KALORIKUS GÉPEK MÉRÉSEI. - Schlieren, lángterjedési sebesség mérés- ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM KALORIKUS GÉPEK MÉRÉSEI - Schlieren, lángterjedési sebesség mérés- ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK 1

2 TÜZELÉSTECHNIKA Az égés levegőszükséglete Az égés elméleti levegőszükséglete elemi, tökéletes égési reakciók összességeként írja fel egy tüzelőanyag égését. Ezeket az egyenleteket sztöchiometriai egyenleteknek nevezik. Például a metán (CH 4 ) sztöchiometriai egyenlete a következő: CH O 2 + N 2 CO H 2O + 2 N Fontos megjegyezni, hogy nem oxigénnel, hanem levegővel égetünk, így a levegő N2 tartalmát is figyelembe kell venni. Az egyenletben anyagmennyiség szerepel (mól), ugyanakkor feltételezve, hogy a kiinduló anyagok és reakció termékek azonos nyomáson és hőmérsékleten vannak jelen a rendszerben ezek az arányok térfogat arányt is jelentenek. Az egyenletből kiszámítható, hogy egységnyi mennyiségű tüzelőanyaghoz mennyi levegőre van szükség. Ez a kifejezés az elméleti levegőszükséglet. Értéke az előző példa alapján (O 2 és N 2 együtt): 3 79 m levegő L 0 = = m tü.a. Az elméleti levegőszükséglet felhasználásával bevezethető a légfelesleg tényező, ami azt mutatja meg, hogy az elméletileg szükségeshez képest mennyi levegőt juttattunk az égéshez: L λ = L 0 λ - Légfelesleg tényező L - Égéshez vezetett levegő mennyisége [m 3 ], [m 3 /s] L 0 - Elméleti levegőszükséglet [m 3 ], [m 3 /s] λ > 1 esetén a keverék az elméletileg szükségesnél több levegőt tartalmaz (tüzelőanyagban szegény), λ < 1 esetén pedig kevesebbet (tüzelőanyagban dús). A légfelesleg tényező a tüzeléstechnikában az egyik legalapvetőbb és egyben legfontosabb fogalom. Az égés jellemzőit (lángterjedési sebesség, károsanyag képződés) a légfelesleg tényező függvényében szokás megadni. A lángterjedési sebesség légfelesleg függésére mutat példát a következő ábra: 1. ábra - Földgáz lángterjedési sebessége a légfelesleg függvényében 2

3 Gáznemű égési formák felosztása A gáznemű anyagok égését két alapvető csoportba sorolhatjuk: 1, előkevert lángok (premixed flames) a tüzelőanyag és oxigén összekeverve éri el a reakciózónát. Ha az áramlás nem turbulens erre az égésfajtára vékony reakciózóna (lángfront) jellemző. 2, 2. ábra Bunsen láng diffúziós lángok (non premixed, diffusion flames) a tüzelőanyagot és oxigént különkülön vezetjük a reakciózóna közelébe. A keveredés diffúzió és turbulencia útján jön létre. 3. ábra - A gyertya lángja tipikus diffúziós láng [5] Előkevert láng szerkezete Az előkeveredési zónához közeledve a keverék előmelegszik, majd a reakciózónát elérve hőmérséklete hirtelen megnő. A hőmérséklet és a tüzelőanyag ill. oxigén koncentráció alakulásának jellegét mutatja a következő ábra: 4. ábra Előkevert láng felépítése, hőmérséklet és reakciósebesség eloszlás 3

4 SCHLIEREN TECHNIKA A Schlieren jelenség Schlieren jelenség alatt optikai inhomogenitásokon áthaladó fénysugarak irányváltozását értjük. Az optikai inhomogenitás önmagában tág fogalom, kialakulhat szilárd testeknél pl.: felületi egyenetlenségeknek köszönhetően, vagy gáznemű közegeknél pl.: a sűrűség rohamos változása esetén. Az optikai inhomogenitásokban közös, hogy a rajtuk való áthaladás során az eltérülő fénysugarak miatt a képtorzulás alakul ki. Az 5. ábrán látható esetben egy autó tetején kialakult termikus határréteg okozza a Schlieren jelenséget, ami a háttérben látható rács párhuzamos vonalait eltorzítja. A jelenség összetett, de némely esetben jól leírható törvényszerűségek szerint megy végbe, ezért a Schlieren módszerek fizikai jelenségek megmutatására és számszerűsítésére is alkalmasak (kvalitatív és kvantitatív felhasználás). 5. ábra - Termikus határréteg autó tetején [3] Bunsen lángok vizsgálata schlieren technikával A schlieren felvételek eltérnek a hagyományos színes fotóktól, ugyanis ezeken a felvételeken az optikai inhomogenitásokon áthaladó fénysugár eltérülései figyelhetők meg. Az optikai inhomogenitás esetén a közeg törésmutatója (n) változik, mely függ a fény hullámhosszától (λ), a környezeti állapottól: hőmérséklettől és nyomástól (T,p) és a közeg összetételétől, vagyis az alkotóelemek koncentrációjától (ρ i ). n = n ( λ, T, p, ρ ) i földgáz biogáz producer gáz szintézis gáz anaerob pirolízis gáz földgáz biogáz producer gáz szintézis gáz anaerob pirolízis gáz 5. ábra: Különböző Bunsen lángokról készült Schlieren felvételek. 4

5 A lángok belső kúpja a Schlieren felvételeken jól látható, mivel a törésmutató a lángfrontnál jelentősen megváltozik (5. ábra). A jól elkülönülő, éles határvonalú belső kúp segítségével meghatározható a lángterjedési sebesség. Feltételezve, hogy a belső lángfront alakja kúpos (nem forgási paraboloid) a lángterjedési sebesség az 6. ábra szerint határozható meg. 6. ábra: Áramlási és lángterjedési sebesség egyensúlya stabil lángban (belső kúp). Ekkor ugyanis felírható a lángterjedési sebesség (Λ [m/s]) és az áramlási sebesség ( v [m/s]) lángfrontra merőleges komponensének egyensúlya a fél-kúpszög (α ) segítségével. Λ = v sin ( α ) 5

6 A tanszéki Schlieren berendezés A tanszéki Schlieren berendezés vázlata a 7. ábrán látható. A fényforrás higanygőz lámpa, a rés és a kés pozíciója precízen állítható. A Schlieren objektívek átmérője 80 mm, ez a vizsgálható térrész méretének felső korlátja. 1 - Fényforrás 2 - Kondenzor 3 - Rés 4,6 - Schlieren objektívek 5 - Vizsgálandó tárgy 7 - Blende 8 - Fotó objektív 9 - Vetítő objektív 10 - Mattüveg/vetítés helye 11 - Eltérítő tükör 12 - Leképező objektív 13 - Mattüveg/kés pozíciójának ellenőrzése 7. ábra - A tanszéki Schlieren berendezés vázlata (Schlieren Aufnahmegerät 80) 6

7 LÁNGCSÖVES LÁNGTERJEDÉSI SEBESSÉG MÉRÉS Homogén gáz levegő keverékben a kísérleti tapasztalatok szerint a láng terjedési sebessége több tényező függvénye: nyomás, hőmérséklet és a gáz és levegő térfogataránya. Adott hőmérsékleten és nyomáson az égés gáz levegő keverékben csak egy meghatározott alsó és felső keverékarány között lehetséges. Ezen határok között a lángterjedési sebesség maximummal rendelkező görbe szerint változik. Az így meghatározható alsó- és felső gyulladási koncentráció határ biztonságtechnikai szempontból is fontos jellemző. Egy térben az alsó gyulladási koncentráció határ alatt, annak kb. 1/10-részét szokták megengedni. Ha az éghető gáz koncentrációja ezt meghaladja, robbanás veszély állhat elő. Megfelelő készülékben különböző, mérhető összetételű gázkeverékek állíthatók elő. A gázkeverékkel egy függőleges helyzetű, alul teljesen nyitott üvegcsövet feltöltve, villamos szikrával meggyújtható a keverék. A gyújtás helyétől a lángfront a csőben egy megjelölt távolságot fut be, aminek idejét méréssel meghatározva a lángterjedési sebessége a gáz levegő keverékben kiszámítható. A terjedési sebességet a gáz-levegő elegy összetétele függvényében ábrázolhatjuk. Lángterjedési sebesség vizsgálata Egy felülzárt, alul nyitott csövet ismert éghető gáz levegő keverékkel feltöltünk, majd villamos szikrával meggyújtunk. A gyújtás helyétől kiindulva egy vékony lángfront jön létre, amely végig halad a csövön egészen a teljes kiégésig. A lángfront egy t időpontban való helyzetét, valamint a lángfront előtt és után kialakult hőmérséklet és nyomás viszonyokat a 8. ábra szemlélteti. Λ - Lángterjedési sebesség w - A visszaáramló égéstermék sebessége t k - Kezdeti hőmérséklet t - Visszaáramló égéstermék hőmérséklet t p r - A lángfront előtti reagens zónában kialakult nyomás p - A lángfront utáni nyomás t c - Koncentráció (gáz levegő keverékarány) g t gyull Gyulladási hőmérséklet t max A lángfrontban lévő hőmérséklet p A lángfront előtti és utáni nyomáskülönbség 8. ábra Lángfront helyzete, a lángfront előtt és után kialakult hőmérséklet és nyomás viszonyok 7

8 A láng terjedési sebessége egy gáz fajtájánál a kezdeti hőmérséklettől, a nyomástól és gáz levegő arányától függ; Λ = f (c g, p, t k ) A csőben álló gáz levegő elegyben a keletkező égéstermék visszafelé áramlik. A visszaáramló égéstermék sebességét döntően a lángfront hőmérséklete határozza meg; w = f (t max ) A 8. ábrán jól nyomon követhető adott t időpillanatban az égéstermék zóna és a reagens zóna közötti hőtranszport folyamat a hőmérséklet gradiens következtében. A hideg keverék a gyulladási hőmérsékletig felmelegszik. Az égőképes keverék gyulladása után hőfejlődés indul meg, ami további hőmérsékletemelkedést eredményez. A magas hőmérséklet felől az előmelegítést is a hőfejlődés biztosítja. A reagens zónában a nyomás /p r / nagyobb, mint a termékzónában /p t /, mert a fajtérfogat növekedés miatt létrejövő áramlás gyorsítását ez a nyomáskülönbség biztosítja. p > r p t w Λ = v t v r v r - Reagens közeg fajtérfogata v t - Az égéstermék fajtérfogata Az egyenletet rendezve: v t w = Λ v r A fal kioltó hatása A normál lángterjedési sebesség sík lángfront esetén egyértelmű mennyiség. A görbült lángfront esetén a nyomáskülönbség hatására szekunder áramlás alakul ki. A kísérlet során ez jól megfigyelhető: A gyújtás helyétől kiinduló lángfront jellegzetes medúza alakot vesz fel. Ez a lángfront alak a cső fala mentén, a kioltási távolságon belül kialakuló áramlás következménye. A fal melletti visszaáramlás egy tórusz gyűrű menti örvény kialakulását okozza ( 9. ábra ) 9. ábra A fal mellett kialakuló áramlás A láng terjedési sebessége Különböző koncentrációk esetén a mért futási idők és futási távolság ismeretében számított sebesség alapján a láng terjedési sebessége a koncentráció függvényében ábrázolható. A 8

9 jelleggörbéje egy másod, vagy harmadfokú polinommal közelíthető (10. ábra). A jelleggörbe három meghatározó alapponttal rendelkezik / c g, min, c g, 0, c g, max /. Ahol: c g,min - c g,0 - c g,max - Alsó gyulladási határérték. A keverékben sok a levegő és kevés a gáz, ez az érték alatt gyulladás nem jöhet létre. A görbe maximuma. Ismert gáz fajtára az értéke sztöchiometrikus egyenlettel meghatározható /tökéletes égés/. Felső gyulladási határérték. A keverékben kevés az éghető, nagy a légfelesleg tényező, ez az érték felett gyulladás nem jöhet létre. 10. ábra A láng terjedési sebessége A bevitt gyulladási energia meghatározza az alsó és felső határértéket /c g,min, c g,max /. A láng terjedési sebessége állandó hőmérséklet (t), illetve nyomás (p) mellett, változó nyomás és hőmérséklet esetét a 11. ábra szemlélteti. 11. ábra Láng terjedési sebessége állandó hőmérséklet és változó nyomás mellett illetve állandó nyomás és változó hőmérséklet mellett 9

10 A lángterjedési sebesség mérő berendezés felépítése és kezelése A tanszéki lángterjedési sebesség mérő berendezés elvi felépítése a 12. ábrán látható. Ezen az ábrán követhető nyomon különböző gáz levegő elegy összetételénél a láng terjedési sebességének mérése. A rendszer gáz ellátása hálózati vezetékes gáz útján történik, míg a levegő ellátását egy ventilátor biztosítja. Mind a gáz, mind a levegő egy meghatározott mennyiségének szállítása egy keverőtéren keresztül történik az elégetésre és a keverék elegy sebességének mérésére szolgáló üvegcsőbe. A gáz és a levegő útja a keverőtérig megegyezik. Külön külön gázórával mérjük a eltérő koncentráció értékek beállításához szükséges mennyiségeket, majd egy kézi vezérlésű mágnesszelepeken keresztül juttatjuk a keverőtérbe. Itt jön létre a keverékképzés. A másik lehetőség a mennyiségek beállítására az azonos kialakítású furattárcsák alkalmazása, amelyek az osztókörön különböző átmérőjű furatokkal rendelkeznek. A két tárcsával azonos nyomáson, eltérő furatátmérőkkel, azonos áramlási idő esetén a térfogatáramot lehet változtatni. A furat átmérők arányából számítható a gáz levegő aránya ( G/ L). A keverőtérből a beállított gáz levegő elegy az ábrán látható módon feltölti a mindkét végén zárt üvegcsövet. Az üvegcső alsó zárófedele egy visszagyulladásgátló betéthez kapcsolódik. Ennek kettős szerepe van. Egyrészt az égés során a visszagyulladást akadályozza meg, másrészt a mérőcső beállított koncentrációjú keverékkel való feltöltődését is jelzi. A visszagyulladásgátló betét is telítődik az éghető eleggyel, amit a végén elhelyezett gyújtóláng meggyújt. A mérésre szolgáló üvegcsőben az égőképes keveréket egy kézi vezérlésű gyújtó elektródával gyújtjuk meg. A üvegcső alján és a végén két ionizációs detektor található, amelyek érzékelik a lángfront kialakulását, és a lángfront futásának befejezését. A két ionizációs érzékelő alternatív kapcsolóként egy relén keresztül indítja, illetve leállítja az elektromos stoppert a mérés során 10

11 1 - Nyomásszabályzó 2 - Gázóra (levegő) 3 - Gázóra (földgáz) 4 - Nyomáskülönbség mérő 5 - Mágnes szelep 6 - Furattárcsás áramlás szabályzó 7 - Keverőtér 8 - Visszaégés gátló / kontrolégő 9 - Gyújtóláng 10 - Stopper 11 - Jelfeldolgozó és stopper vezérlő 12 - Lefuvató szelep 13 - Nyomás ellenörző U cső 14 - Gyújtóelektróda 15 - Lángcső 16 - Lángfont érzékelő ionizációs detektor 17 - Töltés kapcsoló 12. ábra - A tanszéki lángterjedési sebesség mérő berendezés elvi felépítése A mérés menete A mérés során állandó gázmennyiség mellett a levegő mennyiségét változtatva állítjuk be a különböző keverékarányokat a furattárcsák segítségével. 1. Zárjuk a mérőcső alsó záró fedelét, majd a gáz és levegő oldali furattárcsát a legkisebb furatállásba állítjuk. Ezt követően nyitjuk a mágnesszelepeket. Megkezdődik a keverőtéren keresztül a mérőcsőnek a beállított keverék eleggyel való feltöltése. A cső teljes feltöltését a visszagyulladás gátló betét tetején megjelenő kis láng jelzi. Ezt követően zárjuk a mágnesszelepeket, nyitjuk a mérőcső alsó záró fedelét, és kézi vezérlés útján gyújtó szikrával meggyújtjuk mérőcsőben lévő keverék elegyet. Ha nem jött létre égés, akkor a keverék elegy az alsó gyulladási határérték alatt van. Ebben az esetben zárjuk a mérőcső alsó záró fedelét, a levegő rendszer furattárcsáját másik állásba helyezzük (csökkentjük a levegő mennyiségét ), és nyitjuk a mágnesszelepeket. Újra töltjük a mérő rendszert. A feltöltés után ismételjük meg a fentiekben már ismertetett lépés sort mindaddig amíg el nem érjük az alsó gyulladási határértékét. 2. Az alsó gyulladási határérték elérése után létre jön az égés, kialakul a lángfront, az ionizációs kör ezt érzékeli, és elindítja az elektromos stoppert. A lángfront a csőben ismert távolság megtétele után érzékeli az ott elhelyezett másik ionizációs kör és leállítja a stoppert. A mért idő és a lángfront által befutott távolság ismeretében a lángfront sebessége számítható. 11

12 3. Az mérést mindaddig folytatjuk változó levegő mennyiség hozzákeverésével, amíg el nem érjük a felső gyulladási határértéket. 4. A mérési sorozat végén a különböző gáz levegő arányoknál mért futási sebesség ismeretében számítható a lángterjedési sebessége, valamint ábrázolható az ismert futási távolság ismeretében a lángterjedési sebesség - koncentráció függvény Felkészülést segítő kérdések Tüzeléstechnika 1, Mi jellemző az előkevert égésre? Vázolja fel egy előkevert, lamináris láng szerkezetét! 2, Milyen megfontolás alapján számítható a lángterjedési sebesség? 3, Milyen egyenletek a sztöchiometriai egyenletek? Mit fejeznek ki ezek az egyenletek? 4, Mi az elméleti levegőszükséglet? 5, Mi a légfelesleg tényező? Schlieren 1, Mi a Schlieren jelenség? 2, Adott gáz milyen jellemzőitől függ a törésmutató? Lángterjedési sebesség mérés 1, Lángterjedési sebességet meghatározó paraméterek? 2, Visszaáramló égéstermék sebességét meghatározó paraméterek? 3, A lángterjedési sebesség jelleggörbéje? 4, A lángterjedési sebesség görbét meghatározó határértékek? 5, A lángterjedési sebességet hogyan befolyásolja a p, t változása (rajz)? HIVATKOZÁSOK [1] GARY S. SETTLES: Schlieren and Shadowgraph Imaging in the Great Outdoors, Proceedings of PSFVIP- 2, Honolulu, USA, May 16-19, [2] [3] [4] [5] 12