Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Aškerčeva 6 1 Ljubljana, Slovenija telefon: 1 477 12 faks: 1 251 85 67 www.fs.uni-lj.si e-mail: dekanat@fs.uni-lj.si Katedra za energetsko strojništvo Laboratorij za termoenergetiko Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Laboratorijska vaja Avtorja: Mitja Mori Boštjan Drobnič Ljubljana, oktober 21
1. Namen vaje je spoznati značilnosti različnih režimov zgorevanja in razlike med difuzijskim in kinetičnim plamenom ter določiti parametre opazovanega plamena. 2. Opis preizkuševališča Preizkuševališče (slika 1) je sestavljeno iz - gorilnika (1), - merilnika pretoka zraka (2), - merilnika pretoka plina (3), - plinske bombe (4) in - merilnega zaslona (5). Za preizkus uporabljamo tekoči naftni plin (nadalje TNP), ki je zmes propana (C 3 H 8 ) in butana (C 4 H 1 ). Slika 1: Preizkuševališče 3. Teoretične osnove splošna klasifikacija plamena Zgorevanje delimo glede na način dovoda primarnega zraka do goriva. Pri zgorevanju v atmosferi, kjer gorivo in zrak nista vnaprej pomešana, najprej nastopi mešanje goriva z zrakom in nastajanje gorljive zmesi, sledi vžig in na koncu zgorevanje. Hitrost celotnega zgorevalnega procesa je v tem primeru predvsem odvisna od hitrosti nastajanja gorljive zmesi, ta pa od hitrosti dostopanja (difuzije) zraka do goriva. Hitrost zgorevanja omejuje najpočasnejši proces difuzija, zato takšen plamen imenujemo difuzijski plamen (slika 2). Če pa sta gorivo in zrak predhodno pomešana, je hitrost zgorevanja odvisna le od hitrosti termokemijskih reakcij kinetike, zato takšen plamen imenujemo kinetični plamen (slika 2). Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 2 od 12
Slika 2: a) difuzijski plamen, b) kinetični plamen Tako difuzijski kot kinetični plamen je lahko, odvisno od lastnosti vrtinčenja, laminaren ali turbulenten (slika 3). Za ovrednotenje ali je plamen laminaren ali turbulenten se kot merilo uporablja mejno Reynoldsovo število (slika 4). Slika 3: a) laminaren plamen, b) turbulenten plamen Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 3 od 12
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko Slika 4: Mejne vrednosti Reynoldsovih števil za plinasta goriva. Vrste plamena lahko delimo tudi glede na začetno agregatno stanje komponent, ki vstopajo v proces zgorevanja. Pri tem ločimo homogen ali heterogen plamen. Homogen je v primeru, ko so komponente v istem agregatnem stanju (zgorevanje kapljevitih in plinastih goriv), heterogen pa, če so agregatna stanja različna (zgorevanje trdnih goriv). 3.1. Lastnosti difuzijskega plamena vpliv hitrosti iztekanja goriva na dolžino plamena Pri difuzijskem plamenu gorivo ni že vnaprej pomešano s kisikom (λ = ), ampak dobiva potreben kisik za gorenje iz okoliškega zraka. Višina difuzijskega plamena je odvisna od: - hitrosti iztekanja plina w, m/s; - premera odprtine gorilnika d, m; - koeficienta difuzije D (posledica neenakosti koncentracije v masnem toku plina), m 2 /s; - konstante laminarnega plamena K L ; Višino laminarnega difuzijskega plamena izračunamo po enačbi Koeficient difuzije izračunamo po enačbi L d, L = K L w d D 2 (1). kjer so m = 1,7 (za ogljikovodike); T = 273,15 K; p = 1,1325 bar; p ok, T ok tlak in temperatura okolice; D = D T T D koeficient difuzije pri normalnih pogojih m ok p p ok, Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 4 od 12
Koeficient difuzije pri normalnih pogojih iztačunamo z izrazom D 1 1 + MTNP M zr = A 2 3 3 ( vtnp + vzr ) Molska masa zmesi plinov: = N M Za zmes propan-butan: M TNP = w P w M j B = 1 j j M P M 1 B ( M B M P ) + M P w P masni delež propana (diagram) Molski volumen (pri normalnih pogojih): M v = ρ Konstante za izračun: Difuzivnost pri normalnih pogojih (velja za ogljikovodike): A = 2,7 1-3 B = 2 1-6 Molske mase: butan: M B = 58,12 kg/kmol propan: M P = 44,94 kg/kmol zrak: M zr = 28,9627 kg/kmol Normalne gostote: butan: ρ B = 2,78 kg/m 3 propan: ρ P = 2,11 kg/m 3 zrak: ρ zr = 1,2928 kg/m 3 Gostota zmesi propan-butan: ρ TNP = w P ρ P + w B ρ B Višino turbulentnega difuzijskega plamena pa izračunamo po enačbi w hitrost iztekanja plina d premer gorilnika K T konstanta turbulentnega plamena.,17 w2, T = 2 d KT g d Ld (2), 3.2. Kinetični plamen določanje hitrosti zgorevanja Hitrost zgorevanja predstavlja hitrost s katero se ravna fronta plamena širi skozi pripravljeno zmes goriva in zraka normalno na svojo površino. Hitrost zgorevanja je odvisna od sestave goriva, temperature in tlaka, pretoka plina ter geometrije sistema. S povečevanjem temperature in manjšanjem tlaka se hitrost zgorevanja veča. Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 5 od 12
Če obravnavamo gorilnik, ki predstavlja navadno cev, skozi katero laminarno teče zmes goriva in zraka (λ < 1, pri kinetičnem plamenu je gorivu že vnaprej primešana določena količina kisika). V tem primeru nastaja stacionaren plamen, ki sestoji iz notranjega modrega konusa in zunanje aure (slika 5). Površina modrega konusa predstavlja stabilno področje zgorevanja (fronto plamena), medtem ko okoliška aura predstavlja področje dogorevanja. Torej višek goriva iz zmesi prodre skozi primarno fronto plamena in dogoreva s pomočjo sekundarnega (okoliškega) zraka. produkti zgorevanja notranji stožec zunanji obroč produktov zgorevanja zmes goriva in zraka Slika 5: Kinetični plamen. Višina konusa je odvisna od pretoka in zmesi goriva: večji kot je pretok, višja je hitrost iztekanja in višina konusa. Torej se površina plamena povečuje sorazmerno s povečevanjem pretoka goriva. 3.3. Določitev hitrosti zgorevanja po Gouy-u Ta metoda temelji na predpostavki, da je hitrost zgorevanja konstanta po celotni površini konusa. Hitrost zgorevanja w zg, je normalna na fronto plamena (slika 6). V izračunu hitrosti zgorevanja predpostavimo enakost volumenskih pretokov. Odgovarjajoče formule so: w zg L k w A w = A s w zg (3), w zg zg A = w (4), A s r w = (5), r + L 2 2 k Slika 6: Hitrost zgorevanja. kjer je w srednja hitrost na izstopu iz gorilnika, A presek gorilnika, A s površina fronte plamena (notranjega modrega stožca), r polmer odprtine gorilnika in L k višina kinetičnega plamena. d w Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 6 od 12
4. Izvedba vaje 4.1. Difuzijski plamen Določi vpliv hitrosti iztekanja TNP na višino difuzijskega plamena. Uporabi nastavke za gorilnik (slika 7) z odprtino premera 3, 2 in 1 mm, ki zmanjšajo luknjo iztekanja plina iz gorilnika. Odčitane višine zapiši v preglednico 1.1 (priloga) in nariši ustrezen diagram (priloga), ki prikazuje vse tri krivulje sočasno, v priložen koordinatni sistem. Ker sta rotametra umerjena pri standardnih pogojih (25 C, 1,13 bar), je potrebno izvesti korekcijo odčitanih volumenskih pretokov na rotametrih: Slika 7: Nastavki za gorilnik. ρ ref V & dej = V & mer ρ (6), ρ ref gostota referenčnega medija (zrak pri standardnih pogojih, 1,184 kg/m 3 ) ρ gostota trenutno uporabljenega medija (zrak ali gorivo) ρ normalna gostota T normalna temperatura (273 K) p normalni tlak (1,1325 bar) T ok dejanska temperatura p ok dejanski tlak pok T ρ = ρ (7), p T ok Enačba za izračun hitrosti iztekanja TNP plina: w & dej V = (8). A Ko imamo izrisan diagram odvisnosti višine zgorevanja od hitrosti iztekanja plina določimo približno mejo med laminarnim in turbulentnim plamenom in podamo ustrezen komentar. V skladu z enačbami (1) in (2) za vsak nastavek (1, 2 in 3 mm) izračunamo konstanto laminarnega oziroma turbulentnega difuzijskega plamena K L in K T, pri enem pretoku v turbulentnem in enem pretoku v laminarnem režimu. Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 7 od 12
4.1.1. Potek vaje 1. Prižgi gorilnik. 2. Dotok zraka (št. 2 na sliki 1) popolnoma zapri. 3. Na gorilnik položi nastavek d = 3 mm in nastavi pretok plina 1 na 2 ml/min, ter s pomočjo ravnila določi višino difuzijskega plamena 2 in vrednost vpiši v tabelo. 4. Isto naredi še za pretoke 4, 6, 8, 1, 12, 2, 3 in 5 ml/min. 5. Nato ponovi točki 3 in 4 še za nastavek d = 2 mm in d = 1 mm. 6. Ko izvedeš vse potrebne meritve, s pomočjo diagrama 2 določi sestavo TNP. V ta namen odčitaj temperaturo okolice ( temperatura TNP) in tlak plina v jeklenki. 7. Za vsako meritev izračunaj hitrost iztekanja TNP (upoštevaj korekcijo pretoka plina) in nariši ustrezen diagram odvisnosti višine difuzijskega plamena od hitrosti iztekanja plina. 8. Nadalje za pretoka 2 ml/min (laminarni plamen) in 5 ml/min (turbulentni plamen) in za vse tri nastavke izračunaj še pripadajoče konstante laminarnega in turbulentnega plamena. 4.1.2. Dodatna naloga Na gorilnik namesti najmanjši nastavek (d =,5 mm) in s povečevanjem volumenskega toka poišči pretok, kjer plamen odpihne od gorilnika. 4.1.3. Vprašanja 1. Kakšna je razlika med laminarnim in turbulentnim difuzijskim plamenom? 2. Kaj predstavljata konstanti laminarnega in turbulentnega plamena in zakaj se razlikujeta pri različnih nastavkih na gorilniku tako pri laminarnem kot turbulentnem plamenu? 3. Zakaj pride do odlepljanja plamena od gorilnika in zakaj pri zadostnem volumenskem pretoku plamen odpihne od gorilnika? 4. Poskusite podati fizikalno razlago pojava difuzijskega plamena (prisotnost kisika, vzrok oranžne barve plamena,...). 1 Ko na začetku nastaviš najmanjši volumenski tok plina (2 ml/min) počakaj nekaj časa, da se tok plina ustali (ponavadi malo pade od začetne nastavitve), nato pa ga ponovno nastavi na 2 ml/min. 2 Ko določaš višino turbulentnega plamena vzemi neko srednjo vrednost med največjo in najnižjo višino, ki jo plamen dosega med gorenjem. Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 8 od 12
4.2. Hitrost zgorevanja v kinetičnem plamenu Določi hitrost zgorevanja w zg pri zgorevanju z nameščenim nastavkom d = 1 mm in d = 3 mm na gorilniku. Za oba primera izračunaj tudi razmernik zraka λ (namig za rezultate: hitrost zgorevanja w zg < 1 m/s, razmernik zraka λ 1). 4.2.1. Potek vaje 1. Na gorilnik namesti nastavek premera d = 1 mm. 2. Prižgi gorilnik. 3. Pretok zraka (št. 2, slika 1) nastavi na vrednost 1 l/min. 4. Nastavi pretok plina tako, da plamen na gorilniku ne bo več difuzijski, temveč kinetičen (plamen bo poplonoma moder, z minimalnim oranžnim vrhom). 5. Izmeri višino konusa kinetičnega plamena, odčitaj pretok TNP in po enačbi (5) izračunaj hitrost zgorevanja TNP. 6. Točke 2, 3 in 4 nato ponovi še za nastavek d = 3 mm. 4.2.2. Vprašanja 1. Kakšna je razlika med kinetičnim in difuzijskim plamenom in zakaj se npr. pri varjenju uporablja kinetični in ne difuzijski plamen. 2. Poskusite podati fizikalno razlago pojava kinetičnega plamena. 3. Komentirajte dobljene rezultate hitrosti zgorevanja v kinetičnem plamenu pri obeh uporabljenih nastavkih za gorilnik in pri enakem volumskem toku zraka. Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 9 od 12
Preglednica 1.1: Višina difuzijskega plamena odčitani pretok goriva / (ml/min) 2 4 6 8 1 12 2 3 5 premer d / mm površina A / m 2 3 7,69 1-6 višina difuzijskega plamena L d / cm 2 3,142 1-6 1 7,854 1-7 Preglednica 1.2: Hitrost plamena v / (m/s) odčitani pretok goriva / (ml/min) 2 4 6 8 1 12 2 3 5 dej. pretok / (mm 3 /s) premer d / mm površina A / m 2 3 7,69 1-6 hitrost plamena w / (m/s) 2 3,142 1-6 1 7,854 1-7 Preglednica 1.3: Izračunane vrednosti konstant laminarnega in turbulentnega difuzijskega plamena d = 1 mm d = 2 mm d = 3 mm K L K T Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 1 od 12
Diagram 1: Odvisnost višine difuzijskega plamena od hitrosti iztekanja TNP plina. L d / cm w / (m/s) Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 11 od 12
Preglednica 2.1: Izmerjena višina kinetičnega plamena L k višina plamena L k volumenski tok TNP hitrost plina hitrost zgorevanja mm ml/min m/s m/s d = 1 mm d = 3 mm Diagram 2: Diagram za določanje masne sestave zmesi plina propan-butan v odvisnosti od tlaka in temperature plina v jeklenki 2 19 18 17 16 9 % Delež propana: 1 % 8 % 7 % 6 % 5 % 3 % 4 % 15 14 2 % 13 Nadtlak zmesi p / bar z 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 % % 243 253 263 273 283 293 33 313 323 333 343 353 Temperatura zmesi T z / K Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 12 od 12