INśYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA 24, 2 5 (24) ARKADIUSZ DYJAKON PLAZMOWY ZAPŁON ROZPYLONYCH PALIW CIEKŁYCH Politechnika Wrocławska, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów, ul. Wyb. Wyspiańskiego 27, 5-37 Wrocław W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych przeprowadzonych w skali laboratoryjnej skuteczności plazmowego zapłonu paliw ciekłych. Badano wpływ jakości rozpylania oraz współczynnika nadmiaru powietrza na skuteczność zapłonu paliwa ciekłego. Wskazano na zalety takiego rozwiązania systemu zapłonowego w palnikach olejowych oraz jego moŝliwości aplikacyjne. The results of the laboratory studies of the effectiveness of the plasma ignition of the liquid fuels are presented in the paper. The influence of spraying quality and air stoichiometric ratio on ignition efficiency is investigated. The advantages of this kind of solution of the plasma system in the oil burners and its application possibilities are indicated, as well. 1. WPROWADZENIE Wyładowania elektryczne mają ogromne zastosowanie w wielu dziedzinach techniki, w których występuje spalanie. Do najwaŝniejszych urządzeń technicznych, w których zapłon pełni waŝną rolę, moŝna zaliczyć: tłokowe silniki spalinowe, turbiny gazowe i palniki. WaŜnym parametrem zapłonu i propagacji płomienia jest rodzaj i energia zapłonu, której wartość zaleŝy przede wszystkim od rodzaju paliwa, właściwości mieszanki palnej i aerodynamiki przepływu (turbulencji oraz prędkości przepływu) [1]. Istotny dla powtarzalności zapłonu i szybkości propagacji płomienia jest równieŝ rodzaj układu zapłonowego [2]. Obecnie stosowane powszechnie zapalarki iskrowe lub gazowe do palników olejowych w kotłach energetycznych cechuje niepewność zapłonu [3], co prowadzi do zagroŝenia wybuchowego i strat finansowych. Alternatywą do tego typu urządzeń zapłonowych mogą być zapalarki plazmowe, które odznaczają się większą energią zapłonu i nie wymagają dodatkowego paliwa (gazu).
2 A. DYJAKON 2. MECHANIZM ZAPŁONU ROZPYLONEGO PALIWA CIEKŁEGO RozwaŜając mechanizm zapłonu plazmowego paliw ciekłych warto odnieść się do teorii zapłonu mieszanin heterogenicznych Ballala i Lefebvre [4]. Charakterystyczną cechą rozpylonych paliw ciekłych jest faza parowania kropel, która poprzedza spalanie [1, 5]. Faza parowania jest dominująca, przy niej faza spalania jest bardzo szybka. Proces zapłonu wyjaśnia się w teorii Ballala i Lefebvre w ten sposób, Ŝe wyładowanie elektryczne tworzy sferyczną objętość o bardzo wysokiej temperaturze, która ekspanduje. Krople przylegające do tej objętości parują tworząc mieszankę powietrznoparową, która ulega zapłonowi. Tworzy się kulisty front płomienia, który propaguje w kierunku świeŝej mieszanki (Rys. 1). Płomień Odparowanie paliwa Kropla r k Utleniacz Produkty spalania r f Paliwo Utleniacz Rys. 1.Schemat spalania kropli oleju Fig. 1.Scheme of combustion of oildrop Głównymi czynnikami wpływającymi na proces plazmowego zapłonu rozpylonych paliw ciekłych są szybkie parowanie kropel pod wpływem temperatury oraz rozkład termiczny węglowodorów w strumieniu plazmy. W wyniku pirolizy następuje rozpad cięŝszych węglowodorów na frakcje lŝejsze [6]: C H + O CO + H O (1) n m 2 C n H m + H CH 4 + H 2 (2) Wydzielające się lŝejsze frakcje lotne w procesie pirolizy cięŝkich paliw ciekłych [7], dzięki niŝszej temperaturze zapłonu i gazowej postaci, łatwiej ulegają zapaleniu. W rezultacie dochodzi do wydzielania intensywnego ciepła i propagacji płomienia olejowego. Innymi czynnikami mogącymi mieć wpływ na zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej są zachodzące w plazmie procesy dysocjacji i jonizacji [8 9], które zaleŝą głównie od temperatury (równanie Saha) [1]. Koncentracja nośników (zwłaszcza elektronów) w plazmie, w zaleŝności od jej parametrów, moŝe wynosić 1 14 1 17 cm -3 [11].
Plazmowy zapłon rozpylonych paliw ciekłych 3 3. PLAZMA NIETERMICZNA WYSOKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI Plazma jest to stan gazu, w którym występują elektrony swobodne i jony, przy czym ich liczba jest taka sama, jest uwaŝana za czwarty stan materii [11]. Nietermiczną plazmę najlepiej wytwarzać wykorzystując wyładowanie elektryczne, na przykład łukowo jarzeniowe (Rys. 2), które ma miejsce w plazmotronie z łukiem ślizgającym się wzdłuŝ elektrod pod wpływem wymuszonego przepływu gazu i sił elektrodynamicznych. Wytworzona w ten sposób plazma wypełnia znaczną część przestrzeni komór wyładowczych, a reakcje chemiczne zachodzą w duŝej objętości [12]. DIODA ZABEZPIECZJĄCA ~25mH REZYSTOR REGULACYJNY ŁUK KATODA ANODA ŹRÓDŁO WYSOKIEGO NAPIĘCIA -5 kv, -1 A ŹRÓDŁO PODSTAWOWE -8 V, - A Gaz (Powietrze) Rys. 2.Schemat zapalarki plazmowej z łukiem ślizgającym [13] Fig. 2.Scheme of plasma igniter with gliding arc Zasada działania plazmotronu z łukiem ślizgającym się polega na tym, Ŝe wyładowanie elektryczne powstaje w miejscu, w którym odległość między elektrodami jest najmniejsza. Z powodu szybkiego przepływu gazu roboczego następuje przesuwanie się kolumny łukowej wzdłuŝ rozszerzających się elektrod. Wyładowanie ślizga się, aŝ do miejsca, w którym następuje jego zerwanie. Towarzyszy temu wzrost długości i objętości kolumny wyładowania. W wyniku kilkukrotnego wzrostu długości kolumny łukowej, w stosunku do długości łuku w strefie zapłonu, doprowadzona energia elektryczna nie jest w stanie zrównowaŝyć strat ciepła, wskutek czego następuje obniŝenie temperatury ośrodka gazowego wewnątrz kolumny i zerwanie łuku. Po zgaśnięciu łuku w tej strefie, wyładowanie odbudowuje się ponownie w strefie zapłonu i rozpoczyna się następny cykl pracy plazmotronu. Czas trwania jednego cyklu zaleŝy od wymiaru i kształtu elektrod, prędkości przepływu, temperatury i rodzaju gazu. W miejscu zapłonu wyładowanie jest typu łukowego, ale przemieszczając się wzdłuŝ elektrod, pod wpływem duŝej prędkości przepływającego gazu, przybiera charakter wyładowania zbliŝonego do jarzeniowego. Do zasilania tego typu plazmotronów moŝna wykorzystać zasilacz wysokonapięciowy wysokiej częstotliwości. W łuku ślizgającym około 8 9 % energii jest wyzwalane w fazie nierównowagi termodynamicznej [12].
4 A. DYJAKON 4. STANOWISKO POMIAROWE I PROCEDURA BADAWCZA W skład stanowiska (Rys. 3) wchodził palnik olejowy RGR firmy Riello Burners (2), który był zamocowany osiowo w komorze spalania (3). Do komory spalania wprowadzono dodatkowo zapalarkę plazmową (1), której celem było doprowadzenie do zapłonu mieszanki paliwowo powietrznej. Zapalarka (zamocowana około 1 cm przed dyszą palnika) była zasilana energią elektryczną z zasilacza wysokonapięciowego wysokiej częstotliwości (4) i dodatkowym strumieniem powietrza ze spręŝarki (5) wprowadzanym do zapalarki w celu poprawy jej działania (wypychania łuku elektrycznego). 4 2 7 1 3 1 5 8 Olej 9 6 11 GA Rys. 3.Schemat stanowiska badawczego: Fig. 3.Laboratory test bed Strumień powietrza do zapalarki kontrolowano rotametrem (1). Palnik za pośrednictwem pompy, poprzez filtr oleju (8), zasilany był olejem lekkim ze zbiornika (9) umieszczonego na wadze (6). Ciśnienie oleju do palnika było kontrolowane za pomocą dodatkowego manometru (7) zainstalowanego w palniku olejowym. Do kontroli współczynnika nadmiaru powietrza podczas procesu zapłonu i spalania paliwa ciekłego wykorzystano analizator spalin GA- (11). Badania nad plazmowym zapłonem paliw ciekłych prowadzono w ten sposób, Ŝe do komory spalania za pomocą palnika olejowego z wybraną dyszą wprowadzano rozpyloną mieszankę paliwowo powietrzną o określonych parametrach (ciśnienie rozpylania, strumień powietrza, kąt rozpylania). Następnie po uruchomieniu palnika, dla wywołania zapłonu, uruchamiano zapalarkę plazmową, w wyniku czego powstawała plazma, która była wprowadzana w strumień rozpylonej mieszanki i powodowała jej zapłon. Moc plazmy i strumień przepływającego powietrza (5 l/h) były kontrolowane w sposób ciągły.
Plazmowy zapłon rozpylonych paliw ciekłych 5 5. WYNIKI POMIARÓW W celu zbadania wpływu ciśnienia rozpylania oraz współczynnika nadmiaru powietrza na skuteczność plazmowego zapłonu paliwa ciekłego, zmieniano jego ciśnienie rozpylania w zakresie 8-14 bar oraz współczynnik nadmiaru powietrza zmieniając nastawę powietrza w palniku (Rys. 4). a) dysza 45 o W EN 1 8 2 8 bar 1 bar 12 bar 14 bar b) dysza o B EN 1 8 2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 8 bar 1 bar 12 bar 14 bar c) dysza o W EN 1 8 2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 8 bar 1 bar 12 bar 14 bar 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 Rys. 4.Wpływ stechiometrii na skuteczność zapłonu plazmowego (N el = 1, kw) Fig. 4.Influence of stoichiometry on the plasma ignition efficiency (N el = 1, kw)
6 A. DYJAKON Dla potwierdzenia większej skuteczności plazmowego zapłonu paliwa ciekłego w porównaniu z iskrowym układem zapłonowym przeprowadzono pomiary efektywności zapłonu tych układów w zaleŝności od współczynnika nadmiaru powietrza. Do badań uŝyto trzech dysz olejowych, ciśnienie rozpylania 14 bar. a) dysza 45 o W EN 1 8 2 iskrowy plazmowy N el = 1,5 kw b) dysza o B EN 1 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 8 2 iskrowy plazmowy N el = 1,5 kw c) dysza o W EN 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 1 8 2 iskrowy plazmowy N el = 1,5 kw 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 Rys. 5.Porównianie skuteczności zapłonu układu iskrowego i plazmowego (ciśnienie rozpylania 14 bar) Fig. 5.Comparison of spark and plasma ignition efficiency (spraying pressure 14 bar)
Plazmowy zapłon rozpylonych paliw ciekłych 7 Z przedstawionych wyników (Rys. 4) moŝna wnioskować, Ŝe wzrost ciśnienia rozpylania (w badanym zakresie ciśnień) korzystnie wpływa na skuteczność plazmowego zapłonu paliwa ciekłego. Fakt ten moŝna tłumaczyć zwiększeniem stopnia i jakości rozpylania paliwa ciekłego (lepsze rozdrobnienie kropel), co prowadzi do zwiększenia pola powierzchni reakcji z utleniaczem i w rezultacie przyspieszenia procesu odparowania paliwa i zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej. Z kolei zwiększenie współczynnika nadmiaru powietrza (λ >> 1) przyczynia się do zmniejszenia efektywności zapłonu plazmowego, co związane jest z rozcieńczeniem mieszanki paliwowo-powietrznej (mieszanka uboga) i większym wychłodzeniem generowanego płomienia. Dodatkowo zwiększają się prędkości przepływu mieszanki palnej, co równieŝ pogarsza warunki zapłonu w okolicy jej źródła zapłonu (zapalarki plazmowej) i uniemoŝliwia propagację płomienia [14].Uzyskane wyniki mają zbliŝony charakter dla wszystkich trzech dysz uŝytych podczas badań laboratoryjnych. Z porównania wyników (Rys. 5) dla dwóch układów zapłonowych (plazmowego i iskrowego) wynika, Ŝe plazmowy zapłon paliw ciekłych jest moŝliwy dla uboŝszej mieszanki paliwowo-powietrznej. Wynika to głównie z większej koncentracji energii cieplnej w wyładowaniu łukowo-jarzeniowym oraz większej objętości plazmy generowanej w zapalarce. W rezultacie warunki procesu inicjacji spalania i propagacji płomienia, w odniesieniu do iskrowego układu zapłonowego, ulegają znacznej poprawie, co przekłada się na większą efektywność zapłonu za pomocą plazmy. WNIOSKI Jednym ze sposobów poprawy skuteczności zapłonu paliw ciekłych moŝe być zastosowanie zapalarek plazmowych. Zaletami zapalarek plazmowych jest zwiększenie pewności zapłonu rozpylonych paliw ciekłych przez moŝliwość regulacji parametrów wyładowania łukowego oraz moŝliwość powtarzania wyładowania z zadaną częstotliwością, aŝ do spowodowania zapłonu. WaŜną zaletą zapalarek plazmowych jest równieŝ zmniejszenie emisji zakłóceń elektromagnetycznych w porównaniu z iskrowymi urządzeniami zapłonowymi, poniewaŝ napięcie zapłonowe ma charakter sinusoidalny. Inne zalety zapalarki plazmowej to pewność działania i trwałość elektrod. Źródłem energii dla plazmowego układu zapłonowego jest elektroniczny zasilacz wysokonapięciowy wysokiej częstotliwości, który jest nowym rozwiązaniem technicznym i cechuje się wysoką sprawnością przetwarzania energii. Wyniki przeprowadzonych badań przeprowadzonych w skali laboratoryjnej prowadzą do następujących wniosków końcowych: Plazma generowana w wyładowaniu łukowo-jarzeniowym (łukiem ślizgającym się) jest silnym i pewnym źródłem zapłonu paliw ciekłych, a skuteczność ich zapłonu za pomocą zapalarki plazmowej jest znacznie wyŝsza od wysokonapięciowego układu iskrowego.
8 A. DYJAKON Zapalarka plazmowa pozwala na zapłon mieszanek bardziej ubogich i w trudniejszych warunkach pracy (mniejsza koncentracja paliwa, większe prędkości przepływu). Wzrost ciśnienia rozpylania (w badanym zakresie ciśnień i dla uŝytych dysz) korzystnie wpływa na skuteczność plazmowego zapłonu paliwa ciekłego, co wynika głównie ze zwiększenia stopnia i jakości rozpylania paliwa ciekłego. Zapalarka plazmowa moŝe być alternatywnym źródłem zapłonu paliw ciekłych w palnikach olejowych. PIŚMIENNICTWO CYTOWANE - REFERENCES [1] JAROSIŃSKI J., Techniki Czystego Spalania, Warszawa, WNT, 1996. [2] WOLAŃSKI P. i inni, Problemy spalania w silnikach spalinowych, Warszawa, Ekspertyza PAN, 2. [3] KARCZ H., SIKORSKI W., Wpływ rodzaju stabilizatora na skuteczność zapłonu i jakość spalania paliw płynnych, Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna, Politechnika Opolska, Opole, 22, 341. [4] LEFEBVRE A.H., Gas turbine combustion, New York, Hemisphere Publishing Corporation, 1983. [5] KOWALEWICZ A., Podstawy procesów spalania, Warszawa, WNT, 2. [6] TADA S. and others, Experiment on removing hydrocarbon by using RF oxygen or hydrogen plasma, Vacuum, 1999, 53, 321. [7] BROMBERG L. RABINOVICH A., ALEXEEV N., COHN D.R., Plasma reforming of diesel fuel, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 2139, PSFC/JA-99-4, 1999. [8] SZCZENIOWSKI Sz., Fizyka doświadczalna-elektryczność i magnetyzm, Warszawa, PWN, 1966. [9] DAUTOV G. Ju., DZJUBA V.L., KARP I.N., Plazmotrony so stabilizirovannymi električeskimi dugami, Kiev, Naukova Dumka, 1984. [1]WÓJCICKI S., Spalanie, Warszawa, WNT, 1969. [11]CELIŃSKI Z., Plazma, Warszawa, PWN, 198. [12]STRYCZEWSKA H.D., Elektromagnetyczny układ zasilania reaktorów plazmowych ze ślizgającym się wyładowaniem łukowym, Lublin, Wydawnictwa Uczelniane, 1998. [13]KAMIŃSKA-BENMECHERNENE A., Wytwarzanie i modelowanie plazmy w plazmotronach łukowych, Poznań, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 1998. [14]WILLIAMS F.A., Combustion Theory, The Benjamin, Menlo Park, 1985. ARKADIUSZ DYJAKON PLASMA IGNITION OF SPRAYED LIQUID FUELS The aim of the work was: analysis of the interaction of plasma on liquid fuel, examination of the influence of spraying pressure and air-oil mixture stoichiometry on the effectiveness of ignition of liquid fuel by plasma torch. The comparison of ignition efficiency of plasma igniter and traditional spark igniter installed in the oil burner was also performed. The research confirmed the wider range of operation of plasma ignition system in the oil burner. Plasma igniter can be an alternative source of ignition and is able to eliminate others ignition systems from hard oil burners. Wpłynęło (nie wpisywać) 24r.