Gázok vizsgálata II: fűtőérték, lángterjedési sebesség és gyulladási ...

Gázok vizsgálata II: fűtőérték, lángterjedési sebesség és
gyulladási határok mérése
1 Gázok fűtőértékének meghatározása
Az eltüzelésre alkalmas gázok egyik legfontosabb jellemzője a belőle elégetéskor
felszabaduló hő, a fűtőérték. A kalorimetriás metódusok jelentős része közvetlenül az égéshőt
(azaz azt a hőértéket, ami a fűtőértékhez képest pluszban tartalmazza a képződő vízgőz
párolgáshőjét) mérik, jelen fejezetben ettől eltérően közvetlenül fűtőértéket meghatározó
módszerről ejtünk szót. Szinte valamennyi gázt mérő kaloriméterre igaz, hogy a működésük
folyamatos átáramlású, égéstermék-hűtőközeg hőcserén alapszik.
dV gáz
⋅
⋅ mhűt Q gáz = c hűt ⋅ dThűt dt dt
ahol:
Qgáz: a gáz fűtőértéke (vagy égésmelege), J/m 3
Vgáz : elégetett gáz térfogatárama, m 3 /h
chűt : a hűtőközeg hőkapacitása, J/(kg * K)
m hűt/dt: a hűtőközeg tömegárama, kg/h
dThűt : a hűtőközeg hőmérsékletemelkedése, K
A hőfelvevő közeg lehet víz, vagy levegő.
1.1 A mérés elve
A gyakorlaton CalorVal 690 típusú kaloriméterrel dolgozunk,
készülék mérési elvét ismertetjük.
ezért a továbbiakban ezen
A minta egy kapilláris rendszeren keresztül a hidrogéntüzelésű érzékelő lángba lép, ahol
valamennyi éghető gázkomponens eloxidálódik. A közvetlenül az érzékelő láng fölé
elhelyezett hőelem a láng hőmérséklet emelkedését elektromos jellé alakítja, ami arányos a
gázkeverék fűtőértékével.
A tulajdonképpeni mérés az égető cellában (1. ábra) megy végbe, ahol egy kis érzékelő láng
helyezkedik el egy égő csőben. A minta folyamatos bevezetéséről a nitrogén táplálású
aspirátor keltette megszívás gondoskodik. Az aspirátort állandó értékre szabályozott nyomású
nitrogén működteti, ami a minta kapillárison állandó vákuumot eredményez, így biztosítva az

égető cellába belépő minta konstans térfogatáramát. A minta éghető tartalma az érzékelő láng
által elég, ezáltal a láng fölött lévő hőelemmel a fűtőértékkel arányos hőmérsékletemelkedés
detektálható. A képződő füstgázokat
rendszeren keresztül a szabadba.
az aspirátor szívja ki, majd juttatja a kipufogó
1. ábra. A CalorVal 690 gázkaloriméter égető cellája
A hidrogén érzékelő lángot a gyújtóelektróda és az égő cső földelt fala közötti szikra kisülése
gyújtja be. A lángot szabályozott térfogatáramú hidrogén táplálja, ezáltal biztosítható, hogy a
láng stabil legyen, és csak akkor változzon a hőmérséklete, ha a mintában éghető gáz
található.
A cella vákuumot (a minta kapillárisban lévő vákuumot) folyamatosan figyeli egy nyomás
távadó. A cella vákuum változása esetén a készülék hibaüzenetet ad. A készülék
gázrendszerének sémája a 2. ábrán figyelhető meg.

2. ábra. A CalorVal 690 gázkaloriméter gázrendszere

1.2 Kalibráció, az eredmény számítása
A kalibráció valamilyen ismert fűtőértékű gázzal (jellemzően metán, esetünkben hidrogén), a
nullázás pedig nitrogénnel történik. Kalibráció (vagy nullázás) alatt a megfelelő szolenoid
szelep nyitásával a gáz elönti a mintavezetéket, így a mérőcellába csak a kalibrálógáz (ill.
nullázó gáz) jut. A nullázás illetve a kalibrálás során mért lánghőmérsékletek Tnull illetve Tkal.
A minta mérésekor elért lánghőmérséklet: Tminta. A minta fűtőértékének kiszámítása az alábbi
módon történik:
= Tminta - Tnull Q i, minta
⋅ Qi,
kal
T kal - T null
ahol: Qi kal: a kalibrálógáz fűtőértéke
1.3 A gyakorlat végrehajtása
A gyakorlat során először egy ismert fűtőértékű kalibrálógázzal megmérjük a
lánghőmérséklet emelkedését, ezt követően az ismeretlen mintával megismételjük ugyanezt.
Az ismeretlen minta fűtőértékét az 1.2 fejezetben leírt képlet alapján számítjuk ki.

5. GÁZOK GYULLADÁSI HATÁRAINAK ÉS LÁNGTERJEDÉSI
SEBESSÉGÉNEK VÍZSGÁLATA
[2,7,14,18,19,20,21,22]
Az égési folyamatot a gyulladás elızi meg. Ez a folyamat gáz és levegı éghetı
keverékének exoterm, lassú oxidációja. A gyulladás alatt az éghetı keverékben
észlelhetı mértékő reakció folyik le, melynek következtében létrejövı
hımérsékletemelkedés hatására a reakciósebesség hirtelen megnı, a keverék
meggyullad, az égés elkezdıdik. A gyulladásnak megfelelı hımérséklet és
megfelelı gáz-levegı koncentráció feltételei vannak, a keletkezı láng tovaterjedését
pedig sebessége jellemzi. Ezek ismerete a gázok szállításánál, felhasználásánál,
tőz- és robbanásvédelménél elengedhetetlen.
5.1 ALAP FOGALMAK
Éghetı gázból és levegıbıl /oxigénbıl/ álló keverék gyújtásának koncentrációhatárai
azok a koncentrációértékek, amelyek behatárolják a lehetséges gyújtás tartományát.
A tartományt alsó és felsı értékek határolják be.
A gyújtás alsó koncentráció határa olyan éghetı koncentráció, amely felett a
keverék/már meggyulladhat, alatta azonban még nem. Tehát az alsó gyulladási határ
az olyan /híg/ levegı-éghetı gáz összetételt jelöli, amelyben az éghetı gáz már
elegendı a gyulladáshoz. Analóg értelmezve, a gyulladás felsı határa pedig annál a
tömény koncentrációnál van, ahol az éghetı gáz részesedése a levegıben elérte azt
a határt, amelynél a gyulás lehetısége megszőnik. A két értékhatár között van a
gyulladási tartomány, ahol kellı hımérséklet mellett, a gyulladás bevezetése után az
égés magától lejátszódik. A gyulladás tartományában vannak az optimális
koncentráció értékek, amelyek a legkedvezıbb levegı-gáz keveréket jelentik az
égéshez.
A gyulladás koncentráció határai nem jelentik azt hogy ezeken kívül egyáltalán nem
lehet az éghetı keveréket elégetni. Pl. izzó fallal vagy izzó égéstermékkel érintkezve,
a gyulladás tartományán kívül esı egyes keverékek is eléghetnek, de a láng nem
terjed tovább.
Az éghetı keverék gyújtási koncentrációhatárait több tényezı befolyásolja, pl.
nyomás, hımérséklet, szennyezıanyagokat a gyújtóforrás milyensége stb. A nyomás
csökkenésével szőkül a gyújtás intervalluma és egy minimális nyomás elérése után
gyújtás nem lehetséges. Inert komponens növekedése az éghetı keverékben a felsı
gyulladási határt csökkenti, tehát részarányának növekedéséveI a gyulladási
tartomány leszőkül.
Gáz-levegı keverékek alsó és felsı gyulladási határát a Le Chatelier
összefüggéssel számoljuk:
1
Zé
= Nm n
Vi
Z
3 /Nm 3
∑ =
i 1 i
ahol Zi - az egyes éghetı gázkomponensek alsó ,ill. felsı gyújtási koncentráció
határa Nm 3 /Nm 3 -ben
Vi - az éghetı komponensek térfogatarány a keverék éghetı anyagához
viszonyítva Nm 3 /Nm 3 -ben

Ha a gáz-levegı keverékben inert komponensek is vannak, a gyulladási határok
módosulnak:
B
1+
Z = Z 1−
B
é
Nm
B
1+
Zé
⋅
1−
B
3 /Nm 3
ahol B - a keverék inert tartalma Nm 3 /Nm 3 -ben.
Megjegyezzük, hogy a gyulladás határértékeit egyes gázokra térfogat %-ban is
szokás kifejezni. Néhányat a 8. táblázatba foglaltunk össze. A gázok égését
jellemzı, másik itt említett paraméter a lángterjedési sebesség /égési sebesség/,
melyen az éghetı keverékben a láng tovaterjedésének sebességét értjük, homogén
gáz-levegı keverék lamináris áramlása esetén. Pontos definíciója értelmében a
normál lángterjedés sebessége alatt a lángnak a lángfront felületre merıleges irányú
tovaterjedési sebességét értjük.
8. táblázat
Éghetı gázkomponensek gyulladási határai és égési sebességei levegıben,
atmoszferikus nyomáson, 20 °C-on
Gáz Gyulladási határ tf %-ban
Lángterjedési
sebesség
alsó felsı cm/sec
Metán /CH4/ 5,0 15,0 35
Etán /C2H6/ 3,0 14,0 33
Propán /C3H8/ 2,1 9,5 32
Bután /C4H10/ 1,5 S,5 32
Acetilén /C2H2/ 2,3 82,0 131
Etilén /C2H4/ 3,0 33,3
Propilén /C3H6/ 2,2 9,7
Butilén /C4H8/ 1,7 9,0
Hidrogén /H2/ 4,1 75,0 267
Szénmonoxid /CO/ 12,5 75,0 33
Kénhidrogén /H2S/ 4,3 45,5
A normál lángterjedési sebesség egyértelmően fizikakémiai jellemzı, melynek
számszerő ismerete fontos a gázégık stabil üzemeltetése szempontjából. Értéke
függ a tüzelıanyag kémiai tulajdonságától, a gáz-levegı összetételétıl, a kezdeti
hımérséklettıl és a nyomástól. Az összetétellel kapcsolatban egy lényeges
sajátosságra kell figyelnünk: a normál lángterjedési sebesség nem additív
meghatározható tulajdonság. Ez azt jelenti, hogyha a gázkeverékek komponenseire
vonatkozó lángterjedési sebesség értékeket ismerjük, abból általában nem határoz
ható meg, reálisan az eredı lángterjedési sebesség. Csak egyes kivételes
esetekben, pl. rokon vegyületek keverékére, mint a metán sor tagjaira irható fel az
additivitási összefüggés:

w
o
=
n
∑
i=
1
w ⋅ v
ahol: wi. - az i. éghetı gázkomponens lángterjedési sebessége cm/sec-ban
vi - az i. éghetı gázkomponens térfogata Nm 3 /Nm 3 -ben.
További pontosítással rokon gázkomponensek keverékének maximális lángterjedési
sebességét számíthatjuk, vagyis az optimális gyulladási határhoz tartozót:
w
o
n vi
⋅ woi
∑
i=
1 Zopt
, i
= Zopt
n
V
Ha inertek is vannak a gázban, azok csökkentik a lángterjedés sebességét, Bunte,
és Littersoheidt szerint a következıképpen:
i
∑
i=
1
⎛ N2
+ 1,
67 ⋅CO2
⎞
w = wo
⎜1−
⎟ cm/sec
⎝ 100 ⎠
Amennyiben tehát egy gázenergia hordozóban nem rokon komponensek is vannak,
pl. a metán sor tagjai mellett CO és H2 is, úgy a lángterjedési sebesség reális értéke
csak mérés útján határozható meg.
5.2 A VÍZSGÁLAT ELVE
Az éghetı gázok lángterjedési sebességének kísérleti meghatározása sok kutatót
foglalkoztatott, akik több féle elven kíséreltek meg fizikailag definiálható,
reprodukálható értékeket nyerni egy-egy általuk kidolgozott módszerrel. Goy és,
Michelson gondolata volt, hogy a Bunsen égı primer égési zónájának a felületébıl
határozzák meg az égés tovaterjedésének sebességét mivel az a kiáramló hideg
gáz-levegı térfogat és az ellentétes irányú égési sebesség dinamikus egyensúlya
által meghatározott:
V
w = cm/sec
F
ahol: V – a gáz-levegı kiáramló térfogata cm 3 /sec-ban,
F – az égési zóna felülete cm 2 -ben.
Ebben a zónában többé - kevésbé kis térben megy végbe az éghetı gázok
hasadása, szétesése és oxidációja. Lamináris áramlás esetében a láng magja
teljesen nyugodt, és nem függ a határoló faltól. Azaz a lángot körülvevı égési
termékek burkától. Hengeres gázégı-csı esetén jól definiálható lángkúp alakul ki,
amelynek a köpeny felülete a geometriai kúptól – ebben a tartományban – alig tér el,
tehát felírható a következı összefüggés:
w =
r ⋅π
⋅
I
r
2
+ h
2
i
i
i
cm/sec

Ezt a "dinamikus kúpmódszert" alkalmazta Dommer az általa kifejlesztett
mérıberendezésnél. Ezzel minden gázlevegı keverési arány esetében
meghatározható a lángterjedés sebessége, a lényeg azonban a maximális sebesség
és a hozzátartozó optimális keverési arány meghatározásán van. Egyidejőleg a
gyulladási határok is merhetık.
A gáz és a levegı kiáramlási sebessége a készülékre jellemzı változatban állandó,
ugyancsak állandó az r égısugár, tehát a w égési sebesség a h kúpmagasság
mérésével határozható meg.
5.3 LÁNGTERJEDÉSI SEBESSÉG ÉS GYULLADÁSI
HATÁR MÉRİ DOMMER FÉLE KÉSZÜLÉK
A berendezés részletes rajzát jelmagyarázattal a 19. ábra mutatja. A berendezéssel
kísérletileg meghatározható az éghetı gáz-levegıkeverék alsó és felsı gyulladási
határához és a maximális lángterjedési sebességhez tartozó koncentráció valamint a
maximális lángterjedési sebesség. A mintegy 1000 mm magas és 400 mm széles,
acéllemezbıl és csövekbıl felépített berendezés gáz, víz és elektromos
csatlakozásokkal van ellátva. A gáz és az injektoros úton hozzá szívott levegı
keverési arányának változtatása egy alulról felfelé 8zükülı kúpos csı segítségével
történik. Ebbe a kúpos csıbe áramlik be a vizsgálni kívánt gáz, a levegı pedig egy
hengeres csıben van, amely a gáz kúpjába merül. A két csı a tartály alsó részében
találkozik, a merülést a kifolyás szabályozónál a vízszintmagasság biztosítja.
A vízállás a hengerrendszerben és ezzel a keverési arány az üvegcsı mérıskáláján
olvasható le. Az ezen csúszó, állítható mutatók az égési sebességhez tartoz6
keverési arány rögzítésére szolgálnak. A láng megfigyelésére szolgáló szerkezet
közvetlenül a láng tengelyébe tolható, tehát a kúpmagasság leolvasását nem terheli
parallaxis hiba. Az égési sebesség skálája elıtt mutató jelzi közvetlenül az értékeket
cm/sec-ban - a gyökös kifejezés miatt nem lineáris skálán -. E mellett egy lineáris
osztású skála is van, amelyen a lángkúp magassága mérhetı. A gyújtógyertya a 6 V
feszültségő gyújtóárammal, állandó áramerısségő szikragyújtást tesz lehetıvé.
Tartozékai: kapcsoló és villanó jelzı.
A következı oldalon a 19.-es ábrán látható berendezés részeinek nevei:
1 - víz bevezetés; 2 - gaz bevezetés; 3 - győjtıfeszültség csatlakozó; 4 - tárcsa;
4a - fogantyú; 5 - gázégı csı; 6 - mutató; 7 - megfigyelı szerkezet; 8 - állító csavar;
9 - leeresztı csavar; 10,11, 12 - vízcsapok;13 - kalibrált vízkifolyó; 14 - vízkifolyó;
15 - szita vízbeáramláshoz; 16 - szőkítı nyílás; 17 - nyomáskiegyenlítı leágazás;
18 - vízcsepegtetı; 19 - tölcsér; 20 - hőtıvíz tömlı; 21 - függıleges leolvasó csı;
22 - csap; 23 - merıskála; 24 - víz túlfolyógát; 25 - szabályozó csavar; 26-szifon;
27 - gázcsap; 28.- gázégı csı; 29 - gázláng; 30 - belsı kúpos csı; 31 - hengeres
rész; 32 - vízkifolyás szabályozó; 33 - fúvóka; 34 - víz fıvezeték; 35 - alumínium
spirál szalag; 36 - vízvezetı csıcsonk; 37, 38 - kapcsolók; 39 - nyomógomb;
40 - gyújtógyertya; 41 - gyújtószikra; 42,43, 44 - állítható mutató; 45 - gyújtókamra
üvegablaka; 46 - csavaranya; 47 - csavar; 48 –furat;

19.ábra
Dommer féle készülék gázok lángterjedési sebességének
és gyulladási határainak vizsgálatára

5.3.1 Vizsgálat
A vizsgálandó gáz /gázkeverék/ várható gyulladási tartományának és maximális
lángterjedési sebességének megfelelı keverıkúppal állítjuk össze a készüléket. Pl.
földgáz vizsgálata esetén a teendık a következık. 53 mm alapátmérıjő keverı kúpot
helyezünk be, így a hengeres csı és a keverı kúp nyílásszögének viszonya lehetıvé
teszi, hogy 2,5-17,5 tf% gyulladási tartományon belül és 70 cm/sec lángterjedési
sebességig mérjünk. Természetesen ez a kis /szők/ gyulladási intervallumú gázokra
alkalmas /ilyen a földgáz is/ a nagyobb intervallummal rendelkezıkhöz a 19.ábrán is
látható 107 mm alapátmérıjő kúp szükséges. A kúp megválasztásával a megfelelı
sugarú égıkiválasztása is velejár. A készüléken mérhetı max. 160 cm/sec égési
sebesség méréséhez 3 égıcsı tartozik:
r = 0,2 cm 160 cm/sec-ig
r = 0,3 cm 100 cm/sec-ig
r = 0,4 cm 70 cm/sec-ig
Mindegyik égıcsı átmérıhöz megfelelı lángterjedési sebesség skála tartozik.
A készülék üzembe helyezése során belsejét a túlfolyóig vízzeI töltjük, ellenırizve
közben a vízáramlást. A 10, 11, 12 jelő csapokat "elemzés" állásba helyezzük, a 9.
jelő leeresztı csavart zárva tartjuk. Ekkor a 13 jelő vízkifolyó nyílást a vízsugár
teljesen kitölti, a 14 jelzéső helyen túlnyomás van. A 18-as csı végén a lángkúp
magasság mérı híd hőtıvízének csepegnie kell, ellenkezı esetben az felizzik és
károsodik. Ezek után megnyitva a 22-es csapot, a 21-es mérıcsıben felfelé áramlik
a víz. A víz áramlás értéke illetve a beszívott gáz-levegı keverék pontosan
meghatározott, V = 55 cm 3 /sec, azaz a mérıcsı skáláján található I jelzéső
szinthatárok között /I = 1100 cm 3 / 20 sec idı alatt áramlik át a víz. A vízáramlás
ellenırzése után nyitjuk a 27 jelő gázcsapot.
A begyújtott 28-as gázégı lángja 80-100 mm-nél magasabb ne legyen.
A gondosan üzembe helyezett készülékkel elkezdhetık
a vizsgálatok. A 12-11-10 jelő csapokat a leirt sorrendben a "beszívás" feliratú
helyzetbe állítjuk, ennek következtében a gáz és a levegı a 32-es kifolyás
szabályozón és a 33-as fúvókán keresztül beszívódik. A gáz a 30 jelő kúpos csıbe, a
levegı a 31 jelő hengeres csıbe áramlik. Eközben a mérıcsıben a víznívó eléri az
alsó határt.
Ekkor a csapokat 10, 11, 12 sorrendben az "elemzés" feliratú állásba fordítjuk, miáltal
a gáz-levegı keverék állandóan változó aranyban áramlik ki az égın. Ha a keverék
útjába villamos gyújtó szikrát hozunk létre a 41 jelő szikragyújtóval, úgy kimérhetı az
alsó és a felsı gyulladási határhoz, illetve a maximális lángterjedési sebességhez
tartozó gáz-levegı koncentráció. Az értékeket a keverék meggyulladásakor, illetve a
láng kialvásakor, valamint a legkisebb lángkúp magasságnál olvassuk le.
Ha az égı 5 jelő fúvókáján kiáraml6 gáz-levegı keveréket begyújtjuk és a
szikragyújtót a 39-es nyomógombbal 1-2 secundumonként mőködtetjük, rövidebbhosszabb
idı után a láng a szikra által kiváltott robbanás miatt kialszik, csattanó
hang kíséretében. Ekkor zárjuk a 22-es csapot és az állítható helyzető 42 jelő, piros
mutatót a mérıcsıben megállapodott víznívóhoz állítjuk. A mérıskálán ekkor a felsı
gyulladási határhoz tartozó gázkoncentráció olvasható le tf%-ban.
A mérést folytatva, ismét nyitjuk a 22-es csapot, újra begyújtjuk az égı 5 jelő
fúvókáján kiáramló keveréket és a 7 jelő lángmegfigyelı szerkezet lángmagasság
mérı hídjával követjük a lángkúp magasságcsökkenését. A legkisebb lángkúp
magasság elérésekor - amely a maximális, lángterjedési sebességnek felel meg -

zárjuk a 22-es csapot és a 43 jelő, kék színő mutatót a mérıcsıben megállapodott
víznívóhoz állítjuk. A mérıcsı skáláján ekkor. a maximális lángterjedési sebessé ez
tartozó koncentráció %-ban, a 4 jelő skálán pedig a maximális lángterjedés
sebessége cm/sec-ban olvasható le.
A mérés utolsó fázisában ismét nyitjuk a 22-es csapot és a szikragyújtó
nyomógombjával 1-2 secundumonként berobbantjuk a gázt. Az ismételt robbanások
csattanó hangja egyre gyengébb lesz, majd megszőnik. Ekkor zárjuk a 22-es csapot
és a 44 jelő, sárga színő mutatót a vízivóhoz állítjuk. Itt olvasható le az alsó
gyulladási határhoz tartozó gázkoncentráció százalékos értéke. Ezután a
mérıcsıben a vizet a túlfolyóig engedjük emelkedni és a már leirt módon
ismételhetjük a "beszívást”, majd az "elemzést". Egy-egy gázfajtával két hibátlan
mérést kell elvégezni egymás után.