Συμβουλές & κόλπα

Διερεύνηση της επίδρασης της γεωμετρίας του χωνευτηρίου στην καύση διαφορετικών δειγμάτων αιθάλης

Οι μέθοδοι της θερμοβαρυμετρίας (TGA) είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για τη διερεύνηση των διεργασιών καύσης.

Επιτρέπουν την εξαγωγή γρήγορων συμπερασμάτων σχετικά με τη θερμική σταθερότητα του κυρίως στερεού καυσίμου, καθώς και τη θερμοκρασία αντίδρασης και την κινητική της καύσης. Επιπλέον, μπορούν να ποσοτικοποιηθούν τόσο η απώλεια μάζας κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης καύσης όσο και η περιεκτικότητα σε μη καύσιμη ορυκτή τέφρα. Σε αντίθεση με άλλες αντιδράσεις, όπως η αποσύνθεση ή η απελευθέρωση υγρασίας ή διαλυτών, η καύση είναι μια αντίδραση στερεού-αερίου. Επομένως, όχι μόνο πρέπει να διατηρούνται σταθερές όλες οι συνήθεις παράμετροι, όπως η μάζα του δείγματος, ο ρυθμός θέρμανσης και η ροή του αερίου καθαρισμού, αλλά τα αποτελέσματα των μετρήσεων επηρεάζονται επίσης από την επιφάνεια του δείγματος, τη συγκέντρωση του οξυγόνου και τη γεωμετρία του χωνευτηρίου, τα οποία μπορούν να περιορίσουν την πρόσβαση του αερίου της αντίδρασης στο στερεό δείγμα.

Για να επιδιωχθεί αυτό το ζήτημα, πραγματοποιήθηκε μια σειρά μετρήσεων με ένα NETZSCH STA χρησιμοποιώντας διαφορετικές γεωμετρίες χωνευτηρίου υπό κατά τα άλλα πανομοιότυπες συνθήκες δοκιμής.

Διάφορα χωνευτήρια Al2O3 που εμφανίζονται από αριστερά προς τα δεξιά: χωνευτήρια με ολισθαίνουσα πλάκα, κοντό DTA, τυπικό DTA, διάτρητο DTA, μίνι DTA. — Σχήμα 1. Ποικιλία χωνευτηρίων Al2O3 (από αριστερά προς τα δεξιά): πλάκα slip-on, κοντό χωνευτήριο DTA, τυπικό χωνευτήριο DTA, διάτρητο χωνευτήριο DTA, μίνι χωνευτήριο DTA

Τρυπητό χωνευτήρι DTA για θερμοβαρυτομετρική ανάλυση, με οπές για βελτιωμένη πρόσβαση στο αέριο, βελτιώνοντας την απόδοση της καύσης. — Σχήμα 2. Τρυπημένο χωνευτήρι

Διάφορα χωνευτήρια DTA σε διάφορα σχήματα και μεγέθη, που παρουσιάζονται από μπροστινή και άνω όψη για εφαρμογές θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης. — Σχήμα 3. Συλλογή χωνευτηρίων, μπροστινή όψη (επάνω), άνω όψη (κάτω)

Τα διάφορα χωνευτήρια παρουσιάζονται στα σχήματα 1 και 3. Μεταξύ αυτών είναι και ένα χωνευτήριο DTA με διάτρηση, το οποίο παρουσιάζεται σε κλίμακα enlarged στο σχήμα 2 [1].

Τα εξεταζόμενα δείγματα αιθάλης είναι διαφορετικά πρότυπα δείγματα όπως NIST 2975, Printex 90, ενεργός άνθρακας και μπάλες άνθρακα. Αυτά έχουν διάμετρο περίπου 1 mm έως 2 mm και ανόργανη δομή. Το μέσο μέγεθος των σωματιδίων των υπόλοιπων δειγμάτων αναφέρεται μεταξύ 20 nm και 50 nm.

Αποτέλεσμα: Για τη διερεύνηση της αιθάλης NIST 2975 χρησιμοποιήθηκαν οι τύποι χωνευτηρίων που παρουσιάζονται στο σχήμα 1. Οι σχέσεις μεταξύ της διαμέτρου του χωνευτηρίου και του επιπέδου πλήρωσης των δειγμάτων (για την ίδια μάζα δείγματος) φαίνονται στο σχήμα 3 και στον πίνακα 1.

Διαστάσεις των χωνευτηρίων που φαίνονται στο σχήμα 1

Διαστάσεις	Πλάκα με ολίσθηση	Σύντομο χωνευτήρι DTA	Χωνευτήρι DTA	Χωνευτήρι DTA, διάτρητο	Μίνι DTA*
Ø εξωτερικό	10	8	8	8	5
Ø εσωτερικό	10	6	6	6	4
Ύψος	0	3	12	12

* μόνο για σύγκριση- αυτό το χωνευτήρι δεν αποτελεί μέρος της γκάμας προϊόντων NETZSCH

small Όταν χρησιμοποιείται οξυγόνο ως αέριο καθαρισμού, διαπιστώνονται ήδη διαφορές μεταξύ των διαφόρων γεωμετριών χωνευτηρίου όσον αφορά τη θερμοκρασία καύσης και τον ρυθμό καύσης (DTG) (σχήμα 4). Εάν, ωστόσο, η συγκέντρωση του οξυγόνου στο αέριο καθαρισμού μειωθεί στο 20% (σχήμα 5) ή στο 5% (σχήμα 6), η γεωμετρία του χωνευτηρίου φαίνεται να παίζει όλο και πιο σημαντικό ρόλο. Το διάτρητο χωνευτήρι DTA και η ολισθαίνουσα πλάκα επιτρέπουν προφανώς καλύτερη πρόσβαση του οξυγόνου του αερίου της αντίδρασης στο δείγμα. Ωστόσο, όσο χειρότερη είναι η πρόσβαση του αερίου της αντίδρασης στο στερεό δείγμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση της αντίδρασης να μετατοπίζεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες και τόσο μικρότερος είναι ο ρυθμός αντίδρασης (DTG). Σε αναλογία αερίου καθαρισμού αζώτου προς οξυγόνο 95:5, το τρυπητό χωνευτήρι DTA είναι σχεδόν το ίδιο "γρήγορο" με την πλάκα ολίσθησης. Όσον αφορά τη συμπεριφορά της αντίδρασης, το χωνευτήρι DTA με διάτρηση (σχήμα 2) και το κοντό χωνευτήρι DTA πλησιάζουν περισσότερο στην πλάκα slip-on, με αποτέλεσμα ο χειρισμός των δειγμάτων για αυτούς τους δύο τύπους χωνευτηρίων να είναι σημαντικά ευκολότερος από ό,τι για την πλάκα slip-on.

Διάγραμμα ανάλυσης TGA-DTA για το δείγμα NIST 2975 που απεικονίζει τη θερμοκρασία καύσης και τους ρυθμούς αντίδρασης με 100% οξυγόνο. — Σχήμα 4. Αποτελέσματα TGA-DTA για το δείγμα NIST 2975 (100% O2)

Γραφική παράσταση TGA-DTG με τα αποτελέσματα της καύσης για το δείγμα NIST 2975 σε 20% O2, όπου απεικονίζονται οι μεταβολές της θερμοκρασίας και του ρυθμού αντίδρασης. — Σχήμα 5. Αποτελέσματα TGA-DTG για το δείγμα NIST 2975 (20% O2)

Αποτελέσματα TGA-DTG για το δείγμα NIST 2975 σε 5% O2, που δείχνουν τη θερμοκρασία και το ρυθμό καύσης για διάφορες γεωμετρίες χωνευτηρίου. — Σχήμα 6. Αποτελέσματα TGA-DTG για το δείγμα NIST 2975 (5% O2)

Γράφημα που απεικονίζει τη σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας καύσης και της περιεκτικότητας σε οξυγόνο στο αέριο καθαρισμού, με έμφαση στους διάφορους τύπους χωνευτηρίων. — Εικ. 7. Τα αποτελέσματα σε συνάρτηση με την περιεκτικότητα σε οξυγόνο στο αέριο καθαρισμού

Σύγκριση των αποτελεσμάτων καύσης τεσσάρων δειγμάτων αιθάλης (NIST 2975, Printex 90, ενεργός άνθρακας, μπάλες) με ανάλυση TGA. — Σχήμα 8. Σύγκριση των τεσσάρων διαφορετικών δειγμάτων αιθάλης (TGA, σύντομο χωνευτήρι DTA)

Σύγκριση των αποτελεσμάτων DTG για ενεργό άνθρακα, NIST 2975, Printex 90 και μπάλες άνθρακα σε διάφορα θερμοκρασιακά εύρη. — Εικ. 9. Σύγκριση των τεσσάρων διαφορετικών δειγμάτων αιθάλης (DTG, σύντομο χωνευτήρι DTA)

Η εξάρτηση των αποτελεσμάτων από την περιεκτικότητα σε οξυγόνο στο αέριο καθαρισμού απεικονίζεται στο σχήμα 7.

Η σύγκριση των διαφόρων τύπων αιθάλης δείχνει σημαντικές διαφορές μεταξύ όλων των χαρακτηριστικών μεγεθών που προσδιορίζονται, όπως η θερμική σταθερότητα, η θερμοκρασία καύσης, ο ρυθμός καύσης και η υπολειμματική μάζα (σχήματα 8 και 9).

Συµπέρασµα:
Οι παράγοντες επιρροής που περιγράφηκαν θα ήταν σηµαντικοί για κάθε είδους αξιολόγηση και ερµηνεία των αποτελεσµάτων των µετρήσεων. Είναι, ωστόσο, ουσιαστικά απαραίτητοι για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την κινητική της καύσης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο στόχος τέτοιων αξιολογήσεων πρέπει να είναι η περιγραφή της αντίδρασης καύσης καθεαυτής και όχι ο συνδυασμός της αντίδρασης καύσης με επικαλυπτόμενες οριακές συνθήκες από τη διάταξη δοκιμής.

Λογοτεχνία

1] Protective Anti-Oxidation Coatings for Hot Gas Piping Systems and Their Characterization by Means of a High-Speed Furnace, Thomas Hutsch et.al., NETZSCH ^OnSet10, σελ. 6 - 9