Gázok gyulladási határkoncentrációinak és lángterjedési sebességének vizsgálata

Átírás

1 Gázok gyulladási határkoncentrációinak és lángterjedési sebességének vizsgálata Az égési folyamatot a gyulladás előzi meg. Ez a folyamat gáz és levegő éghető keverékének exoterm, lassú oxidációja. A gyulladás alatt az éghető keverékben észlelhető mértékű reakció folyik le, melynek következtében létrejövő hőmérsékletemelkedés hatására a reakciósebesség hirtelen megnő, a keverék meggyullad, az égés elkezdődik. A gyulladásnak megfelelő hőmérséklet és megfelelő gáz-levegő koncentráció feltételei vannak, a keletkező láng tovaterjedését pedig sebessége jellemzi. Ezek ismerete a gázok szállításánál, felhasználásánál, tűz- és robbanásvédelménél elengedhetetlen. Alapfogalmak Éghető gázból és levegőből (oxigénből) álló keverék gyújtásának koncentrációhatárai azok a koncentrációértékek, amelyek behatárolják a lehetséges gyújtás tartományát. A tartományt alsó és felső értékek határolják be. A gyulladás alsó koncentráció határa olyan éghető koncentráció, amely felett a keverék már meggyulladhat, alatta azonban még nem. Tehát az alsó gyulladási határ az olyan levegőéghető gáz összetételt jelöli, amelyben az éghető gáz mennyisége már elegendő a gyulladáshoz. A gyulladás felső határa annál a koncentrációnál van, ahol az éghető gáz részesedése a levegőben elérte azt a határt, amelynél a gyulás lehetősége megszűnik. A két értékhatár között van a gyulladási tartomány, ahol kellő hőmérséklet mellett, a gyulladás bevezetése után az égés magától lejátszódik. A gyulladás tartományában vannak az optimális koncentráció értékek, amelyek a legkedvezőbb levegő-gáz keveréket jelentik az égéshez. A gyulladás koncentráció határai nem jelentik azt, hogy ezeken kívül egyáltalán nem lehet az éghető keveréket elégetni. Pl. izzó fallal vagy izzó égéstermékkel érintkezve, a gyulladás tartományán kívül eső egyes keverékek is eléghetnek, de a láng nem terjed tovább. Az éghető keverék gyújtási koncentrációhatárait több tényező befolyásolja: nyomás, hőmérséklet, szennyezőanyagok, inert-tartalom, a gyújtóforrás milyensége stb. A nyomás csökkenésével szűkül a gyújtás intervalluma és egy minimális nyomás elérése után gyújtás nem lehetséges. Inert komponens növekedése az éghető keverékben a felső gyulladási határt csökkenti, tehát részarányának növekedésével a gyulladási tartomány leszűkül. Gáz-levegő keverékek alsó és felső gyulladási határát a komponensekre jellemző koncentrációértékek ismeretében közelítve számolhatjuk. A gyulladás határértékeit egyes gázokra gyakran %(V/V)-ban szokás megadni. Néhány jellemző gázfajtára vonatkozó gyulladási határkoncentráció értékeket láthatunk az 1. táblázatban. 1

2 1. táblázat Éghető gázok gyulladási határai levegőben, atmoszferikus nyomáson, 20 C-on Gázfajta alsó Gyulladási határ %(V/V) felső Metán CH4 5,0 15,0 Etán C2H6 3,0 14,0 Propán C3H8 2,1 9,5 Bután C4H10 1,5 8,5 Acetilén C2H2 2,3 82,0 Etilén C2H4 3,0 33,3 Propilén C3H6 2,2 9,7 Butilén C4H8 1,7 9,0 Hidrogén H2 4,1 75,0 Szén-monoxid CO 12,5 75,0 Kén-hidrogén H2S 4,3 45,5 A gázok égését jellemző, másik említett paraméter a normál lángterjedési sebesség (égési sebesség), melyen az éghető keverékben a lángnak a lángfront felületre merőleges irányú tovaterjedési sebességét értjük, homogén gáz-levegő keverék lamináris áramlása esetén. A normál lángterjedési sebesség egyértelműen fizikakémiai jellemző, melynek számszerű ismerete fontos a gázégők stabil üzemeltetése szempontjából. Értéke függ: a tüzelőanyag kémiai tulajdonságától, a gáz-levegő összetételétől, a hőmérséklettől és a nyomástól. A normál lángterjedési sebesség nem additív meghatározható tulajdonság. Ez azt jelenti, hogyha a gázkeverékek komponenseire vonatkozó lángterjedési sebesség értékeket ismerjük, abból általában nem határoz ható meg reálisan az eredő lángterjedési sebesség. Csak egyes kivételes esetekben, pl. rokon vegyületek keverékére, mint a metán sor tagjaira irható fel az additivitási összefüggés. Amennyiben tehát egy gáz energiahordozóban nem rokon komponensek is vannak, pl. a metán sor tagjai mellett CO és H2 is, úgy a lángterjedési sebesség reális értéke csak mérés útján határozható meg. A lángterjedési sebesség nagy jelentőséggel bír a fűtőgázok gyakorlati felhasználásánál a láng stabilitása vonatkozásában. Az égőből kiáramló gáz és levegő, illetőleg ezek keverékének sebességét a lángterjedési sebesség alapján kell megállapítani. Az áramlási és a lángterjedési sebesség szoros összefüggésben van. Túl nagy áramlási sebesség esetén a láng leszakad, túl kicsi esetén a gáz visszagyúl, azaz a láng behúzódik az égőbe, sőt a gázvezetékbe is. A két szélsőséges eset között meg kell találni az optimumot. A 2. táblázatban néhány jellemző gázfajtára vonatkozó lángterjedési sebesség értékeket láthatunk. 2

3 2. táblázat Éghető gázok égési sebességei levegőben, atmoszferikus nyomáson, 20 C-on Gázfajta Lángterjedési sebesség cm/sec Metán CH4 35 Etán C2H6 33 Propán C3H8 32 Bután C4H10 32 Acetilén C2H2 131 Hidrogén H2 267 Szén-monoxid CO 33 A vizsgálat elve Az éghető gázok lángterjedési sebességének kísérleti meghatározása sok kutatót foglalkoztatott, akik több féle elven kíséreltek meg fizikailag definiálható, reprodukálható értékeket nyerni egy-egy általuk kidolgozott módszerrel. Goy és Michelson gondolata volt, hogy a Bunsen-égő primer égési zónájának a felületéből határozzák meg az égés tovaterjedésének sebességét mivel az a kiáramló hideg gáz-levegő térfogat és az ellentétes irányú égési sebesség dinamikus egyensúlya által meghatározott. A Bunsen-égő torkolatában keletkező láng egy kettős lángkúp, képe az 1. ábra szerinti. 1. ábra. Bunsen-égő lángjának szerkezete A lángkúp belső magja kékes színű, tökéletlen égéstermék, CO2, H2, CO és H2O komponensekből áll, nagysága a kiáramló gáz és annak gyúlási sebessége közötti egyensúly szerint alakul. Ebben a zónában többé-kevésbé kis térben megy végbe az éghető gázok hasadása, szétesése és oxidációja. Lamináris áramlás esetében a láng magja teljesen nyugodt, és nem függ a határoló faltól, azaz a lángot körülvevő égési termékek burkától. Hengeres gázégő-cső esetén a kialakult jól definiálható lángkúp köpenyének felülete a geometriai kúptól ebben a tartományban alig tér el, tehát felírható a következő összefüggés: 3

4 ahol: V w= V A = V r π r 2 +h 2, cm/sec a gáz-levegő keverék kiáramló térfogata, cm 3 /sec; A az égési zóna felülete, cm 2 ; r h az égőcső sugara (d/2), cm; a lángkúp magassága, cm. Ezt a "dinamikus kúpmódszert" alkalmazta Dommer az általa kifejlesztett mérőberendezésnél. Ezzel minden gáz-levegő keverési arány esetében meghatározható a lángterjedés sebessége, a lényeg azonban a maximális sebesség és a hozzátartozó optimális keverési arány meghatározásán van. Egyidejűleg a gyulladási határok is mérhetők. A gáz és a levegő kiáramlási sebessége a vizsgálat során állandó, ugyancsak állandó az r égősugár, tehát a w égési sebesség a h lángkúpmagasság mérésével határozható meg. Lángterjedési sebesség és gyulladási határ mérő Dommer-féle készülék A UNION-6 B c gyártmányú Dommer-féle elven működő berendezés részletes rajzát az 2. ábra mutatja. A készülék fényképe a 3. ábrán látható. A berendezéssel kísérletileg meghatározható az éghető gáz-levegő keverék alsó és felső gyulladási határához és a maximális lángterjedési sebességhez tartozó koncentráció valamint a maximális lángterjedési sebesség. A mintegy 1000 mm magas és 400 mm széles, acéllemezből és csövekből felépített berendezés gáz, víz és elektromos csatlakozásokkal van ellátva. A gáz és az injektoros úton hozzá szívott levegő keverési arányának változtatása egy alulról felfelé szűkülő kúpos cső segítségével történik. Ebbe a kúpos csőbe áramlik be a vizsgálni kívánt gáz, a levegő pedig a kúpos cső és az azt körülvevő hengeres tartály palástja között helyezkedik el. A két cső a hengeres tartály alsó részében találkozik, a merülést a kifolyás szabályozónál a vízszintmagasság biztosítja. A vízállás a hengerrendszerben és ezzel a keverési arány az üveg leolvasó cső mérőskáláján követhető. Az ezen csúszó, állítható mutatók az égési sebességhez tartozó keverési arány rögzítésére szolgálnak. A láng megfigyelésére szolgáló szerkezet közvetlenül a láng tengelyébe tolható, tehát a kúpmagasság leolvasását nem terheli parallaxis hiba. Az égési sebesség skálája előtt mutató jelzi közvetlenül az értékeket cm/sec-ban, a gyökös kifejezés miatt nem lineáris skálán. Emellett egy lineáris osztású skála is van, amelyen a lángkúp magassága mérhető. A gázkeverék gyújtásához a szikrát gyújtógyertya biztosítja. 4

5 A 2. ábrán látható berendezés részei: 1 - vízbevezetés 2 - gázbevezetés 3 - tárcsa lángterjedési sebesség leolvasásához 4 - gázégő cső 5 - lángmagasság megfigyelő szerkezet 6, 7, 8 - vízcsapok 9, 10 - kalibrált vízkifolyók 11 - vízbeáramlás 12 - nyomáskiegyenlítő leágazás 13 - vízcsepegtető 15 - hűtővíz tömlő 16 - függőleges leolvasó cső 17 - merőskála 18 - víz túlfolyógát 19 - gázcsap 20 - gázégő cső 21 - belső kúpos cső 22 - hengeres rész 23 - vízkifolyás 24 víz fővezeték 25 vízvezető csőcsonk 26 - gyújtógyertya 27 - gyújtókamra 28, 29, 30 - állítható szintmutatók 5

6 2. ábra. Dommer-féle készülék gázok lángterjedési sebességének és gyulladási határainak vizsgálatára 6

7 3. ábra. A Dommer-féle készülék fényképe 7

8 A gyakorlat kivitelezése A vizsgálandó gáz (gázkeverék) várható gyulladási tartományának és maximális lángterjedési sebességének megfelelő keverőkúppal állítjuk össze a készüléket. Pl. földgáz vizsgálata esetén a teendők a következők: 53 mm alapátmérőjű keverő kúpot helyezünk be, így a hengeres cső és a keverő kúp nyílásszögének viszonya lehetővé teszi, hogy 2,5-17,5 %(V/V) gyulladási tartományon belül és 70 cm/sec lángterjedési sebességig mérjünk. Természetesen ez a kis (szűk) gyulladási intervallumú gázokra alkalmas (ilyen a földgáz is) a nagyobb intervallummal rendelkezőkhöz az 2. ábrán is látható 107 mm alapátmérőjű kúp szükséges. A kúp megválasztásával a megfelelő sugarú égő kiválasztása is velejár. A készüléken mérhető max. 160 cm/sec égési sebesség méréséhez 3 égőcső tartozik: r = 0,2 cm 160 cm/sec-ig, r = 0,3 cm 100 cm/sec-ig, r = 0,4 cm 70 cm/sec-ig Mindegyik égőcső átmérőhöz megfelelő lángterjedési sebesség skála tartozik. A gyakorlat menete: A készülék üzembe helyezése során megnyitjuk az 1 jelű helyre bekötött vízbevezetés csapját. Olyan térfogatáramot válasszunk, hogy a kalibrált 9 jelű vízkifolyó nyílást a vízsugár teljesen kitöltse, és amelynél a 18 jelű gáton a víz éppen átbukik, ezáltal a 10 jelű kifolyónál is valamennyi túlfolyó víz még folyjon ki. A 13-as cső végén a lángkúp magasság mérő híd hűtővízének csepegnie kell, ellenkező esetben az a későbbi begyújtáskor felizzik és károsodik. A készülék belsejét a túlfolyóig vízzel töltjük, a 6, 7, 8 jelű csapokat a leírt sorrendben elemzés állásba fordítva. Ekkor a 16 jelű mérőcsőben és a 21, 22 jelű csövekben felfelé áramlik a víz. A vízáramlás értéke illetve a beszívott gáz-levegő keverék pontosan meghatározott, V = 55 cm 3 /sec (leolvasható a 3 jelű tárcsa alatti számlapról). Megnyitjuk a 19 jelű gázcsapot. A begyújtott 20-as gázégő lángja mm-nél magasabb ne legyen, a lángnak a teljes mérés alatt végig égnie kell a maradék gáz lefáklyázására. A 8, 7, 6 jelű csapokat a leírt sorrendben a beszívás feliratú helyzetbe állítjuk, ennek következtében a készülék belsejéből leeresztjük a vizet. A víz a 23 jelű vízkifolyási helyen távozik, ezáltal a gáz és a levegő a készülék belsejébe szívódik a kifolyó víz helyére. A gáz a 21 jelű kúpos csőbe, a levegő a 22 jelű hengeres csőbe áramlik. Eközben a leolvasó csőben a víznívó eléri az alsó határt. Ekkor a csapokat 6, 7, 8 sorrendben az elemzés feliratú állásba fordítjuk, az újra a készülékbe áramló víz kiszorítja a gáz-levegő keveréket. A fokozatosan emelkedő vízszint által a gáz-levegő keverék a kúp nyílásszögének és a külső hengeres cső palástjának aktuális viszonya szerint állandóan változó aranyban áramlik ki a 4 jelű égőcsövön keresztül. A vízszint emelkedésének kezdetekor begyújtjuk a 4 jelű égőcsövön kiáramló gázkeveréket. A felső gyulladási határkoncentrációjának meghatározásához a kiáramló gáz-levegő keveréket megpróbáljuk begyújtani a 27 jelű gyújtókamrában a szikragyújtóval. A gyújtót 1-2 szekundumonként működtetve rövidebb- hosszabb idő után a keverék a szikra által csattanó hang kíséretében a kamrában berobban, az égőcsövön a láng kialszik. Ekkor az állítható helyzetű 30 jelű mutatót a mérőcsőben az adott pillanatban lévő víznívóhoz állítjuk. A mérőskálán ekkor a felső gyulladási határhoz tartozó gázkoncentráció olvasható le %(V/V)-ban. 8

9 A mérést folytatva újra begyújtjuk a 4 jelű fúvókán kiáramló keveréket és a 5 jelű lángmegfigyelő szerkezet lángmagasság mérő hűtött csövecskéjével követjük a lángkúp magasságcsökkenését (4. ábra / b). A lángnak az égő szájáról való leszakadásakor (amely a maximális, lángterjedési sebességnél van) a 29 mutatót a mérőcsőben az adott pillanatban lévő víznívóhoz állítjuk. A mérőcső skáláján ekkor a maximális lángterjedési sebességhez tartozó koncentráció olvasható le %(V/V)-ban, a 3 jelű görbevonalú tárcsához tartozó skálán pedig a lángterjedés sebessége látható közvetlenül cm/sec-ban. A lángterjedési sebesség számítással is meghatározható a lángmagasság skála alapján a fentebb ismertetett módon. A lángmagasság megfigyelő berendezés a lamináris gázlánggal a 4. ábrán látható. A képen jól megfigyelhető a lángkúp szerkezete. A mérés utolsó fázisában a szikragyújtó nyomógombjával 1-2 szekundumonként újra berobbantjuk a gázt a gyújtókamrában. Az ismételt robbanások csattanó hangja egyre gyengébb lesz, majd megszűnik. Ekkor a 28 jelű mutatót állítjuk a vízivóhoz. Itt olvasható le az alsó gyulladási határhoz tartozó gázkoncentráció százalékos értéke. Ezután a mérőcsőben a vizet a túlfolyóig engedjük emelkedni és a már leírt módon ismételhetjük a beszívást, majd az elemzést. Egy-egy gázfajtával két hibátlan mérést kell elvégezni egymás után. a) b) 4. ábra. Lángmagasság megfigyelő szerkezet 9

10 Irodalomjegyzék [1] A. V. Arszejev: Földgáztüzelés, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1967 [2] Szücs Ervin: A gáztüzelés alapjai, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1970 [3] UNION gyártmányú Dommer-féle lángterjedési sebesség mérő készülék gépkönyve [4] Dr. Farkas Ottóné: Kohászati kemencék (Laboratóriumi gyakorlatok), Tankönyvkiadó, Budapest, 1970 [5] Farkas Ottóné Dr.: Gáztüzelés laboratóriumi gyakorlatok, Tankönyvkiadó, Budapest,