Zastosowanie LPG w wózkach jezdniowych – cz. 1

W pierwszej części artykułu omówimy pojęcie gazu płynnego LPG, jego właściwości fizykochemiczne oraz właściwości palne.

Pojęcie gazu płynnego LPG

Jednym z dostępnych paliw (nośników energii) służących do zasilania wózków jezdniowych jest gaz płynny LPG.

Powszechnie stosowane pojęcie gazu LPG jest w rzeczywistości skrótem pochodzącym od angielskiego słowa Liquid (Liquefied) Petroleum Gas,co w tłumaczeniu oznacza ciekły (skroplony) gaz ropopochodny.

Zamiennie w języku polskim dla określenia tego rodzaju paliwa stosuje się również pojęcie „gaz płynny”, bezpośrednio nawiązujące do stanu skupienia, w jakim występuje ono w obrocie gospodarczym.

Gaz płynny jest mieszaniną gazów węglowodorowych, głównie propanu (C3H8) i butanu (C4H10) oraz w nieznacznych ilościach innych gazów, takich jak metan, etan, propylen, butylen i inne.

W zależności od składu procentowego możemy wyróżnić trzy rodzaje mieszanin gazu płynnego:

mieszanina A

butan techniczny

C4H10

(o zawartości butanu nie mniejszej niż 95%),

mieszanina B

propan-butan techniczny

C3H8 + C4H10

(o zawartości propanu w przedziale 18%-45% oraz butanu nie mniejszej niż 45%),

mieszanina C

propan techniczny

C3H8

(o zawartości propanu nie mniejszej niż 90%).

 

Powszechnie stosowanymi do zasilania pojazdów mechanicznych mieszaninami są mieszaniny z grupy „B” o następującym składzie procentowym:

  • w okresie letnim: 50% propanu – 50% butanu lub 40% propanu – 60% butanu,
  • w okresie zimowym: 60% propanu – 40% butanu.

Właściwości fizykochemiczne

Cechą charakterystyczną mieszaniny propanu-butanu jako paliwa jest fakt, że stosunkowo łatwo w temperaturze pokojowej (tj. około 20°C) oba gazy można skroplić do postaci ciekłej, pod ciśnieniem własnych par (od 0,2 do 0,8 MPa).

Wynika to bezpośrednio z ogólnych właściwości gazów oraz trzech podstawowych wielkości je opisujących, takich jak:

  • temperatura – T [°C],
  • ciśnienie – p [Pa],
  • objętość – V [m3],

― oraz zależności, w jakich wzajemnie pozostają.

 1. Stan skupienia, barwa i zapach

Mieszanina LPG w stanie normalnym występuje w postaci lotnej (gazowej), jednakże z uwagi na jej praktyczne wykorzystanie skrapla się ją do postaci płynnej oraz magazynuje w specjalnie do tego celu zaprojektowanych zbiornikach.

Proces skraplania służy przede wszystkim zmniejszeniu objętości mieszaniny gazów propanu-butanu.

Mieszanina LPG przechodząc pod wpływem ciśnienia (od 0,2 do 0,8 MPa) w stan ciekły przybiera około 1/250 objętości, jaką miała w stanie gazowym.

Oznacza to, że z 1 l mieszany w stanie ciekłym otrzymamy 250 l mieszaniny w stanie gazowym.

Zarówno propan, jak i butan są gazami bezbarwnymi i bezwonnymi, dlatego też dla łatwiejszego stwierdzenia ich obecności w powietrzu mieszanina tych gazów poddawana jest sztucznemu nawanianiu. Proces nawaniania przebiega w ten sposób, że do składu mieszaniny LPG w trakcie procesu produkcji dodawany jest związek chemiczny o silnie wyczuwalnym, charakterystycznym zapachu.

Wyczuwalność gazu następuje na poziomie zawartości odpowiadającej 20% dolnej granicy wybuchowości

2.Gęstość względem powietrza i wody

Propan-butan w stanie gazowymjest blisko dwukrotnie cięższy od powietrza oraz jednocześnie znacznie lżejszy od wody.

Taki stan rzeczy będzie powodował, że w przypadku uwolnienia się do atmosfery fazy gazowej spłynie ona ku ziemi w postaci szybko zanikającej mgiełki (zjawisko to określa się mianem „ścielenia się” i można je porównać do rozlewającej się wody), wypełniając wszelkie nierówności i zagłębienia terenu. W przypadku uwolnienia w bliskości zbiorników wodnych faza gazowa będzie utrzymywała się na ich powierzchni.

Pamiętać należy również, że z uwagi na różnice w gęstości gaz płynny będzie mieszał się z powietrzem bardzo powoli, dlatego też w miejscach słabo wentylowanych może on zalegać przez długi czas.

3. Rozszerzalność w stanie skroplonym

Pod pojęciem tym będziemy rozumieli wzrost objętości ciała podczas jego ogrzewania. Mieszaninę LPG charakteryzuje duża rozszerzalność w stanie skroplonym – oznacza to, że podgrzanie cieczy o 6°C spowoduje zwiększenie objętości mieszaniny o około 1%, co w konsekwencji doprowadzi do wzrostu ciśnienia wewnątrz zbiornika magazynowego.

PAMIĘTAJ !

Wzrost temperatury o 1°C spowoduje wzrost ciśnienia wewnątrz zbiornika o 0,7-0,8 MPa.

4. Prężność pary nasyconej (ciśnienie nasycenia)

Pod pojęciem tym będziemy definiowali ciśnienie, przy którym w określonej temperaturze gaz znajdujący się w fazie ciekłej pozostaje w równowadze z fazą gazową. Dla gazu płynnego względna prężność par (w temp. 40°C) wynosi 1,55 MPa.

Mieszaninę propanu-butanu w stanie ciekłym można utrzymać wyłącznie pod ciśnieniem własnych par, przy czym ciśnienie nasycenia w zbiorniku NIE BĘDZIE ZALEŻAŁO od ilości fazy ciekłej i gazowej. Ilości gazu w poszczególnych stanach skupienia, tj. stopień napełnienia zbiorników mieszaniną LPG został ściśle określony przez przepisy na poziomie 80% pojemności zbiornika dla fazy ciekłej oraz poduszki gazowej (pary nasyconej) na poziomie minimum 20% pojemności zbiornika.

Fakt ten oznacza, że w czasie rozładowywania zbiornika (tj. realnym zmniejszaniu się objętości fazy ciekłej), przy stałej temperaturze otoczenia ciśnienie wewnątrz zbiornika pozostaje bez zmian. Takie zróżnicowanie faz (stanów skupienia) w zbiorniku gwarantuje odpowiednią kompensację zmian temperatury (powodującej wzrost objętości i ciśnienia), a tym samym bezpieczną eksploatację zbiornika.

5. Ciepło parowania oraz temperatura wrzenia

Zgodnie z prawami fizyki – aby doszło do przejścia fazy ciekłej gazu w fazę gazową (lotną) będzie konieczne dostarczenie ciepła (tj. musi nastąpić wzrost temperatury). Ciepło, o którym mowa powyżej nosi nazwę ciepła parowania. Inaczej rzecz ujmując jest to ciepło konieczne do odparowania w temperaturze wrzenia cieczy.

Z uwagi na to, że mieszanina węglowodorów skroplonych (LPG) jest mieszaniną niskowrzącą, przy ciśnieniu atmosferycznym wrze ona w temperaturach ujemnych! Konkretne przedziały temperatur wynoszą: dla propanu około –42°C, natomiast w przypadku butanu około –5°C. Takie właściwości powodują, że w przypadku mieszaniny LPG w pierwszej kolejności rozpoczyna się odparowywanie propanu, zmniejszając jego udział procentowy w mieszaninie, a w dalszej kolejności butanu.

Właściwości palne (w tym granice wybuchowości)

Gaz propan-butan należy do grupy gazów skrajnie łatwopalnych.

W przypadku swobodnego wypływu z butli spala się z udziałem tlenu z powietrza bez żadnych objawów towarzyszących wybuchowi.

Jednakże niebezpieczną cechą mieszaniny LPG jest stosunkowo mała prędkość spalania w strumieniu gazu. Oznacza to, że w przypadku dużej nieszczelności zbiornika i tym samym dużej prędkości wypływu gazu może nastąpić tzw. zjawisko „oderwania się płomienia”. Skutkuje to bezpośrednim wyciekiem gazu do atmosfery, w kontakcie z którą tworzy mieszaninę wybuchową.

Przez mieszaninę wybuchową rozumieć będziemy mieszaninę gazu z powietrzem atmosferycznym, w której po wystąpieniu zapłonu spalanie rozprzestrzeni się na całą niespaloną mieszaninę.

Granice wybuchowości dla mieszaniny LPG określono w przedziale od około 2% (dolna granica wybuchowości – DGW) do około 9% objętości (górna granica wybuchowości – GGW).

Do zainicjowania wybuchu wystarczy stosunkowo nieduża energia.

Może to być już np. przeskok iskry związany ze zwarciem instalacji elektrycznej lub z elektrycznością statyczną, czy też wysoka temperatura!

Więcej na ten temat w: Wózki jezdniowe. Praktyczny poradnik do szkoleń

Druga część artykułu

Trzecia część artykułu

Skomentuj