mają wiele funkcji wynikających z rodzaju i zakresu zastosowania. Podstawowe funkcje palników to np. mieszanie paliwa z utleniaczem przed wylotem z dyszy, zapewnienie ciągłości reakcji, ustabilizowanie czoła płomienia na wylocie z palnika itd.
Istnieje wiele klasyfikacji palników. Najczęściej stosowana klasyfikacja ( ze względu na sposób działania):

- palniki zewnętrznego mieszania (dyfuzyjne) – paliwo i utleniacz podaje się oddzielnie

- palniki wstępnie zmieszanych gazów (kinetyczne) – paliwo zmieszane jest z utleniaczem przed zapłonem, najczęściej przed wylotem dyszy palnika

- palniki kinetyczno-dyfuzyjne – następuje niepełne mieszanie wstępne, część paliwa zmieszana jest z utleniaczem przed podaniem, reszta utleniacza podawana jest oddzielnie.

2. SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO

1. Rotametr dla gazu palnego
   (wyskalowany dla powietrza)

2. Rotametr dla powietrza

3. Palnik

4. Płomień

5. Termopara

6. Sonda

7. Pozycjonowanie sondy

8. Cyfrowy miernik temperatury

Przyrządy pomiarowe:

• Termopara do pomiaru temperatury płomienia (pkt. 5)

• Sonda (pkt. 6)

• Cyfrowy miernik temperatury (pkt. 8)

• Chromatograf gazowy, płomieniowo-jonizacyjny

3. TABELE POMIAROWE

Tabela 1. Zestawienie danych pomiarowych

c100%	qpow	q’gaz	ρpow	ρgaz	qgaz	r
A	l/h	l/h	kg/m^3	kg/m^3	l/h	%
2,146 ∙ 10^-4	290	21	1,2	2,1	15,87	5,19

Tabela 2. Zestawienie danych pomiarowych

	Odległość sondy od środka palnika	Zawartość niespalonego gazu	Temperatura płomienia	Stopień wypalenia
	x, mm	A	t, ^oC	w, %
1	0	2,125 ∙ 10^-4	860	0,98
2	1	2,168 ∙ 10^-4	870	-1,03
3	2	2,005 ∙ 10^-4	870	6,57
4	3	1,814 ∙ 10^-4	870	15,47
5	4	1,076 ∙ 10^-4	860	49,86
6	5	2,731 ∙ 10^-5	840	87,27
7	6	1,492 ∙ 10^-5	760	93,05
8	7	4,130 ∙ 10^-6	660	98,08
9	8	2,314 ∙ 10^-6	560	98,92
10	9	─	410	─
11	10	─	280	─
12	11	─	180	─
13	12	─	120	─
14	13	─	80	─

4. PRZYKŁADOWE OBLICZENIA

• Określenie składu mieszanki gazowo-powietrznej
  

  • Korekta wyniku pomiaru strumienia objętości gazu mierzonego rotametrem wyskalowanym dla powietrza
    
    $q_{\text{gaz}} = {q'}_{\text{gaz}}\sqrt{\frac{\rho_{\text{pow}}}{\rho_{\text{gaz}}}} = 21 \bullet \sqrt{\frac{1,2}{2,1}} =$15,87 l/h

  • $r = \frac{q_{\text{gaz}}}{q_{\text{gaz}} + q_{\text{pow}}} = \frac{15,87}{15,87 + 290} = 5,19\ \%$

• Wyznaczenie stopnia wypalenia gazu
  

$w = \left( 1 - \frac{c}{c_{100\%}} \right) \bullet 100\% = \left( 1 - \frac{2,125 \bullet 10^{- 4}}{2,146 \bullet 10^{- 4}} \right) \bullet 100\% =$ 0,98 %

5.WYKRESY

Rysunek 2. Wykres zależności stopnia wypalenia gazu (w) oraz temperatury płomienia (t) w funkcji odległości od środka palnika x.

7. UWAGI I WNIOSKI

Celem ćwiczenia było zapoznanie się ze zjawiskiem spalania paliw gazowych, a przy tym obserwacja działania palnika gazowego oraz pomiar rozkładu temperatury i składu mieszanki wewnątrz płomienia. Na początku założyliśmy, że składniki paliwa nie zmieniają się w czasie, a płomień jest laminarny, stożkowy oraz symetryczny o średnicy 24 mm.

Na początku doświadczenia zmierzono za pomocą rotametru strumień objętości powietrza oraz strumień objętości gazu palnego (opary w temp. 20^oC) również rotametrem dla powietrza, dlatego też przy opracowywaniu wyników dokonano korekty wyniku. Temperaturę i płomień sondowaliśmy razem. Termopara była zbudowana z platyny (mającej silne działanie katalityczne).

Sonda przy pomiarze nr 4 znajdowała się już w obszarze górnego stożka płomienia,
a przy pomiarze nr 6 ponad połową górnego stożka(w tym momencie zaobserwowano bardzo szybkie wypalenie butanu i izobutanu). Po analizie pierwszego wykresu - w(x) widać, że stopień wypalenia gazu zwiększał się wraz z odległością od środka płomienia.
Temperatura płomienia w zależności od odległości od środka płomienia maleje wraz ze wzrastaniem odległości.

Podczas wykonywania wykresu zależności stopnia wypalenia gazu od odległości od środka palnika odrzucono pomiar nr 2 (Tabela 2), ponieważ stopień wypalenia w wyniku obliczeń wyniósł -1,03 %. Błąd pomiaru mógł być spowodowany złym odczytem zawartości niespalonego gazu.

Niedopał odczytany po zakończeniu pomiaru stopnia wypalenia paliwa wyniósł
1,946 ∙ 10^-6 A, co oznacza, że ok. 1% paliwa „ucieka” –część mieszaniny trafia na obrzeża palnika unikając procesu spalania. Stężeniowa granica zapłonu dla propanu wynosi od 2,1 do 9,5 % gazu w powietrzu. Przedział palności dla mieszanki wynosił ok. 5-9%. Wyznaczona wartość składu mieszanki gazowo-powietrznej r = 5,19% mieści się zatem w granicach palności.