BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM

KALORIKUS GÉPEK MÉRÉSEI - Schlieren, lángterjedési sebesség mérés-

ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK

SCHLIEREN TECHNIKA A Schlieren A Schlieren A Schlieren A Schlieren jelenségjelenségjelenségjelenség

„Schlieren” jelenség alatt optikai inhomogenitásokon áthaladó fénysugarak irányváltozását értjük. Az optikai inhomogenitás önmagában tág fogalom, kialakulhat szilárd testeknél pl.: felületi egyenetlenségeknek köszönhetően, vagy gáznemű közegeknél pl.: a sűrűség rohamos változása esetén. Az optikai inhomogenitásokban közös, hogy a rajtuk való áthaladás során az eltérülő fénysugarak miatt a képtorzulás alakul ki. Az 1. ábrán látható esetben egy autó tetején kialakult termikus határréteg okozza a Schlieren jelenséget, ami a háttérben látható rács párhuzamos vonalait eltorzítja. A jelenség összetett, de némely esetben jól leírható törvényszerűségek szerint megy végbe, ezért a Schlieren módszerek fizikai jelenségek megmutatására és számszerűsítésére is alkalmasak (kvalitatív és kvantitatív felhasználás).

1. ábra - Termikus határréteg autó tetején [3]

Fizikai háttérFizikai háttérFizikai háttérFizikai háttér Tekintsünk valamilyen közeget, melyben a törésmutató eloszlása nem konstans, hanem folyamatosan változik. Ekkor a törésmutató mező változása )(ngrad vektorral, vagyis a törésmutató mező gradiensével jellemezhető. Ha egy fénysugár egy ilyen folytonosan változó törésmutatójú közegrészen halad át, akkor adott pontban egy R sugarú görbe pályára áll rá a 2. ábrán látható módon.

2. ábra - Fénysugár elhajlása folytonosan változó törésmutatójú közegben

R görbületi sugárra írható: ϕsin)(1 ⋅−= n

ngradR

Az eltérülési szög értelmezéseAz eltérülési szög értelmezéseAz eltérülési szög értelmezéseAz eltérülési szög értelmezése Ha egy fénysugár x távolságot tesz meg egy )(ngrad -nel jellemzett, folytonosan változó törésmutatójú közegben, akkor az eltérülési szög a görbe vonal érintője és a zavartalan fényterjedéshez tartozó egyenes által bezárt szög: ε (lásd. 3. ábra)

3. ábra - Az eltérülés szögének értelmezése

A törésmutatót befolyásoló fizikai jellemzőkA törésmutatót befolyásoló fizikai jellemzőkA törésmutatót befolyásoló fizikai jellemzőkA törésmutatót befolyásoló fizikai jellemzők A törésmutató általában függ a fény hullámhosszától; a közeg – melyen a fény áthalad – hőmérsékletétől, nyomásától és anyagi minőségétől, keverék esetén a komponensek koncentrációjától.

( )ipTnn ρλ ,,,= Adott anyagi minőség esetén a törésmutató a sűrűségtől függ. A gázokra vonatkozó állapotegyenletek figyelembevételével – az állapotegyenlet egyértelmű összefüggést teremt a sűrűség, a nyomás és a hőmérséklet között – a törésmutató változása a hőmérséklet és nyomásváltozást is mutatja.

( )( ) ( )TpnTpnn ,, == ρ A törésmutató hőmérséklet és nyomásfüggésének leírásában igen fontos a Gladstone – Dale összefüggés:

konstn =−ρ1

Az ideális gáztörvényt ugyanazon anyag két állapotára felírva

=⋅ 2konstTp

ρ :

TT

pp 000⋅=ρ

ρ Behelyettesítve a Gladstone – Dale egyenletet, írható:

TT

pp

nn 0

00 11 ⋅=−

− , illetve: ( ) 1100

0+−⋅

⋅= nT

Tppn .

Izobár folyamatnál ( )0pp = : ( ) 110

0 +−⋅= nTTnT

A 4. ábrán atmoszférikus nyomású levegő törésmutatójának hőmérsékletfüggése látható. Megfigyelhető, hogy a hőmérséklet emelkedésével a görbe ellaposodik, ami egy – a törésmutató hőmérsékletfüggésére alapozó – mérés érzékenységét magas hőmérséklettartományban lerontja.

4. ábra - Atmoszférikus nyomású levegő törésmutatója a hőmérséklet függvényében

Párhuzamos sugármenetűPárhuzamos sugármenetűPárhuzamos sugármenetűPárhuzamos sugármenetű Schlieren berendezés Schlieren berendezés Schlieren berendezés Schlieren berendezésekekekek Egy párhuzamos sugármenetű Schlieren berendezés egyszerűsített sémáját mutatja az 5. ábra.

5. ábra - Schlieren berendezés vázlata

R - Rés O1,O2 - Schlieren objektívek S - Tárgy B - Blende (kés) S’ - Vetítés síkja

A fényforrás képét egy kondenzor lencserendszer egyesíti R rés helyén. R rés fényforrásnak tekinthető. O1és O2 azonos kiképzésű lencséket jelölnek, így az O1– O2lencserendszer az R rés éles képét hozza létre O2 fókuszsíkjában (ez a sík megegyezik B kés síkjával). A fénysugarak a továbbiakban egy vetítőlencsén haladnak át, amely S tárgy képét hozza létre S’ megfigyelési síkban. Az R rés adott pontjából kiinduló fénysugarak O1-en áthaladva párhuzamos sugarakat alkotnak. Tekintve, hogy ez R bármely pontjára igaz belátható, hogy párhuzamos sugárnyalábokat kapunk (6. ábra).

6. ábra - Párhuzamos sugárnyalábok kialakulása

A 4. ábrából leolvasva a párhuzamos sugárnyalábok maximális szögeltérése:

=11

max tan fsγ , ami kis szögekre:

11

max fs

=γ Tekintsük R rés hosszabbik élét a lap síkjára merőlegesnek (3. ábra). O2 fókuszsíkjában helyezzük el B Schlieren blendét (kés) úgy, hogy a blende éle párhuzamos legyen a rés hosszabbik élével (s1 a rés rövidebbik éle). A B blendét felfelé mozgatva R rés képéből egyre nagyobb részt takar ki, míg végül teljesen ki nem takarja. A kitakarásnak megfelelően S’ ernyőn a megvilágítás erőssége egyenletesen – az ernyő bármely pontjában egyformán – csökken. Tegyünk S tárgy helyébe egy olyan síkot, amely csak egy pontban (P) képes a fénysugarakat átereszteni. Ebben az esetben a P ponton áthaladó fénysugarak egy γ szögű fénykúpot alkotnak. A fénykúp sugarai a párhuzamos fénysugarakból kerülnek ki, minden irányhoz tartozó sugárnyalábból egy-egy. Ennek a fénykúpnak is egy s1szélességű rés a képe B blende síkjában, a fénysugarak S’ ernyőn egy pontban (P’) egyesülnek. Tehát a vizsgált térrész, vagy tárgy egy pontjának képe a leképzésben szintén pont. Ha a P pontban a fénysugarak iránya – Schlieren következtében – megváltozik, a rés képe eltolódik annak megfelelően, hogy az eltolódás a blende

élével párhuzamosan felfelé, vagy lefelé történt. Ha a réskép lefelé tolódik el, akkor a blende annak egy részét kitakarja, a létrejövő P’ képpont megvilágításának erőssége csökken. Mivel ez érvényes P síkjának bármely pontjára a Schlieren helyek egy időben mutathatók ki. A Schlieren blende alaphelyzetét alkalmasan megválasztva – Schlierentől mentes körülmények között a résképet részben már kitakarja – a blende élére merőleges irányban az elhajlások mindkét irányban kimutathatók. Azon pontok megvilágítása, amelyek a blende él felé hajlottak el gyengébb lesz – az alap megvilágításhoz képest – míg amelyek az ellenkező irányban térültek el, azoké erősebb. A blende élével párhuzamos elhajlásokra a megvilágítás erőssége nem változik, így azokra a rendszer érzéketlen. Ezért a gyakorlatban két rés – és vele párhuzamos állású blende – állás mellett kell felvételeket készíteni. Célszerű a két állást úgy megválasztani, hogy azok egymással derékszöget zárjanak be. Az eltérülési szög a kés pozíciójának és a Schlieren objektívek fókusztávolságának ismeretében számítható.

MéréshatárMéréshatárMéréshatárMéréshatár, érzékenység, érzékenység, érzékenység, érzékenység A méréshatár vizsgálatánál azt kell tudnunk, hogy mekkora az a legnagyobb eltérülési szög, amit a rendszer még ki tud mutatni. A 7. ábra alapján belátható, hogy ha a rés képe „s1 mértékben” eltérül, akkor a kitakarás teljes, további eltérülés ebben az irányban már nem okoz változást a megvilágítás erősségében.

7. ábra - a, Nincs kitakarás b, Teljes kitakarás

Közelítőleg írható:

2

1max f

s≅δ az adott készüléken mérhető legnagyobb szögelhajlás. A fenti egyenletből látható, hogy a méréshatár s1 változtatásával változtatható (pl. növelhető, ha a kialakult Schlieren képen a teljes kivilágosodás, vagy teljes elsötétedés kialakul, lásd 6. ábra). Fontos ugyanakkor megjegyezni, hogy a rés változtatása hatással van az érzékenységre is. Az érzékenység azt a minimális változást jelenti, amit egy módszerrel már észlelni lehet. Esetünkben ez a minimális eltérülési szög, amit tételezzünk fel a legnagyobb eltérülési szög ’p’ százalékának:

100max

minδδ p≅

Az érzékenység minδ reciproka:

12

min

1001sf

pE ⋅≅= δ Látható., hogy ’s1’ résméret növelésével az érzékenység csökken.

8. ábra - A vizsgált termikus határrétegben teljes elsötétedés alakult ki

Mérési stratégMérési stratégMérési stratégMérési stratégiákiákiákiák Szimmetrikus jelenség, teljes eltérülés nem jön létre

− blende pozíció középen Szimmetrikus jelenség, teljes eltérülés jön létre

− blende középső pozícióban, résméret növelése − ha a résméret tovább nem növelhető, akkor a blendét a középső pozícióból el kell

mozdítani, ekkor a jelenség egyik oldala deríthető fel Nem szimmetrikus jelenség, teljes eltérülés jön létre

− a blendét a középső pozícióból el kell mozdítani olyan irányban, hogy a teljes eltérülés csökkenjen (a teljes elsötétedés világosodni, a teljes kivilágosodás sötétedni kezd, lásd 9. ábrán a 8. ábrán látható esetet)

8 - 9. ábra - A vizsgált termikus határrétegben teljes elsötétedés alakult ki, termikus határréteg képe a blende elmozdítása esetén

A tanszéki Schlieren berendezésA tanszéki Schlieren berendezésA tanszéki Schlieren berendezésA tanszéki Schlieren berendezés A tanszéki Schlieren berendezés vázlata a 10. ábrán látható. A fényforrás higanygőz lámpa, a rés és a kés pozíciója precízen állítható. A Schlieren objektívek átmérője 80 mm, ez a vizsgálható térrész méretének felső korlátja.

10. ábra - A tanszéki Schlieren berendezés vázlata (Schlieren – Aufnahmegerät 80)

1 - Fényforrás 2 - Kondenzor 3 - Rés 4,6 - Schlieren objektívek 5 - Vizsgálandó tárgy 7 - Blende 8 - Fotó objektív 9 - Vetítő objektív 10 - Mattüveg/vetítés helye 11 - Eltérítő tükör 12 - Leképező objektív 13 - Mattüveg/kés pozíciójának ellenőrzése

Mérés meneteMérés meneteMérés meneteMérés menete 1, fényforrás begyújtása, bemelegítése 2, vizsgálandó tárgy elhelyezése a vizsgálótérben

precíz elhelyezésről gondoskodni kell (párhuzamosság, merőlegesség). Ehhez a látómezőt élesre kell állítani.

3, megfelelő résvastagság kiválasztása, a rés pozíciójának beállítása ez a vizsgálandó jelenség előzetes átgondolását igényli. A tipikus réspozíciók: függőleges, vízszintes.

4, a kés réssel való párhuzamosságának beállítása 5, kés pozíciójának beállítása

tipikus késpozíció: középső ( a kés Schlieren mentes esetben a rés képének felét takarja ki)

Színes Schlieren Színes Schlieren Színes Schlieren Színes Schlieren felvételekfelvételekfelvételekfelvételek Lehetőség van a rés (10. ábra – 7) helyére színes illetve csíkos diát elhelyezni (lásd. 11. ábra).

11. ábra - Schlieren berendezéshez használható színes dia

A színes dia használata esetén, ha üres vizsgálótér mellett a dia pozícióját változtatjuk, akkor – feltéve, hogy a rés legfeljebb olyan vastag, mint a dián lévő csíkok vastagsága – egységes színű, alap megvilágítású képet kapunk. Az ekkor látható – 0 eltérülésű fénysugarakhoz tartozó szín – színt alapszínnek nevezzük. Ha a vizsgálótérben Schlieren tartalmú tárgyat, vagy közeget helyezünk el, akkor az eltérülések eredményeként különböző színű zónák jönnek létre a leképzés során. Ekkor az eltérülési szög a színes dia csíkjainak vastagságából és a szín sorrendből számítható ki. Színes képre mutat példát a következő ábra:

12. ábra - Rakétamodell körüli áramlás szemléltetése színes Schlieren technikával [2]

13. ábra - Turbinalapátok közötti áramlás szemléltetése színes Schlieren technikával [3]

14. ábra - Lökéshullámok lövedék körül [4]

BUNSEN LÁNGOK Gáznemű égési formák felosztásaGáznemű égési formák felosztásaGáznemű égési formák felosztásaGáznemű égési formák felosztása

A gáznemű anyagok égését két alapvető csoportba sorolhatjuk: 1, előkevert lángok (premixed flames) – a tüzelőanyag és oxigén összekeverve éri el a

reakciózónát. Ha az áramlás nem turbulens erre az égésfajtára vékony reakciózóna (lángfront) jellemző.

15. ábra – Bunsen láng

2, diffúziós lángok (non premixed, diffusion flames) – a tüzelőanyagot és oxigént külön-külön vezetjük a reakciózóna közelébe. A keveredés diffúzió és turbulencia útján jön létre.

16. ábra - A gyertya lángja tipikus diffúziós láng [5]

Előkevert láng szerkezeteElőkevert láng szerkezeteElőkevert láng szerkezeteElőkevert láng szerkezete Az előkeveredési zónához közeledve a keverék előmelegszik, majd a reakciózónát elérve hőmérséklete hirtelen megnő. A hőmérséklet és a tüzelőanyag ill. oxigén koncentráció alakulásának jellegét mutatja a következő ábra:

17. ábra – Előkevert láng felépítése, hőmérséklet és reakciósebesség eloszlás

A Bunsen láng felépítése az alábbi ábrán látható. Ha a tüzelőanyag „túl sok”, akkor a környezeti levegővel keveredve egy második lángfrontban ég el.

18. ábra - Bunsen láng felépítése

19. ábra - Áramlási és lángterjedési sebesség egyensúlya stabil lángban

A Schlieren felvételeken a belső kúp jól látható. Feltételezve, hogy a belső lángfront alakja kúpos (nem forgási paraboloid) a Schlieren felvételből meghatározható a lángterjedési sebesség a 19. ábra felhasználásával. Ekkor ugyanis felírható a lángterjedési sebesség és az áramlási sebesség lángfrontra merőleges komponensének egyensúlya a fél-kúpszög segítségével:

( )α⋅=−sinvu

u - Lángterjedési sebesség [m/s] −v - Átlagsebesség [m/s]

Az égés levegőszükségleteAz égés levegőszükségleteAz égés levegőszükségleteAz égés levegőszükséglete Az égés elméleti levegőszükséglete elemi, tökéletes égési reakciók összességeként írja fel egy tüzelőanyag égését. Ezeket az egyenleteket sztöchiometriai egyenleteknek nevezik. Például a metán (CH4) sztöchiometriai egyenlete a következő:

222224 N21792OH2CON21

79O2CH ⋅+⋅+⇒⋅+⋅+ Fontos megjegyezni, hogy nem oxigénnel, hanem levegővel égetünk, így a levegő N2 tartalmát is figyelembe kell venni. Az egyenletben anyagmennyiség szerepel (mól), ugyanakkor – feltételezve, hogy a kiinduló anyagok és reakció termékek azonos nyomáson és hőmérsékleten vannak jelen a rendszerben – ezek az arányok térfogat arányt is jelentenek. Az egyenletből kiszámítható, hogy egységnyi mennyiségű tüzelőanyaghoz mennyi levegőre van szükség. Ez a kifejezés az elméleti levegőszükséglet. Értéke az előző példa alapján (O2 és N2együtt):

=⋅+= .a.tüm

levegőm524.9217922L 3

3

0

Az elméleti levegőszükséglet felhasználásával bevezethető a légfelesleg tényező, ami azt mutatja meg, hogy az elméletileg szükségeshez képest mennyi levegőt juttattunk az égéshez:

0LL=λ

λ - Légfelesleg tényező L - Égéshez vezetett levegő mennyisége [m3], [m3/s] L0 - Elméleti levegőszükséglet [m3], [m3/s]

λ > 1 esetén a keverék az elméletileg szükségesnél több levegőt tartalmaz (tüzelőanyagban szegény), λ < 1 esetén pedig kevesebbet (tüzelőanyagban dús). A légfelesleg tényező a tüzeléstechnikában az egyik legalapvetőbb és egyben legfontosabb fogalom. Az égés jellemzőit (lángterjedési sebesség, károsanyag képződés) a légfelesleg tényező függvényében szokás megadni. A lángterjedési sebesség légfelesleg függésére mutat példát a következő ábra:

20. ábra - Földgáz lángterjedési sebessége a légfelesleg függvényében

LÁNGCSÖVES LÁNGTERJEDÉSI SEBESSÉG MÉRÉS Homogén gáz – levegő keverékben a kísérleti tapasztalatok szerint a láng terjedési sebessége több tényező függvénye: nyomás, hőmérséklet és a gáz és levegő térfogataránya. Adott hőmérsékleten és nyomáson az égés gáz – levegő keverékben csak egy meghatározott alsó – és felső keverékarány között lehetséges. Ezen határok között a láng terjedési sebesség maximummal rendelkező görbe szerint változik. Az így meghatározható alsó- és felső gyulladási koncentráció határ biztonságtechnikai szempontból is fontos jellemző. Egy térben az alsó gyulladási koncentráció határ alatt, annak kb 1/10-részét szokták megengedni. Ha az éghető gáz koncentrációja ezt meghaladja, robbanás veszély állhat elő. Megfelelő készülékben különböző, mérhető összetételű gázkeverékek állíthatók elő. A gázkeverékkel egy függőleges helyzetű, alul teljesen nyitott üvegcsövet feltöltve, villamos szikrával meggyújtható a keverék. A gyújtás helyétől a lángfront a csőben egy megjelölt távolságot fut be, aminek idejét méréssel meghatározva a lángterjedési sebessége a gáz – levegő keverékben kiszámítható. A terjedési sebességet a gáz-levegő elegy összetétele függvényében ábrázolhatjuk.

Lángterjedési sebesség Lángterjedési sebesség Lángterjedési sebesség Lángterjedési sebesség vizsgálatavizsgálatavizsgálatavizsgálata Egy felül zárt, alul nyitott csövet ismert éghető gáz – levegő keverékkel feltöltünk, majd villamos szikrával meggyújtunk. A gyújtás helyétől kiindulva egy vékony lángfront jön létre, amely végig halad a csövön egészen a teljes kiégésig. A lángfront egy „t” időpontban való helyzetét az 21. ábra, a lángfront előtt és után kialakult hőmérséklet – és nyomás viszonyokat a 22. és 23. ábra szemlélteti.

21-23. ábra – Lángfront helyzete, a lángfront előtt és után kialakult hőmérséklet és nyomás viszonyok

u - Lángterjedési sebesség w - A visszaáramló égéstermék sebessége kt - Kezdeti hőmérséklet tt - Visszaáramló égéstermék hőmérséklet rp - A lángfront előtti reagens zónában kialakult nyomás tp - A lángfront utáni nyomás gc - Koncentráció (gáz – levegő keverékarány) gyullt Gyulladási hőmérséklet maxt A lángfrontban lévő hőmérséklet p∆ A lángfront előtti és utáni nyomáskülönbség

A láng terjedési sebessége egy gáz fajtájánál a kezdeti hőmérséklettől, a nyomástól és gáz – levegő arányától függ;

u = f (cg, p, tk) A csőben álló gáz –levegő elegyben a keletkező égéstermék visszafelé áramlik. A visszaáramló égéstermék sebességét döntően a lángfront hőmérséklete határozza meg;

w = f (tmax) A 2. ábrán jól nyomon követhető adott τ időpillanatban az égéstermék zóna és a reagens zóna közötti hőtranszport folyamat a hőmérséklet gradiens következtében. A hideg keverék a gyulladási hőmérsékletig felmelegszik. Az égőképes keverék gyulladása után hőfejlődés indul meg, ami további hőmérsékletemelkedést eredményez. A magas hőmérséklet felől az előmelegítést is a hőfejlődés biztosítja. A reagens zónában a nyomás /pr/ nagyobb, mint a termékzónában /pt/, mert a fajtérfogat növekedés miatt létrejövő áramlás gyorsítását ez a nyomáskülönbség biztosítja.

tr pp >

rt vu

vw

= u - Reagens közeg fajtérfogata w - Az égéstermék fajtérfogata

Az egyenletet rendezve:

r

tvvuw =

A fal kioltó hatásaA fal kioltó hatásaA fal kioltó hatásaA fal kioltó hatása A normál lángterjedési sebesség sík lángfront esetén egyértelmű mennyiség. A görbült lángfront esetén a nyomáskülönbség hatására szekunder áramlás alakul ki. A kísérlet során ez jól megfigyelhető: A gyújtás helyétől kiinduló lángfront jellegzetes „medúza” alakot vesz fel. Ez a lángfront alak a cső fala mentén, a kioltási távolságon belül kialakuló áramlás következménye. A fal melletti visszaáramlás egy tórusz gyűrű menti örvény kialakulását okozza ( 24. és 25. ábra )

24-25. ábra – A fal mellett kialakuló áramlás

A lángA lángA lángA láng terjedési sebességeterjedési sebességeterjedési sebességeterjedési sebessége Különböző koncentrációk esetén a mért futási idők és futási távolság ismeretében számított sebesség alapján a láng terjedési sebessége a koncentráció függvényében ábrázolható. A jelleggörbéje egy másod, vagy harmadfokú polinommal közelíthető (26. ábra). A jelleggörbe három meghatározó alapponttal rendelkezik / min,gc , 0,gc , max,gc /.

26. ábra – A láng terjedési sebessége

Ahol: cg,min - Alsó gyulladási határérték. A keverékben sok a levegő és kevés a gáz,

ez az érték alatt gyulladás nem jöhet létre. cg,0 - A görbe maximuma. Ismert gáz fajtára az értéke sztöchiometrikus

egyenlettel meghatározható /tökéletes égés/. cg,max - Felső gyulladási határérték. A keverékben kevés az éghető, nagy a

légfelesleg tényező, ez az érték felett gyulladás nem jöhet létre. A bevitt gyulladási energia meghatározza az alsó és felső határértéket /cg,min, cg,max/. A láng terjedési sebessége állandó hőmérséklet (t), illetve nyomás (p) mellett, változó nyomás és hőmérséklet esetét a 27. és 28. ábra szemlélteti.

27-28. ábra – Láng terjedési sebessége állandó hőmérséklet és változó nyomás mellett illetve állandó nyomás és változó

hőmérséklet mellett

A lángterjedési sebesség mérő berendezésA lángterjedési sebesség mérő berendezésA lángterjedési sebesség mérő berendezésA lángterjedési sebesség mérő berendezés felépítése és kezelése felépítése és kezelése felépítése és kezelése felépítése és kezelése A tanszéki lángterjedési sebesség mérő berendezés elvi felépítése a 29. ábrán látható. Ezen az ábrán követhető nyomon különböző gáz – levegő elegy összetételénél a láng terjedési sebességének mérése. A rendszer gáz ellátása hálózati vezetékes gáz útján történik, míg a levegő ellátását egy ventilátor biztosítja. Mind a gáz, mind a levegő egy meghatározott mennyiségének szállítása egy keverőtéren keresztül történik az elégetésre és a keverék elegy sebességének mérésére szolgáló üvegcsőbe. A gáz és a levegő útja a keverőtérig megegyezik. Külön – külön gázórával mérjük a eltérő koncentráció értékek beállításához szükséges mennyiségeket, majd egy kézi vezérlésű mágnesszelepeken keresztül juttatjuk a keverőtérbe. Itt jön létre a keverékképzés. A másik lehetőség a mennyiségek beállítására az azonos kialakítású furattárcsák alkalmazása, amelyek az osztókörön különböző átmérőjű furatokkal rendelkeznek. A két tárcsával azonos nyomáson,

eltérő furatátmérőkkel, azonos áramlási idő esetén a térfogatáramot lehet változtatni. A furat átmérők arányából számítható a gáz – levegő aránya (∆G/∆L). A keverőtérből a beállított gáz – levegő elegy az ábrán látható módon feltölti a mindkét végén zárt üvegcsövet. Az üvegcső alsó zárófedele egy visszagyulladásgátló betéthez kapcsolódik. Ennek kettős szerepe van. Egyrészt az égés során a visszagyulladást akadályozza meg, másrészt a mérőcső beállított koncentrációjú keverékkel való feltöltődését is jelzi. A visszagyulladásgátló betét is telítődik az éghető eleggyel, amit a végén elhelyezett gyújtóláng meggyújt. A mérésre szolgáló üvegcsőben az égőképes keveréket egy kézi vezérlésű gyújtó elektródával gyújtjuk meg. A üvegcső alján és a végén két ionizációs detektor található, amelyek érzékelik a lángfront kialakulását, és a lángfront futásának befejezését. A két ionizációs érzékelő alternatív kapcsolóként egy relén keresztül indítja, illetve leállítja az elektromos stoppert a mérés során

29. ábra - A tanszéki lángterjedési sebesség mérő berendezés elvi felépítése

1 - Nyomásszabályzó 2 - Gázóra (levegő) 3 - Gázóra (földgáz) 4 - Nyomáskülönbség mérő 5 - Mágnes szelep 6 - Furattárcsás áramlás szabályzó 7 - Keverőtér 8 - Visszaégés gátló / kontrolégő 9 - Gyújtóláng 10 - Stopper 11 - Jelfeldolgozó és stopper vezérlő 12 - Lefuvató szelep 13 - Nyomás ellenörző „U” cső 14 - Gyújtóelektróda 15 - Lángcső 16 - Lángfont érzékelő ionizációs detektor 17 - Töltés kapcsoló

A mérés meneteA mérés meneteA mérés meneteA mérés menete A mérés során állandó gázmennyiség mellett a levegő mennyiségét változtatva állítjuk be a különböző keverékarányokat a furattárcsák segítségével. 1. Zárjuk a mérőcső alsó zárófedelét, majd a gáz és levegő oldali furattárcsát a legkisebb

furatállásba állítjuk. Ezt követően nyitjuk a mágnesszelepeket. Megkezdődik a keverőtéren

keresztül a mérőcsőnek a beállított keverék eleggyel való feltöltése. A cső teljes feltöltését a visszagyulladásgátló betét tetején megjelenő kis láng jelzi. Ezt követően zárjuk a mágnesszelepeket, nyitjuk a mérőcső alsó zárófedelét , és kézi vezérlés útján gyújtó szikrával meggyújtjuk mérőcsőben lévő keverék elegyet. Ha nem jött létre égés, akkor a keverék elegy az alsó gyulladási határérték alatt van. Ebben az esetben zárjuk a mérőcső alsó zárófedelét, a levegő rendszer furattárcsáját másik állásba helyezzük ( csökkentjük a levegő mennyiségét ), és nyitjuk a mágnesszelepeket. Újra töltjük a mérő rendszert. A feltöltés után ismételjük meg a fentiekben már ismertetett lépés sort mindaddig amíg el nem érjük az alsó gyulladási határértékét.

2. Az alsó gyulladási határérték elérése után létre jön az égés, kialakul a lángfront, az ionizációs kör ezt érzékeli, és elindítja az elektromos stoppert. A lángfront a csőben ismert távolság megtétele után érzékeli az ott elhelyezett másik ionizációs kör és leállítja a stoppert. A mért idő és a lángfront által befutott távolság ismeretében a lángfront sebessége számítható.

3. Az mérést mindaddig folytatjuk változó levegő mennyiség hozzákeverésével, amíg el nem érjük a felső gyulladási határértéket.

4. A mérési sorozat végén a különböző gáz – levegő arányoknál mért futási sebesség ismeretében számítható a láng terjedési sebessége, valamint ábrázolható az ismert futási távolság ismeretében a lángterjedési sebesség - koncentráció függvény

Felkészülést segítő kérdésekFelkészülést segítő kérdésekFelkészülést segítő kérdésekFelkészülést segítő kérdések SchlierenSchlierenSchlierenSchlieren

1, Mi a „Schlieren” jelenség? 2, Milyen összefüggés van egy folytonosan változó törésmutatójú közeg törésmutatójának

gradiense és a rajta áthaladó fénysugár pályájának görbületi sugara között? Készítsen ábrát!

3, Fejezze ki az eltérülési szöget, mint a zavartalan fényterjedés irányában mért x távolság és R görbületi sugár függvényét! Készítsen magyarázó ábrát!

4, Adott gáz milyen jellemzőitől függ a törésmutató?

TüzeléstechnikaTüzeléstechnikaTüzeléstechnikaTüzeléstechnika 1, Mi jellemző az előkevert égésre? Vázolja fel egy előkevert, lamináris láng szerkezetét! 2, Milyen megfontolás alapján számítható a lángterjedési sebesség? 3, Milyen egyenletek a sztöchiometriai egyenletek? Mit fejeznek ki ezek az egyenletek? 4, Mi az elméleti levegőszükséglet? 5, Mi a légfelesleg tényező?

Lángterjedési sebesség mérésLángterjedési sebesség mérésLángterjedési sebesség mérésLángterjedési sebesség mérés 1, Lángterjedési sebességet meghatározó paraméterek? 2, Visszaáramló égéstermék sebességét meghatározó paraméterek? 3, A lángterjedési sebesség jelleggörgéje? 4, A lángterjedési sebesség görbét meghatározó határértékek? 5, A lángterjedési sebességet hogyan befolyásolja a p, t változása (rajz)?

HIVATKOZÁSOK [1] GARY S. SETTLES: Schlieren and Shadowgraph Imaging in the Great Outdoors , Proceedings of PSFVIP-

2, Honolulu, USA, May 16-19, 1999 http://www.mne.psu.edu/psgdl/psfvip2.pap.copyrightedimages.pdf

[2] http://www.la.dlr.de/ra/sart/projects/lfbb/colorschlieren.jpg

[3] http://ttm.tugraz.at/img/research/metrology/schlier.gif [4] http://courses.ncssm.edu/hsi/ss/schlieren/images/803_43.jpg [5] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7d/Candleburning.jpg