1. Wprowadzenie:

   1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zjawiskiem spalania paliw gazowych, obserwacja działania palnika gazowego oraz pomiar rozkładu temperatury i składu mieszanki wewnątrz płomienia.

1. Ogólna charakterystyka procesu spalania paliw gazowych

Spalanie to reakcja chemiczna przebiegająca między paliwem a utleniaczem, z wydzieleniem ciepła i światła.

Powszechnie dostępnym utleniaczem gazowym jest tlen zawarty w powietrzu.

Spalanie często jest kojarzone z występowaniem płomienia, który można zdefiniować jako egzotermiczną reakcje o charakterze łańcuchowym, przemieszczającą się w przestrzeni z prędkością poddźwiękową. Propagacja płomienia wynika z silnego

powiązania reakcji chemicznych ze zjawiskami transportu, dyfuzji molekularnej,

przewodzenia ciepła i przepływu.

Reakcja spalania może być zapoczątkowana przez zapłon:

• wymuszony – spowodowany przez punktowy bodziec energetyczny;

• samozapłon – na skutek przemian zachodzących w samym materiale na drodze fizycznej i chemicznej;

W zależności od sposobu wymieszania paliwa z powietrzem wyróżnia się:

• spalanie dyfuzyjne (ang. diffusion) –przy braku wstępnego wymieszania paliwa z powietrzem;

• spalanie kinetyczne (ang. premixed, kinetic) – spalanie homogenicznej (substraty znajdują się w jednej fazie)mieszaniny paliwa z powietrzem;

1. Struktura płomienia gazowego

Kinetyczny sposób spalania polega na wstępnym przygotowaniu jednorodnej mieszaniny palnej paliwa i utleniacza, przy czym spalanie zachodzi przy stałym współczynniku nadmiaru utleniacza oraz zadanej temperaturze.

Płomień dyfuzyjny powstaje w warstwie granicznej między strumieniami gazu palnego i gazowego utleniacza lub pomiędzy strumieniem gazu palnego a otaczającym go nieruchomym utleniaczem. W miejscu, w którym stosunek dyfundującego strumienia paliwa do strumienia utleniacza przyjmuje wartość stechiometryczną znajduje się obszar intensywnej reakcji chemicznej, widoczny jako świecąca powierzchnia.

W płomieniu dyfuzyjnym, podobnie jak w płomieniu kinetycznym, ze względu na dominujące procesy fizyczne i chemiczne, można wyróżnić trzy główne strefy:

• strefę podgrzewania i inicjacji reakcji chemicznych

• główną strefę reakcji

• strefę popłomienną

W płomieniu dyfuzyjnym różne jest tylko ich usytuowanie.

Strefa podgrzewania i inicjacji reakcji chemicznych jest położona po obu stronach czoła płomienia.

Główna strefa reakcji ma szerokość od ułamka milimetra do kilku milimetrów. W niej paliwo początkowo podlega procesom pirolizy (kolor żółty). Dalej występuje strefa intensywnej reakcji utleniania (kolor niebieski).

Strefa popłomienna w płomieniu dyfuzyjnym jest położona, podobnie jak strefa podgrzewania i inicjacji, z obu stron czoła płomienia, i nie można jej fizycznie wydzielić, dominują w niej procesy równowagowe.

W praktyce stabilność płomienia rozumie się jako zespół warunków, kiedy występowanie płomienia jest możliwe. Przekroczenie tych warunków powoduje przerwanie procesów spalania i zanik płomienia. Warunki stabilności określają nie tylko możliwość istnienia płomienia, ale także jego kształt. Podstawową zasadą, jaką musi spełniać każdy zespół urządzeń do spalania (urządzenia dostarczające paliwo i utleniacz – zasilające, palnik, komora spalania), jest realizowanie takich warunków, które umożliwiają otrzymywanie, przy danym paliwie, stabilnego płomienia określonego rodzaju.

1. Dolna i górna granica wybuchowości

Specyficzną cechą gazów palnych, oprócz możliwości palenia się mieszaniny gazu z powietrzem, jest prawdopodobieństwo wybuchu takiej mieszaniny. Dla celów praktycznych, w wyniku pomiarów, został ustalony zakres procentowy stężeń objętościowych gazu i powietrza, w którym mieszanina ta jest palna a nadto może wybuchnąć. Granice tego zakresu

określone zostały jako: „Dolna granica wybuchowości - L_d”, „Górna granica wybuchowości - L_g”. Wyrażone są one stężeniem procentowym objętościowym składnika palnego w mieszaninie lub w gramach składnika na 1 m³ mieszaniny.

Mieszanina wybuchowa to taka mieszanina gazów palnych, par cieczy, pyłów lub włókien z powietrzem albo innymi utleniaczami, w której jest dostateczna ilość składników palnych (powyżej dolnej granicy wybuchowości) i która pod wpływem energii cieplnej (np. iskra, płomień, nagrzana powierzchnia, łuk, itd.) ulega gwałtownemu spaleniu połączonemu ze wzrostem ciśnienia.

Przyjmuje się, iż mieszanina gazu jest niebezpieczna wybuchowo, gdy stężenie gazu w powietrzu osiągnie 50 % dolnej granicy wybuchowości (L_d). Wartość stężenia w wysokości 50% jest wielkością umowną. W krajach zachodnich wielkość (L_d) oznaczana jest symbolem LEL (low explosive limit), natomiast (L_g) oznaczana jest symbolem UEL (upper explosive limit).

Granice wybuchowości wyznaczane są doświadczalnie.

Granice wybuchowości można znaleźć w szeregu poradników lub specjalistycznych pism. Podawane są one dla temperatury początkowej 20^oC i ciśnienia atmosferycznego.

1. Schemat stanowiska:

Powietrze	7. Sonda
Gaz palny	8. Termopara
Rotametry	9. Pozycjonowanie sondy (x)
Cyfrowy miernik temperatury (t)	10. Pobór próbki świeżej mieszanki do analizy chromatograficznej (c100%)
Palnik	11. Pobór próbki gazów z płomienia do analizy chromatograficznej (c)
Płomień

1. Wykaz przyrządów pomiarowych.

   1. Rotametry – pomiar natężenia przepływu płynów;

   2. Cyfrowy miernik temperatury;

   3. Chromatograf – określa zawartość gazu palnego w próbce;

   4. Termopara - pomiar temperatury płomienia i spalin;

   5. Śruba mikrometryczna - określenie położenia sondy;

2. Zestawienie mierzonych wartości:

Tabela 1 – wyniki sondowania płomienia

Odległość sondy od środka płomienia (x)	Zawartość niespalonego gazu (Cx)	Temperatura w danym punkcie płomienia (t)
mm	-	^oC
0	2,195 ∙ 10^-4	870
1	2,060 ∙ 10^-4	880
2	2,002 ∙ 10^-4	880
3	1,657 ∙ 10^-4	870
4	6,603 ∙ 10^-5	860
5	1,572 ∙ 10^-5	820
6	6,103 ∙ 10^-6	710
7	3,246 ∙ 10^-6	610
8	2,320 ∙ 10^-6	470
9	-	360
10	-	230
11	-	140
12	-	110
13	-	80
14	-	70

Strumień objętości gazu palnego (zmierzony rotametrem dla powietrza): q’_gaz = 20 dm³/h

Strumień objętości powietrza: q_pow = 20 dm³/h

Zawartość niespalonego gazu w świeżej mieszance: c_100% = 2,168 · 10^-4

1. Przykładowe obliczenia:

5.1. Ponieważ strumień gazu został zmierzony rotametrem wyskalowanym do pomiaru powietrza, otrzymany wynik korygujemy przy pomocy zależności:

gdzie: ρ_pow – gęstość powietrza (kg/m³)

ρ_gaz – gęstość gazu (kg/m³)

5.2. Określenie składu mieszanki gazowo-powietrznej

gdzie: r – udział gazu w mieszaninie

q_gaz – strumień objętości gazu palnego (dm³/h)

q_pow – strumień objętości powietrza (dm³/h)

5.3. Wyznaczenie stopnia wypalenia gazu

gdzie: w – stopień wypalenia

c – zawartość gazu palnego w próbce pobranej w danym punkcie płomienia

c_100% - zawartość gazu palnego w świeżej mieszaninie paliwowo-powietrznej

5.4. Granice wybuchowości

$$L_{g} = \frac{100}{\frac{a_{1}}{L_{1(g)}} + \frac{a_{2}}{L_{2(g)}}} = \frac{100}{\frac{40}{9,5} + \frac{60}{8,4}} \approx 8,81\ \%$$

$$L_{d} = \frac{100}{\frac{a_{1}}{L_{1(d)}} + \frac{a_{2}}{L_{2(d)}}} = \frac{100}{\frac{40}{2,4} + \frac{60}{1,9}} \approx 2,07\ \%$$

gdzie: L_g,d – dolna lub górna granica zapłonu, %

a_i – zawartość i-tego składnika palnego w paliwie, %

1. Wyniki obliczeń:

Numer pomiaru	gęstość powietrza (ρpow)	gęstość gazu palnego (ρgaz)	strumień objętości powietrza (qpow)	strumień objętości gazu palnego (qgaz)	udział gazu w mieszaninie (r)	stopień wypalenia (w)
	kg/m3	dm^3/h	-	%
1	1,36	2,47	280	14,84	0,05	4,98
2						7,66
3						23,57
4						69,54
5						92,75
6						97,18
7						98,50
8						98,92

1. Wykres przedstawiający zależność stopnia wypalenia gazu (w) oraz temperatury płomienia (t) w funkcji odległości od środka palnika (x):

Rysunek 1

1. Obserwacje i wnioski:

Na odcinku 1 – 5 mm reprezentującym odległość sondy od środka palnika mamy do czynienia z główną strefą reakcji, której towarzyszy wysoki stopień wypalenia gazu (Rys. 1).

W ćwiczeniu tym obserwowaliśmy płomień kinetyczny w którym wytworzył się drugi zewnętrzny stożek typu dyfuzyjnego.

Stopień wypalenia gazu nie został policzony dla wyniku C_x =2,195 ∙ 10^-4, jako że z przeprowadzonych obserwacji wynikało, że w obszarze dolnego stożka, odpowiadającego odległości sondy równej 0 mm od środka symetrii palnika, proces spalania jeszcze nie przebiegał.

Pomiary zostały przeprowadzone przy założeniach, że paliwo i powietrze dopływają w stanie constans, płomień jest laminarny, symetryczny i stożkowy. Założenia te oraz ustawienie analizatora na ilość, a nie na jakość, a także sondowanie razem gazu i temperatury wpływają na niepewności pomiarowe, które mogą odzwierciedlać się w rozbieżności wyników C_x(0) oraz c_100%.