Niskoemisyjne Spalanie i Oczyszczanie Spalin

Sprawozdanie

Stabilność płomienia gazowego

Sekcja 2:

Robert Jurowicz

Robert Kiermasz

Dawid Mańkowski

Bartłomiej Pudlik

Krzysztof Łuczak

Stanowisko Pomiarowe

Cel ćwiczenia

Ćwiczenie polegało na obserwowaniu zdmuchnięcia płomienia przy różnych wartościach strumienia gazu i powietrza.
Należało wyznaczyć dla jakich wartości strumienia gazu i powietrza płomień gasł, po czym zmierzono palnik by powtórzyć całą serię pomiarową dla kolejnego palnika. Palniki które używano miały w pierwszych 4 przypadkach różne średnice a w następnych 4, te same średnice, lecz różne zakończenia otworu wylotowego.

Celem wykonanego ćwiczenia było wyznaczenie charakterystyk prędkości wypływu gazu z palników od stosunku nadmiaru powietrza λ, przy którym następowało zgaśnięcie płomienia na skutek jego zdmuchnięcia

Przykładowe obliczenia

Dane:
gęstość powietrza ρ_pow 0,00117 kg/dm³
gęstość metanu ρ_CH4 0,000717 kg/dm³
masa molowa powietrza M_pow 29,97 kg/kmol
masa molowa metanu M_CH4 16,04 kg/kmol
strumień powietrza ${\dot{V}}_{\text{pow}}$ 420 50 dm³/h
strumień gazu ${\dot{V}}_{CH4}$ 50 dm³/h
średnica palnika d 6 mm

$$\dot{V} = {\dot{V}}_{\text{pow}} + {\dot{V}}_{CH4} = 420 + 50 = 470\frac{\text{dm}^{3}}{h}$$

$$w = \frac{\dot{V}}{A} = \frac{\dot{\frac{V}{3,6 \times 10^{6}}}}{\frac{\pi\left( \frac{d}{1000} \right)^{2\ }}{4}} = \frac{\frac{470}{3,6 \times 10^{6}}}{\frac{\pi\left( \frac{6}{1000} \right)^{2\ }}{4}} = 4,618\frac{m}{s}$$

$${n'}_{C} = \text{CH}_{4} = 1\frac{\text{kmol\ }\text{CH}_{4}}{\text{kmol\ gazu}}$$

$${n'}_{H2} = {2CH}_{4} = 2\frac{\text{kmol\ }H_{2}}{\text{kmol\ gazu}}$$

$$n_{O2\ min} = {n'}_{C} + {\frac{1}{2}n'}_{H2} = 2\text{CH}_{4\ } = 2\frac{\text{kmol\ }O_{2}}{\text{kmol\ gazu}}$$

$$n_{a,\ \ min} = \frac{n_{O2\ min}}{z_{O2\ min}} = \frac{n_{O2\ min}}{0,21} = \frac{2}{0,21} = 9,52\frac{\text{kmol\ pow.}}{\text{kmol\ gazu}}$$

$$n_{a} = \frac{{\dot{V}}_{\text{pow}} \times \rho_{\text{pow}}}{M_{\text{pow}}} = \frac{420 \times 0,0012}{29,97} = 0,0164\frac{\text{kmol\ pow}}{kmol\ CH4}$$

$$n_{\text{a\ min}} = \frac{\frac{2 \times {\dot{V}}_{CH4} \times \rho_{CH4}}{M_{CH4}}}{z_{O2\ min}} = \frac{\frac{2 \times 50 \times 0,000717}{16,04}}{0,21} = 0,0213\frac{\text{kmol\ pow}}{kmol\ CH4}$$

$$\lambda = \frac{n_{\text{a\ real}}}{n_{\text{a\ min}}} = \frac{0,0164\frac{\text{kmol\ pow}}{kmol\ CH4}}{0,0213\frac{\text{kmol\ pow}}{kmol\ CH4}} = 0,770$$

Wyniki

przepływ sumaryczny mieszanki
dm3/h
470
620
750
880
970
1060
1090
1160

prędkość przepływu mieszanki, m/s
4,618
6,092
7,369
8,647
9,531
10,415
10,710
11,398

na - Strumień powietrza od strumienia gazu
0,0164
0,0203
0,0234
0,0265
0,0281
0,0297
0,0289
0,0297

na min - Wymagany stechiometrycznie strumień powietrza od gazu
0,0213
0,0426
0,0639
0,0851
0,1064
0,1277
0,1490
0,1703

λ -stosunek minimalnej ilości powietrza do rzeczywistej ilości powietrza
0,770
0,477
0,367
0,312
0,264
0,232
0,194
0,174

Następnie należało zestawić te dane na wykresie zależności prędkości przepływu mieszanki palnej od współczynnika lambda:

Wnioski

Interpretacja wyników nasuwa nam jednoznaczne spostrzeżenia:

Największe wartości prędkości przepływu mieszanki palnej uzyskiwaliśmy przy największych średnicach.

Duże pole powierzchni palnika umożliwia osiągnięcie dużych prędkości przepływowych lecz także znacznie zmniejsza stabilność płomienia przy małym przepływie gazu.

Jeżeli ograniczymy pole powierzchni palnika przy użyciu odpowiednich dysz wylotowych uzyskujemy większą kontrolę nad spalanym gazem.

Przy tej samej średnicy rurki dzięki zastosowaniu dysz zmniejszamy graniczne prędkości spalania.

Największą stabilność uzyskaliśmy przy zastosowaniu dyszy zakończoną półkolami.

Dla palników z zakończeniem paskowym oraz kratownicą uzyskaliśmy efekt oderwania się płomienia od palnika.

Przy większej prędkości wypływu mieszanki jest możliwe palenie się płomienia palnika przy mniejszym stosunku nadmiaru powietrza.

Potencjalne błędy mogą wynikać z niedokładności przyrządów pomiarowych, przyjętych zaokrągleń, błędów odczytu, a także z uśredniania wskazań rotametrów oraz możliwych zanieczyszczeń gazu dostarczonego do spalania, dodatkowym czynnikiem mogącym wprowadzić błędy były zmienne warunki (w tym ruch powietrza) panujące w pomieszczeniu w którym były prowadzone obserwacje.