ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΥΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΥΣΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΚΑΥΣΤΗΡΑ ΑΕΡΙΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΜΕ ΠΡΟΑΝΑΜΕΙΞΗ ΣΥΣΤΡΟΦΗΣ

Transcript

1 ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΥΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΥΣΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΚΑΥΣΤΗΡΑ ΑΕΡΙΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΜΕ ΠΡΟΑΝΑΜΕΙΞΗ ΣΥΣΤΡΟΦΗΣ Η σωστή επιλογή καυστήρα αποτελεί βασική προϋπόθεση για την σταθερή, αποδοτική και περιβαλλοντικά φιλική λειτουργία ενός συστήματος καύσης. Οι καυστήρες συστροφής (swirl burners) χαρακτηρίζονται από πολύ καλή ανάμειξη καυσίμου και αέρα, σταθερή φλόγα και χαμηλές εκπομπές άκαυστων υδρογονανθράκων. Η φλόγα του καυστήρα συστροφής χαρακτηρίζεται από μεγάλη ακτινική ανάπτυξη και σχετικά μικρό μήκος [π.χ. 1]. Η παρούσα εργαστηριακή άσκηση αφορά τον προκαταρκτικό χαρακτηρισμό της καύσης αερίου καυσίμου σε έναν πρότυπο καυστήρα συστροφής. Ο συγκεκριμένος καυστήρας έχει εξωτερική διατομή 7 mm. Ο αγωγός του αέρα αποτελεί τον κορμό του καυστήρα. Στην κατάληξη του αγωγού αέρα υπάρχει διάταξη με τρίοδη βάνα, στην οποία έχουν προσαρμοσθεί οι σωλήνες του αέρα υψηλής και χαμηλής παροχής. Ο αέρας μέσω των δύο ημικυκλικών σωλήνων εισέρχεται εφαπτομενικά στο χώρο προανάμειξης όπου αναμειγνύεται με το καύσιμο το οποίο προσάγεται από τον αντίστοιχο σωλήνα υποδοχής διαμέτρου 10 mm. Ο σωλήνας καυσίμου είναι «τυφλός» και φέρει περιφερειακά οπές για τη διέλευση του καυσίμου και την εκτεταμένη διάχυσή του στο περιστρεφόμενο ρεύμα αέρα. Το καύσιμο είναι προπάνιο C 3H 8. Ο σκοπός της εργασίας είναι τόσο η ποσοτικοποίηση βασικών μακροσκοπικών μεγεθών που χαρακτηρίζουν τη δομή της φλόγας πρότυπων και βιομηχανικών καυστήρων όσο και η εξοικείωση με την πειραματική μεθοδολογία και τη διαδικασία τεχνικών μετρήσεων σε συστήματα καύσης. Ο καυστήρας έχει μελετηθεί εκτενώς στο Εργαστήριο Ετερογενών Μειγμάτων και Συστημάτων Καύσης [-4] (ενδεικτικά πειραματικά αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Παράρτημα Ι). Προαπαιτούμενα Για την συμμετοχή στο εργαστήριο είναι απαραίτητος ο υπολογισμός των παρακάτω μεγεθών. Οι υπολογισμοί θα γίνουν για μείγμα καυσίμου-αέρα σύμφωνα με τον Πίνακα 1 και ανάλογα με την ομάδα που ανήκετε (1) Κλάσμα μάζας, γραμμομοριακό κλάσμα και κλάσμα μείγματος () Μοριακό βάρος του μείγματος καυσίμου-αέρα (3) Λόγος ισοδυναμίας (φ) του αρχικού μείγματος καυσίμου-αέρα (4) Αριθμός Reynolds, βασισμένος στην εσωτερική διάμετρο του καυστήρα (D=1.5mm) (5) Θεωρητική ισχύς (6) Αδιαβατική θερμοκρασία της φλόγας (Παράρτημα VΙ)

2 Θεωρήσατε ότι η πυκνότητα και το ιξώδες του μείγματος μπορούν να προσεγγιστούν με αυτά του αέρα στις ίδιες συνθήκες. Δίνεται η θερμογόνος δύναμη του προπανίου: Hu = kj/nm 3. Οι απαντήσεις στα ερωτήματα (μία εργασία ανά ομάδα) πρέπει να παραδοθούν το αργότερο κατά τη διάρκεια διεξαγωγής του εργαστηρίου. Μεθοδολογία Η εργασία θα ακολουθήσει τα παρακάτω στάδια: (1) Φαινομενολογικός χαρακτηρισμός των φλογών σύμφωνα με τον Πίνακα 1. () Σταθεροποιήσατε τη φλόγα σύμφωνα με τη διαδικασία του Παραρτήματος ΙΙ. (3) Φωτογραφίσατε την φλόγα με την ψηφιακή κάμερα και μετρήστε το μήκος της. Πως συγκρίνεται το μήκος της συγκεκριμένης φλόγας με το θεωρητικό μήκος μιας τυρβώδους φλόγας διάχυσης (Παράρτημα V); Σχολιάσατε τα οπτικά χαρακτηριστικά της φλόγας. (4) Το τελευταίο μέρος της άσκησης αφορά τον χαρακτηρισμό του θερμοκρασιακού πεδίου της φλόγας. Οι μετρήσεις των θερμοκρασιών θα πραγματοποιηθούν με θερμοστοιχεία τύπου Κ και η καταγραφή τους θα γίνεται αυτόματα μέσω της εφαρμογής LABVIEW, σύμφωνα με το Παράρτημα ΙΙΙ. Οι μετρήσεις θα ληφθούν σε επίπεδο παράλληλο με την έξοδο του καυστήρα και κατά μήκος του άξονα συμμετρίας της φλόγας. Να γίνει η σχετική γραφική παράσταση. Σχολιάσατε την ακρίβεια και επαναληψιμότητα των μετρήσεων. Τι πληροφορίες μπορεί να μας δώσει το θερμοκρασιακό πεδίο για τη δομή της φλόγας; Ομάδα Πίνακας 1: Σύσταση μείγματος καυσίμου-αέρα. Ογκομετρική παροχή αέρα Ογκομετρική παροχή καυσίμου Vair (lt/min) Vfuel (lt/min)

3 Η εργασία θα ολοκληρωθεί με τη σύνταξη λεπτομερούς αναφοράς ανά ομάδα η οποία θα περιλαμβάνει τρία μέρη. Στο πρώτο θα γίνεται συνοπτική περιγραφή των στόχων, της σχετικής θεωρίας και της πειραματικής μεθοδολογίας (μέγιστο 1½ σελίδα). Στο δεύτερο θα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων σε μορφή γραφημάτων και ο σχολιασμός των αποτελεσμάτων σύμφωνα και με τα ερωτήματα των σημείων (1) (5). Τέλος, το τρίτο μέρος θα περιλαμβάνει τα συμπεράσματα της εργασίας (μέγιστο 1 σελίδα). ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] G.L. Borman, K.W. Ragland, Combustion Engineering, McGraw Hill, Boston, [] M. Founti, N.G. Orfanoudakis, K. Krallis, A small diameter gas burner for a scale model experimental furnace. In: Proceedings of the First Meeting of the Greek Section of the Combustion Institute, p , Athens, Greece, [3] L. Leon de Syniawa, Performance and emission characterization of a laboratory-scale swirl burner operating with methane mixtures. CM0901 COST Action Report, 01. [4]. Πάλλας, Ανάπτυξη Εργαστηρίου Καύσης: Σχεδιασμός, Υλοποίηση και Μετρήσεις, Διπλωματική Εργασία, ΕΜΠ 008. [5]. Χουντάλας, Φαινόμενα Μεταφοράς και Εφαρμογαί Αυτών, Έκδοση ΕΜΠ, [6] N. Peters, Turbulent Combustion, Cambridge University Press, 000.

4 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΥΣΤΗΡΑ ΣΥΣΤΡΟΦΗΣ [4] ΜΕΘΑΝΙΟ φ=0,4 φ 0,4 Qf Qa photo lt/min lt/min 5,0 119, ,0 166, ,0 190, ,0 14, ,0 38, ,0 61, ,0 85, ,0 309, ,0 333, ,0 357,0 194 T 1000 ( o C) ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΦΛΟΓΑΣ Q f 15,0 lt / min Qa 357,0 lt / min φ 0, Z (mm) 4

5 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙI ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ 1. Έλεγχος πίεσης στο δίκτυο πεπιεσμένου αέρα.. Ενεργοποίηση συστήματος εξαερισμού. 3. Άνοιγμα στρόφιγγας φιάλης αέριου καυσίμου. 4. Άνοιγμα μειωτή πίεσης αέρα (κάτω από το ροόμετρο αέρα υψηλής παροχής). 5. Έλεγχος μανομέτρων αέρα (3 bar) και καυσίμου (3 bar). 6. Άνοιγμα διανομέων αέρα και καυσίμου (κίτρινες σφαιρικές βαλβίδες). 7. Άνοιγμα βαλβίδας βελόνας καυσίμου μέχρι την επίτευξη της επιθυμητής παροχής 8. Έναυση (σχεδόν ταυτόχρονα με το βήμα 7). 9. Άνοιγμα βαλβίδας βελόνας αέρα μέχρι την επίτευξη της επιθυμητής παροχής. 10. Φωτογράφηση της φλόγας. 11. Σβήσιμο της φλόγας. 1. Προσέγγιση του θερμοστοιχείου και χειροκίνητη αρχικοποίηση θέσης. 13. Έναυση καυστήρα 14. Μέτρηση της θερμοκρασιακής κατανομής της φλόγας καθ ύψος (δες Παράρτημα III) 15. Κλείσιμο βαλβίδας βελόνας καυσίμου. 16. Κλείσιμο βαλβίδας βελόνας αέρα. 17. Κλείσιμο στρόφιγγας μπουκάλας αέριου καυσίμου. 18. Άνοιγμα βαλβίδας βελόνας καυσίμου και ταυτόχρονη έναυση (υπολειπόμενο καύσιμο). 19. Κλείσιμο βαλβίδας βελόνας καυσίμου. 0. Κλείσιμο μειωτή πίεσης αέρα. 1. Κλείσιμο διανομέων αέρα και καυσίμου (κίτρινες σφαιρικές βαλβίδες).. Απενεργοποίηση συστήματος εξαερισμού.

6 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙII ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ 1. Ανοίγουμε (θέση ON) τον ελεγκτή των βηματικών κινητήρων.. Ανοίγουμε την εφαρμογή LABVIEW και το πρόγραμμα ελέγχου θέσης και καταγραφής μετρήσεων θερμοστοιχείων. Το πρόγραμμα είναι συνδεδεμένο με το σύστημα ελέγχου θέσης (τραβέρσα) που περιλαμβάνει δύο βηματικούς κινητήρες οι οποίοι με τη σειρά τους ελέγχουν δύο γραμμικούς οδηγούς που μετακινούνται στους άξονες y (παράλληλο στην παροχή αέρα) και z (κατακόρυφο). Ο άξονας x (κάθετος στην παροχή αέρα) μετακινείται χειροκίνητα. 3. Στα πεδία Save to File και Append to File ορίζουμε το αρχείο αποθήκευσης των μετρήσεων (E:\Common31\Flames\logfiles\Ergasthrio_11\omadaXX.txt). Στο πεδίο Details εισάγουμε τις παροχές αέρα και καυσίμου καθώς και τυχόν παρατηρήσεις. 4. Αρχικοποίηση. Επιβεβαιώνουμε ότι (x, y, z) = (0, 0, 0) και πατάμε το START (βελάκι). Το πρόγραμμα μετακινεί το λεπτό (d = 500 μm) θερμοστοιχείο κοντά στο κέντρο του καυστήρα. Στη συνέχεια μετακινούμε χειροκίνητα το θερμοστοιχείο στο κέντρο του καυστήρα. Το σημείο αυτό ορίζεται ως αρχή των αξόνων. 5. Έναυση της φλόγας δες βήματα 7-9, Παράρτημα II. 6. Μετρήσεις. Περιμένουμε να σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία στο σημείο (0, 0, 0) και πατάμε το Save to File για να αποθηκεύσουμε την μέτρηση. Στο αρχείο αποθηκεύονται η μέση τιμή της θερμοκρασίας το τελευταίο δευτερόλεπτο (μέσος όρος 10 μετρήσεων), η τυπική απόκλιση και οι συντεταγμένες του σημείου της μέτρησης. Για κάθε επόμενη μέτρηση μετακινούμε τον άξονα z και πατάμε το Append to File έτσι ώστε να προσθέσουμε μία καινούργια γραμμή δεδομένων στο αρχείο μας. Όταν τελειώσουμε τις μετρήσεις πατάμε το STOP.

7 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ V ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΜΗΚΟΥΣ ΦΛΟΓΑΣ ΔΙΑΧΥΣΗΣ Το μήκος μιας τυρβώδους φλόγας διάχυσης, lt, μπορεί να υπολογιστεί προσεγγιστικά [5] με χρήση της Εξίσωσης (1). όπου: l T 6.57Do ρ0 D0 διατομή καυστήρα [m] Z st ρ 1 / (1) ρ0 πυκνότητα καυσίμου σε συνθήκες περιβάλλοντος (έγχυσης) [kg/m 3 ] ρ πυκνότητα αέρα περιβάλλοντος [kg/m 3 ] Zst στοιχειομετρική τιμή του κλάσματος μείγματος [-] Το ρ0 μπορεί να υπολογιστεί με χρήση της καταστατικής εξίσωσης τελείων αερίων και το Zst μέσω της παρακάτω μεθοδολογίας [π.χ. 6]: Έστω η μονοβηματική και μονόδρομη αντίδραση μεταξύ καύσιμου και οξειδωτικού (Εξίσωση ), όπου s ο στοιχειομετρικός συντελεστής μαζών (kg οξειδωτικού/ kg καυσίμου). F + s O -> (1+s) P () Πιο αναλυτικά, για πλήρη καύση ενός υδρογονάνθρακα, η χημική εξίσωση γράφεται υπό τη μορφή της σχέσης (). ν C H ν O F m n O ν C O CO ν H O HO (3) Το κλάσμα μάζας για κάθε ένα από τα συστατικά ορίζεται μέσω της Εξίσωσης (4). Υ i ρ i ρ ολικο Η εξίσωση της αντίδρασης συνδέει τις μεταβολές των κλασμάτων μάζας δυ μέσω της Εξίσωσης (5), όπου Wi τα μοριακά βάρη. δυ O ν O WO δυf ν FWF Το κλάσμα μάζας κάθε συστατικού υπακούει στην εξίσωση διατήρησης (6). ρυi t (ρuυi ) (ρdi Υi ) ωi (6) Οι παραπάνω εξισώσεις (για κάθε συστατικό) και η αντίστοιχη εξίσωση για την θερμοκρασία, περιγράφουν την εσωτερική δομή της φλόγας. Η εισαγωγή του μεγέθους του κλάσματος μείγματος αποσκοπεί στη διαμόρφωση μιας εξίσωσης διατήρησης η οποία εκφράζει τις διεργασίες διάχυσης, ανάμειξης και αντίδρασης χωρίς να εμφανίζονται όροι πηγής λόγω χημικών αντιδράσεων. (4) (5) 8

8 Σε ένα σύστημα καύσης με δυο εισόδους τροφοδοσίας, όπου ο δείκτης 1 αναφέρεται στο καύσιμο και ο δείκτης στο ρεύμα του οξειδωτικού, το κλάσμα μείγματος ορίζεται ως ο λόγος της παροχής μάζας του καυσίμου προς την παροχή μάζας του μείγματος καυσίμου και οξειδωτικού (συνολική παροχή μάζας) (Εξίσωση 7). Ζ m1 (7) m 1 Για ένα ομογενές σύστημα όπου όλοι οι συντελεστές διάχυσης Di είναι ίσοι, προκύπτουν οι εξισώσεις (8) και (9), οι οποίες συσχετίζουν το κλάσμα μείγματος με το κλάσμα μάζας του καυσίμου στο ρεύμα του καυσίμου (ΥF,1) και το κλάσμα μάζας του οξυγόνου στο ρεύμα του αέρα (ΥΟ,). m ΥF Υ Z F,1 (8) ΥO ΥO, (1 Z ) (9) Η διπλή ολοκλήρωση της Εξίσωσης (5) με την θεώρηση ομογενούς συστήματος και με χρήση των Εξισώσεων (8) και (9), οδηγεί στην Εξίσωση (10), όπου ο στοιχειομετρικός συντελεστής μαζών s μπορεί να υπολογιστεί μέσω της Εξίσωσης (11). Ζ Υ O Υ O, sυ F,1 Υ O, sυf (10) s ν O W O ν FWF Σε συνθήκες στοιχειομετρίας, η Εξίσωση (10) λαμβάνει την μορφή της Εξίσωσης (1). Ζ st 1 1 sυ F,1 ΥO, (11) (1) 9

9 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ VΙ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΑΔΙΑΒΑΤΙΚΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΦΛΟΓΑΣ ΜΕΘΑΝΙΟΥ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΚΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ 10

10 ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Ι ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΟΜΑΔΑ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΡΥΠΟΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ X Y Z CO O CO NO NO ΣΧΟΛΙΑ (mm) (mm) (mm) ( o C) (%) (%) (ppm) (ppm) (ppm)

11