|
|||||||||
Температура горения пропана
Температура горения пропана
Добрый день дорогие читатели и посетители нашего сайта. В данной статье мы рассмотрим основные технические характеристики пропан-бутана, его предназначение, химические и физические свойства.
Сфера применения газа
Пропан-бутан представляет собой уникальное вещество на газовой основе, которое имеет в своем составе одноименные молекулы.
Общепризнанная химическая формула пропана состоит из молекул и атомов двух основных составляющих – пропана (С3Н8) и бутана (С4Н10).
Широко используемый в бытовых целях, этот газ применяется практически везде – начиная с приготовления еды на сковороде, и заканчивая резкой толстого слоя металла, активным использованием его на различных производствах вообще.
Также им все чаще заправляют свои автомобили люди, отказавшиеся от топлива на бензиновой основе.
Химические и физические свойства
Пропан-бутан обладает уникальнейшими химическими, физическим свойствами, что буквально и сделало его столь популярным среди потребителей всего мира.
Во-первых, этот представитель сжиженных углеродных газов остается в жидкой форме исключительно при большом давлении, которое равно 16-ти атмосферам. Поэтому при транспортировке вещество перевозят только в газовых баллонах с соответствующим давлением.
Температура горения пропана не равна какому-то определенному числу и колеблется в пределах между 800-1970 градусов по Цельсию. Столь высокие показатели полностью оправдывают ту пользу, которую он приносит в быту человека, ведь горение этой смеси имеет большой КПД при исполнении любых задач, связанных с использованием данного газа.
Температура кипения пропана составляет -42 градуса по Цельсию, что свидетельствует о гарантии безопасности эксплуатации в нормальных условиях.
Но так как мы рассматриваем смесь пропана с бутаном, то эта цифра может подняться до отметки -25 градусов и даже выше, в зависимости от процентного соотношения составляющих в веществе. Стоит учесть, что пропан замерзает при температуре -188 градусов.
При перевозке вещества не стоит забывать о температуре пропана в баллоне, которая не должна превышать отметку выше 15 градусов по Цельсию.
Такой подход считается наиболее безопасным, поскольку при транспортировке с высшей температурой газовых баллонов, существенно возрастает риск возгорания.
Кстати, что касается температуры воспламенения пропана-бутана, то и здесь они отличаются – у первого она составляет 504 градуса по Цельсию, а у второго – 430. Но, не смотря на столь большое количество отличий между своими составляющими, этот представитель сжиженных углеродных газов вполне конкурентный с бензиновыми горючими смесями.
Технические характеристики
На вопрос: «Каким образом химические и физические свойства связаны с техническими особенностями этой смеси?», стоит рассматривать все возможные варианты ответов.
- Во-первых, благодаря своему высокому давлению «удержания» в жидком состоянии, этот газ слишком инертный. То есть легко поддается переходу из жидкого состояния в газообразное.Это очень полезная особенность на производствах, где это является крайней необходимостью.
- Во-вторых, низкая температура кипения и замерзания делает пропан-бутановую смесь стойкой к «столкновениям» с веществами азотного происхождения. Следовательно, гарантирует ей безопасность от замерзания и кипения.
- Ну и, конечно же, стоит отметить высокую температуру горения пропана, без которой его польза была бы не столь существенной для достижения определенных бытовых или производственных целей.
Газ или бензин — в чем счастье?
Что лучше газ или бензин?
Посредством установки ГБО можно переоборудовать автомобиль для работы на газе в качестве топлива. А действительно ли стоит это делать и почему газ лучше бензина (дизеля)?
Давайте разберёмся. Установить ли газ на автомобиль или оставить на бензине?
Чтобы оценить преимущества работы автомобиля на газе, как для самого автомобилиста, так и для ДВС, необходимо понять саму «физику процесса».
Рассмотрим физико-химические свойства топлива: пропана, бутана, бензина и дизеля.
Как видно из таблицы, физико-химические свойства разных видов топлива значимо отличаются, что определяет разницу в степени воздействия на двигатель и эксплуатационные характеристики автомобиля.
Рассмотрим подробнее.
Безопасность: сравним газ и бензинИ бензин, и газ и сам автомобиль являются источниками повышенной опасности. Это значит, что бывает, они горят, при наступлении определённых условий (удара, дтп, возгорания и.т.д.).
В таких условиях, можно говорить лишь об относительной безопасности всех видов топлива.
Наиболее безопасный среди рассматриваемых видов топлива – газ.
Это обусловлено более широкими пределами воспламенения газа, в сравнении с бензином. Предел воспламеняемости – это характерные для того или иного вида топлива граничные значения, при которых возможно самовозгорание смеси при соприкосновении определённых пропорций газовой или бензиновой смеси с воздухом.
Как ранее и говорилось, — горит всё, однако, бензин и дизель начинают горение уже при температуре около 250 градусов, в то время как температура возгорания газа порядка 550 градусов (!).
При возникновении значительной утечки (при нештатной ситуации) бензин загорится быстрее, чем газ, поскольку ему нужно меньшее количество воздуха для воспламенения. Пределы воспламеняемости газа: смесь пропан-бутана — 8,4-9,9% газа в воздухе, нижний предел 1,8-2,4%. Пределы воспламенения бензина в смеси с воздухом составляют соответственно 0,6-1,5%. Таким образом, пределы воспламенения газа на 15-20% выше по сравнению с бензином.
Газ – безусловный лидер по безопасности, исходя из своих физико-химических свойств.
Про дополнительные современные системы защиты газобаллонного оборудования, устанавливаемого на автомобиль, такие как мультиклапан, скоростной клапан, предохранительный клапан, который стравливает газ наружу и защищает баллон от разрушения – см. ГБО
Важно отметить, что такими современными средствами защиты бензиновая система попросту не обладает.
Влияние газа на двигательГаз или бензин: что лучше для мотора? Сейчас разберём.
Октановое число (ОЧ): чем выше октановое число, тем меньше детонационное воздействие на двигатель.
У газа октановое число много выше, чем у бензина. Это позволяет избавить двигатель от детонации и увеличить его мощность, за счёт увеличения степени сжатия двигателя.
В отличии от процессов сгорания бензиновой смеси, у газа более полное сгорание газовоздушной смеси. За счёт этого, имеющаяся масляная плёнка на цилиндрах (которая служит для их защиты) не смывается со стенок двигателя, а также уменьшается образование нагара в блоке, что в совокупности снижает изнашивание цилиндров и поршней двигателя.
При переходе двигателя автомобиля с жидкого топлива на газ, срок службы движка возрастает в 1,5-2 раза (согласно исследованиям газоприменения в автомобильной отрасли, выполненных ВНИИГАЗом, см. книгу: «Природный газ моторное топливо на транспорте», авторов И. Грищенко, Ю. Н. Васильев, Ф. Г. Гайнуллин, Л. С. Золотаревский).
Фактически, у двигателя автомобиля появляется «вторая жизнь». Это ответ на вопрос: «Что лучше для двигателя: газ или бензин?»
Кстати сказать, при работе автомобиля на газе, масло меньше «разжижается» и загрязняется, что позволяет менять его реже, а сам расход масла «на угар» снижается в среднем на 15%. Срок службы свечей зажигания увеличивается на 40% (до 85 тыс.км).
Эко-Логичность газа: отмечайте 20 новых праздников
Газ более экологичный вид топлива.
В своём составе пропан, бутан и метан не содержат свинца, в отличии от бензина, что делает более чистым выхлоп автомобиля. Кроме того, в автомобилях, работающих на газе, до 90% снижена суммарная токсичность выхлопных вредных газов (окиси углерода, двуокиси азота, углеводородов СН и.т.д.).
Именно поэтому, в жизни автомобилистов, переоборудовавших свой автомобиль на газ появляется больше праздников: и Всемирный день охраны окружающей среды и День эколога и Всемирный день океанов и Международный день биологического разнообразия и ещё более 20 поводов для радости в году 🙂
Если праздники вы любите больше, чем будни, то очевидно, что в вопросе «что лучше газ или бензин?» — вы «за» газ!
Экономичность: расход газа и бензина
По топливной экономичности газ превосходит бензин и дизель.
Как уже говорилось ранее, октановое число выше у газа, что увеличивает степень сжатия двигателя и позволяет значимо снизить расход топлива.
Цена газа в России в 2,5 раза ниже, нежели розничная стоимость бензина.
Сравним расходы на газ и бензин (из расчёта 300 км пробега в неделю):
|
ХАРАКТЕРИСТИКИ |
БЕНЗИН |
ГАЗ |
|
10 литров на 100 км (ср.значение) |
10 л х 36 руб (ср.цена 1 литра) |
10 л х 16 руб (ср.цена 1 литра) |
|
Стоимость топлива за 100 км |
360 руб за 100 км |
160 руб за 100 км |
|
Стоимость топлива за 300 км |
1080 руб за 300 км |
480 руб за 300 км |
Итого: путешествия и рабочие поездки на газовом автомобиле, оборудованном ГБО обойдутся минимум втрое дешевле!
Счастье в газе
Очевидно, что газ лучше бензина для автомобиля.
Как только вы начинаете экономить на топливе, вы радуетесь.
Меньше нагрузки, чище работа – работе на газе порадуется двигатель вашего автомобиля.
Чище воздух вокруг – природа и соседи под окнами, которых вы «прогреваете» свой автомобиль – скажут вам «спасибо».
А когда вокруг всё хорошо, у ваших близких радость, вот тогда и вы – счастливы.
Вот поэтому, счастье – в газе!
УСТАНОВИ СВОЁ СЧАСТЬЕ!
По статистике большинство (более 90%) владевших ранее автомобилем на газе, устанавливают гбо и на все последующие свои автомобили.
Пропан, температура пламени — Справочник химика 21
Фотометрия пламени — вид эмиссионного спектрального анализа, в котором источниками возбулпламена различных видов ацетилен — воздух, ацетилен — кислород, пропан — воздух, пропан — кислород, водород — воздух и др. Вследствие невысокой температуры в пламенах излучают легко и среднеионизующиеся элементы щелочные и щелочноземельные металлы, галлий, индий, магний, марганец, кобальт, медь, серебро и ряд других, причем их число растет с увеличением температуры пламени. В наиболее холодных пламенах, таких как, например, пропан — воздух, светильный газ — воздух излучают только атомы щелочных и щелочноземельных металлов. Вследствие невысокой температуры спектры, излучае-МЕле пламенами, состоят из небольшого числа спектральных линий, главным образом резонансных, что позволяет выделять характеристическое излучение элементов при помощи светофильтров и использовать простые и имеющие невысокую стоимость спектральные приборы — пламенные фотометры. Кроме атомных спектральных линий в спектрах пламен присутствуют полосы ряда в основном двухатомных молекул и радикалов С2, СиС1, СаОН и др. Некоторые из них используют в аналитических целях. Так, в случае элементов, образующих термически устойчивые оксиды, которые практически не диссоциируют в пламенах с образованием свободных атомов, молекулярные спектры являются единственным источником аналитического сигнала. Практически не атомизируются в низкотемпературных пламенах оксиды скандия, титана, лантана и других элементов, ирлеющих относительно невысокие потенциалы ионизации. Наиболее часто фотометрию пламени применяют для определения щелочных и щелочноземельных металлов. [c.35]Горючим может служить любой газ с высокой температурой горения наиболее часто используются ацетилен, пропан, бутан, водород, природный или каменноугольный газ. Сжигая эти газы в воздухе или кислороде, получают пламя с температурой от 1700 до 3200 °С. Более высокие температуры достигаются при сжигании циана. Чем выше температура пламени, тем больше число возбужденных элементов. Кроме того, повышение температуры приводит к повышению чувствительности анализа. Вид используемого пламени в некоторой степени зависит от устройства горелки. [c.85]
Пропан — воздушное пламя в настоящее время применяют крайне редко, лишь для определения щелочных металлов. Это связано с низкой температурой пламени, в котором не происходит полная атомизация большинства элементов. Но для определения щелочных элементов пропан и природный бытовой газ предпочтительней, так как они позволяют получить более ста- [c.34]
В качестве горючих газов применяют ацетилен, пропан-бутано-вую смесь или природный газ. Предпочтение следует отдать ацетилену, который, сгорая, создает пламя более высокой температуры при сжигании ацетилена образуется относительно меньше воды, являющейся активным окислителем В случае использования пропан-бутановой смеси и природного газа применяют специальные сопла и мундштуки. [c.84]
Большое значение в этом методе имеет температура пламени. При сжигании смесей воздуха с пропаном или бутаном достигается температура 1700—1900° С и возбуждаются только атомы щелочных металлов. Для определения щелочно-земельных металлов необходимо пламя смеси воздуха с ацетиленом, дающее температуру около 2300°С. Уни- [c.373]
Состав газовой смеси определяет температуру пламени, которая влияет не только на степень диссоциации молекул, но и на концентрацию возбужденных атомов определяемых элементов. В настоящее время наряду с традиционными низкотемпературными пламенами (например, ацетилен — воздух, пропан — воздух с Г 2100—2600°К), в которых возбуждаются только легкоионизуемые элементы, применяют пламена с температурой 5000° К и выше (дициан — кислород, дициан — озон, закись азота — водород и др.). Последние позволяют возбуждать аналитические линии большого числа элементов как с низким, так и средним потенциалом ионизации [94, 95, 1013, 1150, 1196]. [c.209]
ДЛЯ определения щелочных и щелочноземельных металлов, а также некоторых других элементов (1п, Т1, РЬ, Мп, Си и др.)- Возбуждение атомов щелочных металлов происходит при 1200—1400° С, такую температуру дает пламя смесей воздуха с пропаном, бутаном, светильным газом. Для возбуждения атомов щелочноземельных металлов необходима температура 2300°С (смесь воздуха с ацетиленом). [c.243]
Устройство и настройка паечного поста были описаны выше, здесь приводится информация о строении паечного пламени. При сгорании в струе кислорода пропан-бутано-вой смеси образуется пламя, состоящее из трех зон. Ядро — зона с температурой около 1000 С, здесь пропан-бутановая смесь, выходя из сопла горелки, нагревается и частично распадается, при этом раскаленные твердые частицы углерода ярко светятся, оболочка ядра — наиболее яркая часть пламени. Средняя — восстановительная зона — наиболее высокотемпературная часть пламени (до 2200 С), здесь происходит первая стадия сгорания пропан-бутановой смеси за счет первичного кислорода, поступающего из ба шона. В результате этого получается смесь, состоящая из окиси углерода и водорода, смесь активна по отношению к кислороду и способна восстанавливать металлы из окислов, отчего зона и называется восстановительной. Факел — третья зона пламени с температурой 2000-1500 °С, в факеле происходит вторая стадия горения пропан-бутановой смеси за счет поступления кислорода воздуха. Разлагающиеся двуокись углерода и вода выделяют кислород, который совместно с СО и парами воды окисляет паяемый металл. Для образования нормального пламени необходимо, чтобы соотношение кислорода и пропан-бутана составляло 3,4- 3,8. [c.96]
Источники пламени. Применяют пламя, для получения которого в качестве горючего используют ацетилен, пропан или водород, а в качестве окислителя — воздух, кислород или оксид азота (I), Выбранная газовая смесь определяет температуру пламени. ВоЗ душно-ацетиленовое пламя и воздушно-пропановое имеют низкую температуру (2200—2400 °С). Такое пламя используют для определения элементов, соединения которых легко разлагаются при этих температурах. Таких элементов большинство, и потому в дальней шем тексте, если нет специальных указаний, предполагается использование воздушно-ацетиленового пламени. Воздушно-пропановое пламя используют тогда, когда имеются затруднения в получе НИИ ацетилена такая замена осложняет работу, поскольку в техническом пропане имеются примеси, загрязняющие пламя. Прй определении элементов, образующих трудно диссоциирующие соа- [c.20]
В заключение представляется целесообразным сравнить величины энергий диссоциации Оо окислов элементов с экспериментальными данными о наличии или отсутствии свободных атомов в пламенах. На рис. 14 представлены данные для тех элементов, для которых они имеются 20. Из рисунка видно, что элементы, имеющие окислы с /)обыть определены в пламенах смесей пропан —воздух или ацетилен — воздух по эмиссионным или абсорбционным атомным спектрам, т. е. они образуют свободные атомы. Исключение составляет бериллий, который, вероятно, не поступает в пламя ввиду высокой температуры кипения его окисла. Элементы, у которых Оо около 5 эв (Мо, Mg), с большей чувствительностью определяются в слабовосстановительном пламени. При Оо, равном 5—6 эв (Ва, 8п), свободные атомы элементов еще существуют в пламени в не- [c.40]
Пламя используют в качестве источника света в методе фотометрии пламени, атакже как один из основных способов атомизации веществ в методе атомно-абсорбционного анализа (см. раздел 2). В зависимости от состава горючей смеси (воздух-пропан, воздух—ацетилен, воздух—водород и др.) температура пламени может поддерживаться в интервале 2000—3000 К, что обеспечивает достаточно низкий С обнаружения элементов (0,001—1 мг/л). [c.219]
Пламя в атомной абсорбции выполняет роль температурной ячейки, применяемой для атомизации пробы. Возможность определения с достаточной чувствительностью того или иного элемента методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии зависит от температуры пламени, а также от соотношения горючего газа и газа, поддерживающего горение. В основном при этом методе применяются пламена смесей пропан — воздух, ацетилен — воздух, ацетилен — закись азота. Низкотемпературное пламя (пропан — воздух, температура 1925° С) применяется с успехом для определения элементов, соединения которых легко диссоциируют при этой температуре. Сюда относятся цинк, медь, магний. [c.208]
Сварка и резка. При сварке и резке металлов применяется 98,5—99,5%-ный кислород. Для газовой сварки кислород смешивают с горючим газом, например с ацетиленом, пропаном, чтобы интенсифицировать процесс сгорания газа и получить пламя с высокой температурой, требующееся для быстрой плавки металла в месте сварки. [c.20]
Для закалочного пламени применяются пропан, природный газ и городской газ в смеси с кислородом, но наиболее распространенным источником нагрева является кислородно-ацетиленовое пламя. Преимущества ацетилена обусловлены хорошими теплофизическими свойствами его пламени, сочетанием высоких температуры пламени и скорости сгорания, уже упоминавшимися выше в других случаях, когда ацетилен конкурирует с другими, значительно более дешевыми горючими газами. [c.638]
Самостоятельная группа процессов газопламенной обработки связана с термической резкой металлов, которая объединяет способы кислородной, плазменнодуговой и лазерной резки. Преимущественное распространение в настоящее время имеет кислородная резка, при которой используется подогревающее пламя для нагрева кромки реза до температуры его воспламенения в кислороде. Наиболее эффективным горючим газом для подогревающего пламени является ацетилен. Однако в связи с его дефицитностью часто применяют другие пропан-бутан, природный газ и керосин. Ежегодно выпускается несколько сот тысяч ручных ацетиленокислородных резаков для резки и свыше трех тысяч машинных резаков [c.11]
Анализируемый раствор распыляется пульверизатором и образующийся туман вводится в пламя горелки, питаемой ацетиленом, пропан-бутаном или природным газом. В пламени сначала происходит поглощение энергии атомами в связи с переходом некоторых электронов на более удаленные от ядра орбиты. Затем совершается обратный процесс — переход электронов на более близкие к ядру орбиты, идущий с выделением энергии в виде лучей с определенной длиной волны. Вследствие того, что температура пламени невысока, на более удаленные орбиты переходят лишь некоторые электроны. Поэтому [c.74]
Для создания аналитических пламен может быть использован ряд газовых смесей. Наиболее часто используют пламена пропан-воздух, ацетилен-воздух и ацетилен-кислород, которые обеспечивают температуры 2200, 2500 и 3300 К соответственно. Увеличение температуры пламени ацетилен-кислород по сравнению с пламенем ацетилен-воздух достигается благодаря отсутствию азота, поглощающего энергию. Могут быть использованы как стехиометрические, так и обогащенные, т. е. с избытком горючего, пламена, чтобы уменьшить образование оксидов определяемого элемента. Интересной особенностью пламени является то, что процесс этот самоподцерживающийся, до тех пор пока поступают горючее и окислитель. Другими словами, нет необходимости в подведении внешней энергии. Проба в жидком виде может быть введена в пламя, где она десольватируется, испаряется, диссоциирует и затем атомизуется, прежде чем будет возбуждена. [c.17]
Навеску пробы 2 г помещают в платиновый тигель и отгоняют Ge l4 при температуре 70° С в токе неона или аргона. Остаток растворяют в 6 М НС1, высушивают и растворяют в воде. Для определения натрия используют атомно-абсорб-ционный метод, спектрофотометр на основе монохроматора ЗМР-3, источник света — безэлектродные ВЧ-лампы ВСБ-2, пламя пропан—воздух. Предел обнаружения натриц 5-10 %. При содержании натрия 0,0002 мг/мл относительное стандартное отклонение 0,05. [c.170]
При повышении температуры углеводородо-воздушной смеси состав кажущегося бедного предела зажигания изменяется на 6—8% на каждые 100 температуры [19, 20]. Эджертон и Табет [16] изучали влияние температуры на предел воспламенения системы пропан — воздух в области бедных смесей и установили, что предел (выраженный процентным содержанием пропана в смеси) почти линейно изменяется с температурой. Они получили значения, изменяющиеся от 1,82% пропана при 148° до 1,38% пропана при 380°. В данной работе самый бедный предел оказался равным 1,83% пропана на трубке диаметром 6,3 мм при Ир/и., я= 3 и скоростях основного потока 15—30 м/сек. Эти результаты согласуются с данными Эджертона и Табета [16], если учесть предварительный нагрев смеси вспомогательным пламенем. В частности, тепла вспомогательного пламени вполне достаточно для повышения средней температуры ядра основного потока диаметром 20 мм от начальной температуры 15° до температуры предварительного нагрева 140°. Тот факт, что вспомогательным пламенем практически нагревается сравнительно небольшое ядро из всего сечения основного потока, подтверждается температурными кривыми, снятыми по сечению потока на выходе из горелки. Как только пламя устанавливается в таком [c.84]
Низкотемпературные пламена. В низкотемпературных пламенах наблюдается увеличение чувствительности определения тех металлов, соединения которых диссоциируют при низких температурах. Кроме того, для легко ионизируемых элементов в этих пламенах степень ионизации уменьшается. Поэтому использование для определения рубидия пламен с температурой более низкой, чем температура пламени воздух — ацетилен, по-видимому, создает определенные аналитические преимущества. Как и ожидалось, в пламени пропан —бутан — воздух чувствительность определения рубидия составила 0,12 лгкг/лл, в то время как в пламени воздух — ацетилен — 0,25 мкг мл (в обоих случаях исследуемые растворы содержали только рубидий). Однако величина шума в низкотемпературных пламенах была в 10 раз больше, очевидно, вследствие механической нестабильности пламени. Поэтому не удавалось воспользоваться преимуществами метода расширения шкалы, так что предел обнаружения в пламени воздух — ацетилен имел более низкое значение. В пламени пропан — бутан — воздух по мере его обогащения абсорбция уменьшалась. Максимальное ее значение наблюдалось в ближайших к поверхности горелки областях. При использовании пламени воздух — ацетилен величина отношения топливо — воздух не оказывала заметного влияния на абсорбцию рубидия. [c.124]
Некоторые исследователи считают и подтверждают экспериментально, что воспламеняемая газовоздутаная смесь существует в зоне действия видимого облака. Однако известны случаи, когда взрывоопасную концентрацию газовоздушной смеси обнар)Ж1вали при проведении экспериментов на расстоянии до 6 м от кромки видимого облака газа с подветренной стороны. При воспламенении газовоздушной смеси пламя распространяется в направлении к месту испарения газа. Однако благодаря карманам , возникающим в газовом облаке и создающим его неоднородную концентрацию, пламя может и не распространяться к месту испарения СПГ. Температуры воспламенения паров СПГ и сжиженных углеводородных газов (этан, этилен, пропан) практически совпадают. Однако скорость выгорания СПГ выше, чем у других углеводородов. В зависимости от условий выгорания (из резервуара, с поверхности земли) линейная скорость выгорания изменяется от 12 до 25 мм/мин. [c.628]
ИЛИ кислорода со светильным газом, пропаном, ацетиленом или водородом. В специальных случаях, однако, применимы и другие смеси. Для возбуждения большого числа элементов Б. Л. Валли и А. Ф. Бартоломей [27] применили кислородно-циановое пламя. В табл. 11 приведены температуры пламен различных газовых смесей. [c.188]
После распыления проба (теперь уже в виде тумана) разлагается на атомы или молекулы, способные излучать или поглощать свет. В качестве испарителя в обоих методах чаще всего применяют пламя. Роль пламени для получения возбужденных атомов достаточно подробно рассмотрена Дином [2], Германном и Алькемаде [3]. Светильный газ, пропан, бутан, водород и дициан в смеси с воздухом или кислородом успешно применяют для получения требуемых температур пламени. Как было отмечено выпге, в эмиссионном методе анализа температура пламени имеет гораздо большее значение, чем в абсорбционном. Влияние пламени на чувствительность анализа будет рассмотрено в дальнейшем. [c.188]
Пропан-бутан требует осторожности |
Сжиженный газ пропан-бутан обладает многими положительными качествами. Наряду с этим, у сжиженных газов малы значения нижней границы предела взрываемости, они значительно тяжелее воздуха и собираются в нижней части помещения, где может образоваться взрывоопасная смесь при очень малых утечках. Если вы пользуетесь пропан-бутаном, то должны помнить: газ может стать причиной отравления и взрыва большой разрушительной силы.
Отравление газом пропан-бутан
Сжиженный газ пропан-бутан, а также продукт его неполного сгорания окись углерода, токсичны, могут вызывать удушье или сильное отравление со смертельным исходом. При легких и средних отравлениях угарным газом появляются головная боль (главным образом в висках), головокружение, тошнота, рвота, резкая слабость в руках и ногах, сердцебиение, а при тяжелых – затемненное сознание, нередко возбужденное состояние с беспорядочными движениями или потеря сознания.
Утечка газа происходит в результате пробоя шланга, соединяющего газопровод с плитой, разгерметизации резьбовых соединений, забывчивости людей, шалости детей, заливания пламени водой. Почувствовав в помещении запах газа, немедленно перекройте его подачу к плите. При этом не зажигайте спичек, не включайте свет и электроприборы (лучше всего обесточить всю квартиру, отключив электропитание на распределительном щитке), чтобы искра не смогла воспламенить накопившийся в квартире газ и вызвать взрыв. Вызовите аварийную газовую службу (телефон «04»). Основательно проветрите всю квартиру, а не только загазованную комнату, открыв все окна и двери. Покиньте помещение и не заходите в него до исчезновения запаха газа.
При появлении у окружающих признаков отравления газом вынесите их на свежий воздух и положите так, чтобы голова находилась выше ног. До приезда аварийной службы не вносите открытого огня, не включайте и не выключайте электроприборы.
Взрыв пропан-бутана
Наличие газа в помещении (в воздухе) в количестве от 1,8 до 9,5 процента является взрывоопасной концентрацией, способной при открытом огне или искре стать причиной взрыва большой разрушительной силы
Взрыв баллона пропан бутана происходит при соприкосновении газа с огнем либо при превышении показателей пожаровзрывоопасности. Пропан: С3Н8, горючий газ, температура вспышки 96 °С, температура самовоспламенения 470 °С, концентрационные пределы распространения пламени 2,3-9,4 % (об.). Бутан: C4h20, горючий газ, плотность по воздуху 2,0665, температура вспышки 69 °С, температура самовоспламенения 405 °С, концентрационные пределы распространения пламени 1,8-9,1 % (об.).
Взрыв пропан-бутана сопровождается высокотемпературным выбросом газов (пламени), при этом летят осколки и детали разорвавшихся баллонов, выделяется тепловое излучение. При взрыве пропан-бутана помимо основных факторов пожара (открытый огонь, повышенная температура окружающей среды, токсичные продукты горения и т. д.), как правило, проявляются вторичные факторы: волна сжатия, образующаяся при взрыве баллона и влекущая за собой разрушение зданий или отдельных их частей, разрушение (или повреждение) наружного и внутреннего водопроводов, пожарной техники, стационарных средств тушения, технологического оборудования, возникновение новых очагов пожаров и взрывов. При взрыве баллона пропан-бутана в очаге пожара возможно образование «огненного шара» диаметром 10 м.
ГБО пропан-бутан при пожаре
Особую опасность представляют газовые баллоны при пожаре. При пожаре на объектах, где хранятся или используются баллоны с пропан-бутаном, часто происходят взрывы ГБО под давлением. При тушении объектов с наличием газовых баллонов следует учитывать физико-химические свойства применяемого газа.
При попадании баллона пропан-бутана в очаг пожара происходит нагревание сосуда, что приводит к кипению жидкой фазы и повышению давления в нем. Пламя нагревает стенки сосуда и ослабляет их первоначальную прочность вследствие неравномерного прогрева поверхности, что, как правило, приводит к разрушению сосуда. При этом пары от мгновенного испарения жидкости зажигаются и образуется «огненный шар».
При пожаре сжиженный газ, выходящий из баллона, может гореть в паровой, жидкой и парожидкостной фазах, каждая из которых имеет свою температуру горения. Характер истечения газа из баллона можно определить по цвету и виду пламени: в паровой фазе газ горит светло-желтым пламенем; в жидкой фазе пламя ярко-оранжевое с выделением сажи; в парожидкостной фазе горение происходит с периодически меняющейся высотой пламени. Данные признаки видимого пламени являются косвенными характеристиками разгерметизации баллона с бытовым газом и чреваты взрывом.
Газ пропан-бутан, используемый в быту для получения тепловой энергии, из-за отсутствия контроля в ходе эксплуатации могут привести к удушью, отравлению, взрыву. Поэтому необходимо знать и неукоснительно соблюдать правила пользования газовыми приборами, колонками, печами и уход за ними. Чтобы газ остался только добрым помощником, помните, что категорически запрещается: пользоваться газовыми приборами при отсутствии тяги в вентканале; оставлять без присмотра включенные газовые приборы; допускать к пользованию газовыми приборами детей в возрасте менее 13 лет, а также лиц, не прошедших инструктаж; самовольно переносить и ремонтировать газобаллонные установки.
Просмотров: 346
Потребители голубого топлива, к сожалению, не владеют информацией о его качестве — «Ингушетия» — интернет-газета
Вроде бы все «болевые» точки и проблемы в газовой отрасли Ингушетии, в том числе и связанные с отношениями между потребителями и поставщиками газа, сотни раз озвучены, они разобраны по деталям на недавних парламентских слушаниях. А вот и нет! И действительно: природный газ, как продукт «потребления», может быть качественным и некачественным. Вообще, что это такое — природный газ? Это газообразное топливо, которое получено из подземных источников и состоящее из сложной смеси углеводородов, преимущественно метана. Однако он еще содержит этан, пропан, высшие углеводороды, хотя в значительно меньших количествах, включает в себя еще некоторые инертные газы, например, азот и двуокись углерода, плюс незначительные количества микроэлементов.
Многие видели, как газосварщики формируют факел в своих газовых горелках. При поджоге горелки из неё обычно выходит пламя оранжевого оттенка. Регулируя подачу кислорода и пропан-бутановой смеси, сварщик добивается, чтобы пламя приобрело ярко-голубой цвет, говорящий о высокой температуре факела. И хотя в дома и котельные, работающие на газе, централизованно, по трубам, подаётся не пропан-бутан, а метан (то есть природный газ), внешние признаки его качества при сгорании — те же, что и у горючей смеси в горелке сварщика.
Ярко-синий цвет пламени говорит о высокой калорийности, красноватый — о малогорючих примесях в газе. Если при одном и том же положении ручки на газовой плите (например, установленной на максимум) температура горения газа либо объём потребления газа по счётчику за определённый интервал, в разные периоды времени, будут изменяться, то можно делать выводы о нестабильности газовой смеси. Ухудшение качества газа можно определить и без термометра — по увеличению времени закипания чайника.
А вот выходят параметры газа за пределы ГОСТа или нет, определить на глаз, с помощью счётчика газа, секундомера или термометра, увы, невозможно. Анализом параметров природного газа занимаются лаборатории самих поставщиков газа. Говорят, газ, поступающий в Ингушетию, проверяется в лаборатории Моздока. Получается, они как бы контролируют сами себя. Если на любом рынке для проверки веса приобретаемого товара покупателям предоставляются контрольные весы, то продавцы газа контролируют себя сами. Здорово! Не трудно предположить, что у газовиков возникает соблазн заработать ещё больше на одном и том же объёме закупленного или добытого газа.
Для анализа количественного и качественного состава природного газа используют так называемые хроматографы — как лабораторные, так и промышленные (устанавливаемые на потоке и отображающие информацию в реальном времени). И именно для приобретения этих приборов (оборудования) просил изыскать средства в скудном бюджете республики оратор.
Добавим, что качество газа, который мы получаем, определяется его калорийностью, точнее — теплотворной способностью. Чем меньше там метана, тем больше газа нужно использовать, чтобы нагреть ту же воду. В Европе население платит именно за теплотворную способность газа, а мы — за объемы. Там счетчики считают джоули (единица измерения энергии), у нас — метр кубический.
Газоанализатор бутан
Газообразный углеводород бутан (C4H10) – представитель алканов, с характерным запахом, без цвета и вкуса входит в состав природного и нефтяного попутного газа. Его выделяют в процессе разделения на фракции нефтепродуктов, а в условиях лаборатории получают посредством ряда типичных химических реакций. По строению молекулы различают два изомера – н-бутан и изобутан, в практической химии название применяется в основном для н-бутана. Газовоздушная смесь с C4H10 взрывоопасна, для безопасного использования в производственных помещениях необходим газоанализатор бутана.
Свойства и характерные реакции
В нормальных условиях при 20°C, оба изомера находятся в газообразном состоянии, температура кипения у них разная, для н-бутана ее значение 0,5°C, а для изобутана – 11,7°C. Температура плавления также отличается и составляет -138,4°C и -159,6°C соответственно. Газ с плотностью 2,672 кг/м3 тяжелее воздуха, способен к самовоспламенению при нагреве до 372°C. Нижний предел концентрации (НКПР) 1,8% от общего объема или 43 г/м3, верхний предел определен в 9,1% или 216 г/м3, в этом диапазоне образуются взрывоопасные газовоздушные смеси, необходимо контролировать довзрывную концентрацию бутана.
Вещество довольно инертно, в стандартных условиях не проявляет активности при контактах с концентрированными кислотами и щелочами, со щелочными расплавами и щелочными металлами. Не вступает в реакцию с галогенами, за исключением фтора и целым рядом других активных соединений. Химические свойства в полной мере соответствуют группе алканов, которой он принадлежит.
Среди характерных для алканов реакций – дегидрирование в присутствии катализатора, галогенирование, нитрование и сульфоокисление при повышенной температуре и, конечно же, горение. При горении выделяется углекислый газ и вода, если кислорода не хватает, то вместо углекислого газа CO2 образуется угарный газ CO и углерод в виде сажи.
Применение
Востребован газ в качестве топлива, его смесь с пропаном используется для двигателей внутреннего сгорания, отопления и приготовления пищи в быту. С учетом того, что вещество относится к 4 классу опасности, его применяют в пищевой индустрии в качестве пищевых добавок – E943a(н-бутан) и E943b(изобутан).
Большое значение соединение имеет для производства безопасных холодильных установок, изобутан в чистом виде или в смеси с пропаном используются в качестве хладагента в теплообменниках холодильников и кондиционеров. Углеводород не представляет опасности для озонового слоя и постепенно вытесняет традиционные фреоны и аммиак. Широта применения требует, из-за его взрывоопасности, постоянного контроля концентрации. Газосигнализатор бутана, установленный в рабочем помещении, решает проблему безопасности.
Разработчик и производитель оборудования для газового анализа ИНКРАМ предлагает несколько технических решений для определения довзрывной концентрации НКПР в месте проведения работ. Среди предлагаемых решений можно выделить акусторезонансные датчики АРП,
приборы серий В300 и С300,
моноканальные и многоканальные системы постоянного контроля СКВА.
При каких температурах горят зажигалки?
Карманные зажигалки воспламеняют бутан или нафталин с кремнем и сталью, образуя небольшое пламя. Оба вида топлива имеют стандартный температурный диапазон, но фактическая температура их пламени зависит от продолжительности включения зажигалки, а также от температуры окружающей среды, содержания кислорода и движения окружающего воздуха. Часто можно встретить одноразовые бутановые зажигалки, но многие люди также используют многоразовые зажигалки с нафталиновым фитилем.
TL; DR (слишком долго; не читал)
Одноразовые бутановые зажигалки потенциально могут производить пламя до 4074 градусов по Фаренгейту, в то время как их нафталиновые аналоги могут достигать 4591 градусов.Однако такие факторы, как движение воздуха и температура окружающей среды, обычно ограничивают это.
Бутановые зажигалки
Бутановые одноразовые зажигалки воспламеняются при температуре 77 градусов по Фаренгейту. Если бы бутановая зажигалка не теряла тепла — так называемая адиабатическая температура — она могла бы достигать 4074 градусов, но большинство бутановых пламен фактически горит при температурах, близких к 3578 градусам из-за их взаимодействия с окружающей средой. Поскольку кислород необходим для горения, температура пламени зависит от высоты, движения воздуха и атмосферного давления.Пламя постоянно отдает тепло окружающему воздуху, а в холодных условиях пламя горит при более низких температурах, чем в жарких. Пламя, окруженное прохладным движущимся воздухом, теряет тепло еще быстрее, поскольку воздух отводит тепло фитиля и заменяет его более холодным воздухом.
Нафталиновые зажигалки
В карманных зажигалках с фитилем вместо постоянного потока газа, сжигаемого бутановыми зажигалками, используется фитиль, пропитанный нафталиновым топливом. В то время как нафталиновое пламя может достигать адиабатической температуры 4591 градуса по Фаренгейту, фактическая температура отдельного пламени обычно намного ниже из-за тех же факторов окружающей среды, которые влияют на бутановое пламя.
Использование людьми и безопасность
Зажигалки находят применение во многих сферах деятельности. Их часто носят курильщики сигарет, а также туристы и повара, которые используют некоторые виды барбекю. Точно так же зажигалки находят применение в большинстве домов для зажигания фитилей свечей. Тем не менее, люди должны проявлять осторожность при обращении с зажигалками, так как человеческая кожа может гореть при температурах до 109,4 градусов по Фаренгейту, если тепло применяется в течение длительных периодов времени, не так много людей будут проверять эту теорию на себе. Точно так же следует хранить зажигалки в недоступном для детей месте.СМИ время от времени сообщают, что дома сгорели из-за того, что дети играли с зажигалками.
Что горячее? »Юкстаморф» United Artworks
A: Вместо того, чтобы беспокоиться о диаграммах и числах, которые, как Священное Писание, кажется, подтверждают практически любую позицию в зависимости от того, о чем сообщается и как это измерялось, попробуйте сделать это по старинке. Возьмите небольшую воздушно-пропановую горелку, похожую на обычные водопроводные, и одну из типичных маленьких горелок, работающих на бутане.Установите их на такое же пламя и посмотрите, как быстро вы сможете расплавить кусок серебра на угольном блоке. Вы обнаружите, что пропан превосходит бутан — возможно, не намного, но он будет быстрее. Есть ряд факторов, по которым сложно судить обо всем этом. Главное, что вам нужно — это то, как быстро пламя может передать БТЕ на нагреваемый металл. Это не просто выход в BTU, но и скорость передачи, которую бывает сложно измерить. Он включает в себя генерацию БТЕ в пламени, а также скорость пламени и, без сомнения, другие вещи.
В таблице, которую вы упомянули, обратите внимание на это: пропан имеет более высокую скорость горения. Это означает, что даже если бы энергия, запасенная в данном объеме бутана, была немного выше (это не так), вы бы быстрее получили энергию из пропана. Я думаю, что даже более важным (я могу ошибаться, не уверен) является показатель степени сгорания. Здесь вы заметите, что для сжигания требуется меньше бутана на единицу объема кислорода или воздуха (в основном кислорода плюс азот). Это означает, что для получения энергии в данном объеме бутана требуется больше кислорода, чтобы получить его.Это означает, что эти другие газы, азот и кислород, также имеют комнатную температуру при смешивании с топливом и участвуют в выделении энергии топливом, чтобы нагреть его до температуры пламени. Это, возможно, приводит к тому, что указанное количество БТЕ выделяется этим объемом топливного газа, но оно разбавляется гораздо большим общим объемом пламенного газа, что дает более низкую фактическую температуру пламени, особенно при сжигании на воздухе (помните весь этот избыток азота. )
Комбинация более высокой температуры пламени и более высокой скорости пламени позволяет пропану или природному газу работать лучше в наших применениях.В коммерческом отопительном приборе, таком как печь, прибор спроектирован так, чтобы извлекать как можно больше общей энергии, производимой топливом, поэтому фактическая температура пламени не имеет большого значения, только общее количество БТЕ на объем топлива. Для нас большая часть пламени проходит мимо металла, и важно то, какая часть этих БТЕ удается перейти на металл и как быстро они передаются. Различия в скорости передачи БТЕ более важны, чем фактическая температура пламени, так как металл при нагревании постоянно пытается снова отвести свое тепло, и пламя должно добавлять тепло быстрее, чем металл от него избавляется.Это другое требование, чем то, что было бы в домашней отопительной печи.
Бутан — это не плохое топливо , просто для многих из нас он менее практичен в реальной жизни. Помимо прочего, это часто более дорогое, не так легко и широко доступно в резервуарах большего размера, а горелки, которые мы обычно используем, как правило, оптимизированы с точки зрения конструкции для природного газа или пропана и бутана, хотя они могут работать в они могут работать не так хорошо. Однако различия здесь могут быть не такими сильными, и если у вас есть бутан и для него разработан фонарик, без сомнения, вы можете заставить его работать нормально, если хотите.На самом деле это может быть немного более чистое топливо, хотя я в этом не уверен.
Питера В. Роу M.F.A., G.G.
(PDF) Свойства воспламенения н-бутана и изобутана в машине быстрого сжатия
при T
c
900 K для стехиометрических смесей н-бутана (рис. 8) также
в очень хороших согласование в диапазоне измеренных давлений
(14–36 бар). Далее отметим, что механизм точно считает
наблюдаемого двухступенчатого зажигания, показанного на рис.1,
для всех стехиометрических смесей н-бутана; Пример количественного согласования
с измерениями для t
1
показан на рис.
Рис. 6. При давлении 15 бар рассчитанные общие времена задержки воспламенения для обедненных топливом смесей н-бутана
равны в пределах 20% от измерений
(рис. 4). На рис. 5 показано, что при 30 бар расчеты смесей н-бу-
тана находятся в пределах ± 15% от результатов измерений при температурах
° С выше 950 К; тем не менее, систематическое завышение прогноза,
, увеличивающееся почти до 2 раз в области NTC, наблюдается
с понижением температуры ниже 950 К.Расчетные данные
вдоль изотермы при -900 К (рис. 9), кроме того, все в пределах 40%
измерений для давлений, измеренных для смесей н-бутана
с обедненной топливной смесью.
В отличие от относительно хорошего согласия для н-бутана,
из рис. 2–5 видно, что за исключением области
выше 925–950 К, расчеты не предсказывают экспериментальные результаты
для изобутана. Поведение NTC в основном отсутствует, а время задержки
завышено, как правило, более чем в 10 раз.Здесь мы отмечаем, что моделирование самовоспламенения
для изобутана при P
c
and15 бар и T
c
<800 K выполняется без потерь тепла, поскольку самовоспламенение не наблюдалось в моделирование -
с учётом тепловых потерь. В соответствии с измерениями
, модель предсказывает двухступенчатое зажигание в области
температур 680–770 K для смесей изобутана при
P
c
30 бар, но не может сделать это между 780 ° C. K и 810 K, и это явление
также вообще не предсказывается при P
c
15 бар, в сравнении с экспериментальными результатами.Кроме того, для всех смесей изобутана при P
c
30 бар наблюдается существенное предсказание времени воспламенения как первой, так и второй ступеней
. Что касается
смесей изомеров на рис. 7, расчеты остаются точными
при 25% изобутана и расходятся с измерениями выше
этой фракции.
Результаты, представленные здесь, показывают, что используемый механизм [19]
не может предсказать экспериментальные наблюдения для изобутана
и, таким образом, продемонстрировать необходимость дальнейшего исследования окисления этого изомера
при более низких температурах. температуры и умеренное давление —
суров.В заключение мы сообщаем, что мы также выполнили
симуляций с использованием недавно модифицированной версии механизма
, используемого здесь [29]. Эти результаты для P
c
30 бар предварительно
представлены на рис. 3 и демонстрируют значительное улучшение прогнозов, что указывает на перспективу точного моделирования поведения воспламенения изотопов
. бутан.
5. Резюме и выводы
Время задержки самовоспламенения н-бутана и изобутана было измерено
на машине быстрого сжатия при температурах от
дов интервале от 660 К до 1010 К, давлениях от 14 до 36 бар.
и при коэффициентах эквивалентности u = 0.5 и u = 1.0. Результаты показывают, что
и н-бутан, и изобутан демонстрируют область отрицательных температур —
коэффициента (NTC), а при низких температурах наблюдается двухступенчатое зажигание
для обоих видов топлива. В области NTC (770–850 K) изобутан
показывает время задержки в два раза больше, чем у обычного изомера,
и условия обедненного топлива также удваивают время задержки, когда сравнивают
со стехиометрическими условиями в этой области. . При температурах
ниже 720 К соотношение эквивалентности, как видно, мало влияет на измеренное время задержки
, в то время как здесь изобутан также показывает более длительное время задержки воспламенения
, чем измеренное для н-бутана.Выше
900 К задержка воспламенения
, по-видимому, лишь незначительно зависит от идентичности изомера, хотя время задержки зажигания
, выполненное в условиях обеднения топлива, существенно больше, чем
для стехиометрических смесей. Увеличение давления после сжатия
с -15 бар до -30 бар уменьшает амплитуду
области отрицательного температурного коэффициента и уменьшает измеренное время задержки воспламенения
для обоих изомеров бутана в
из -3 .В области, в которой наблюдается двухступенчатое зажигание,
680–825 К, первая ступень зажигания сначала резко уменьшается в диапазоне
680–770 К, но существенно ниже 770 К. Различия в воспламенении двух изомеров в некоторых условиях предполагают, что явления, связанные с воспламенением в оборудовании сгорания
, работающем в этом режиме, таком как детонация двигателя
, могут быть чувствительны к смеси изомеров в топливе.
Обнаружено хорошее согласие между измерениями и расчетами для всех изученных смесей н-бутана, включая оба времени задержки
в двухступенчатой области, со значительными расхождениями, особенно
в области NTC, поскольку наблюдается для смесей изобутана
ниже 950 К.
Благодарности
Мы с благодарностью выражаем признательность за полезное общение с Х.
Курраном относительно его химического механизма и благодарим Б.Slim для
модификаций основного уплотнительного кольца в конструкции RCM, которые
значительно повысили эксплуатационную надежность машины.
Ссылки
[1] М. Лейкер, В. Картельер, К. Кристоф, У. Пфайфер, М. Ранкл, Оценка детонационных свойств газообразного топлива
с помощью метанового числа и его
Практическое Приложение к газовым двигателям, документ ASME 72-DGP-4, апрель 1972 г.
[2] RMR Хиггин, А. Уильямс, Proc.Гореть. Inst. 12 (1969) 579–590.
[3] R. Zellner, K.J. Niemitz, J. Warnatz, W.C. Гардинер-младший, К.С. Юбэнк, Дж. М. Симми,
Prog. Астронавт. Аэронавт. 88 (1981) 252–272.
[4] К.С. Юбанк, М.Дж. Рабинович, W.C. Гардинер-младший, Р. Zellner, Proc. Гореть. Inst.
18 (1981) 1767–1774.
[5] R.W. Crossley, E.A. Дорко, К. Шеллер, А. Буркат, Combust. Пламя 19 (1972)
373–378.
[6] С. Танака, Ф. Айяла, Дж. К. Кек, Дж. Б. Хейвуд, Combust.Пламя 132 (2003) 219–
239.
[7] С.М. Correa, Proc. Гореть. Inst. 27 (1998) 1793–1807.
[8] E.B. Халил, Г.А. Карим, J. Eng. Газ Турб. Мощность, Пер. ASME 124 (2002) 404–
411.
[9] М. Карлье, К. Корре, Р. Минетти, Дж. Ф. Пауэлс, М. Рибокур, Л. Sochet, Proc.
Горючий. Inst. 23 (1990) 1753–1758.
[10] R. Minetti, M. Ribaucour, M. Carlier, L.R. Соше, Комбаст. Sci. Technol. 113–
114 (1996) 179–192.
[11] R. Minetti, M. Ribaucour, M. Carlier, C. Fittschen, L.R. Соше, Комбаст. Пламя
96 (1994) 201–211.
[12] Дж. Ф. Грифитс, П. А. Хэлфорд-Мо, Д.Дж. Роза, Сжигание. Пламя 95 (1993) 291–306.
[13] Дж. Франк, Дж. Ф. Грифитс, У. Ниммо, Proc. Гореть. Inst. 21 (1986) 447–454.
[14] Х. Ким, Ю. Лим, К. Мин, Д. Ли, KSME Int. J. 16 (2002) 1127–1134.
[15] А. Буркат, К. Шеллер, А. Лифшиц, Combust. Пламя 16 (1971) 29–33.
[16] Д.К. Хорнинг, Д.Ф. Дэвидсон, Р. Хэнсон, Дж. Пропул, Power 18 (2002) 363–371.
[17] М. Ламнауэр, К. Зиннер, Б. Ротавера, Э. Петерсен, Г. Бурк, в: 43rd AIAA /
ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2007, стр. 1–8 .
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
10 15 20 25 30 35 40
Давление, бар
Давление, бар
Давление, бар
н-бутан
изобутан
н-бутан (расч.)
изобутан (с др.)
Рис. 9. Измеренное (символы) и рассчитанное (линии) время полной задержки воспламенения для топлива-
обедненных бутановых смесей B и D при T
c
= 900 ± 4 К.
244 S. Gersen et al. / Горение и пламя 157 (2010) 240–245
Характеристики горения бутановой пористой горелки для выработки термоэлектрической энергии
В настоящем исследовании исследуется использование пористой горелки для выработки термоэлектрической энергии.Пористая горелка была испытана с газообразным бутаном с использованием двух наборов конфигураций: однослойного фарфора и сложенного двухслойного оксида алюминия и фарфора. К стенке горелки были прикреплены шесть термоэлектрических (ТЭ) модулей PbSnTe общей площадью 54 см 2 . Также были добавлены ребра на холодную сторону модулей ТЕ. Отношение эквивалента топлива к воздуху варьировалось между пределом продувки и обратного пламени, и регистрировались соответствующие температура, ток-напряжение и выбросы. Сложенный двойной слой отрицательно сказался на эффективности сгорания при коэффициенте эквивалентности 0.20 до 0,42, но однослойный фарфор показывает тенденцию к уменьшению отношения эквивалентности от 0,60 до 0,90. Температура поверхности наложенной друг на друга пористой среды значительно выше, чем у однослойной. Выбросы окиси углерода не зависят от обеих конфигураций пористой среды, но умеренное снижение было зарегистрировано для однослойного фарфора при обедненном соотношении топливно-воздушной смеси. Оксиды азота нечувствительны к соотношению эквивалентного обедненного топлива и воздуха для обеих конфигураций, даже несмотря на то, что небольшое снижение наблюдалось в богатой области для однослойного фарфора.Было обнаружено, что выходная мощность сильно зависит от температурного градиента.
1. Введение
Достоинства использования термоэлектрических (ТЭ) устройств в различных системах преобразования энергии привели к их применению во многих областях техники. В сочетании с сильным стремлением к исследованиям и разработкам многие ученые проявили заметный интерес к этим устройствам благодаря их уникальному и простому методу преобразования тепловой энергии в электрическую. Принцип работы устройств TE практически прост и основан в первую очередь на разнице температур между горячей и холодной сторонами модулей TE для выработки электроэнергии.Возникшая разность температур приводила в движение носитель заряда электронов, что приводило к протеканию электрического тока в цепи. Практическое значение имеет то, что модули, как правило, тихие и очень надежные, а их компактность позволяет легко интегрировать их в горелку или печь.
Преобразование тепловой энергии в электрическую, относящееся к термоэлектрической системе, происходит, когда тепло, выделяемое продуктами сгорания в горелке, проходит через модули ТЕ.Температурный градиент между горячими газами сгорания и относительно холодной окружающей средой запускает электрический ток через модуль в цепь. Как правило, горелки для ТЭ могут работать с использованием многих типов углеводородного топлива, жидкого или газообразного. Цю и Хайден [1], например, изучали выработку термоэлектрической энергии с использованием горелки, работающей на природном газе. Вырабатываемая электроэнергия использовалась для питания электрических компонентов системы отопления жилых помещений. Их работа была расширена для исследования положительного эффекта включения рекуператора воздуха и дополнительных модулей ТЕ в систему, Цю и Хайден [2].Очевидное преимущество рекуператора воздуха стало очевидным, когда в их более поздних работах сообщалось о повышенном электрическом КПД. Ряд полезных приложений ТЕ-модулей также был распространен другими известными исследователями, например, в области кухонной плиты Champier et al. [3], и отвод выхлопных газов для транспортных средств, как показано Янгом и Стейблером [4], Кимом и др. [5], а также Deng et al. [6]. Что касается бутана, несмотря на его популярность в качестве портативной бытовой горелки, значительные исследования по нему оставались в основном поверхностными.Posthill et al. [7] предприняли попытку применить газообразный бутан для ТЕ-генератора, продемонстрировав мини-камеру сгорания в качестве источника тепла для кремниево-германиевых (SiGe) ТЕ-модулей. Намного раньше Рахман и Шаттлворт [8] разработали эксперимент по применению ТЭ с использованием бутана для питания портативного компьютера. Помимо этого, Yoshida et al. [9] попытались создать каталитическую микрокапсуру, работающую на бутане и газообразном водороде, в производстве электроэнергии с тепловым электродом. Несмотря на то, что вышеупомянутые исследования многое сделали для выяснения генерации электроэнергии TE, охватывающей широкий спектр применений, аспектами горения и выбросов самой горелки, как правило, пренебрегают.Недостаток понимания и недостаточная информация из работ, процитированных ранее, подчеркнули непреднамеренные пустоты, оставленные этими авторами из-за упущения производительности горелки и выброса газа из горелки. Однако это открывает новые возможности для исследователей осознать, что для того, чтобы охватить эти аспекты, все еще необходимо приложить много усилий, чтобы рассматривать модули TE в качестве хорошего кандидата для выработки электроэнергии TE. Настоящая работа, таким образом, инициирована для более лаконичного изложения общих характеристик системы выработки электроэнергии TE, включая тепловые характеристики горелки.
Сжигание пористой среды — один из новейших методов, изобретенных для достижения стабильности горения с одновременным сокращением выбросов. Существенная особенность горения пористых сред в основном относится к гетерогенному горению между твердой матрицей, пустота которой заполнена жидкостью. Howell et al. [10] объяснил, что сгорание топливно-воздушной смеси в пористой матрице строго нагревается за счет усиленного конвективного режима, поскольку реагенты протекают через межузельные пустоты в матрице.Усовершенствованный механизм теплопередачи между продуктами сгорания и пористой структурой позволяет лучше контролировать стабильность пламени с улучшенной лучистой энергией. За счет лучшей стабильности пламени отношение эквивалентного топлива к воздуху может быть увеличено, и, таким образом, горелка может работать с более бедным эквивалентным отношением. Это потенциально может быть преобразовано в повышение общей эффективности, а количество вредных выхлопных газов, связанных с продуктами выбросов, может быть уменьшено.
Значительные исследовательские усилия были также затрачены на разработку наложенных друг на друга пористых сред для достижения стабильности пламени как для жидкого, так и для газообразного топлива.Сжигание керосинового топлива с использованием углеродно-углеродной пены с покрытием из карбида кремния (C-C) было всесторонне протестировано Periasamy et al. [11], Виджайкант и Агравал [12], Периасами и Голлахалли [13]. Jugjai и Polmart [14] использовали глиноземные шарики для увеличения испарения керосинового топлива в двухсекционной пористой горелке. Горение природного газа в пористом материале C-C, покрытом карбидом кремния, было объяснено Марбахом и Агравалом [15]. Смакер и Эллзи [16] выявили достоинства диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, в расширении рабочего диапазона отношения топливно-воздушной эквивалентности пропана и метана в двухсекционной пористой горелке.Выводы, представленные этими исследователями, в целом согласуются с очевидными преимуществами включения наложенных друг на друга пористых материалов в горелке. Однако объединение преимуществ, присущих пористой горелке для выработки электроэнергии TE, требует всесторонней температуры и эффективности горелки, и они остаются в значительной степени неизученными. Опубликованная работа Hanamura et al. [17] был в первую очередь ограничен численными аспектами сверхадиабатического горения при исследовании использования пористого элемента для выработки электроэнергии ТЭ.С тех пор не было получено глубокого понимания и достаточных знаний, и это формирует толчок и мотивацию для разработки настоящей работы.
Основным направлением предпринятого исследования была оценка выработки электроэнергии с использованием термоэлектрических модулей (ТЭМ) от сжигания газообразного бутана в пористой горелке. Исследование охватывает два типа конфигураций пористых сред: однослойный фарфор и двухслойный оксид алюминия и фарфор. Цель была дополнительно сужена для оценки выработки термоэлектрической энергии в нескольких диапазонах рабочего отношения эквивалентности топлива и воздуха.Характеристики сгорания обсуждаются с точки зрения температурных профилей, эффективности сгорания и выбросов, образующихся в результате сгорания. Результаты, полученные в исследовании, проанализированы для обеих серий экспериментов и представлены для демонстрации возможности использования многослойных пористых сред для системы генерации электроэнергии TE.
2. Материалы и методы
2.1. Экспериментальная установка и процедура
Концепция проекта в этой работе заключается в интеграции пористой горелки, работающей на бутане, с модулями TE для выработки электроэнергии.Модули TE позволяют разнице температур между двумя разнородными проводниками создавать напряжение за счет эффекта Зеебека. Система выработки электроэнергии состоит в основном из шестиугольной горелки и шести ПЭМ-элементов PbSnTe (3 см × 3 см), прикрепленных к боковой стенке горелки.
Горелка из нержавеющей стали была изготовлена в машиностроительном цехе Школы машиностроения Университета Сайнса Малайзии (USM). Нержавеющая сталь толщиной 3 мм была выбрана из-за того, что она имеет более низкую теплопроводность (16.2 Вт / мК). Низкая теплопроводность обеспечивает герметизацию горелки при высоких температурах. Горелка может быть разделена на две части: (1) основная камера сгорания для размещения пористой среды и (2) основная камера с предварительным смешиванием. Основная камера сгорания имела шестиугольную форму с шириной 4,5 см со всех сторон от горелки. Выбор гексагональной формы был сделан исключительно для гибкого размещения и легкого позиционирования ячеек ТЕА, даже несмотря на то, что геометрическая оптимизация размеров горелки не проводилась.Горелка шестиугольной формы была первичной зоной горения и заполнена двумя типами пористой среды; верхний слой — оксид алюминия (Al 2 O 3 ), а нижний слой — фарфор. Оксид алюминия имеет толщину 12,7 мм, 8 пор на см (8 ppcm) и пористость 85%. Он был выбран из-за его высокой рабочей температуры, термостойкости и низкого перепада давления. Нижний слой — фарфор толщиной 15,0 мм, 16 ppcm и пористость 86%. Обе пористые среды были осторожно помещены внутрь камеры и скреплены специальным клеем на всех соприкасающихся краях горелки.Плотная посадка между пористой средой и горелкой имеет решающее значение, поскольку нежелательные зазоры между ними могут привести к развитию и распространению пламени вокруг пористой среды. Когда горелка работала с двухслойной пористой средой, оксид алюминия осторожно помещали поверх фарфора так, чтобы между ними не было воздушного пространства.
Основная камера предварительного смешивания представляет собой небольшую шестиугольную камеру, которая была спроектирована для увеличения времени пребывания топливно-воздушной смеси перед входом в основную зону сгорания.Эта камера также была изготовлена из нержавеющей стали и приварена к нижней части первичной зоны горения горелки, чтобы создать единое целое. Высота камеры 8 см. Нижний конец камеры образует сторону подачи топлива, которая была соединена с трубкой подачи топлива из баллона с газом бутаном. Все ячейки ТЕА были размещены на равном расстоянии вокруг стенки первичной зоны горения и закреплены в их положении на стенке основной зоны горения с помощью тепловой подушки.Толщина термопрокладки ничтожна по сравнению с габаритными размерами зоны горения. Это означает, что колебаниями температуры на подушке можно безопасно пренебречь без значительного влияния на общую теплопередачу через ТЕ-модули. Всего имеется шесть ТЕМ-ячеек общей площадью 54 см 2 . Термоэлектрические элементы в модуле изготовлены из PbSnTe, легированного полупроводником p- или n-типа. Поскольку на выработку электроэнергии с использованием ТЕМ-ячеек сильно влияет температурный градиент между горячей и холодной поверхностями, к ТЕ-модулям на внешней стороне были добавлены шесть стальных ребер для улучшения охлаждения.Клеммы всех ТЭМ-ячеек были электрически соединены последовательно.
В качестве рабочего топлива на протяжении всего эксперимента использовался бутан (химическая формула C 4 H 10 ). Газ бутан хранится в контейнере вместимостью 230 г, аналогичном тому, который используется в коммерчески доступной портативной горелке для приготовления пищи. Он плотно фиксировался на своем месте ручным запорным устройством и помещался в горизонтальный корпус. Ручку выпуска топлива можно установить от минимума (нулевой расход топлива) до максимума (максимальный расход топлива), и он был соединен с отверстием подачи бутанового топлива.Во время эксперимента ручка выпуска топлива была отрегулирована и использовалась только для приблизительного определения количества подаваемого бутана, поскольку расход топлива точно измерялся с помощью регулятора расхода Vogtlin GCR-C9KA BA20 (Швейцария). Расходомер был откалиброван в диапазоне 0–2000 литров в минуту (л / мин) с точностью до 0,005 л / мин. Подача топлива осуществлялась по армированному пластиковому топливопроводу с внутренним диаметром 4 мм. Трубка была подсоединена к входу в камеру предварительного смешения горелки.Следует отметить, что напуск воздуха в камеру предварительного смешения осуществлялся в искусственных условиях возбуждения за счет уноса топлива. Поскольку труба подачи топлива находится всего в нескольких миллиметрах от горловины камеры предварительного смешивания, достаточно высокая скорость газа бутана создавала приток воздуха и увлекала воздух в камеру предварительного смешивания.
На протяжении всего этого исследования проводились эксперименты с изменением расхода топлива, чтобы продемонстрировать изменение значений отношения эквивалентности топлива и воздуха ( ϕ ) при выработке электроэнергии.Были проведены две серии экспериментов с однослойной пористой средой из фарфора и двухслойной пористой средой из оксида алюминия и фарфора. В двухслойной конфигурации оксид алюминия был уложен поверх фарфора и скреплен по краям, чтобы устранить любые воздушные зазоры между двумя пористыми средами. Весь эксперимент проводился путем изменения соотношения топливно-воздушного эквивалента от самого бедного до самого богатого. Наименьшее соотношение эквивалентности не обязательно было теоретическим значением для бутана, но скорее наблюдалось на основе стабильности пламени во время горения с пористой средой.Устойчивое пламя определяется как пламя, которое полностью содержится внутри или на пористой среде для данного расхода топлива и воздуха и остается устойчивым (Периасами и Голлахалли [13]). Несмотря на то, что горение было успешно инициировано для всех предполагаемых значений соотношения топливно-воздушного эквивалента, его нельзя было стабилизировать в течение периодов более 15 минут, если бы пламя не вспыхнуло обратно при меньших расходах воздуха и не зажгло спрей или не выдувало нижний по потоку конец пористого материала. среды при более высоких скоростях потока.
Для каждого набора уровень выбросов оксида углерода (CO) и оксидов азота (NO x ) был зарегистрирован с помощью портативного анализатора горения CA-CALC 6203, пригодного для квазинепрерывного измерения продуктов сгорания. Позже данные были сохранены на ПК в виде листа Microsoft Excel. Наконечник зонда анализатора горения располагался на расстоянии 10 см от верхней поверхности пористой среды и фиксировался в центральном положении пористой камеры. Температуру поверхности пористой среды снимали с помощью тепловизора Fluke Ti27 9 Гц, который обеспечивает точное распределение температуры поверхности.Температура поверхности регистрировалась только после регистрации выбросов газов анализатором горения. Поскольку оба устройства были одинаково расположены наверху пористой горелки, показания снимались поочередно. Температуры ребер, прикрепленных к термоэлектрическим модулям, также регистрировались с помощью тепловизора. Погрешность измерения температуры составляет ± 2 ° C. Вольтамперные показания определялись с помощью цифрового мультиметра Sanwa CD771 с последовательным подключением всех клемм.На рисунке 1 изображена реальная экспериментальная установка без тепловизора, а на рисунке 2 представлена схематическая диаграмма. Подробные размеры горелки показаны на рисунке 3.
2.2. Качество экспериментальных данных
Эксперименты для обоих наборов конфигураций горелок были повторены трижды, чтобы гарантировать повторяемость и надежность измеренных данных. Для всех экспериментальных данных среднее значение и стандартное отклонение выражаются следующим образом [18, 19]:
Неопределенность определяется как [18, 19] Значения, и неопределенность для измеренных параметров приведены в таблицах 1 и 2.Экспериментальные данные сведены в таблицу для температуры поверхности пористой среды, массового расхода бутана (), напряжения (), тока (), оксида углерода (CO) и оксидов азота (NO x ).
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Измеренные экспериментальные данные надежны, поскольку максимальная погрешность составляла всего 2.8%, что можно считать очень низким. Неопределенность измеренных данных показана во всем диапазоне соотношения топливовоздушного эквивалента для однослойного и двухслойного, а в таблицах 3 и 4 показаны соответственно.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Максимальная погрешность для однослойного фарфора и двухслойного фарфора и глинозема составляет 2,8% и 2,2% соответственно.
2.3. Численное исследование
Численная процедура, принятая в этом исследовании, используется для определения влияния свойств пористого материала на тепловые характеристики горелки. Используются основные уравнения для массы, энергии твердого тела, энергии газа и компонентов газа [16]: где — пористость, — плотность газа, — скорость газа, — время, — удельная теплоемкость газа, — температура газа, — расстояние,,,,,, и — массовая доля, скорость диффузии, удельная теплоемкость, молярная скорость образования, молярная энтальпия и молекулярная масса th частиц, соответственно, — теплопроводность газа, — объемный коэффициент теплопередачи между пористая среда и газ,, и — температура, удельная теплоемкость и эффективная теплопроводность пористой среды, соответственно, и — лучистый тепловой поток в направлении [16].
3. Результаты и обсуждение
3.1. Распределение температуры на поверхности и под водой
Расчетные распределения температуры на поверхности и под водой в зависимости от толщины пористого материала при различных соотношениях эквивалентности топлива и воздуха показаны на рисунке 4. Во всех случаях распределение температуры под водой увеличивается с увеличением толщины пористого материала. В переходной зоне горелки (мм) наблюдалось заметное повышение температуры погружения. Это влияет на стабилизацию зоны горения в пористой горелке.Изменение размера пор значительно повлияло на распределение температуры ниже по потоку, поскольку расчетная температура постепенно увеличивается до верхнего слоя двухслойного фарфора и оксида алюминия. Прогнозируемые и экспериментальные значения сведены в таблицу на вставке к рисунку 4. Видно, что предсказанные и экспериментальные значения температуры поверхности хорошо согласуются в пределах 5% диапазона. Считается, что чувствительность зоны горения в погруженном слое пористого оксида алюминия к скорости потока является фактором, влияющим на экспериментальные значения.На Рисунке 4 также можно увидеть, что влияние соотношения топливно-воздушной смеси на профили температуры в погруженном состоянии является лишь незначительным, так как никакие очевидные закономерности не могут быть интерпретированы из рисунка. В отличие от горения свободным пламенем, горение в пористой среде является относительно сложным, и увеличение соотношения эквивалентов топлива и воздуха обычно не сопровождается увеличением температурных распределений в погруженном состоянии.
3.2. Эффективность сгорания
Отношение топливно-воздушной смеси определяется как отношение между фактической топливно-воздушной смесью и стехиометрической топливно-воздушной смесью.Для бутана (C 4 H 10 ), используя стехиометрическое уравнение горения, можно вывести из химического состава, что стехиометрическая топливно-воздушная смесь составляет 0,065. В нашем исследовании соотношение эквивалента топлива и воздуха, ϕ , варьировалось путем регулирования количества бутана, подаваемого в горелку. Эксперименты проводились как для однослойного (с использованием только фарфора), так и для двухслойного оксида алюминия и фарфора. Для значимого сравнения предполагалось, что отношение эквивалентности топлива к воздуху должно быть идентичным для обеих конфигураций пористой среды, но во время эксперимента, очевидно, наблюдалось, что нестабильность горения оказывает демаркационное влияние на диапазон отношения эквивалентности топлива к воздуху, охватываемый в эксперименте. .Для однослойного фарфора «богатое» соотношение топливно-воздушной эквивалентности было увеличено до тех пор, пока горение не достигло критической области обратного воспламенения, где связанное обратное воспламенение вызывало начало смещения пламени в сторону камеры предварительного смешивания и гаснуло. Эта точка воспламенения для однослойного фарфора оказалась приблизительно равной 0,90 при соотношении топливовоздушного эквивалента. Для двухслойного оксида алюминия и фарфора максимальное соотношение топливно-воздушного эквивалента было незначительно ниже по сравнению с однослойным фарфором и равным 0.62 было зарегистрировано в этом эксперименте. Чувствительность стабилизации пламени к соотношению эквивалентного топлива и воздуха была также очевидна в обедненной зоне с минимальными значениями 0,34 и 0,20 для однослойной и двухслойной пористой среды, соответственно. В богатой области отношения эквивалентности, ретроспективный анализ является основной проблемой, но в бедной области умеренно преобладает до некоторой степени феномен раздува. Продувка происходит при низком расходе топлива, и уменьшение соотношения топливовоздушного эквивалента усугубляет стабильность пламени.Несмотря на то, что снижение стабильности пламени было довольно незначительным, это было визуально очевидно, когда пламя начало гаснуть на верхней поверхности пористой среды во время эксперимента. Положительный эффект от наложения пористых сред с различным размером пор можно заметить при меньшем соотношении эквивалентности. Предел обедненной смеси с двухслойной пористой средой предполагает, что в горелке происходит небольшое улучшение стабильности пламени с сопутствующим снижением эквивалентного отношения. Это было подтверждено более ранней работой Hsu et al.[20] в своем эксперименте с использованием многослойной пористой керамической горелки с предварительно смешанным газом метаном. Без количественного сравнения из-за разницы в топливе, наблюдаемая стабильность пламени на обедненном пределе эквивалентного отношения в этом исследовании была удивительно похожа на опубликованную работу Hsu et al. [20]. Переход от пористой среды с большими (оксид алюминия) к мелким (фарфор) пористым материалам также, по-видимому, увеличивает стабильность пламени за счет снижения скорости пламени и интенсивности горения. Чтобы проиллюстрировать эффективность преобразования тепловой энергии в нашем исследовании, КПД сгорания нанесен на график зависимости от отношения эквивалентности топлива и воздуха и показан на рисунке 5.Эффективность сгорания рассчитывается с использованием следующего выражения [21]: где — массовый расход на выходе из камеры сгорания, а — содержание углерода в выбрасываемых твердых частицах. Первое слагаемое в правой части числителя в (7) — это потери из-за содержания углерода в выпускаемой массе, второе слагаемое — это потери из-за содержания CO, третье слагаемое — потери в дымовых газах, и четвертый член — теплопотери в стенке камеры сгорания.
Было замечено, что эффективность сгорания как для однослойной, так и для двухслойной пористой среды колеблется между 58% и 73% во всем диапазоне отношения эквивалентности топлива и воздуха.Общая тенденция на рисунке предполагает, что однослойный фарфор дает немного более высокую эффективность сгорания по сравнению с двухслойным глиноземом и фарфором. Максимальный КПД сгорания 73% зарегистрирован при соотношении топливовоздушного эквивалента 0,52 для однослойного фарфора. С другой стороны, максимальная полнота сгорания 68% достигается для двухслойной пористой среды при соотношении эквивалента топлива и воздуха 0,57. Чароэнсук и Лапираттанакун сообщили [22], что можно достичь эффективности сгорания, превышающей 80%, в многоярусной пористой камере сгорания.Однако указанное значение достигается, когда выброс CO невелик и горелка имеет ступенчатую подачу воздуха. Профиль температуры поверхности при максимальной эффективности сгорания для однослойного фарфора показан на рисунке 6.
В горелках эффективность сгорания обычно определяется соотношением между теоретическим и фактическим количеством топливовоздушной смеси [23] . Его также можно интерпретировать как отношение полезного тепла к количеству тепла, подводимого в горелке.Для однослойного фарфора, когда соотношение эквивалента топлива и воздуха постепенно увеличивается, эффективность сгорания ухудшается и уменьшается примерно до 60%. Снижение полноты сгорания подтверждается изображениями профиля температуры, полученными в эксперименте с помощью тепловизора. Увеличение соотношения топливно-воздушного эквивалента в сторону богатой области (Рисунки 7 (a), 7 (b) и 7 (c)) сопровождается снижением максимальной температуры поверхности, зарегистрированной тепловизором. Поскольку температура стенок горелки имеет лишь незначительные колебания (максимум 5 ° C), влияние этой температуры на общую теплопередачу практически отсутствует.Это означает, что по мере увеличения количества подаваемого топлива недостаток кислорода препятствует полному сгоранию в горелке и способствует снижению эффективности сгорания. Кроме того, поскольку механизмы теплопроводности и конвекции являются доминирующими, улучшенная теплопередача при более высокой температуре поверхности для пористой среды очевидна. Для двухслойного оксида алюминия и пористого фарфора вредный эффект многослойной пористой среды очевиден, поскольку эффективность сгорания заметно ниже при обедненном соотношении топливовоздушного эквивалента.
Изображения температурного профиля для двухслойной пористой среды в обедненной области отношения эквивалентности топлива и воздуха показаны на рисунках 8 (a) и 8 (b). Рисунки представляют собой температурные профили для двух контрольных точек отношения эквивалентности топлива и воздуха ( ϕ = 0,30 и ϕ = 0,35). Эти точки представляют собой бедную область отношения эквивалента топлива к воздуху для двухслойного оксида алюминия и пористой фарфоровой среды. Температура поверхности в этих точках значительно выше, чем температура поверхности только однослойного фарфора.Кроме того, температура стенки для двойного слоя немного выше, чем для однослойного фарфора, но максимальные колебания температуры были менее 10 ° C. Сопутствующее снижение эффективности сгорания является весьма своеобразным, поскольку предполагает, что разница температур не является единственным определяющим фактором для механизма теплопередачи в этих областях отношения эквивалентности топлива и воздуха.
Для однослойного фарфора было установлено, что в богатой области соотношения топливно-воздушного эквивалента теплопроводность и конвективная теплопередача явно выражены.Однако наложение пористой среды с глиноземом с большим размером пор (8 ppcm), по-видимому, существенно увеличивает температуру поверхности, но отрицательно влияет на эффективность сгорания. Частично это можно объяснить, рассматривая роль пор в матрице пористой среды. По мере того как пламя распространяется вниз по потоку к порам большего размера, величина интенсивности турбулентности возрастает. По мере увеличения интенсивности скорость реакции и скорость турбулентного пламени в оксиде алюминия выше. Это приводит к тому, что температура пламени на этом участке значительно выше.Однако, поскольку это отрицательно влияет на эффективность сгорания, здесь постулируется, что механика потока в порах матрицы пористой среды могла способствовать уменьшению эффективности сгорания.
3.3. Выбросы CO
Уровень выбросов оксидов азота (NO x ) и монооксида углерода (CO) был измерен с помощью анализатора горения CA-CALC 6203. Наконечник зонда анализатора горения был выровнен в горизонтальное положение, чтобы быть в центр горелки на расстоянии 10 см по вертикали от верхней поверхности пористой среды.Казалось разумным предположить, что расстояние по вертикали в 10 см от верхней поверхности пористой среды до острия зонда было достаточным для обеспечения однородности по всему сечению измеряемой плоскости поверхности горения. Все показания выбросов имеют погрешность ± 5 ppm. На рисунке 9 показан уровень выбросов монооксида углерода (CO) (ppm) в зависимости от соотношения топливно-воздушного эквивалента, ϕ .
Это впоследствии снизит скорость реакции и турбулентную скорость в двухслойном оксиде алюминия и фарфоре больше, чем только в однослойном фарфоре.Рисунок 9 показывает, что уровень выбросов CO для многослойного глинозема и фарфора более плоский, пока отношение эквивалентности топлива к воздуху не составит около 0,55, прежде чем он резко возрастет по мере приближения отношения эквивалентности к богатой области. Выбросы CO находятся в диапазоне 400-800 частей на миллион от обедненного предела от 0,20 до 0,55 и заметно увеличиваются до более чем 1200 частей на миллион, когда соотношение эквивалента топлива и воздуха было расширено в сторону богатой смеси. Ранее было выяснено, что включение многослойной пористой среды с различным размером пор снижает скорость реакции и турбулентную скорость, но стабильность пламени умеренно повышается в обедненной области горения.Кроме того, выбросы CO также являются полезным индикатором полноты сгорания. Низкий уровень CO обычно создается, когда сгорание является наиболее полным, и незначительное количество образуется, когда топливо полностью сгорает. Значительное количество выбросов CO, зафиксированных в этом исследовании, свидетельствует о вредном воздействии горения пористой среды с использованием газообразного бутана в качестве основного топлива. Камера предварительного смешивания топлива, разработанная в нашем исследовании, в первую очередь предназначалась для увеличения времени пребывания смеси перед сгоранием, устраняя необходимость в воздушном компрессоре, который приводился бы извне от внешнего источника.Поскольку топливная форсунка находится всего в нескольких миллиметрах от отверстия камеры предварительного смешивания, подача воздуха в основном достигается за счет уноса в камеру предварительного смешивания. Однако, поскольку уровень содержания CO значительно высок, можно предположить, что концепция предварительного смешивания газообразного бутана с увлеченным воздухом привела к определенной степени недостатков, которые ухудшили эффективность сгорания. Рисунок 9 также показывает, что количество CO, образующегося для однослойного фарфора, одинаково велико, с максимальным значением, сравнимым с двойным слоем оксида алюминия и фарфора.Измеренное значение является довольно умеренным и составляет около 500 ppm для обедненного эквивалента топлива и воздуха, но постепенно уменьшается по мере обогащения смеси. Имеется значительная степень разброса, превышающая минимальное значение около 200 ppm, и наблюдается тенденция к увеличению, когда смесь непрерывно обогащалась. Температура поверхности также показана на рисунке 8. Те, которые выделены на рисунке, представляют собой жизненно важные температуры поверхности на крайних концах отношения эквивалентности топлива и воздуха и в других точках, которые имеют разницу температур около ± 20 ° C с смежными точками измерения.Очевидно, что при сравнении как для однослойной, так и для двухслойной пористой среды температура поверхности не сильно влияет на количество эмиссии CO, зарегистрированной в диапазоне отношения эквивалентности в эксперименте. Однако разница в температуре поверхности двухслойного оксида алюминия и фарфора очевидна, при максимальной разнице температур около 200 ° C. За счет размещения фарфора с меньшим размером пор перед потоком более мелкая пористая структура среды (16 ppcm) создает большее сопротивление потоку по сравнению с оксидом алюминия (8 ppcm).Интенсивность турбулентности меньше при малых размерах пор, как описано Холлом и Хиаттом [24]. Как только поток входит в глинозем с большим размером пор, интенсивность турбулентности увеличивается, и поток распространяется вниз по потоку к верхней поверхности глинозема. Это, в частности, диктует, что сопутствующее увеличение интенсивности турбулентности считается полностью полезным для значительного увеличения измеренной температуры двухслойной пористой среды.
3.4. NO
x ЭмиссияНа рисунке 10 представлен уровень эмиссии NO x в зависимости от соотношения топливно-воздушного эквивалента как для однослойного фарфора, так и для двухслойного оксида алюминия и фарфора.Температуры поверхности в выбранных точках отношения эквивалентности топлива и воздуха также выделены на рисунке как для однослойной, так и для двухслойной пористой среды. Данные, представленные на Рисунке 10, ясно показывают линейную корреляцию для двухслойного оксида алюминия и пористой фарфоровой среды в исследованных диапазонах отношения эквивалентности топлива и воздуха. Для однослойного фарфора очевидна тенденция к увеличению уровня NO x и проявляет максимумы при отношении эквивалентности топлива к воздуху около 0,60, прежде чем уровень снизится к богатому пределу отношения эквивалентности топлива к воздуху.Кроме того, основные элементы на рисунке показывают, что уровень выбросов NO x явно выше для двухслойной пористой среды по сравнению с однослойным фарфором во всех рабочих диапазонах отношения эквивалентности топлива к воздуху. Максимальный уровень NO x для однослойной и двухслойной пористой среды составляет 27 ppm и 35 ppm соответственно. Чувствительность образования NO x зависит от двух факторов: температуры поверхности и отношения эквивалентности топлива и воздуха.Когда температура поверхности зоны горения высока, количество регистрируемых выбросов NO x обычно является высоким, что может быть показано путем сравнения температуры поверхности однослойной и двухслойной пористой среды. Это отражает зависимость образования NO x от температуры поверхности.
Для двухслойной пористой среды, когда мы переходим от бедного к богатому пределу отношения эквивалентности, уровень NO x соответственно увеличивается.Эта общая тенденция подразумевает, что при увеличении расхода топлива по мере увеличения отношения эквивалентного топлива к воздуху, количество подводимой энергии также увеличивается (поскольку подводимая энергия является произведением расхода топлива и теплотворной способности топлива). Кажется приемлемым предположить, что при предварительном смешивании большего количества топлива с воздухом, когда горение стабилизируется в верхней части пористой среды, пламя распространяется к более крупным порам, расположенным ниже по потоку пористой среды. В пористой среде с большими порами (оксид алюминия) интенсивность горения увеличивается, и соответственно увеличивается температура поверхности.Однако максимальная температура поверхности, зарегистрированная в нашем исследовании, не соответствует самому высокому соотношению топливно-воздушного эквивалента, а немного сдвинута в сторону более бедного соотношения топливно-воздушного эквивалента (приблизительно 0,57). Это демонстрирует осторожность, необходимую для того, чтобы сделать прямой вывод, основанный только на этом наблюдении, поскольку трудность возникает из-за сложности и отсутствия надлежащего понимания физики, лежащей в основе образования NO x . Это необходимо дополнительно подтвердить путем анализа точного распределения температуры, чтобы понять подробный механизм образования NO x .Однослойный фарфор обеспечивает более низкую температуру поверхности, поскольку все данные разбросаны ниже измеренной температуры поверхности двухслойной пористой среды. Максимальная температура однослойного фарфора (399 ° C) на 89 ° C ниже, чем самая низкая температура поверхности двухслойного пористого материала (488 ° C). Из рисунка 9 также очевидно, что однослойный фарфор позволяет повысить эквивалентное соотношение топлива и воздуха примерно до 0,90 до того, как в зоне горения произойдет обратная вспышка. Интересно, что максимальная эмиссия NO x происходит почти при том же соотношении топливно-воздушной эквивалентности двухслойной пористой среды.Затем он постепенно снижается по мере увеличения отношения эквивалента топлива к воздуху. Поскольку однослойная пористая среда имеет меньший размер пор по сравнению с двухслойной пористой средой, нет перехода интенсивности горения по всему сечению пористой среды. Это могло бы, в частности, диктовать, что путь, по которому проходят газообразные потоки горения, не страдает от неблагоприятных изменений интенсивности горения, которые имели бы место в двухслойной пористой среде. Распределение температуры намного более равномерное и более низкое, что предполагает значительно меньшее количество NO x , полученное в этой части пористой среды.
3.5. Разница температур в зависимости от соотношения топливно-воздушной эквивалентности
График зависимости разности температур от соотношения топливно-воздушной эквивалентности показан на рисунке 11. Разница температур, показанная на рисунке, основана на разнице температур поверхности и температуры стенок для каждого из вычисленных значений. точки соотношения топливно-воздушной эквивалентности. Температура стенки относится к средней температуре ребер, прикрепленных к термоэлектрическим модулям. Разница температур является более значимым параметром, чем точная температура поверхности пористой среды, поскольку электричество, вырабатываемое в термоэлектрических модулях, работает на эффекте Зеебека, который сильно зависит от разницы температур, генерируемой горелкой.На рисунке 11 показано, что разница температур для двухслойной пористой среды выше, чем для однослойной пористой среды в исследованном диапазоне отношения эквивалентности топлива к воздуху. Максимальная разница температур для двухслойной пористой среды составляет 459 ° C (при соотношении топливно-воздушной среды 0,57), а для однослойной пористой среды составляет 400 ° C (при соотношении топливно-воздушной смеси 0,67). Для двухслойной пористой среды изменение соотношения топливно-воздушного эквивалента не вызывает заметного изменения измеренной разности температур.Однако при более внимательном рассмотрении рисунка видно, что имеется небольшое количество рассеяния, лежащих в области разности температур приблизительно 450 ° C, когда соотношение топливно-воздушного эквивалента приближается к области воспламенения (богатой). Это самая высокая разница температур для диапазонов соотношения топливно-воздушной смеси, варьируемых в данном исследовании. Ранее было объяснено, что обратная вспышка характеризуется внезапным обратным потоком к входной части многослойной пористой среды при широком спектре отношения эквивалентности топлива и воздуха.Однако, поскольку теплопроводность оксида алюминия (40 Вт / мК) выше теплопроводности фарфора (всего 1,5 Вт / мК), новое тепловое равновесие для двухслойного оксида алюминия и фарфора значительно дольше достигается по сравнению с однослойным пористым материалом. средства массовой информации. Возникает тепловая обратная связь от фарфора к глинозему, что приводит к увеличению разницы температур в горелке. Для однослойной пористой среды с использованием фарфора низкая теплопроводность и меньший размер пор отрицательно повлияли на полученную разницу температур, о чем свидетельствует более низкая разница температур при сравнении с двухслойной пористой средой.Интенсивность горения намного более высокая в глиноземе с большими порами, чем в фарфоре с меньшими порами. С другой стороны, более спокойная интенсивность горения в фарфоре с меньшими порами обеспечивает повышенную стабильность горения, но за счет более низкой разницы температур, получаемой в секции. Кроме того, когда отношение эквивалентного топлива к воздуху обычно уменьшается в сторону обедненной смеси, разница температур минимальна из-за совокупного эффекта пониженной интенсивности сгорания и низкого энергопотребления от подаваемого газообразного бутана.
3.6. Выходная электрическая мощность от термоэлектрических модулей
Разница температур между поверхностью пористой среды, напряжением () и током () генерируется на основе исходных данных этого исследования и сведена в таблицу в таблице 5 ниже. Данные, представленные в таблице 5, в частности напряжение и ток, могут быть извлечены для получения выходной мощности (ватт), и это нанесено на график в зависимости от разницы температур, как показано на рисунке 12.