4.1. Stanowisko badawcze i zakres badań
W celu w ykonania kom pleksow ych badań spalania paliw a ciekłego przygotow ano odpow iednie stanow isko laboratoryjne, którego schem at pokazany je s t na rys. 4.1. W ykorzy
stano do tego kom orę, u ży w a n ą w cześniej do badań procesów spalania paliw gazow ych [86], w yko n an ą w kształcie prostopadłościanu o w ym iarach w ew nętrznych 0.69x0.72x1.05 m, po
siadającą szczelinę p om iarow ą usytuow aną n a ścianie bocznej w zdłuż osi otw oru palnikow e
go. Ściany kom ory o grubości 72 m m w ykonane są z ogniotrw ałego szamotu. Rozm iary ko
m ory u m o żliw iają spalanie w niej lekkiego oleju opałow ego w ilości około 4.0 kg/godz, przy przeciętnych param etrach rozpylania. Przy średniej w artości opałowej oleju rzędu 42.5 MJ/kg daje to m oc ciep ln ą kom ory rzędu 50 kW.
B adanie zjaw iska spalania przy tej m ocy cieplnej palnika, która je s t zbliżona do mocy cieplnej dużej grupy rzeczyw istych kom ór spalania, daje m ożliw ość w ykorzystania zdobytej w iedzy do analizy procesów rzeczyw istych.
C elem , ja k i sobie postaw iono, było przede w szystkim zbadanie w pływ u param etrów rozpylania oraz spalania paliw a ciekłego na energetyczne charakterystyki płom ieni. Należało zatem uzyskać płom ienie olejow e o tej samej mocy cieplnej, czyli tym sam ym strum ieniu oleju, natom iast różniących się param etram i rozpylania. Potrzeby tej nie m ożna było zreali
zow ać posługując się standardow ym i rozw iązaniam i rozpylaczy olejow ych, g dyż w takich rozpylaczach zm iana param etrów rozpylania pociąga za sobą rów nocześnie zm ianę strum ie
nia w ypływ ającego paliw a. D la zrealizow ania zaplanow anego program u badaw czego należało w ięc zaprojektow ać, w ykonać i dopracow ać dla potrzeb użytkow ych odpow iedni rozpylacz.
W ykorzystując sw oje wcześniej zdobyte dośw iadczenia w konstruow aniu palników olejow ych przeznaczonych do kom ór spalania kotłów energetycznych [39, 40, 102, 112] autor opracow ał takie rozw iązanie rozpylacza i całego palnika przeznaczonego do spalania lekkiego oleju opałow ego, który um ożliw iał zrealizow anie założonych potrzeb badaw czych. N a rysun
ku 4.2 pokazano schem at końców ki palnika olejow ego stosow anego w niniejszych badaniach.
Jest to ro zpylacz o nieco innej konstrukcji aniżeli ten, którego używ ano w badaniach opisanych w rozdziale 3.2. R ozpylacze te różnią się rozm ieszczeniem kanalików pow ietrza rozpylającego w części w ylotow ej. W niniejszej w ersji w yloty tych kanalików zbliżone są, m aksym alnie ja k to je st m ożliw e, do w ylotu kanalika paliw ow ego. U zyskano przez to znaczną popraw ę efektyw ności w ykorzystania gazow ego czynnika rozpylającego. N astąpiła rów nież ja k o ścio w a zm iana w pływ u ilości pow ietrza rozpylającego na rozm iary pow stających kropel. N ie w ystępuje tu bow iem , w żadnym zakresie w zrostu ilości tego pow ietrza, efekt pogorszenia jak o ści rozpylania, ja k to stw ierdzono podczas w spom nianych poprzednich ba
dań, w których używ ano rozpylacza o konstrukcji niew iele różniącej się od w ersji niniejszej.
Z asada działania rozpylacza je st podobna do poprzedniego. Strum ień niewyso
ko sprężonego pow ietrza w ypływ ającego kilkom a otw orkam i zderza się ze strugą oleju w m iejscu jej w ypływ u z pierw szej części rozpylacza. W tej pierwszej części, któ rą m oż
na nazw ać ciśnieniow ą, strudze cieczy zostaje nadany wstępny ruch w irow y, a u jej w ylo
tu m a m iejsce w stępne rozpylenie paliwa. O dpow iednie rozm ieszczenie kanalików po
w ietrza rozpylającego spraw ia, że w ypływ ające z nich pow ietrze intensyfikuje proces rozbicia strugi oleju.
R ozpylanie oleju zachodzi tu zatem na skutek oddziaływ ania dw óch czynników.
P ierw szym je s t energia kinetyczna w irow ego ruchu oleju, który je st w yw ołany przez ciśnienie
R y s. 4 .1 . S c h e m a t s ta n o w is k a la b o ra to ry jn e g o d o b a d a n ia s p a la n ia p a liw a c ie k łe g o F ig . 4 .1 . S c h e m e o f la b o r a to ry sta n d f o r liq u id fu e l c o m b u s tio n te sts
R y s . 4 .2 . K o ń c ó w k a p a ln ik a o le jo w e g o z r o z p y la c ż e m F ig . 4 .2 . C o n f ig u r a tio n o f o il b u r n e r m o u th
f
I
oleju przed rozpylaczem oraz odpow iednią konstrukcję wnętrza? pierw szej części rozpylacza.
D rugim czynnikiem je s t energia kinetyczna strum ienia pow ietrza zderzającego się z w ypły
w ającą cieczą.
Sprężone pow ietrze spełnia tutaj rolę czynnika w spom agającego rozpylanie. W zrost ilości pow ietrza intensyfikuje proces rozczłonkow yw ania strugi oleju. Po odcięciu dopływ u tego pow ietrza olej je s t rów nież rozpylany, lecz jakość procesu je st gorsza.
W artość ciśnienia oleju przed rozpylaczem decyduje o w ydajności palnika i za pom o
c ą tego param etru regulow ano strum ień spalanego paliwa, natom iast param etry rozpylania zm ieniano za p o m o c ą ilości pow ietrza rozpylającego.
Paliw em używ anym w badaniach był olej napędow y letni, którego w łasności energe
tyczne i fizyczne s ą niem al analogiczne do lekkiego oleju opałow ego stosow anego w ogrzew- nictwie. W tablicy 4.1 podano podstaw ow e param etry spalanego oleju.
Tablica 4.1 zaw orem redukcyjnym zainstalow anym na w ylocie ze zbiornika sprężarki.
T em peraturę w płom ieniu oraz tem peraturę spalin we w nętrzu kom ory spalania m ie oprom ieniow ania m ierzono przy użyciu elipsoidalnego radiom etru całkow itego prom ienio
wania.
D la części płom ieni prow adzono rów nież pom iary koncentracji sadzy. Pom iary te w y
konyw ano przy użyciu specjalnej sondy do pom iaru stałych cząstek. O bydw a w yżej w ym ie
nione przyrządy: radiom etr i sonda do sadzy zostały zakupione, podobnie ja k term opara od
ciągow a, w IF R F w Ijm uiden.
Skład spalin określano za p om ocą analizatora typu Infralyt 4000.
G łów nym param etrem rozpylania m ierzonym dla każdego badanego płom ienia była średnia średnica S autera zbioru kropel paliw a opuszczającego rozpylacz.
M ikrostruktura strugi kropel powstającej w w yniku rozpylania m a decydujący wpływ na przebieg spalania i w łasności uzyskiw anego płomienia. W technice spalania, ja k i kilku innych procesach, rzeczyw isty zbiór kropel reprezentowany je st przez średnicę Sautera [5, 57, 94]. Średnicę S autera początkow ego zbioru kropel paliw a za rozpylaczem wyznaczano dla oprom ieniow ania ścian kom ory posługiwano się urządzeniem um ożliw iającym mechaniczny przesuw czujnika pom iarow ego i jego precyzyjne sytuowanie w dowolnym m iejscu obszaru pom iarow ego. U rządzenie to było ustaw ione obok szczeliny pomiarowej w ścianie komory i przystosow ane do zam ocow ania na nim w szystkich używ anych sond pom iarow ych. W yko
rzystano go rów nież przy określaniu rozm iarów płomieni.
W iększość pom iarów prow adzona była w stanie quasi-ustalonym komory spalania, który osiągano po okresie 6-8 godzin w zależności od w ariantu badanego płomienia. Pewną część pom iarów prow adzono także w okresie nagrzew ania kom ory w celu zbadania, w jakim stopniu stan cieplny kom ory spalania w pływ a na param etry pow stającego płomienia.
W ykonyw anie pom iarów w stanie ustalonym komory dla jednego płom ienia, wówczas gdy nie m ierzono zaw artości sadzy, zajm owało około 2.5 godz. N atom iast dla tych płomieni,
W niniejszym rozdziale zaprezentowane zostaną rezultaty badań uzyskanych przy strum ieniu oleju 3.8 kg/h, co odpow iada m ocy cieplnej 45.2 kW oraz przy strumieniu strum ieniu oleju 3.8 kg/h przebadano następujące warianty płomieni:
- sześć płom ieni (nr 1-6) o jednakow ych param etrach rozpylania (średnica Sautera zbioru kropel rozpylonego paliw a równa ds =19 urn) oraz różnych param etrach spalania (stosunek nadm iaru pow ietrza zm ieniano w zakresie 0.96-1.50),
- sześć płom ieni (nr 7-12) o jednakow ych param etrach spalania (stosunek nadm iaru pow ietrza równy 1.20, wartość ta obejm uje łącznie strum ienie powietrza w entylatorow ego i rozpylającego) oraz różnych param etrach rozpylania (średnica S autera rozpylanego paliw a zm ieniała się w zakresie 8-34 urn),
- osiem płom ieni (nr 13-20) o stałych param etrach rozpylania i spalania (średnica Sautera 19 pm , stosunek nadm iaru pow ietrza 1.20) przy rosnącym poziomie tem peratury w kom orze w trakcie jej nagrzew ania od stanu zimnego.
Przy strum ieniu oleju 3.3 kg/h przebadano sześć płom ieni (nr 21-26) o jednakow ej w artości 1.20 stosunku nadm iaru pow ietrza, lecz różnych param etrach rozpylania (średnica S autera rozpylanego p aliw a zm ieniała się w zakresie 9-44 |j.m).
T ablica 4.2 Param etry badanych płom ieni
P łom ień
N r
Strum ień oleju
kg/h
Ciśnienie oleju
MPa
Stosunek nadm iaru pow ietrza
Ilość pow.
rozpyl.
kg p o w ./
kg oleju
Średnica Sautera kropel pal.
/jm
C zas od uruchom ,
palnika min.
1 0.96
2 1.06 po osiągn.
3 1.17 stanu
4 3.8 0.460 1.29 0.095 19 ustalonego
5 1.36
6 1.50
7 0 34
8 0.095 19 po osiągn.
9 0.190 13 stanu
10 3.8 0.460 1.20 0.310 10 ustalonego
11 0.430 9
12 0.600 8
13 30
14 60
15 90
16 120
17 3.8 0.460 1.20 0.095 19 150
18 210
19 270
20 330
21 22 23 24 25 26
3.3 0.372 1.20
0 0.100 0.200 0.320 0.420 0.560
44 28 18 12 10 9
po osiągn.
stanu ustalonego
P rzebadano w ięc 26 płom ieni o różnych param etrach rozpylania i spalania zbliżonych do w artości stosow anych w praktyce.
4.2. Sposób przeprowadzania pomiarów 4.2.1. P om iar tem peratury
Pom iary tem peratury w płom ieniu oraz w ew nątrz kom ory prow adzono w poziomej półpłaszczyźnie przechodzącej przez oś palnika w jej części leżącej pom iędzy o sią palnika a ścian ą kom ory od strony szczeliny pom iarow ej. Jak ju ż w cześniej w spom niano, pom iary w y
konyw ano za pom ocą, przym ocow anej do urządzenia przesuw nego, term opary odciągow ej, której końców kę um ieszczano w w ybranym punkcie pom iarow ym . Pom iary prow adzono w szeregu punktów płom ienia oraz pozostałej części kom ory spalania.
Rys. 4.3. Rozmieszczeniepunktówpomiarowych: A - wewnątrzpłomieni oraz B - wewnątrzkomoryspalania, w przypadkupłomieni 7 i 12 Fig. 4.3. Arrangement ofmeasurement points: A - inside flames and B - inside combustionchamber,for two flames cases: 7 and
L iczba punktów pom iarow ych w różnych płom ieniach §yła różna ze w zględu na istot
ne zróżnicow anie rozm iarów tych płom ieni. W płom ieniach o m niejszych rozm iarach w yzna
czano m n ie jsz ą liczbę punktów pom iarow ych niż w płom ieniach o w iększych rozm iarach. C elem tych pom iarów było obliczenie na ich podstaw ie średniej tem peratury płom ienia.
D la przykładu, na rysunku 4.3 pokazano rozm ieszczenie punktów pom iarow ych w e
w nątrz płom ieni nr 7 i 12 leżących na poziomej płaszczyźnie przekroju kom ory spalania prze
chodzącej przez oś palnika. N a rysunku tym pokazano także rozm ieszczenie punktów pom ia
ru tem peratury gazów spalinow ych w całym obszarze kom ory spalania.
W ykonyw anie pom iarów w początkowej części płom ienia w pobliżu w ylotu z palnika było często kłopotliw e ze w zględu na pokryw anie końców ki term opary sadzą. K onieczność usuw ania tej sadzy i oczyszczania końców ki term opary w ydłużała czas trw ania pom iarów i w prow adzała dodatkow e błędy pom iarowe. Jednak zjaw isko to w ystępow ało w stosunkowo m ałym obszarze płom ienia i dlatego w pływ tych w yników pom iarów n a obliczaną wartość średniej tem peratury płom ienia był niewielki.
ii
9,10 7 8
R y s . 4 .4 . R o z m ie s z c z e n ie p u n k tó w p o m ia ru te m p e r a tu ry n a w e w n ę trz n e j p o w ie rz c h n i śc ia n k o m o ry F ig . 4 .4 . L o c a tio n o f p o in ts o f te m p e r a tu re m e a s u re m e n ts o n in te rn a l s u rfa c e o f w a ll o f c o m b u s tio n
c h a m b e r
N a rysunku 4.4 pokazano rozm ieszczenie punktów pom iaru tem peratury wew nętrznej pow ierzchni ścian kom ory. Punkty pom iarow e od 1 do 6 usytuow ane są na ścianie bocznej w zdłuż linii leżącej 10 cm poniżej głównej szczeliny pom iarowej. Punkty 7 i 8 oraz 9 i 10 usytuow ane s ą odpow iednio na tylnej i przedniej ścianie kom ory, przy czym punkty 7 i 9 w górnej części, a 8 i 10 w dolnej części tych ścian.
4.2.2. P om iar koncen tracji sadzy
Pom iary koncentracji sadzy przeprow adzono dla płom ieni 1-12. M ierzono lokalne w artości koncentracji sadzy w ew nątrz płom ieni, a pom iary w ykonyw ano w tych sam ych punktach pom iarow ych, w których m ierzono tem peraturę płom ienia. R ozm ieszczenie tych punktów dla płom ieni nr 7 i 12 pokazano na rysunku 4.3.
W przypadku dw óch płom ieni, nr 1 i 2, zm ierzono także koncentrację sadzy w spali
nach opuszczających kom orę spalania. W pozostałych badanych przypadkach sadza ulegała całkow item u w y paleniu w ew nątrz obszaru płom ieni.
P om iar koncentracji sadzy w ew nątrz obszaru płom ienia nastręczył wiele problem ów i dopracow anie odpow iedniej technologii tego pom iaru w ym agało odrębnych badań.
Pom iary prow adzono za pom ocą specjalnej sondy, do poboru stałych cząstek z obsza
ru spalania, zakupionej w IFR F Ijm uiden. Sonda ta je st standardowo w yposażona w filtry do w ychw ytyw ania cząstek stałych, które s ą w ykonane ze spieczonych granulek brązu [32]. F il
try m a ją kształt ściętego stożka o średnicy podstaw y 14 mm, średnicy pow ierzchni ścięcia 10 m m i w ysokości 105 mm. Zarów no rozm iary filtrów, ja k i materiał, z którego je w ykona
no, były nieodpow iednie dla potrzeb niniejszych badań. Filtry o tych rozm iarach m ają masę około 50 g, co w porów naniu do m asy w ychw yconej przez nie sadzy, zw łaszcza w przypadku punktów pom iarow ych o niższej koncentracji sadzy, je st w ielkością o kilka rzędów w yższą i przez to znacznie utrudniającą dokładne w yznaczenie masy tej próbki sadzy. D la zwiększenia dokładności pom iaru m asy porcji sadzy wychw yconej przez filtr zaprojektow ano filtry o in
nym kształcie i rozm iarach, jed n ak takich, aby mogły być zastosowane we wspom nianej son
dzie. Z astosow ano w ięc filtry w kształcie cylindra o średnicy 10 m m i wysokości 21 mm.
Zm niejszono w ten sposób m asę filtra około 6-krotnie.
Po przeprow adzeniu pom iarów w szeregu punktach w kilku płom ieniach okazało się jednak, że przyrosty m asy filtrów, które powinny być proporcjonalne do ilości wychwyconej
sadzy, w ykazują w pew nych przypadkach brak takiego związku. Przeprowadzone dodatkowe badania w ykazały, że w ykonane z brązu filtry reagują chem icznie w w ysokich tem peraturach w ystępujących w płom ieniu, ulegając bądź utlenianiu, bądź redukcji. W ykonane wcześniej pom iary zaw artości sadzy okazały się bezużyteczne. Po tych obserw acjach przeprowadzono konsultację z holenderskim w ytw órcą zakupionej sondy, w w yniku której okazało się, że fil
try z brązu m o g ą być stosowane do pom iaru zawartości sadzy w spalinach poza obszarem płom ienia, gdzie poziom tem peratury je st niższy i reakcja m ateriału filtra z przepływ ającym i przezeń gazam i je s t na tyle m ała, że jej skutki m ożna pominąć.
Z aistniała zatem konieczność znalezienia innego m ateriału, z którego w ykonany filtr byłby odpow iedni do pom iarów w obrębie płomienia. W ym agania, jakie taki m ateriał pow i
nien spełniać, są jed n ak w yjątkow o wysokie, gdyż obejm ują zarówno du żą w ytrzym ałość m ech an iczn ą ja k i odpow iednią odporność chem iczną na oddziaływ anie w ysokotem peratu
row ych spalin.
W ysoka w ytrzym ałość m echaniczna filtra je st konieczna, gdyż w ew nątrz sondy filtr m usi być m ocno dociśnięty, aby w trakcie poboru próbki spalin uniknąć nieszczelności i om ijania filtra przez część zasysanego strum ienia spalin. To w ym aganie w ytrzym ałości m e
chanicznej elim inuje z rozw ażań substancje ceram iczne, które są z reguły obojętne chem icz
nie, ale w ykruszają się przy docisku m echanicznym .
Po przeanalizow aniu dostępności m ateriałów i m ożliwości technicznych w ykonania filtrów zdecydow ano się na filtry ze stali nierdzewnej. Poprzedzone to zostało odpowiednim i testam i laboratoryjnym i, w których zbadano podatność m ateriału filtra na reagowanie z otaczającym gazem w zależności od wysokości tem peratury i okresu przebyw ania filtra w tej tem peraturze. Przebadano w ten sposób filtry wykonane z granulek dw óch rodzajów stali nierdzew nej o oznaczeniach 316L i 904L oraz dla porów nania z granulek brązu o oznaczeniu B10 [99].
B adania w ykazały, że obydw a badane gatunki stali nierdzewnej zachow ują się podob
nie i są w ielokrotnie bardziej odporne na utlenianie niż brąz. N a rysunku 4.5 zaprezentowano przykładow e w yniki przeprow adzonych badań. W idać tu, jaki je st w pływ tem peratury, w któ
rej przez okres 10 m inut przetrzym yw ane były filtry w ykonane z trzech badanych m ateriałów, na procentow y przyrost m asy filtra. Przyrost m asy filtrów ze stali nierdzewnej je st kilkuna
stokrotnie niniejszy niż filtrów z brązu.
400 500 600 700 800