laboratorium metrologii wyznaczanie rozkładu temperatur w
Transkrypt
laboratorium metrologii wyznaczanie rozkładu temperatur w
LABORATORIUM METROLOGII WYZNACZANIE ROZKŁADU TEMPERATUR W GAZOWYM PŁOMIENIU KINETYCZNYM I DYFUZYJNYM WIZUALIZACJA STRUGI GAZOWEJ ZA POMOCĄ APARATU SMUGOWEGO Cele ćwiczenia: 1) zapoznanie z metodyką wyznaczania rozkładu temperatur w płomieniu kinetycznym i dyfuzyjnym; 2) zapoznanie z cieniową metodą wizualizacji strugi gazowej za pomocą aparatu smugowego; 1 WPROWADZENIE TEORETYCZNE Spalania paliwa gazowego dokonuje się za pomocą palników. Podstawowe funkcje palników polegają na doprowadzeniu odpowiedniej ilości paliwa i utleniacza, ich zmieszaniu oraz stabilizacji czoła płomienia. Poza tym wypełniają one pewne zadania technologiczne, a mianowicie zapewniają określony rozkład temperatur w komorze spalania, określony kształt i zasięg płomienia oraz właściwą intensywność promieniowania. W zależności od sposobu tworzenia mieszanki, spalanie można dokonywać wg trzech zasad: jako dyfuzyjne, kinetyczne i mieszane. PŁOMIEŃ KINETYCZNY. Jedną z ważniejszych wielkości charakteryzujących proces spalania jest czas spalania tsp, który dzieli się na: czas mieszania - niezbędny do osiągnięcia jednorodnej mieszaniny paliwa i utleniacza, czas podgrzewu - niezbędny do osiągnięcia temperatury zapłonu i czas chemicznej reakcji t sp = t miesz + t podg + t chem (1) Jeżeli czas fizycznego stadium procesu t sp = t miesz + t podg jest dużo krótszy niż czas reakcji chemicznej, to taki proces przebiega w obszarze kinetycznym i nie zależy od aerodynamiki strumieni gazów i dyfuzji, a tylko od charakterystyki spalanej mieszaniny, energii aktywacji, temperatury i stężenia reagentów. 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. Jeżeli czas fizyczny procesu jest równy lub większy od czasu reakcji chemicznej. to proces spalania przebiega w obszarze dyfuzyjnym i właściwości paliwa oraz temperatura spalania nie odgrywają dużej roli, natomiast znaczenie ma aerodynamika strumieni paliwa i utleniacza, a zwłaszcza procesy dyfuzji. Płomień wstępnie zmieszanego paliwa i utleniacza często jest określany mianem płomienia kinetycznego. Płomień kinetyczny powstaje przez wstępne zmieszanie reagentów paliwa i utleniacza przed dyszą palnika w mieszalniku. W płomieniu tym wstępna strefa podgrzewania i inicjacji utleniania paliwa sytuuje się przed czołem płomienia. Dalej położona jest główna strefa reakcji - czoło płomienia, a za nią strefa popłomienna (rys. 1). Za koniec strefy podgrzewania i inicjacji reakcji przyjmuje się ten punkt, w którym przebiega samoistnie proces utleniania paliwa, bez dostarczania ciepła z głównej strefy reakcji, co w przybliżeniu odpowiada punktowi przegięcia na krzywej rozkładu temperatury. W głównej strefie reakcji, w czole płomienia, zachodzą intensywne reakcje utleniania paliwa, o czym świadczą duże gradienty temperatury i stężenia. W głównej strefie reakcji powstają produkty pośrednie i końcowe utleniania paliwa, w tym rodniki dyfundujące do strefy podgrzewania i inicjacji reakcji, początkujące reakcje utleniania paliwa. W płomieniu kinetycznym przy niedomiarze utleniacza wytwarza się drugi zewnętrzny stożek typu dyfuzyjnego (rys. 1). Dopalają się w nim produkty częściowego utleniania paliwa, jak np. tlenek węgla. 2 Rys. 1. Rozkłady stężenia i temperatury w płomieniu kinetycznym: 1 - paliwo, 2 - spaliny, 3 -utleniacz, 4 temperatura, 5 -płomień kinetyczny, 6 - wtórny płomień dyfuzyjny Rys. 2. Schemat płomienia dyfuzyjnego: 1 -paliwo, 2-spalury, 3 -utleniacz, 4-tempemturn, 5 – płomień 3 PŁOMIEŃ DYFUZYJNY. Przez płomienie dyfuzyjne rozumie się takie, które powstają w warstwie granicznej między strumieniami gazu palnego i gazowego utleniacza lub pomiędzy strumieniem gazu palnego a otaczającym go nieruchomym utleniaczem (rys 2). Obszar intensywnej reakcji chemicznej, widoczny jako świecąca powierzchnia, znajduje się w miejscu, w którym stosunek dyfundującego strumienia paliwa do strumienia utleniacza przyjmuje wartość stechiometryczną. W płomieniu dyfuzyjnym chemiczna reakcja spalania jest więc zawsze poprzedzona czysto fizycznym procesem mieszania, który zależy od praw rządzących dyfuzją w strumieniach gazowych. Ze względu na te prawa, płomienie dyfuzyjne dzielą się na laminarne i turbulentne; w pierwszym dyfuzja ma charakter czysto molekularny, w drugimturbulentny. Uwarunkowanie mechanizmu spalania w płomieniach dyfuzyjnych procesami przenoszenia uwidacznia się wyraźnie w zewnętrznym wyglądzie tych płomieni. Płomienie laminarne mają poprzeczny wymiar niewiele większy od wymiaru wylotowego otworu dyszy paliwowej, a ich zewnętrzna powierzchnia jest gładka i wyraźnie zarysowana. W płomieniach turbulentnych natomiast wymiar poprzeczny znacznie przewyższa wymiar dyszy paliwowej, a powierzchnia płomienia. nie ma określonego kształtu i podlega ciągłym zmianom, takim jak drgania i falowanie. Przejście płomieni dyfuzyjnych z obszaru laminarnego w turbulentnego odbywa się stopniowo, w ten sposób, że utrata stateczności powierzchni płomienia rozpoczyna się przy wierzchołku, a następnie - w miarę wzrostu prędkości strumienia - przesuwa się w dół. Jednocześnie płomień ulega skróceniu. Dalszy wzrost prędkości strumienia nie wpływa już na zmianę makrostruktury i płomień utrzymuje stalą wysokość. Szczególną cechą płomieni turbulentnych jest to, że w pewnym obszarze prędkości mogą występować dwa ich rodzaje: zwykłe, rozpoczynające się u wylotu z palnika, i tzw. "uniesione', usytuowane w pewnej odległości nad wylotem. Najprostszym przykładem płomienia dyfuzyjnego jest płomień powstający na wylocie z cylindrycznej rurki, z której wypływa paliwo gazowe w nieruchome otoczenie gazowego utleniacza. Bardziej złożony przykład otrzymuje się, gdy rurka, z której wypływa gaz, jest umieszczona współosiowo wewnątrz drugiej rury o większym promieniu, przez którą przepływa powietrze. W takim przypadku mogą powstać płomienie o dwóch różnych kształtach, w zależności od ilości podawanego utleniacza, jak pokazano na rysunku 3. Rys. 3. Dyfuzyjny płomień laminarny: A - z nadmiarem utleniacza, 4 B - z niedomiarem utleniacza Płomień dyfuzyjny ze względu na stabilność to najczęściej spotykany w urządzeniach przemysłowych typ płomienia. Duże znaczenie ma więc określenie jego długości i kształtu. Na długość turbulentnych płomieni dyfuzyjnych w strumieniu powietrza mają wpływ: prędkość i temperatura początkowa paliwa oraz utleniacza i zawirowanie strumieni. Nie bez znaczenia są właściwości fizyczne i chemiczne paliwa. Stwierdzono, że im większy współczynnik dyfuzji, mniejszy lepkości i mniejsze zapotrzebowanie powietrza. tym płomień jest krótszy. W płomieniu dyfuzyjnym, podobnie jak w płomieniu wstępnie zmieszanych gazów (paliwa i utleniacza), ze względu na dominujące proces fizyczne i chemiczne można wyróżnić trzy główne strefy, a mianowicie: strefę podgrzewania i inicjacji reakcji chemicznych, główną strefę reakcji oraz strefę popłomienną. W płomieniu dyfuzyjnym różne jest tylko usytuowanie tych stref. Strefa podgrzewania i inicjacji reakcji chemicznych jest położona po obu stronach czoła płomienia charakteryzuje się niewielkimi gradientami stężenia paliwa od wewnątrz płomienia i utleniacza z zewnątrz płomienia oraz niewielkimi gradientami temperatury z obu stron. Na obie strony czoła płomienia, z głównej strefy reakcji, - dyfundują produkty spalania, podgrzewając z jednej strony paliwo, a z drugiej - utleniacz; dyfundują także centra aktywne - rodniki, inicjując reakcje utleniania paliwa. Analizując strefę intensywnych reakcji z kierunku osi płomienia, paliwo początkowo podlega procesom pirolizy, o czym świadczy obecność w tej strefie sadzy i związków C2 i CH, co przejawia się żółtym kolorem tej strefy płomienia. Dalej występuje strefa intensywnej reakcji utleniania. w miarę jak wzrasta stężenie tlenu, o czym świadczy początkowo brak promieniowania w świetle widzialnym, a następnie kolor niebieski tej strefy. Obszar ten charakteryzuje się największymi stężeniami rodników i najwyższą temperaturą. Maksymalna temperatura w tej strefie jest zbliżona do temperatury adiabatycznej mieszanki stechiometrycznej, gdyż reagenty znajdują się w równowadze termodynamicznej, co wynika z faktu, że prędkości reakcji limitują procesy dyfuzji. Strefa popłomienna w płomieniu dyfuzyjnym jest położona podobnie jak strefa podgrzewania i inicjacji, z obu stron czoła płomienia, i nie można jej fizycznie wydzielić, tak jak w płomieniu kinetycznym. W strefie popłomiennej dominują procesy równowagowe. Strefa ta charakteryzuje się niewielkimi gradientami stężenia i temperatury. STABILNOŚĆ PŁOMIENIA GAZOWEGO. Do spalania mieszanki palnej w palnikach lub różnego rodzaju komorach spalania należy stosować środki unieruchamiające powierzchnię płomienia względem ścianek, czyli swego rodzaju "zakotwiczenia" płomienia w przepływającym strumieniu mieszanki. Proces ten nazywamy stabilizacją lub ustatecznieniem płomienia, a urządzenia stabilizujące płomień - statecznikami płomienia. Pozornie nieruchome położenie powierzchni płomienia względem ścianek jest wynikiem dynamicznej równowagi pomiędzy lokalną prędkością rozprzestrzeniania się płomienia a prędkością napływającej mieszanki palnej. Zwykle średnia prędkość przepływu strumienia mieszanki palnej przez palniki i komory spalania wielokrotnie przekracza prędkość rozprzestrzeniania się płomienia. W tych warunkach w celu stabilizacji płomienia stosuje się specjalne urządzenia, które wytwarzają obszary o mniejszych prędkościach przepływu, zapewniających stabilne spalanie. Stabilizowany w ten sposób płomień rozprzestrzenia się w kierunku podstawowego strumienia mieszanki z prędkością równą prędkości spalania i lokalnej prędkości strumienia. Palnik Bunsena jest typowym przykładem stabilizacji płomieni w laminarnej warstwie przyściennej. W celu lepszego zrozumienia tego rodzaju stabilizacji rozpatrzmy podstawowe charakterystyki płomieni stabilizowanych na wylocie z palnika Bunsena. Na rysunku 4 przestawiono typowe wykresy stateczności płomienia na wylocie z palnika Bunsena uzyskane 5 w wyniku pomiarów prędkości granicznych i składów mieszanek przy wyznaczaniu charakterystycznych obszarów pracy palnika. Rys.4. Charakterystyki stateczności płomieni otwartych Zmniejszenie prędkości przepływu mieszanki doprowadzanej do płomienia, do wartości mniejszej niż prędkość rozprzestrzeniania się płomienia (choćby lokalnie w pobliżu krawędzi palnika), spowoduje przeskok płomienia do wnętrza palnika. Przeskok płomienia do rurki palnika, jak przedstawiono na rys. 4, występuje zawsze w obszarze niezakreskowanym 1, po obu stronach składu stechiometrycznego mieszanki. Jeśli jednak prędkość napływającej mieszanki wzrośnie na tyle, że przewyższy ona prędkość rozprzestrzeniania się płomienia we wszystkich punktach na zewnątrz warstwy przyściennej, wówczas płomień zgaśnie zupełnie (jeżeli warunki będą odpowiadać niezakreskowanemu obszarowi na lewo od krzywej zdmuchnięcia płomienia) lub - w przypadku mieszanek przebogaconych - uniesie się ponad krawędź palnika. Krzywa unoszenia się płomienia leży na przedłużeniu krzywej jego zdmuchnięcia, za punktem krytycznego stężenia paliwa gazowego w mieszance, oznaczonego literą A. Krzywa zaniku uniesionego płomienia (powyżej punktu A) odpowiada prędkościom przepływu mieszanki gaszącym płomień. Jeśli płomień uniósł się ponad krawędź palnika, wówczas prędkość przepływu doprowadzanej mieszanki należy zmniejszyć do wartości znacznie mniejszej od tej, przy której nastąpiło uniesienie się płomienia i tylko wtedy nastąpi powrót płomienia do krawędzi palnika. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA PALNIKA GAZOWEGO. Palnikiem nazywa się przyrząd, który zasila proces spalenia substratami i tym samym określa jego wydajność oraz zapewnia w pobliżu swojego wylotu przestrzenną stabilizację czoła spalania, dostarczając do niego gotową lub powstającą w sposób ciągły mieszankę palnę. Ogólnie rzecz biorąc palnik gazowy składa się z dyszy gazowej, dyszy powietrza spalania, komory mieszania i nasady wraz ze stabilizatorem spalania. W zależności od typu, przeznaczenia i warunków eksploatacji palnika elementy te mogę mieć różne konstrukcje, mogą być ze sobą połączone lub może ich w ogóle nie być. Palnik dyfuzyjny na przykład ma jedynie dyszę gazową i ewentualnie stabilizator spalania, natomiast palnik inżekcyjny ma wszystkie wyżej wymienione elementy. Dysza gazowa ma za zadanie doprowadzenie do palnika określonej ilości gazu oraz zmianę jego potencjalnej energii ciśnienia na energię kinetyczną. Dysza gazowa może mieć jeden lub więcej otworów i powinna być usytuowana centrycznie w osi palnika, co jest szczególnie istotne przy palnikach inżekcyjnych. 6 5 6 3 1 Powietrze Komora mieszania służy do wytworzenia jednorodnej mieszanki gazu z powietrzem. W palnikach inżekcyjnych ma kształt dyszy Venturiego. Składa się z konfuzora i dyfuzora. Komory mieszenia palników z wymuszonym dopływem powietrza mają zazwyczaj kształt cylindryczny. W celu zmniejszenia wymiarów komory oraz zwiększenia intensywności mieszania stosuje się przecinanie strug gazu i powietrza lub łopatki o różnych kształtach, powodujące zawirowanie strug. Nasada palnika ma za zadanie doprowadzenie mieszanki do otworów wylotowych w odpowiednich miejscach komory spalania. Stabilizator spalania ma na celu zabezpieczenie palnika zarówno przed przeskokiem płomienia do jego wnętrza, jak i oderwaniem płomienia od nasady. Na rys. 5 przedstawiono schemat ogólny ilustrujący zasadę działania i budowę palnika gazowego. GAZ 2 4 Rys. 5. Schemat palnika gazowego 1 – dysza gazowa, 2- dysza powietrzna, 3 – komora mieszania, Łączna ilość powietrza potrzebnego do spalania może być dostarczona do palnika w dwóch etapach. Powietrze pierwotne przed wylotem z dyszy palnika zmieszane jest z gazem palnym w komorze mieszania, natomiast powietrze wtórne doprowadzane jest bezpośrednio do komory spalania Taki rodzaj palnika nazywa się kinetyczno-dyfuzyjnym. Od stosunku ilości powietrza pierwotnego i wtórnego zależą takie wielkości, jak: długość, kształt i świecenie płomienia. W skrajnym przypadku, gdy całkowita ilość powietrze do spalania jest doprowadzana jako powietrze pierwotne, palnik nosi nazwa kinetycznego. W drugim skrajnym przypadku, gdy gaz palny i całkowita ilość powietrza do spalanie doprowadzane są oddzielnie, palnik nosi nazwę dyfuzyjnego. Przy stosowaniu palnika dyfuzyjnego, możliwe jest podgrzewanie substratów przed spalaniem. 7 STANOWISKO POMIAROWE I OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ Do wyznaczenia rozkładu temperatury w płomieniu należy zestawić stanowisko przedstawione na rys.6. Po zapaleniu palnika, należy ustawić przepływy gazu i powietrza. Odczytać wartość strumienia objętościowego gazu i powietrza. Wykonać za pomocą termoelementu pomiary temperatury w osi płomienia w pionie oraz w wybranych płaszczyznach poziomych. Pomiary wykonać dla płomienia kinetycznego i dyfuzyjnego. Wyniki zestawić tabeli pomiarowej. Wykonać odpowiednie wykresy. Próbka spalin Płomień GAZ Podziałka Regulator ciśnienia Powietrze Termoelement Uchwyt palnika Regulator ciśnienia Manometr U - rurka Termometr U - rurka Palnik Termometr Licznik powietrza Gazomierz Rys. 6. Stanowisko do wyznaczania rozkładu temperatur w płomieniu ZAGADNIENIA DO OPRACOWANIA a) b) c) d) Charakterystyka płomienia kinetycznego i dyfuzyjnego. Stabilność płomienia. Budowa i zasada działania palnika gazowego. Budowa stanowiska pomiarowego i metodyka badań. Literatura: 1. Kotlewski F.: Pomiary w technice cieplnej, WNT, Warszawa 1972. 2. Kulesza J.: Pomiary cieplne, WNT, Warszawa 1993. 3. Petela R.: Paliwa i ich spalanie – cz. I - Paliwa, Skrypt Politechniki Śląskiej, Gliwice 1978. 4. Petela R.: Paliwa i ich spalanie – cz. IV - Palniki, Skrypt Politechniki Śląskiej, Gliwice 1983. 5. Spalanie i paliwa: praca zbiorowa pod red. Włodzimierza Kordylewskiego, Wydaw. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1993. 6. Wójcicki S.: Spalanie, WNT, Warszawa 1969. 8 Tabele pomiarowe Temperatura, °C Rodzaj płomienia Odległość od wylotu palnika (pomiary w osi płomienia – w pionie), cm 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 dyfuzyjny kinetyczny Rodzaj płomienia Temperatura, °C Odległość od osi płomienia (pomiary w płaszczyźnie poziomej w odległości od wylotu palnika ........cm), cm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 dyfuzyjny kinetyczny APARAT SMUGOWY. Najprostszą metodą wizualizacji spalania jest bezpośrednia fotografia płomienia. Większość płomieni silnie świeci i trudności związane z fotograficzną rejestracją obrazów płomieni pojawiają się dopiero przy analizie zjawisk szybkozmiennych, kiedy własne promieniowanie płomienia jest niewystarczające do naświetlenia kliszy. W tym wypadku można posłużyć się jedną z trzech metod wizualizacji niejednorodności ośrodków gazowych opartych na współdziałaniu promieniowania z obcych źródeł z badanym ośrodkiem. Do metod tych zalicza się: - metodę cieniową, - metodę smugową, - metodę interferencji. U ich podstaw leży zasada: zmiany gęstości prześwietlonego ośrodka prowadzą do lokalnych zmian bezwzględnej wartości współczynnika załamania światła, co z kolei wpływa na rozchodzenie się promieni świetlnych. Za pomocą odpowiedniego układu optycznego oddziaływanie to wywołuje zmiany oświetlenia badanego obiektu na ekranie. Metoda cieniowa i smugowa przeznaczone są do wyznaczania małych zmian współczynnika załamania przezroczystych środowisk. Obie te metody różnią się tym, że z pewnym przybliżeniem metoda smugowa daje możliwość określenia pierwszej pochodnej a metoda cieniowa drugiej pochodnej współczynnika załamania światła. Z tego powodu metoda cieniowa wykorzystywana jest w tych przypadkach, gdzie występują szybkie zmiany współczynnika załamania. 9 Metoda cieniowa. Metoda cieniowa polega na obserwacji współczynnika załamania światła w ośrodku pod wpływem zmian gęstości, w odpowiednio skierowanym strumieniu świetlnym. Lokalne zmiany współczynnika załamania światła można zaobserwować wewnątrz badanego obszaru, zarówno wskutek występowania w tym obszarze różnych substancji, jak i wskutek zmian gęstości tej samej substancji, spowodowanych lokalnymi różnicami temperatury i ciśnienia. W przypadku, gdy w badanym obszarze jest gaz, współczynnik załamania można powiązać z gęstością, wystarczająco dokładnym wzorem: n −1 = K ⋅ ρ gdzie: n – współczynnik załamania światła, K – stała, określona dla danego gazu i danej długości fali świetlnej, ρ – gęstość. Schemat ustawienia aparatu cieniowego pokazano na rys. 1. Rys.1. Schemat ustawienia aparatu cieniowego (układ lustrzankowy) Źródło światła S przez soczewkę F odwzorowane zostaje na szczelinie aparatu cieniowego Sz. Światło wychodzące ze szczeliny kierowane jest za pomocą zwierciadła płaskiego P’ na zwierciadło wklęsłe W’ i po odbiciu od niego tworzy wiązkę równoległą. Wiązka ta przechodzi przez komorę obserwacyjną i trafia na drugie zwierciadło wklęsłe W”, skąd skierowane jest na zwierciadło płaskie P”, odbijając się od którego, tworzy wiązkę zbieżną. W punkcie zbieżności, będącym obrazem szczeliny umieszczony jest nóż N odcinający połowę światła padającego dalej przez układ obiektywów do kamery filmowej (lub na ekran). W rezultacie tego otrzymuje się jednorodne pole o słabym oświetleniu. Jeżeli w obszarze badawczym jest jednorodny ośrodek, to kamera (ekran) zostaje oświetlony równomiernie, jeżeli istnieje jednak gradient 10 współczynnika załamania światła, normalny do promieni świetlnych, to ulegają one odchyleniu. Zastosowanie metody cieniowej ma na celu pokazanie rozkładu i formy obszaru zmian gęstości pojawiających się w strumieniach szybkobieżnych i w przypadkach mieszania się substancji lub swobodnej i wymuszonej konwekcji. Zasada działania aparatu cieniowego. Zasadę działania przedstawiono na rys. 2. Rys.2. Zasada działania aparatu cieniowego Światło szczeliny S o regulowanej szerokości znajdującej się w ognisku obiektywu L1, przechodzi przez przestrzeń pomiarową, następnie jest ogniskowana przez obiektyw L2 i pada na ekran E. Szczelina S jest zawsze równoległa do płaszczyzny ogniskowej obiektywu L2. Jeżeli gęstość ośrodka w przestrzeni pomiarowej zmienia się tylko w kierunku przepływu niezakłóconego to dρ/dx>0 i zwrot osi „x” pokrywa się ze zwrotem wektora prędkości przepływu niezakłóconego. Promień świetlny po przejściu przez taki obszar zostanie odchylony o kąt θ w stronę osi „x”. Promień ten przecina płaszczyznę ogniskową obiektywu L2 w odległości δ=f(θ) od osi optycznej układu. Jeżeli w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu L2 znajduje się nóż optyczny N, którego krawędź jest równoległa do szczeliny S i odległa o δ od osi optycznej, to wszystkie promienie świetlne, które zostały odchylone w stronę noża N o kąt większy od θ= δ/f zostaną przez nóż N zatrzymane. Na ekranie powstaną zaciemnione obszary odpowiadające tym powierzchniom w przestrzeni pomiarowej, które odchylają promienie świetlne o kąt większy od kąta θ. Nóż N ustawia się w taki sposób, aby zakryć część nieodgiętego strumienia światła ze źródła S, w rezultacie czego na ekranie otrzymuje się jednorodne pole z osłabionym oświetleniem. 11