Difuzijsko in kineti čno zgorevanje teko čega naftnega...
Transcript of Difuzijsko in kineti čno zgorevanje teko čega naftnega...
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Aškerčeva 6
1000 Ljubljana, Slovenija
telefon: 01 477 12 00
faks: 01 251 85 67
www.fs.uni-lj.si
e-mail: [email protected]
Katedra za energetsko strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko
Difuzijsko in kinetično zgorevanje
tekočega naftnega plina
Laboratorijska vaja
Avtorja: Mitja Mori
Boštjan Drobnič
Ljubljana, oktober 2010
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 2 od 12
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 (C3H8) in butana (C4H10).
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).
Slika 1: Preizkuševališče
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 3 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
Fakulteta za strojništvo
Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekoč
Slika 4: Mejne vrednosti Reynoldsovih števil za plinasta goriva.
Vrste plamena lahko delimo tudi glede na za
zgorevanja. Pri tem ločimo homogen
komponente v istem agregatnem stanju (zgorevanje kapljevitih in plinastih goriv), heterogen pa,
so agregatna stanja različna (zgorevanje trdnih goriv).
3.1. Lastnosti difuzijskega plamena
plamena
Pri difuzijskem plamenu gorivo ni že vnaprej pomešano s kisikom (
kisik za gorenje iz okoliškega zraka. Višina difuzijskega plamena je odvisna od:
- hitrosti iztekanja plina w0, m/s;
- premera odprtine gorilnika d0, m;
- koeficienta difuzije D (posledica neenakosti koncentracije v masnem toku plina), m
- konstante laminarnega plamena
Višino laminarnega difuzijskega plamena izra
Koeficient difuzije izračunamo po ena
kjer so
m = 1,7 (za ogljikovodike);
T0 = 273,15 K;
p0 = 1,01325 bar;
pok, Tok – tlak in temperatura okolice;
D0 – koeficient difuzije pri normalnih pogojih
Laboratorij za termoenergetiko
no zgorevanje tekočega naftnega plina
Slika 4: Mejne vrednosti Reynoldsovih števil za plinasta goriva.
Vrste plamena lahko delimo tudi glede na začetno agregatno stanje komponent, ki vstopajo v proces
homogen ali heterogen plamen. Homogen je v primeru, ko so
komponente v istem agregatnem stanju (zgorevanje kapljevitih in plinastih goriv), heterogen pa,
na (zgorevanje trdnih goriv).
Lastnosti difuzijskega plamena – vpliv hitrosti iztekanja goriva na dol
Pri difuzijskem plamenu gorivo ni že vnaprej pomešano s kisikom (λ = 0), ampak dobiva potreben
kisik za gorenje iz okoliškega zraka. Višina difuzijskega plamena je odvisna od:
, m/s;
, m;
(posledica neenakosti koncentracije v masnem toku plina), m
konstante laminarnega plamena KL;
difuzijskega plamena izračunamo po enačbi
D
dwKL LLd
200
,⋅
⋅=
unamo po enačbi
⋅=
ok
mok
p
p
T
TDD
0
0
0 ·
tlak in temperatura okolice;
koeficient difuzije pri normalnih pogojih
Laboratorij za termoenergetiko
Stran: 4 od 12
Slika 4: Mejne vrednosti Reynoldsovih števil za plinasta goriva.
etno agregatno stanje komponent, ki vstopajo v proces
. Homogen je v primeru, ko so
komponente v istem agregatnem stanju (zgorevanje kapljevitih in plinastih goriv), heterogen pa, če
vpliv hitrosti iztekanja goriva na dolžino
0), ampak dobiva potreben
kisik za gorenje iz okoliškega zraka. Višina difuzijskega plamena je odvisna od:
(posledica neenakosti koncentracije v masnem toku plina), m2/s;
(1).
,
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 5 od 12
Koeficient difuzije pri normalnih pogojih
iztačunamo z izrazom
( )
Bvv
MMAD
zrTNP
zrTNP −+
+
⋅=2
330
11
Molska masa zmesi plinov:
1
1
−
=
= ∑
N
j j
j
M
wM
Za zmes propan-butan:
( ) PPBP
BPTNP
MMMw
MMM
+−=
wP – masni delež propana (diagram)
Molski volumen (pri normalnih pogojih):
ρ
Mv =
Gostota zmesi propan-butan:
ρTNP = wP ρP + wB ρB
Konstante za izračun:
Difuzivnost pri normalnih pogojih (velja za
ogljikovodike):
A = 2,7·10-3
B = 2·10-6
Molske mase:
butan: MB = 58,120 kg/kmol
propan: MP = 44,094 kg/kmol
zrak: Mzr = 28,9627 kg/kmol
Normalne gostote:
butan: ρB = 2,708 kg/m3
propan: ρP = 2,011 kg/m3
zrak: ρzr = 1,2928 kg/m3
Višino turbulentnega difuzijskega plamena pa izračunamo po enačbi
17,0
0
20
0, 20
⋅⋅⋅⋅=
dg
wKdL TTd (2),
w0 – hitrost iztekanja plina
d0 – premer gorilnika
KT – konstanta turbulentnega plamena.
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.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 6 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.
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 wzg, je
normalna na fronto plamena (slika 6). V izračunu hitrosti
zgorevanja predpostavimo enakost volumenskih pretokov.
Odgovarjajoče formule so:
A0 w0 = As wzg (3),
00
wA
Aw
s
zg ⋅= (4),
22
0
00
k
zg
Lr
wrw
+
⋅= (5),
kjer je w0 srednja hitrost na izstopu iz gorilnika, A0 presek gorilnika, As površina fronte plamena
(notranjega modrega stožca), r0 polmer odprtine gorilnika in Lk višina kinetičnega plamena.
produkti zgorevanja
notranjistožec
zmes goriva in zraka
zunanjiobročproduktovzgorevanja
Slika 6: Hitrost zgorevanja.
d0
Lk
w0
wzg
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 7 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, 1,013 bar), je potrebno izvesti korekcijo
odčitanih volumenskih pretokov na rotametrih:
ρ
ρrefmerdej VV ⋅= && (6),
ρref – gostota referenčnega medija (zrak pri standardnih pogojih, 1,184 kg/m3)
ρ – gostota trenutno uporabljenega medija (zrak ali gorivo)
ok
ok
T
T
p
p 0
0
0ρρ = (7),
ρ0 – normalna gostota
T0 – normalna temperatura (273 K)
p0 – normalni tlak (1,01325 bar)
Tok – dejanska temperatura
pok – dejanski tlak
Enačba za izračun hitrosti iztekanja TNP plina:
0
0A
Vw
dej&
= (8).
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 KL in KT, pri enem pretoku v turbulentnem in enem pretoku v
laminarnem režimu.
Slika 7: Nastavki za gorilnik.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 8 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 d0 = 3 mm in nastavi pretok plina1 na 20 ml/min, ter s pomočjo
ravnila določi višino difuzijskega plamena2 in vrednost vpiši v tabelo.
4. Isto naredi še za pretoke 40, 60, 80, 100, 120, 200, 300 in 500 ml/min.
5. Nato ponovi točki 3 in 4 še za nastavek d0 = 2 mm in d0 = 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 20 ml/min (laminarni plamen) in 500 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 (d0 = 0,5 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 (20 ml/min) počakaj nekaj časa, da se tok plina ustali
(ponavadi malo pade od začetne nastavitve), nato pa ga ponovno nastavi na 20 ml/min.
2 Ko določaš višino turbulentnega plamena vzemi neko srednjo vrednost med največjo in najnižjo višino, ki jo plamen
dosega med gorenjem.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 9 od 12
4.2. Hitrost zgorevanja v kinetičnem plamenu
Določi hitrost zgorevanja wzg pri zgorevanju z nameščenim nastavkom d0 = 10 mm in d0 = 3 mm na
gorilniku. Za oba primera izračunaj tudi razmernik zraka λ (namig za rezultate: hitrost zgorevanja
wzg < 1 m/s, razmernik zraka λ ≈ 1).
4.2.1. Potek vaje
1. Na gorilnik namesti nastavek premera d0 = 10 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 d0 = 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.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 10 od 12
Preglednica 1.1: Višina difuzijskega plamena
odčitani pretok
goriva / (ml/min) 0 20 40 60 80 100 120 200 300 500
premer
d0 / mm
površina
A0 / m2
višina difuzijskega plamena Ld / cm
3 7,069·10-6
0
2 3,142·10-6
0
1 7,854·10-7
0
Preglednica 1.2: Hitrost plamena v0 / (m/s)
odčitani pretok
goriva / (ml/min) 0 20 40 60 80 100 120 200 300 500
dej. pretok / (mm3/s) 0
premer
d0 / mm
površina
A0 / m2
hitrost plamena w0 / (m/s)
3 7,069·10-6
0
2 3,142·10-6
0
1 7,854·10-7
0
Preglednica 1.3: Izračunane vrednosti konstant laminarnega in turbulentnega difuzijskega plamena
d0 = 1 mm d0 = 2 mm d0 = 3 mm
KL
KT
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 11 od 12
Diagram 1: Odvisnost višine difuzijskega plamena od hitrosti iztekanja TNP plina.
w0 / (m/s)
L /
d
cm
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 12 od 12
Preglednica 2.1: Izmerjena višina kinetičnega plamena Lk
d0 = 10 mm d0 = 3 mm
višina plamena Lk mm
volumenski tok TNP ml/min
hitrost plina m/s
hitrost zgorevanja m/s
Diagram 2: Diagram za določanje masne sestave zmesi plina propan-butan v odvisnosti od tlaka in
temperature plina v jeklenki
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
243 253 263 273 283 293 303 313 323 333 343 353
Temperatura zmesi KT / z
Nad
tlak
zm
esi
b
ar
p/
z
Del
ež p
ropan
a: 1
00
%90
%80 %
70
%
60 %
50 %
40 %
30 %
20 %
10 %
0 %