ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄ5KIEJ S e r i a : ENERGETYKA z. 36
1971 Nr k o l. 309
RYSZARD PETELA
K atedra Podstaw T ech n ik i C ie p ln e j JERZY HOŁOJDA
MONTOCHEM - G liw ice
ffPŁYW PODGRZEWANIA S'JBSTRATÓW SPALANIA NA TEMPERATURĘ PŁOMIENIA
S t r e s z c z e n i e . Za pomocą term opary P t-?tR h za
n u rzo n ej w płom ieniu o k re śla n o w podłużn ej 03i pionowego p ło n ie n ia ro z k ła d y tem peratury w z a le ż n o ś c i od początkow ej tem peratury sp a lanych su b strató w o raz od w a rto śc i stosun ku nadm iaru pierw otn ego pow ietrza.Końców kę t e r mopary pokryto ceram iczn ą warstewką ochronną.
Wyniki pomiarów podano zapomocą wykresu (ry-.
sunek 5 ) . Wysnuto w n io sk i i o k reślo n o war
t o ś ć p iro m etry cz n ej sp raw n o ści s p a l a n i a .
Celem badań b y ło o k r e ś le n ie ro z k ład u tem peratury w płom ieniu pa
lą c e j s i ę m ieszan k i p o w ietrza i gazu p a ln e g o . Odpowiednie pomiary realizo w an o p rzy zm iennej tem peratu rze t e j m ieszan k i na doprowadza
n iu do p a ln ik a . Do przeprow adzenia dośw iadczeń u ży to p r o s t e j in s t a l a c j i badaw czej [2j p o z w a la ją c e j na o k r e ś le n ie stru m ie n ie i sk ła d u chem icznego s p a la n e j m ie sz a n k i, ja k rów nież u m o ż liw ia ją c e j podgrza
n ie pow ietrza s p a la n ia do o k r e ślo n e j tem p eratu ry . Za pomocą term o- pery Pt-Pt.Rh m ierzono tem p eratu rę w płom ieniu tworzącym s i ę u wy
lo t u pionowo usytuow anego p a ln ik a p rzed staw io n ego na rysunku 1.
płom ień r o z w ija ł s i ę w pow ietrzu w ypełniającym pom ieszczenie la b o r a t o r y jn e . Wysokość d y szy p aln ik a w ynosi 15 mm. K s z t a łt pow ierz
ch n i poprzecznego p rz e k ro ju wylotowego p a ln ik a p r z y ję to p r o s to k ą t- ny [3J o wymiarach 50 x 2 mm. W uzyskanym w te n sposób p łask im p ło m ieniu ła t w ie j j e s t wyznaczyć p rz e b ie g iz o te rm . Termoparę o ś r e d n ic y drucików 0 ,3 5 mm» zanurzoną w określonym m ie jscu płom ienia
podtrzymywano za pomocą sta ty w u . Przewody term opary o s ło n ię te b y ły oeram iczn ą r u r k ą , końcówka z a ś term opary b y ła przed każdą s e r i ą po
miarów powlekana c ie n k ą warstew ką ceram iczn ą d la wyeliminowania wpływu c ie p ln y c h efektów r e a k c j i chemicznych na pow ierzchni o d sło n i ę t e j końcówki, zan urzon ej w s p a lin a c h o w y so k iej te m p e ratu rz e . Sposób pow lekania końcówki warstew ką ceram iczn ą przy u ży oiu o le ju silik o n o w eg o w płom ieniu p a ln ik a Bunsena o p a rto na metodach poda
nych w l i t e r a t u r z e f i } .
Rys. 1 . p a ln ik R ys. 2 . Pow lekanie term opary w arstew ką oeram iozną
Na rysunku 2 pokazano w trzykrotnym pow iększeniu pokrywanie dru- e ltfw term opary powłoką ochronną w c h w ili p o czątko w ej. F o t o g r a f ię wykonano p rzy d z ia ła ją c y m p a ln ik u , widaó w ięc płom ień, ro z ż a rz a n ą końcówkę term opary i w yraźnie o d r ó ż n ia ją c ą s i ę od p łom ien ia źw le«
c ą o ą smużkę p a lą o e g o s i ę o l e ju S ilik o n o w e g o . O lej ten wypływ ający
z r u r k i pod c iśn ie n ie m 1 ,2 b a r n ie z a p a la s i ę od r a z u , le c z w od
l e g ł o ś c i około 2 mm od w ylotu r u r k i . Grubość pow łoczki pokryw ają
c e j term oparę można regulow ać p rz e z d łu ż sz e lub k ró tsz e przetrzym y
wanie danego fragm entu końcówki term opary nad wylotem r u r k i dopro
w a d z a ją c e j o l e j silik o n o w y . S tw ierd zo n o , że powłoczka pokryw ająca term oparę n ie j e s t zbyt trw ała i można j ą łatw o usunąć za pomocą n p. p ę d z e lk a .
Warstewka ochronna term opary p rzeb y w ającej w płom ieniu wymaga co pewien c z a s r e g e n e r a c ji . W m iarę upływu c z a su przebyw ania w p ło m ieniu powłoczka term opary z a n ik a . Jednorazow e p o kry cie term opary powłoczką pozwala na około 20 minutowe przebyw anie j e j w płom ieniu.
Na rysunku 3 przed staw io n o w d z ie się c io k ro tn y m pow iększeniu koń
cówkę term opary przed powleczeniem o ra z po dokonaniu t e j czyn n ości.
Grubość w arstew ki ochronnej wynosi około 0,1 mm.
Wpływ podgrzewania su b strató w s p a l a n i a n a . . . _____ 49
R ys. 3 . Końcówki term opary
B adania przeprowadzono przy s p a la n iu gazu m ie js k ie g o , k tó re g o sk ła d chemiczny o k reślo n y j e s t u d z ia ła m i molowymi: COg » “
= 3,0% , 02 = 0,3% , CO . 11,7% ,.H 2 - 55,7% , CH4 = 2 3 , 4% i Ng-1,9 %.
Kalorym etryczna tem peratura s p a la n ia t k a - f tz n . tem peratura s p a la n ia a d ia b a ty cz n e g o , iz o b ary czn eg o , zupełnego i c a łk o w ite g o , t a k ie g o gazu m ie js k ie g o , przy stosun ku Anadmiaru pow ietrza równyru je d n o ś c i, ma w a rto ść ^ya i ~ 2005, 2160 i 229 S °0 przy w a rto śc ia ch tem peratu ry t fl pow ietrza do s p a la n ia wynoszących odpowiednio t 0 =22, 230 i 470°C.
Na rysunku 4 przed staw ion o za pomocą izoterm przykład zm ierzo
nego ro z k ła d u tem peratury w p ła sz c z y ź n ie p r o s to p a d łe j dc d łu ż sz e go boku sz cz elin o w eg o w ylotu p a l
n ika ( r y s . l) o raz p rzech o d zącej p rzez podłużną oś s t r u g i wypływa- j ą c e j m ie sz a n k i. Jfykres ten otrzy- mano przy sp a la n iu 0,4 25 m^/h g a zu m ie jsk ie g o dopływ ającego do wy
lo tu p a ln ik a w m ieszance z powie
trzem przy X = 1 i tem peraturze t a = 22°C . Przez x oznaczono od- l e g ł o ś ć badanego punktu od wylotu p a l n ik a , zaś y oznacza odległość 4 u 6-f mrn rozważanego punktu mierzoną od-
cinkiem równoległym do p ł a s z c z y z ny w ylotu. Maksymalna temperatura w ystępuje w podłużnej o s i s t r u g i i stosunkowo b l i s k o wylotu p e l n i - ka.
Badanie wpływu tem peratury pierw otnego pow ietrza do s p a la n ia na tem peraturę płom ien ia przeprowadzono p rzez pomiar tem peratury w po
d łu żn ej o s i p ło n ą c e j s t r u g i w ypływ ającej z p a ln ik a ,
w
b ad an iach u- w zględniono rów nież zmienną i l o ś ć te g o pow ietrza , o k re śla n ą p rzez sto su n ek "k w m ieszance p a ln e j d o p ły w a jące j do w ylotu p a ln ik a . Temp e r a tu ra t g płom ien ia w o s i je g o j e s t w ięc w tym przypadku fun k
c j ą o d le g ło ś c i x badanegc punktu od w ylotu p aln ik a m ierzonej R ys. 4 . Rozkład tem peratur
w płom ieniu
Wpływ podgrzewania su b stra tó w s p a l a n i a na»«
wzdłuż o s i s t r u g i , tem p eratu ry t pierw otn ego p o w ietrza o raz sto - sunku X nadm iaru p o w ietrza pierw otnego
t g = f ( x , t a , X ) (1 )
Strum ień sp a la n e g o gazu m ie js k ie g o m iał w c z a s i e wykonywania w sz y stk ic h pomiarów s t a ł ą w a rto ść w ynoszącą 0 ,4 2 9
Dla zb ad an ia ro z k ła d u tem p eratu ry w po dłużn ej o s i p ło n ą c e j s t r u g i przeprowadzono pom iary d la c z te r e c h różnych w a rto śc i stosun k u nadm iaru p o w ie trza ( t a b l i c a 1) o ra z d l a trz e c h różnych tem peratu r t p o w ietrza tw orzącego z gazem m iejskim o tem p eratu rze 22°C m ie- szan k ę p a ln ą . W t a b l i c y 1 p o d an o .n ajw aż n ie jsz o dane d o ty czące p rzed
prowadzonych pomiarów» P rzez t * oznaczono tem p eratu rę su b stra tó w , k tó ra u s t a l a s i ę po zm ieszan iu podgrzanego pow ietrza z n ie p o d g rz e - wanym gazem m iejsk im . Tem peraturę t ę o k re ślo n o w sposób o b lic z e niowy.
T a b lic a 1 Dane d o ty c z ąc e s e r i i pomiarów
X * a t ' t k a l t s max ? p i r
%
Nr l i n i i na w y kresie ( r y s . 5)
°c
0 ,9 1390 6 8 ,9 1
1 ,0 22 22 2005 1465 7 2 ,7
1,05 1482 7 3 ,7
1 .1 5 1495 , 7 4 ,3 2
0 ,9 188 1545 68 ,7 3
1 ,0 230 192
2160 1568 7 0 ,0
1 ,0 5 194 1587 7 0 ,9 1
. V 5 196 1600 7 1 .5 4
0 ,9 379 1565 . 6 1 ,8 5
1 ,0 387 1600 6 3 ,5 j
470 229e
1 ,0 5 391 1615 64 ,2
1 .1 5 395 1630 6 4 ,9
6 1
TT p rak ty ce s t o s u je s i ę n ie k ie d y p o ję c ie spraw n o ści p iro m etry cz- n e j s p a la n ia , przy o k r e śla n iu k tó r e j potrzebn a j e s t w a rto ść pewnej c h a r a k te r y s t y c z n e j, r z e c z y w is te j tem peratury w y stę p u ją c e j w p ło m ien iu. Może n ią być na przykład maksymalna tem peratura t max wy
s t ę p u ją c a w podłużn ej o s i badanego p ło m ie n ia. Zmierzone w a rto śc i t a k i e j tem peratury p rzy badanych przypadkach zestaw iono w t a b l i cy 1. Spraw ność pirom etry czn ą s p a la n ia p p ir można wówczas o b l i c z a ć n a stę p u ją c o
t s max - tt
(2) W t a b l i c y 1 oprócz o b liczo n y cn wzorem (2 ) w a rto śc i p p i r podano rów nież numery l i n i i na w ykresie ( r y s . 5) ilu s tr u ją c y m przykładowe w yniki pomiarów ro z k ład u tem peratury w po dłu żn ej o s i p ło m ie n ia.
Na podstaw ie uzyskanych wyników można wysnuć w nioski.W yniki do
ty c z ą c e sto su n k u 31 zm ie n iające g o s i ę w z a k r e s ie od 0 ,9 do 1,15 oraz tem peratura po w ietrza t a z m ie n ia ją c e j s i ę u g ra n ic a c h cd 22 do 470 C . W każdym z przypadków w y stępu je w o d le g ło ś c i około X a10 mm maksimum l i n i i ro z k ła d u tem p eratu ry . W artość t e j maksymalnej tem
p e ra tu ry j e s t tym w ięk sza, im w ięk sza j e s t w arto ść stosun ku 31 i im w ięk sza j e s t w arto ść tem peratury pow ietrza t . D la d an ej tem pera- tu ry t fl p o w ie trz a , w m iarę w zrostu x , tem peratura t po p r z e j
ś c iu p rzez maksimum obniża s i ę tym z n a c z n ie j, im w iększa j 6 s t war
t o ś ć stosun k u X nadmiaru pierw otnego p o w ie trz a . W artości sprawno
ś c i p iro m etry czn ej podane w t a b l i c y 1 przed staw ion o w y k re śln ie na rysunkach 6 i 7 . Z rysunków tych wynik9, że przy s t a ł e j w a rto śc i stosu n k u nadmiaru pow ietrza spraw ność pirom etryczną j e s t tym więk
s z a , im m n ie jsz ą tem peraturę m ają s u b s t r a t y s p a l a n i a . N atom iast przy s t a ł e j tem peratu rze su b strató w s p a la n ia spraw ność ta j e s t tym w ię k sz a , im w iększa j e s t w arto ść stosun k u nadmiaru p o w ie trz a .
Dla zbadania wpływu ob ecn ości ceram iczn ej w arstew ki ochronnej pokryw ającej końcówkę term opary na wyniki przeprowadzonych pomia
rów wykonano dodatkowe b a d a n ie . Rozkład tem peratury w podłużnej o- s i te g o samego płom ienia zmierzono r a z za pomocą term opary o a s ł c -
Y/pływ podgrzewania s u b s t r a t ó w , s p a l a n i a n a » . « ______________________ 53
Rys. 5.Rozkład temperatur w osi płomienia
n i ę t e j i d ru g i r a z za pomocą term opary p o k ry te j w arstew ką ochron- n ą . Płomień uzyskano przy s p a la n iu gazu m ie js k ie g o za pomocą p a l
n ika p rzed staw io n o na rysunku 1 . S p a la n ie odbywało s i ę przy s t o sunku 1 i przy tem p eratu rze su b stra tó w s p a la n ia w ynoszącej 22°C . Wyniki pomiarów przed staw io n o na rysunku 8 , z k tó rego w idać, że tem p eratu ra zm ierzona o d s ło n ię t ą term oparą ( l i n i a a ) j e s t w ięk sz a od tem p eratu ry zm ierzonej p o k ry tą term oparą ( l i n i a b ) o wartość w y n ik ającą z rysu n ku .
R y s. 6 . Spraw ność pirom etryczn a R ys. 7« Sprawność p iró m etry cz - w z a le ż n o ś c i od t a na w z a le ż n o ś c i od t '
Przeprowadzono rów nież d ośw iadczen ie z m ie rz a ją c e do o k r e śle n ia ja k k s z t a ł t u j ą s i ę ro z k ła d y tem peratu ry t w podłużn ej o s i p ło - m ienia p rzy s p a la n iu dwóch różnych gazów paln y ch . P r z y ję to t u , że m ieszanka p aln a o tem p eratu rze 22°C w obu przypadkach ma t ę samą pręd k o ść przepływu z dyszy p a ln ik a . Do badań zastosow ano p a ln ik p rzed staw io n y na rysunku 1. Jako gazów palnych użyto gaz m ie js k i stosow any w b ad an iach poprzedn ich o raz m ieszan in ę propanu i butanu (tzw . g a z b u tlc w y ), w którym molowe u d z ia ły składników gazu powin
ny m ieć według normy n a stę p u ją c e w a r to ś c i: = 4$, =2 9 , 5$ ,
Wpływ podgrzewania su b strató w s p a l a n i a n a . . . 55
C4H10 = 66,0% 1 C5H12 * °*5% * S to su n ek nadmiaru pierw otnego powie
t r z a do s p a la n ia m iał d la każdego z gazów t ę samą w arto ść X“ 0 ,4 7 5 » W przypadku s p a la n ia gazu m ie js k ie g o stru m ień te g o gazu w y n o sił 0 ,1 8 5 m^/h. W przypadku s p a la n ia gazu butlow ego stru m ień p aliw a ga
zowego m iał w a rto ść 0,042
X
R y s. 8 . Wpływ ceram ic zn e j pow łoczki term opary na m ierzoną tem pera
t u r ę
Wyniki przeprowadzonych pomiarów tem p eratu ry przed staw io n o na rysunku 5 , na którym l i n i a 7 o d n o si s i ę do s p a la n ia gazu m ie js k ie g o , zaś l i n i a 8 ao ty cz y s p a la n ia gazu bu tlow ego . Na sk u te k zm n iej
sz o n e j w a r to śc i X o b sz ar s p a la n ia j e s t tym razem b a r d z ie j d y fu z y j
ny i zm ierzone tem p eratu ry s ą na o g ó ł m n ie jsze od tem peratur mie
rzonych w poprzedn ich pom iarach. Na sk u te k b a r d z ie j św iecącego p ło m ienia p rzy s p a la n iu gazu butlow ego i in te n sy w n ie jsz e g o p rzez to oddawania c i e p ł a , (tem peratury te g o płom ien ia s ą w yraźnie m n iejsze od tem p eratu r płom ien ia p o w stająceg o p rzy s p a la n iu gazu m ie js k ie g o . Maksymalna tem peratu ra p rzy s p a le n iu gazu m ie jsk ie g o w ystępu
je b l i ż e j w ylotu p a ln ik a n iż p rzy s p a la n iu gazu butlow ego.
W rozważanym przypadku d la płom ien ia gazu m ie jsk ie g o można przy j ą ć t g mgx = 1200 °C , z a ś d la płom ien ia gazu butlow ego t^ = a 1095°C . Spraw ność pirom etryczn a s p a la n ia o b lic z o n a wzorem (2 ) ma
w arto ść 5 5 ,4 % d la gazu m ie jsk ie g o o raz 49,5;'- d la gazu fcutlowe- S ° ( t k a l = 2177° c ) *
LITERATURA
[ i j FRISTROM R.M.»WESTENBERG A.A. - Plamę s t r u c t u r e , Mc G raw -H ill.
New York 1965,
[2] HOŁOJLA J . - B adanie wpływu p o d grzan ia su b strató w na sprawność p iro m etry czn ą procesu s p a l a n i a . M a g iste rsk a p raca dyplomowa, K atedra Podstaw T ech niki C ie p ln e j- P o lite c h n ik a Ś lą s K a , G liw i
ce 1970.
[3] LEWIS E . , ELBB G. - G o rie n je , płam ja i wzrywa w ga zach . Iz d a - t ie ls t w o M ir, Moskwa 1968.
3 JIV.nHkE ¡¡OflCTPŁHA U yECrPA TA crO PA U lhi HA T Ł U iL P A T y r y IIJIAMŁHK
P e a »j M e
Ilpu noMonw T e p u o n a p u P fa - P tR h norpy*eHHOłi a nnaueHH o n p e*e«3 H O b n p o - SCJIBHOH OCH BepTHitaJIbHOrO IlJ!aMeHM paoJIOJKeHHe TeMnepnTyp B CaBHOHMOOTH OT HaHaJibuoii T e iin e p c T y p n c m m e t u a . c y P c r p a r o B , a tc.kjrc o t aH anem ła c o c T H o a a - hhu H3HhiTxa repBH 'iH oro B G 3 j,y x a . OxoHHa:iHe TepMonape no^piiTo KspaMir-iecKaii
sanHTHŁiu cjioeM.
PesyAŁTSTU HaMepeHHii n p e j c T a B A e u o s BMae rp aftn K a tpK C , 5 ) , «^ejiaHO BU- B o s a u cnpe^e-ieH o 3Ha<ienne n u p o n e T p n H e cK o r o k.j i.jw c x » r a H ii B ,
Wpływ podgrzewania su b stra tó w s p a l a n i a n a . » . 57
INFLUENCE OP HE AT IMG OP THE COMBUSTION SUBS TRATUMS ON THE FLAUE TEMPERATURE
S u m ra a r y
By means o f the Pt - PtRh therm ocouple immersed in the flam e , th e re were examined th e c e n tr e lin e tem p eratu re d i s t r i b u t i o n s , de
pending on th e i n i t i a l tem p eratu re o f bu rn in g su b stratu m s and on the v a lu e o f prim ary e x c e ss a i r r a t i o . The therm ocouple ju n c tio n w ith s i l i c a c o a tin g was u se d . .Measurement r e s u l t s a r e g iv e n by d ia gram ( P ig . 5 ) . Some c o n c lu sio n s a r e drawn and the so c a l l e d pyrome- t r i c e f f i c i e n c y o f com bustion i s d eterm in ed .
