W Spalanie. Spalanie węglowodorw. glowodorów Granice palności Palnik Zapłon punktowy tościowy. Termodynamika techniczna

Transkrypt

1 W12 83 węglowodorw glowodorów Granice palności Palnik Zapłon punktowy Zapłon objęto tościowy

2 jest utlenianiem paliwa. Najczęś ęściej tlen potrzeby do utleniania paliwa pobieramy z powietrza. Proces utleniania paliw chemicznych nie będących b pierwiastkami chemicznymi jest ciągiem złoŝonych z onych reakcji chemicznych.

3 Kolejność i rodzaj reakcji zachodzących cych podczas spalania zaleŝy y od wielu czynników, z których najwaŝniejszymi niejszymi są: s - parametry termodynamiczne procesu - skład chemiczny paliwa - zawartość tlenu w powietrzu - skład chemiczny gazów w zawartych w powietrzu - sposób b spalania

4 W przypadku spalania węglowodorw glowodorów w reakcje występuj pujące podczas spalania moŝna podzielić następuj pująco: - reakcje rozerwania łańcucha węglowodoruw - reakcje odwodornienia łańcucha i utleniania wodoru - reakcje utleniania węgla w do tlenku węglaw - reakcje utleniania tlenku węgla w do dwutlenku węgla

5 Reakcje te sąs głównie reakcjami; - 1 rzędu; A M + N - 2 rzędu; A + B M + N + R Reakcje wyŝszych rzędów, sąs mało prawdopodobne i nie maja wpływu na przebieg spalania.

6 węglowodorw glowodorów w jest ciągiem reakcji 1 rzędu i 2 rzędu (reakcja łańcuchowa). Reakcja rozerwania łańcucha węgla w dotyczy wszystkich węglowodorw glowodorów w z wyjątkiem metanu. Rozerwanie łańcuchów w otwartych zachodzi w niŝszej temperaturze niŝ łańcuchów zamkniętych (węglowodory pierścieniowe).

7 Ciąg g reakcji składaj adających się na proces utleniania moŝna podzielić na: - reakcje przedpłomieniowe - reakcje płomieniowep

8 Reakcje przedpłomieniowe sąs to reakcje, w których następuje częś ęściowy rozpad cząstki paliwa i częś ęściowe utlenienie niektórych fragmentów w cząstki paliwa bez pojawienia się płomienia. Reakcje przedpłomieniowe mogą zachodzi w stosunkowo niskich temperaturach

9 Płomień stanowią zjonizowane cząstki i atomy święcące ce w skutek rekombinacji elektronów. Pojawienie się płomienia oznacza temperaturę gazu powyŝej 1200 [ 0 C].

10 Przejście od reakcji przedpłomieniowych do reakcji płomieniowych p moŝe e być określone przy pomocy temperatury samozapłonu. onu. Temperatura samozapłonu onu jest to najniŝsza temperatura paliwa, przy której paliwo zapala się (reakcja płomieniowa) p bez udziału u otwartego płomienia. p

11 Rozrywanie łańcuchów w węglowodorw glowodorów w i ich odwodornienie limituje przebieg reakcji przedpłomieniowych, a przez to decyduje o temperaturze samozapłonu onu węglowodoru. w Krótsze łańcuchy węglowodorw glowodorów w wymagają do rozerwania wyŝszych temperatur. NajwyŜsz szą temperaturę samozapłonu onu dla węglowodorów w ma metan.

12 Po rozerwaniu łańcuchów w węglowodorw glowodorów w o przebiegu reakcji decyduje dostępno pność tlenu. Przy niedoborze tlenu reakcją uprzywilejowaną jest utlenianie wodoru. Przy wystarczającej cej ilości tlenu utlenianie wodoru i węgla w zachodzi równoczer wnocześnie, nie, przy czym utlenianie węgla w jest dwuetapowe.

13 Najpierw utleniany jest węgiel w do tlenku węgla, w a później p tlenek węgla w do dwutlenku węgla. w Reakcja utleniania węgla w do tlenku węgla wymaga wyŝszej temperatury, niŝ reakcja utleniania tlenku węgla w do dwutlenku węgla. w

14 Paliwa chemiczne spalane w powietrzu moŝna podzielić na: - paliwa spalające się na powierzchni (spalanie powierzchniowe) - paliwa spalające się w całej objęto tości (spalanie objęto tościowe)

15 na powierzchni paliwa zachodzi przy spalaniu paliw posiadających powierzchnię swobodną,, czyli paliw stałych tworzących bryły y i cieczy wypełniaj niających naczynie.

16 Podczas spalania paliwo stałe e lub ciekłe ulega podgrzaniu, co powoduje jego parowanie (dla ciała a stałego resublimację). Paliwa ciekłe e spalają się jako pary, a paliwa stałe e mogą spalać się jako pary. Para, jako stan lotny miesza się z powietrzem i spalanie par paliwa jest spalaniem objęto tościowym.

17 Paliwo ciekłe e rozpylone na krople o rozmiarach rzędu 0,05 [mm] wymieszane z powietrzem spalają się objęto tościowo. Ciało o stałe e rozdrobnione na odpowiednio małe e ziarna, rzędu 0,05 [mm], po wymieszaniu z powietrzem (rozpyleniu) takŝe e spalają się objęto tościowo.

18 Paliwo spalane objęto tościowo tworzy z powietrzem mieszankę paliwowo- powietrzną.. Mieszanki paliwowo- powietrzne tworzą: - gazy - ciecze po odparowaniu lub rozpyleniu - pyły y (ziarna o rozmiarach rzędu 0,05 [mm]) po rozpyleniu.

19 Parametrem określaj lającym moŝliwo liwość zapalenia paliwa jest: - dla ciał stałych spalanych w bryle i cieczy spalanych w zbiorniku temperatura zapłonu - dla mieszanek paliwowo-powietrznych powietrznych granice palności

20 Temperatura zapłonu jest to najniŝsza temperatura paliwa, przy której moŝna zapalić paliwo otwartym płomieniemp Temperatura zapłonu zaleŝy y od lotności paliwa

21 Paliwa ciekłe łatwiej parujące mają niŝsz szą temperaturę zapłonu. W przypadku paliw stałych o temperaturze zapłonu decyduje zawartość składnik adników łatwo ulegających sublimacji, czyli składnik adników w lotnych. Składnikami lotnymi paliw stałych nazywamy te składniki, które przechodzą w stan lotny przy podgrzaniu paliwa. Paliwa nie zawierające składnik adników w lotnych np.. koks mają najwyŝsze temperatury zapłonu

22 Granice palności określane sąs przy pomocy współczynnika nadmiaru powietrza λ. Współczynnik nadmiaru powietrza określa stosunek powietrza dostarczonego do spalania do powietrza potrzebnego do całkowitego spalenia paliwa

23 λ = m m powietrze dostarczone powietrze calkowite spalanie

24 Dla λ = 0 mieszanka paliwowo-powietrza powietrza nie zawiera powietrza i w związku zku z tym jest niepalna. Zwiększaj kszając c wartość współczynnika nadmiaru powietrza mieszanka paliwowo-powietrzna powietrzna zapali po uzyskaniu przez współczynnik nadmiaru powietrza pewnej wartości nazywanej górną granica palności λ g. Górna granica palności dotyczy mieszanek paliwowo-powietrznych powietrznych o namiarze paliwa, czyli mieszanek bogatych (w paliwo).

25 Dla λ = mieszanka paliwowo-powietrzna powietrzna nie zawiera paliwa i w związku zku z tym takŝe e jest niepalna. Zmniejszając c wartość współczynnika nadmiaru powietrza mieszanka paliwowo-powietrzna powietrzna zapali po uzyskaniu przez współczynnik nadmiaru powietrza pewnej wartości nazywanej dolną granicą palności λ d. Dolna granica palności dotyczy mieszanek paliwowo-powietrznych powietrznych o niedoborze paliwa, czyli mieszanek ubogich (w paliwo).

26 Mieszanka paliwowo-powietrzna powietrzna będzie b zapalna w granicach palności, czyli współczynnik nadmiaru powietrza będzie większy od dolej granicy palności i mniejszy od górnej g granicy palności. λ g < λ < λ d

27 Granice zapalności zaleŝą od wielu czynników w i najczęś ęściej mieszczą się w następuj pującym zakresie: - λ g = 0,25 0,4 - λ d = 1,3 1,8

28 Górna granica palności ma stosunkowo małą wartość i mieszanki bogate sąs łatwo zapalne. Dolna granica palności takŝe e ma stosunkowo małą wartość i mieszanki ubogie sąs trudno zapalne

29 Skład mieszanki paliwowo-powietrznej powietrznej moŝe być określony przez podanie zawartości paliwa w mieszance paliwowo-powietrznej. powietrznej. Udział objęto tościowy paliwa w mieszance paliwowo-powietrznej powietrznej określany jest symbolem r pal lub c. Udział objęto tościowy paliwa w mieszance paliwowo-powietrznej powietrznej jest udziałem objęto tościowym składnika mieszaniny gazów.

30 r pal = V V paliwo powietrze+ paliwo

31 Granice palności określone przy pomocy udziału u objęto tościowego udziału u paliwa w mieszance paliwowo-powietrznej powietrznej mieszczą się w następuj pującym zakresie - r g = 6% 15% - r d = 1% 5%

32 Granice palności nie mają dla danej mieszanki paliwowo-powietrznej powietrznej stałej wartości i zaleŝą od wielu czynników, a w szczególno lności od: - parametrów w termodynamicznych mieszanki paliwowo-powietrznej powietrznej - składu chemicznego mieszanki paliwowo-powietrznej powietrznej

33 E 1 E 2 E Q reakcja w lewo reakcja w prawo

34 Energia aktywacji jest to bariera energetyczna, jaką musi pokonać cząstka, aby mogła a zajść reakcja. Jeśli energia aktywacji reakcji egzotermicznej (reakcja w prawo, Q > 0) wynosi E 1, to produkty reakcji będąb posiadały y energię E 2 E 2 = E 1 + Q

35 Dla reakcji endotermicznej (reakcja w lewo, Q < 0) energia aktywacji wynosi E 2, a produkty reakcji będąb posiadały energię E 1 E 1 = E 2 Q

36 W skład mieszanki paliwowo-powietrznej powietrznej wchodzą gazy niepalne. Gazy niepalne mogą być gazami: - obojętnymi (nie wpływaj ywają na przebieg procesu spalania) - inhibitorami (utrudniają przejście spalania z fazy przedpłomieniowej do fazy płomieniowej)

37 Gazami obojętnymi są: s - azot N 2 - dwutlenek węgla w CO 2 - para wodna H 2 O

38 Inhibitory wywołuj ują reakcje endotermiczne. WyŜsza energia aktywacji obniŝa a szybkość zachodzenia i obniŝa a temperaturę produktów reakcji, co powoduje przerwania łańcucha reakcji przedpłomieniowych. Inhibitorami sąs związki zki metaloorganiczne, zwłaszcza metali cięŝ ęŝkich

39 ciągłe e moŝe e być opisane modelem palnika inŝektorowego. W palniku inŝektorowym strumień paliwa wypływaj ywający z dyszy z duŝą prędko dkością wytwarza podciśnienie. Podciśnienie strumienia paliwa zasysa powietrze do wnętrza strumienia paliwa i wywołuje mieszanie paliwa z powietrzem. Zasysane powietrze jest tzw. powietrzem pierwotnym i tworzy bogatą mieszankę paliwowo-powietrzna powietrzna o λ < 1.

40 Pozostałe e powietrze potrzebne do pełnego i całkowitego spalania tzw. powietrze wtórne wnika w obszar spalania z atmosfery otaczającej cej płomień.

41 paliwo powietrze pierwotne powietrze wtórne płomień

42 Praca palnika zaleŝy y od współczynnika nadmiaru powietrza określanego dla powietrza pierwotnego i prędko dkości dostarczania (natęŝ ęŝenia przepływu) paliwa do obszaru spalania. Parametrem równowar wnowaŝnym nym prędko dkości dostarczania paliwa do obszaru spalania jest jednostkowe obciąŝ ąŝenie cieplne przekroju poprzecznego płonienia p q F [W/m 2 ].

43 q F λ 4

44 Obszar stabilnego spalania ograniczony jest krzywymi: 1 krzywa tzw. Ŝółtych płomieni; p spalanie niepełne; ne; niedostatek tlenu w obszarze spalania 2 krzywa oderwania płomienia; p prędko dkość przepływu mieszanki paliwowo-powietrznej powietrznej większa od prędko dkości spalania 3 krzywa niezupełnego nego spalania; mechanizm pośredni między krzywymi 1 i 2 4 krzywa cofania płomienia; p zbyt mała a prędko dkość przepływu mieszanki paliwowo-powietrznej powietrznej 5 krzywa maksymalnego zassania powietrza; mieszanka uboga, niepalna.

45 Krzywe 2 i 4 ograniczają zakres stabilnego spalania ze względu na warunek równor wności prędko dkości spalania i prędko dkości przepływu mieszanki paliwowo-powietrznej. powietrznej.

46 Dla krzywej 2 płomiep omień jest zdmuchiwany, poniewaŝ w całym obszarze spalania prędko dkość przepływu mieszanki paliwowo- powietrznej jest większa od prędko dkości spalania. Zdmuchnięcie cie płomienia p moŝe e nastąpi pić w wyniku zwiększenia prędko dkości dostarczania paliwa, jak i wyniku zwiększenia prędko dkości pobierania powietrza.

47 Dla krzywej 4 płomiep omień się cofa, poniewaŝ w całym obszarze spalania prędko dkość przepływu mieszanki paliwowo-powietrznej powietrznej jest mniejsza od prędko dkości spalania.

48 Krzywe 1 i 5 ograniczają zakres stabilnego spalania ze względu na warunek palnego składu mieszanki paliwowo-powietrznej. powietrznej. Dla krzywej 1 mamy niepalna mieszankę bogatą,, a dla krzywej 5 mamy niepalna mieszankę ubogą.

49 Paliwa o większych prędko dkościach spalania sąs bardziej zagroŝone one cofnięciem ciem płomienia, p a paliwa o mniejszych prędko dkościach spalania sąs bardziej zagroŝone one oderwaniem płomienia.

50 kolektor z otworami płomieniowymi dyfuzor mieszalnika mieszalnik inŝektor dysza paliwowa

51 Zastosowanie otworów w płomieniowych p w kolektorze palnika zapobiega zjawisku cofania się płomienia. Przy prawidłowo dobranej średnicy i ilości otworów w płomieniowych p prędko dkość wypływu ywu płomienia p przez otwory płomieniowe p jest równa r prędko dkości spalania.

52 Wygaszanie płomienia p opisują dwa mechanizmy: - kinetyczny; spadek temperatury płomienia poniŝej 1200 [ 0 C] i spadek prędko dkości rozprzestrzeniania się płomienia poniŝej 5[cm/s] - hydrodynamiczny; rozciągni gnięcie płomienia

53 Szczególnym przypadkiem wygaszania płomienia jest wygaszanie na ściance. Ścianki komory spalania mają temperaturę znacznie niŝsz szą od temperatury płomienia. p Powoduje to silne odprowadzanie ciepła a od płomienia do ścianki. Minimalna odległość od ścianki, przy której moŝe e przemieszczać się płomień nazywamy odległości cią wygaszania.

54 Płomień moŝna wygasić przez oddziaływanie inhibitorów. Działanie anie inhibitorów w polega na wytwarzaniu gazów w neutralnych obniŝaj ających temperaturę płomienia i redukowaniu ilości rodników, co zwalnia reakcje chemiczne spalania.

55 Temperatura spalania węglowodorw glowodorów przy współczynniku nadmiaru powietrza zbliŝonym do jedności wynosi [K]. Dopuszczalna temperatura spalin wpływaj ywających na turbinę silnika turboodrzutowego wynosi [K].

56 T T dop λ 1 λ g λ=1 λ d λ 2 λ

57 ObniŜenie temperatury spalin zapewnia powietrze wtórne. Współczynnik nadmiaru powietrza dla powietrza pierwotnego jest zbliŝony do jedności. Całkowity współczynnik nadmiaru powietrza z uwzględnieniem powietrza wtórnego wynosi λ = 3,5 5.

58 Prędko dkość wypływu ywu powietrza ze spręŝ ęŝarki silnika turboodrzutowego wynosi [m/s]. SpręŜ ęŝarka silnika turboodrzutowego jest połą łączona z komorą spalania częś ęścią dyfuzorową zmniejszającą prędko dkość przepływu powietrza do wartości [m/s]. Strumień pierwotny wpływa do komory spalania przez zawirowywacz, który zmniejsza prędko dkość osiową powietrza do wartości [m/s].

59 w silnikach lotniczych zaleŝy od parametrów w lotu. Stabilne spalanie zaleŝy y od wysokości lotu i prędko dkości obrotowej turbiny. Wzrost wysokości lotu związany zany jest ze spadkiem gęstog stości powietrza, co wpływa na granice zapalności mieszanek paliwowo-powietrznych. powietrznych.

60 λ H zerwanie płomienia zerwanie płomienia spalanie stabilne

61 λ zerwanie płomienia spalanie stabilne zerwanie płomienia n

62

63

64

65

66 W dopalaczach i silnikach strumieniowych dopuszczalna temperatura wynosi [K]. W związku zku z tym strumień powietrza nie musi być dzielony na pierwotny wtórny. Współczynnik nadmiaru powietrza wynosi wówczas w wczas λ = 1 3.

67

68

69 Model spalania w silnikach wyporowych moŝna ograniczyć do spalania pojedynczej dawki paliwa. Proces spalania okresowego moŝna podzielić na trzy etapy: - zapłon (od rozpoczęcia cia spalania do pojawienia się płomienia) - spalanie właściwe w (od pojawienia się płomienia do objęcia płomieniem p całej komory spalania lub zakończenia dostarczania paliwa do komory spalania) - dopalanie

70 Przy spalaniu w silnikach wyporowych czynnikami decydującymi cymi o przebiegu spalania są: s - sposób b zapalenia paliwa - zmiana temperatury podczas spalania - dokładno adność wymieszania paliwa z powietrzem - dostępno pność tlenu podczas spalania.

71 Mieszanka paliwowo-powietrzna powietrzna moŝe być zapalona: - punktowo - objęto tościowo (wielopunktowo).

72 Przy zapłonie punktowym płomiep omień rozchodzi się od miejsca zapłonu po całej komorze spalania. Zapłon punktowy dotyczy silników w ZI i wymaga istnienia mieszanki paliwowo- powietrznej. Reakcje przedpłomieniowe nie mają istotnego znaczenia przy zapłonie punktowym.

73 Dla zapłonu punktowego istnieje minimalna masy mieszanki paliwowo-powietrznej powietrznej nazywana masą krytyczną,, do której naleŝy doprowadzić energię większa od energii zapłonu, aby nastąpi piło o pojawienie się płomienia. Płomień nie pojawi się,, jeśli masa mieszanki objęta zapłonem będzie b za mała a lub będzie b zbyt mała a energia doprowadzona do obszaru zapłonu w danych warunkach.

74 Przy zapłonie iskrowym iskrą elektryczną masę krytyczną moŝna określi lić przy pomocy odległości wygaszania l g. Odległość wygaszania określa minimalną odległość elektrod w świecy zapłonowej, przy której moŝliwy jest zapłon. Dla elektrody o średnicy 1 [mm] przy płaskim zakończeniu odległość wygaszania wynosi l g = 0,6 [mm].

75 Energia zapłonu dla stechiometrycznej mieszanki benzynowo-powietrznej jest rzędu 10-3 [J]. Energia wyładowania w świecy zapłonowej jest 100 razy większa (0,1 [J]).

76 Dla zapłonu elektrycznego przy l > l g energia zapłonu będzie b zaleŝała od - składu mieszanki paliwowo-powietrznej powietrznej dla składu stechiometrycznego minimalna energia zapłonu - temperatury dla t > 0 [ 0 C] wpływ nieznaczny; dla t < 0 [ 0 C] energia zapłonu rośnie przy spadku temperatury - zawartości tlenu w powietrzu energia zapłonu rośnie przy spadku zawartości tlenu - ciśnienia energia zapłonu rośnie przy spadku ciśnienia - prędko dkości przepływu (ruchu) mieszanki paliwowo-powietrznej powietrznej energia zapłonu rośnie przy zwiększeniu prędko dkości ruchu mieszanki paliwowo-powietrznej powietrznej

77 Zapłon objęto tościowy zaleŝy y od przebiegu reakcji przedpłomieniowych. Jeśli reakcje przedpłomieniowe przejdą w reakcje płomieniowe, p to proces ten zajdzie jednocześnie nie w wielu miejscach i wywoła zapłon objęto tościowy. Przejście do reakcji płomieniowych p będzie b samozapłonem onem mieszanki paliwowo- powietrznej.

78 Zapłon objęto tościowy dotyczy silników w ZS, w których paliwo mieszane jest z powietrzem w postaci kropli cieczy. Dla dobrze rozpylonego paliwa przy stechiometrycznym składzie mieszanki paliwowo-powietrznej powietrznej odległość między kroplami o średnicy 0,04 [mm] wynosi około 0,65 [mm]. Model pojedynczej parującej kropli w takim przypadku dobrze oddaje mechanizm samozapłonu. onu.

79 Na samozapłon on pojedynczej kropli paliwa wpływaj ywają następuj pujące procesy: - parowanie kropli - dyfuzja par paliwa (mieszanie par paliwa z powietrzem) - reakcje przedpłomieniowe.

80 T T p T sz(min) T k T sz T m T k temperatura kropli paliwa T m temperatura mieszanki paliwowo-powietrznej T sz temperatura samozapłonu T sz(min) minimalna temperatura Samozapłonu x odległość o powierzchni kropli x

81 Wzrost temperatury powietrza wywołuje następuj pujące zmiany wpływaj ywające na występowanie samozapłonu: onu: - wzrost temperatury paliwa (paliwo ogrzewa się od powietrza) - wzrost intensywności parowania (mieszanka palna znajduje się dalej od powierzchni kropli i zajmuje większy obszar) - minimalna temperatura samozapłonu onu obniŝa się (zmienia się przebieg reakcji przedpłomieniowych)

82 T T sz T p T sz(min) T k T m strefa samozapłonu x

83 Szczególnym przypadkiem samozapłonu onu jest zapłon od gorącej ścianki nazywany zapłonem Ŝarowym lub zapłonem powierzchniowy. Zapłon powierzchniowy posiada cechy pośrednie między zapłonem punktowym (iskrowym), a zapłonem objęto tościowym (samoczynnym).

84 Cechami charakterystycznymi zapłonu powierzchniowego są: s - intensywne dostarczanie ciepła a od ścianki do mieszanki paliwowo- powietrznej (podobieństwo do zapłonu punktowego) - wysokotemperaturowe reakcje przedpłomieniowe.

85 Nie chłodzone elementy konstrukcyjne komory spalania ułatwiaju atwiają uzyskanie zapłonu Ŝarowego. Katalityczne własnow asności powierzchni ścianki utrudniają występowanie zapłonu Ŝarowego.

86 Przyśpieszone katalitycznie reakcje przedpłomieniowe przebiegają w bardzo cienkiej warstwie przyściennej mieszanki paliwowo-powietrznej. powietrznej. Ciepło o wydzielone w tych reakcjach jest pochłaniane przez ściankę,, a powstałe produkty spalania oddzielają pozostałą mieszankę paliwowo-powietrzn powietrzną od ścianki. Pokrycie elektrod świecy zapłonowej platyna zapobiega zapłonowi Ŝarowemu do temperatury 1200 [ 0 C].