Univerza v Ljubljani

Fakulteta za strojništvo

Aškerčeva 6

1000 Ljubljana, Slovenija

telefon: 01 477 12 00

faks: 01 251 85 67

www.fs.uni-lj.si

e-mail: dekanat@fs.uni-lj.si

Katedra za energetsko strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

Difuzijsko in kinetično zgorevanje

tekočega naftnega plina

Laboratorijska vaja

Avtorja: Mitja Mori

Boštjan Drobnič

Ljubljana, oktober 2010

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 2 od 12

1. Namen vaje

je spoznati značilnosti različnih režimov zgorevanja in

razlike med difuzijskim in kinetičnim plamenom ter

določiti parametre opazovanega plamena.

2. Opis preizkuševališča

Preizkuševališče (slika 1) je sestavljeno iz

- gorilnika (1),

- merilnika pretoka zraka (2),

- merilnika pretoka plina (3),

- plinske bombe (4) in

- merilnega zaslona (5).

Za preizkus uporabljamo tekoči naftni plin (nadalje TNP),

ki je zmes propana (C3H8) in butana (C4H10).

3. Teoretične osnove – splošna klasifikacija plamena

Zgorevanje delimo glede na način dovoda primarnega zraka do goriva. Pri zgorevanju v atmosferi,

kjer gorivo in zrak nista vnaprej pomešana, najprej nastopi mešanje goriva z zrakom in nastajanje

gorljive zmesi, sledi vžig in na koncu zgorevanje. Hitrost celotnega zgorevalnega procesa je v tem

primeru predvsem odvisna od hitrosti nastajanja gorljive zmesi, ta pa od hitrosti dostopanja

(difuzije) zraka do goriva. Hitrost zgorevanja omejuje najpočasnejši proces – difuzija, zato takšen

plamen imenujemo difuzijski plamen (slika 2). Če pa sta gorivo in zrak predhodno pomešana, je

hitrost zgorevanja odvisna le od hitrosti termokemijskih reakcij – kinetike, zato takšen plamen

imenujemo kinetični plamen (slika 2).

Slika 1: Preizkuševališče

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 3 od 12

Slika 2: a) difuzijski plamen, b) kinetični plamen

Tako difuzijski kot kinetični plamen je lahko, odvisno od lastnosti vrtinčenja, laminaren ali

turbulenten (slika 3). Za ovrednotenje ali je plamen laminaren ali turbulenten se kot merilo

uporablja mejno Reynoldsovo število (slika 4).

Slika 3: a) laminaren plamen, b) turbulenten plamen

Fakulteta za strojništvo

Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekoč

Slika 4: Mejne vrednosti Reynoldsovih števil za plinasta goriva.

Vrste plamena lahko delimo tudi glede na za

zgorevanja. Pri tem ločimo homogen

komponente v istem agregatnem stanju (zgorevanje kapljevitih in plinastih goriv), heterogen pa,

so agregatna stanja različna (zgorevanje trdnih goriv).

3.1. Lastnosti difuzijskega plamena

plamena

Pri difuzijskem plamenu gorivo ni že vnaprej pomešano s kisikom (

kisik za gorenje iz okoliškega zraka. Višina difuzijskega plamena je odvisna od:

- hitrosti iztekanja plina w0, m/s;

- premera odprtine gorilnika d0, m;

- koeficienta difuzije D (posledica neenakosti koncentracije v masnem toku plina), m

- konstante laminarnega plamena

Višino laminarnega difuzijskega plamena izra

Koeficient difuzije izračunamo po ena

kjer so

m = 1,7 (za ogljikovodike);

T0 = 273,15 K;

p0 = 1,01325 bar;

pok, Tok – tlak in temperatura okolice;

D0 – koeficient difuzije pri normalnih pogojih

Laboratorij za termoenergetiko

no zgorevanje tekočega naftnega plina

Slika 4: Mejne vrednosti Reynoldsovih števil za plinasta goriva.

Vrste plamena lahko delimo tudi glede na začetno agregatno stanje komponent, ki vstopajo v proces

homogen ali heterogen plamen. Homogen je v primeru, ko so

komponente v istem agregatnem stanju (zgorevanje kapljevitih in plinastih goriv), heterogen pa,

na (zgorevanje trdnih goriv).

Lastnosti difuzijskega plamena – vpliv hitrosti iztekanja goriva na dol

Pri difuzijskem plamenu gorivo ni že vnaprej pomešano s kisikom (λ = 0), ampak dobiva potreben

kisik za gorenje iz okoliškega zraka. Višina difuzijskega plamena je odvisna od:

, m/s;

, m;

(posledica neenakosti koncentracije v masnem toku plina), m

konstante laminarnega plamena KL;

difuzijskega plamena izračunamo po enačbi

D

dwKL LLd

200

,⋅

⋅=

unamo po enačbi

⋅=

ok

mok

p

p

T

TDD

0

0

0 ·

tlak in temperatura okolice;

koeficient difuzije pri normalnih pogojih

Laboratorij za termoenergetiko

Stran: 4 od 12

Slika 4: Mejne vrednosti Reynoldsovih števil za plinasta goriva.

etno agregatno stanje komponent, ki vstopajo v proces

. Homogen je v primeru, ko so

komponente v istem agregatnem stanju (zgorevanje kapljevitih in plinastih goriv), heterogen pa, če

vpliv hitrosti iztekanja goriva na dolžino

0), ampak dobiva potreben

kisik za gorenje iz okoliškega zraka. Višina difuzijskega plamena je odvisna od:

(posledica neenakosti koncentracije v masnem toku plina), m2/s;

(1).

,

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 5 od 12

Koeficient difuzije pri normalnih pogojih

iztačunamo z izrazom

( )

Bvv

MMAD

zrTNP

zrTNP −+

+

⋅=2

330

11

Molska masa zmesi plinov:

1

1

−

=

= ∑

N

j j

j

M

wM

Za zmes propan-butan:

( ) PPBP

BPTNP

MMMw

MMM

+−=

wP – masni delež propana (diagram)

Molski volumen (pri normalnih pogojih):

ρ

Mv =

Gostota zmesi propan-butan:

ρTNP = wP ρP + wB ρB

Konstante za izračun:

Difuzivnost pri normalnih pogojih (velja za

ogljikovodike):

A = 2,7·10-3

B = 2·10-6

Molske mase:

butan: MB = 58,120 kg/kmol

propan: MP = 44,094 kg/kmol

zrak: Mzr = 28,9627 kg/kmol

Normalne gostote:

butan: ρB = 2,708 kg/m3

propan: ρP = 2,011 kg/m3

zrak: ρzr = 1,2928 kg/m3

Višino turbulentnega difuzijskega plamena pa izračunamo po enačbi

17,0

0

20

0, 20

⋅⋅⋅⋅=

dg

wKdL TTd (2),

w0 – hitrost iztekanja plina

d0 – premer gorilnika

KT – konstanta turbulentnega plamena.

3.2. Kinetični plamen – določanje hitrosti zgorevanja

Hitrost zgorevanja predstavlja hitrost s katero se ravna fronta plamena širi skozi pripravljeno zmes

goriva in zraka normalno na svojo površino. Hitrost zgorevanja je odvisna od sestave goriva,

temperature in tlaka, pretoka plina ter geometrije sistema. S povečevanjem temperature in

manjšanjem tlaka se hitrost zgorevanja veča.

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 6 od 12

Če obravnavamo gorilnik, ki predstavlja navadno cev, skozi katero laminarno teče zmes goriva in

zraka (λ < 1, pri kinetičnem plamenu je gorivu že vnaprej primešana določena količina kisika). V

tem primeru nastaja stacionaren plamen, ki sestoji iz notranjega modrega konusa in zunanje aure

(slika 5). Površina modrega konusa predstavlja stabilno področje zgorevanja (fronto plamena),

medtem ko okoliška aura predstavlja področje dogorevanja. Torej višek goriva iz zmesi prodre

skozi primarno fronto plamena in dogoreva s pomočjo sekundarnega (okoliškega) zraka.

Slika 5: Kinetični plamen.

Višina konusa je odvisna od pretoka in zmesi goriva: večji kot je pretok, višja je hitrost iztekanja in

višina konusa. Torej se površina plamena povečuje sorazmerno s povečevanjem pretoka goriva.

3.3. Določitev hitrosti zgorevanja po Gouy-u

Ta metoda temelji na predpostavki, da je hitrost zgorevanja

konstanta po celotni površini konusa. Hitrost zgorevanja wzg, je

normalna na fronto plamena (slika 6). V izračunu hitrosti

zgorevanja predpostavimo enakost volumenskih pretokov.

Odgovarjajoče formule so:

A0 w0 = As wzg (3),

00

wA

Aw

s

zg ⋅= (4),

22

0

00

k

zg

Lr

wrw

+

⋅= (5),

kjer je w0 srednja hitrost na izstopu iz gorilnika, A0 presek gorilnika, As površina fronte plamena

(notranjega modrega stožca), r0 polmer odprtine gorilnika in Lk višina kinetičnega plamena.

produkti zgorevanja

notranjistožec

zmes goriva in zraka

zunanjiobročproduktovzgorevanja

Slika 6: Hitrost zgorevanja.

d0

Lk

w0

wzg

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 7 od 12

4. Izvedba vaje

4.1. Difuzijski plamen

Določi vpliv hitrosti iztekanja TNP na višino

difuzijskega plamena. Uporabi nastavke za gorilnik

(slika 7) z odprtino premera 3, 2 in 1 mm, ki

zmanjšajo luknjo iztekanja plina iz gorilnika.

Odčitane višine zapiši v preglednico 1.1 (priloga) in

nariši ustrezen diagram (priloga), ki prikazuje vse

tri krivulje sočasno, v priložen koordinatni sistem.

Ker sta rotametra umerjena pri standardnih pogojih

(25 °C, 1,013 bar), je potrebno izvesti korekcijo

odčitanih volumenskih pretokov na rotametrih:

ρ

ρrefmerdej VV ⋅= && (6),

ρref – gostota referenčnega medija (zrak pri standardnih pogojih, 1,184 kg/m3)

ρ – gostota trenutno uporabljenega medija (zrak ali gorivo)

ok

ok

T

T

p

p 0

0

0ρρ = (7),

ρ0 – normalna gostota

T0 – normalna temperatura (273 K)

p0 – normalni tlak (1,01325 bar)

Tok – dejanska temperatura

pok – dejanski tlak

Enačba za izračun hitrosti iztekanja TNP plina:

0

0A

Vw

dej&

= (8).

Ko imamo izrisan diagram odvisnosti višine zgorevanja od hitrosti iztekanja plina določimo

približno mejo med laminarnim in turbulentnim plamenom in podamo ustrezen komentar. V skladu

z enačbami (1) in (2) za vsak nastavek (1, 2 in 3 mm) izračunamo konstanto laminarnega oziroma

turbulentnega difuzijskega plamena KL in KT, pri enem pretoku v turbulentnem in enem pretoku v

laminarnem režimu.

Slika 7: Nastavki za gorilnik.

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 8 od 12

4.1.1. Potek vaje

1. Prižgi gorilnik.

2. Dotok zraka (št. 2 na sliki 1) popolnoma zapri.

3. Na gorilnik položi nastavek d0 = 3 mm in nastavi pretok plina1 na 20 ml/min, ter s pomočjo

ravnila določi višino difuzijskega plamena2 in vrednost vpiši v tabelo.

4. Isto naredi še za pretoke 40, 60, 80, 100, 120, 200, 300 in 500 ml/min.

5. Nato ponovi točki 3 in 4 še za nastavek d0 = 2 mm in d0 = 1 mm.

6. Ko izvedeš vse potrebne meritve, s pomočjo diagrama 2 določi sestavo TNP. V ta namen odčitaj

temperaturo okolice (≅ temperatura TNP) in tlak plina v jeklenki.

7. Za vsako meritev izračunaj hitrost iztekanja TNP (upoštevaj korekcijo pretoka plina) in nariši

ustrezen diagram odvisnosti višine difuzijskega plamena od hitrosti iztekanja plina.

8. Nadalje za pretoka 20 ml/min (laminarni plamen) in 500 ml/min (turbulentni plamen) in za vse

tri nastavke izračunaj še pripadajoče konstante laminarnega in turbulentnega plamena.

4.1.2. Dodatna naloga

Na gorilnik namesti najmanjši nastavek (d0 = 0,5 mm) in s povečevanjem volumenskega toka poišči

pretok, kjer plamen odpihne od gorilnika.

4.1.3. Vprašanja

1. Kakšna je razlika med laminarnim in turbulentnim difuzijskim plamenom?

2. Kaj predstavljata konstanti laminarnega in turbulentnega plamena in zakaj se razlikujeta pri

različnih nastavkih na gorilniku tako pri laminarnem kot turbulentnem plamenu?

3. Zakaj pride do odlepljanja plamena od gorilnika in zakaj pri zadostnem volumenskem pretoku

plamen odpihne od gorilnika?

4. Poskusite podati fizikalno razlago pojava difuzijskega plamena (prisotnost kisika, vzrok oranžne

barve plamena, ...).

1 Ko na začetku nastaviš najmanjši volumenski tok plina (20 ml/min) počakaj nekaj časa, da se tok plina ustali

(ponavadi malo pade od začetne nastavitve), nato pa ga ponovno nastavi na 20 ml/min.

2 Ko določaš višino turbulentnega plamena vzemi neko srednjo vrednost med največjo in najnižjo višino, ki jo plamen

dosega med gorenjem.

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 9 od 12

4.2. Hitrost zgorevanja v kinetičnem plamenu

Določi hitrost zgorevanja wzg pri zgorevanju z nameščenim nastavkom d0 = 10 mm in d0 = 3 mm na

gorilniku. Za oba primera izračunaj tudi razmernik zraka λ (namig za rezultate: hitrost zgorevanja

wzg < 1 m/s, razmernik zraka λ ≈ 1).

4.2.1. Potek vaje

1. Na gorilnik namesti nastavek premera d0 = 10 mm.

2. Prižgi gorilnik.

3. Pretok zraka (št. 2, slika 1) nastavi na vrednost 1 l/min.

4. Nastavi pretok plina tako, da plamen na gorilniku ne bo več difuzijski, temveč kinetičen (plamen

bo poplonoma moder, z minimalnim oranžnim vrhom).

5. Izmeri višino konusa kinetičnega plamena, odčitaj pretok TNP in po enačbi (5) izračunaj hitrost

zgorevanja TNP.

6. Točke 2, 3 in 4 nato ponovi še za nastavek d0 = 3 mm.

4.2.2. Vprašanja

1. Kakšna je razlika med kinetičnim in difuzijskim plamenom in zakaj se npr. pri varjenju uporablja

kinetični in ne difuzijski plamen.

2. Poskusite podati fizikalno razlago pojava kinetičnega plamena.

3. Komentirajte dobljene rezultate hitrosti zgorevanja v kinetičnem plamenu pri obeh uporabljenih

nastavkih za gorilnik in pri enakem volumskem toku zraka.

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 10 od 12

Preglednica 1.1: Višina difuzijskega plamena

odčitani pretok

goriva / (ml/min) 0 20 40 60 80 100 120 200 300 500

premer

d0 / mm

površina

A0 / m2

višina difuzijskega plamena Ld / cm

3 7,069·10-6

0

2 3,142·10-6

0

1 7,854·10-7

0

Preglednica 1.2: Hitrost plamena v0 / (m/s)

odčitani pretok

goriva / (ml/min) 0 20 40 60 80 100 120 200 300 500

dej. pretok / (mm3/s) 0

premer

d0 / mm

površina

A0 / m2

hitrost plamena w0 / (m/s)

3 7,069·10-6

0

2 3,142·10-6

0

1 7,854·10-7

0

Preglednica 1.3: Izračunane vrednosti konstant laminarnega in turbulentnega difuzijskega plamena

d0 = 1 mm d0 = 2 mm d0 = 3 mm

KL

KT

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 11 od 12

Diagram 1: Odvisnost višine difuzijskega plamena od hitrosti iztekanja TNP plina.

w0 / (m/s)

L /

d

cm

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Difuzijsko in kinetično zgorevanje tekočega naftnega plina Stran: 12 od 12

Preglednica 2.1: Izmerjena višina kinetičnega plamena Lk

d0 = 10 mm d0 = 3 mm

višina plamena Lk mm

volumenski tok TNP ml/min

hitrost plina m/s

hitrost zgorevanja m/s

Diagram 2: Diagram za določanje masne sestave zmesi plina propan-butan v odvisnosti od tlaka in

temperature plina v jeklenki

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

243 253 263 273 283 293 303 313 323 333 343 353

Temperatura zmesi KT / z

Nad

tlak

zm

esi

b

ar

p/

z

Del

ež p

ropan

a: 1

00

%90

%80 %

70

%

60 %

50 %

40 %

30 %

20 %

10 %

0 %