BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM
KALORIKUS GÉPEK MÉRÉSEI - Schlieren, lángterjedési sebesség mérés-
ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK
1
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 (CH4) sztöchiometriai egyenlete a következő: 79 79 CH 4 + 2 ⋅ O 2 + ⋅ N 2 ⇒ CO 2 + 2 ⋅ H 2 O + 2 ⋅ N 2 21 21 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 (O2 és N2együtt): m 3 levegő 79 L0 = 2 + 2 ⋅ = 9.524 3 21 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= L0 λ L L0
-
Légfelesleg tényező Égéshez vezetett levegő mennyisége [m3], [m3/s] Elméleti levegőszükséglet [m3], [m3/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
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. ábra – Bunsen láng 2,
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
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 (ρi). 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
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
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 2 3 4,6 5 7 8 9 10 11 12 13
-
Fényforrás Kondenzor Rés Schlieren objektívek Vizsgálandó tárgy Blende Fotó objektív Vetítő objektív Mattüveg/vetítés helye Eltérítő tükör Leképező objektív Mattüveg/kés pozíciójának ellenőrzése 7. ábra - A tanszéki Schlieren berendezés vázlata (Schlieren – Aufnahmegerät 80)
6
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 w tk
-
Lángterjedési sebesség A visszaáramló égéstermék sebessége Kezdeti hőmérséklet
tt pr
-
Visszaáramló égéstermék hőmérséklet
-
A lángfront előtti reagens zónában kialakult nyomás A lángfront utáni nyomás Koncentráció (gáz – levegő keverékarány)
pt
cg
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
A láng terjedési sebessége egy gáz fajtájánál a kezdeti hőmérséklettől, a nyomástól és gáz – levegő arányától függ; Λ = f (cg, p, tk) A csőben álló gáz –levegő elegyben a keletkező égéstermék visszafelé áramlik. A visszaáramló égéstermék sebességét döntően a lángfront hőmérséklete határozza meg; w = f (tmax) 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 /pr/ nagyobb, mint a termékzónában /pt/, mert a fajtérfogat növekedés miatt létrejövő áramlás gyorsítását ez a nyomáskülönbség biztosítja. pr > pt w vt vr vt
= -
Λ vr Reagens közeg fajtérfogata Az égéstermék fajtérfogata
Az egyenletet rendezve: v w=Λ t vr
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
jelleggörbéje egy másod, vagy harmadfokú polinommal közelíthető (10. ábra). A jelleggörbe három meghatározó alapponttal rendelkezik / cg , min , cg , 0 , cg , max /.
Ahol: cg,min
-
cg,0
-
cg,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 /cg,min, cg,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
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
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
-
Nyomásszabályzó Gázóra (levegő) Gázóra (földgáz) Nyomáskülönbség mérő Mágnes szelep Furattárcsás áramlás szabályzó Keverőtér Visszaégés gátló / kontrolégő Gyújtóláng Stopper Jelfeldolgozó és stopper vezérlő Lefuvató szelep Nyomás ellenörző „U” cső Gyújtóelektróda Lángcső Lángfont érzékelő ionizációs detektor 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
3. 4.
Az mérést mindaddig folytatjuk változó levegő mennyiség hozzákeverésével, amíg el nem érjük a felső gyulladási határértéket. 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 PSFVIP2, Honolulu, USA, May 16-19, 1999 http://www.mne.psu.edu/psgdl/psfvip2.pap.copyrightedimages.pdf [2] http://www.la.dlr.de/ra/sart/projects/lfbb/colorschlieren.jpg [3] http://ttm.tugraz.at/img/research/metrology/schlier.gif [4] http://courses.ncssm.edu/hsi/ss/schlieren/images/803_43.jpg [5] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7d/Candleburning.jpg
12
