Brandbare gassen

Eigenschappen en toepassingen van brandbare gassen

Door: A. F. Bruin*
In de autogene techniek kunnen voor sommige processen meerdere gassen worden toegepast. Door het verbranden van die gassen met Iucht of zuurstof komt warmte vrij. In de autogene techniek wordt ge­bruik gemaakt van die warmte. Doordat de chemi­sche opbouw van bijvoorbeeld acetyleen anders is dan die van propaan verloopt de verbranding ver­schillend. Het gevoig hiervan is dat er een keuze, uit de ons ter beschikking staande gassen, zal moeten plaatsvinden. Deze zal moeten worden gebaseerd op de eisen die de verschillende autogene processen aan de vlam stellen. Aileen dan kan, zowel uit tech­nisch als uit economisch’oogpunt, een verantwoorde gaskeuze worden gemaakt.

Primaire en secundaire verbranding
Om gassen te verbranden is zuurstof nodig. Deze zuurstof kan zuivere zuurstof wor­den aangevoerd, of als zuur­stof uit lucht. De hoogste vlamtemperatuur wordt be­reikt wanneer het gas ver­brand wordt met zuivere zuurstof. In een brander wor­den het gas en de zuurstof gemengd. Aan de uitstroom­zijde verbrandt dit mengsel. Dit noemen wij de primaire verbranding.

Deze zone is in de viampluim te zien als een scherp fel blauw gekleurd kegeltje (fig. 1). In de minder fel gekleurde vlampluim verbrandt het res­tant van de primaire verbran­ding, met de zuurstof uit de omgevingslucht.

Dit wordt de secundaire ver­branding genoemd. Voor de totale verbranding gelden voor de diverse gassen de volgende formules:

Wanneer wij de totale ver­branding kunnen gebruiken en de tijd waarin die warmte vrijkomt geen rol speelt, dan zijn deze verbrandingswaarden te gebruiken als vergelij­kingsmaatstaf. Men kan dan bepalen wat de kosten zijn per Kcal of KJouI. Dit geldt bijvoorbeeld voor het gebruik, van gassen voor ruimtelijk& verwarming.

* Gassen op basis van methyl-ace­tyleen en propadieen (tetreen, mapp, apachi)

In de autogene techniek wordt voor het overgrote deel gebruik gemaakt van de warmte die vrijkomt in de pri­maire verbranding. De vol­gende criteria zijn dan ook van groot belang voor de te maken gaskeuze.

1e Hoeveel energie. komt er vrij in de primaire verbran­ding.
2e Hoe snel komt deze ener­gie vrij?
3e Hoe snel kan deze ener­gie worden overgedragen op het werkstuk.
4e Wat is het karakter van de vlam? Oxyderend, redu­cerend of neutraal.

Vlamtemperatuur
Deze is van belang voor de sneiheid waarmee de warmte wordt overgedragen en voor de maximaal te bereiken tem­peratuur van het werkstuk. Als voorbeeld van effectieve warmteoverdracht kan de elektrische boog tussen elek­trode en werkstuk bij het las­sen dienen. Die kan worden gezien als een smalle cilin­dervormige energieconcen­tratie. Er kan dan ook meteen gestart worden met het las­sen. Wanneer wij autogeen lassen moet het materiaal ook op smelttemperatuur worden gebracht. De oorzaak dat dit meer tijd vraagt dan bij de elektrische boog ligt aan het verschil in “boog” tempera­tuur.

Uit dit voorbeeld blijkt dat ook een vlam met een hogere temperatuur een snellere warmteoverdracht kan reali­seren.

Voor het snijden van staal bij­voorbeeld moet het materiaal tot ontstekingstemperatuur (±1.160 °C) worden ver­warmd alvorens te kunnen gaan snijden. Om dit redelij­kerwijs te doen, is een vlam nodig die een hoge tempera­tuur heeft. Doordat er in het te verwarmen materiaal een temperatuursverschil ontstaat,zal er van de inge­brachte warmte ook een ge­deelte wegvloeien naar punten met een lagere tempera­tuur. Wij noemen dit warmtegeleiding. Om dit te compen­seren is een vlam nodig van tenminste 2.500 °C. Is de vlamtemperatuur hoger dan wordt het materiaal ook snel­ler op temperatuur gebracht. In tabel 1 is een overzicht ge­geven van de verbrandings­eigenschappen, en de vlam­temperatuur van diverse gas­sen.

Voor de aanwarmsnelheid kan men nu het verschil ver­gelijken ten opzichte van die 2.500 °C.

• Acetyleen           3.170° — 2.500° = 670 °C
• Menggassen       2.940° — 2.500′ = 440 °C
• Propaan               2.850° — 2.500′ = 350 °C
• Aardgas,              2.770° — 2.500° = 270 `C

Verbrandingssnelheid
Bij het bepalen van de verbrandingssnelheid wordt uitgegaan van de hoeveelheid verbrandingsgassen die de primaire vlamkegel per tijds­eenheid passeert. De ver­brandingssnelheid is voor elk gas verschillend. Binnen be­paalde grenzen is zij een functie van de mengverhou­ding tussen gas en zuurstof (zie grafiek 2 van de vlamei­genschappen)(fig. 2).

Wanneer wij gassen met lucht verbranden in plaats van met zuurstof is de verbrandingssnelheid laag. Dit wordt veroorzaakt door de stikstof in de lucht (ca 80%). De verbrandingssnelheid is dan ca. 10 maal zo laag. De vlamtemperatuur daalt eveneens. Voor acetyleen is deze tem-peratuur 2.325 °C bij een gas-lucht verhouding van 1:9. Wanneer propaan met lucht wordt verbrand daalt de temperature tot 1.925 °C. De gas-lucht verhouding is fors te noemen, nameiijk 1:22. In de grafiek (fig. 2) is te zien dat bijvoorbeeld acetyleen zijn hoogste vlamtemperatuur en verbrandingssnelheid bereikt bij een mengverhouding van 1 deel gas : 1,5 delen zuur­stof. De vlamtemperatuur be­draagt: 3.170 °C bij een ververbrandingssnelheid van 1.160 cm/sec. bij propaan zien wij dat er aanmerkeiijk meer zuurstof nodig is om de maxi­mum vlamtemperatuur van 2.850 °C te bereiken, name­lijk 1 deel propaan : 4,3 delen zuurstof. Wordt het zuurstof­aandeel vergroot tot de verhouding 1:5 dan daalt de vlamtemperatuur. De vlam krijgt dan een sterk oxyde­rend karakter. De verbran­dingssnelheid loopt nog wel op al is dat maar een gering verschil, van 340 cm/sec. naar 370 cm/sec.

De laatste grafiek geeft het specifiek vlamvermogen in kJ / cm² sec. weer.

Ook hier is duideiijk te zien dat de langzaam verbran­dende gassen achterblijven qua vlamvermogen.

De grafiek die de verbrandingssnelheid van de diverse gassen weergeeft is tevens een soort handleiding voor het aansteken van bijvoorbeeld heetstokers. In de prak­tijk geeft dit dikwijls aanlei­ding tot problemen en soms ongelukken. Laten wij een voorval uit de praktijk als voorbeeld nemen. Door laswerkzaamheden is een constructie vervormd. Deze moet door middel van het maken van warmtepunten worden gericht. Omdat er, op vooruit bepaalde plaatsen, snel en zeer plaatseiijk warmte moet worden inge­bracht, wordt een acetyleen­heetstoker gebruikt van 3.000 liter.


De drukken worden ingere­geld op de reduceertoestellen en de zuurstofafsluiter op de brander opengedraaid. Ver­volgens wordt de gasafsluiter voorzichtig een stukje open­gedraaid (want… gas is ge­vaarlijk niet waar?) en vervol­gens getracht de brander aan te steken.

De eerste paging daartoe wordt afgestraft met een enorme knal. Na enige herha­lingen met het nodige vuur­werk werd de heetstoker naar het magazijn gebracht met de mededeling: „rommel, weg ermee”.

Wanneer wij naar de grafiek kijken, bij de verbrandings­snelheid, kunnen wij nagaan wat er is gebeurd. Door de zuurstofkraan vol open te draaien en de gaskraan maar voor een deel, werd een gas/zuurstofmengsel gecreëerd met de hoogste ver­brandingssnelheid.

Vervolgens werd getracht dit aan te steken…

Wanneer men de grafiek „leest” en de aanwijzingen die in de grafiek als het ware worden aangegeven, opvolgt, dan behoren de problemen met het aansteken van heetstokers tot het verleden. Zorg voor voldoende uitstromend gas met een kleine hoeveel­heid zuurstof.

De geringe hoeveelheid zuurstof verhoogt nauweiijks de verbrandingssnelheid van het mengsel, maar voorkomt wel het „roeten” van de vlam.

Vlamharden
Bij het vlamharden wordt het staal tot op de gewenste diepte verhit tot d6 hardings­temperatuur. Daarna wordt het oppervlak afgeschrikt met water of een andere vloeistof. Hierbij vindt een structuur­verandering in het staal plaats, waardoor de gewenste hardheid wordt verkregen. De hardingstemperatuur en de afkoelsnelheid hangen at van de staallegering en de ge­wenste hardheid.

Van belang is, dat het mate­riaal snel opgewarmd wordt, zodat alleen de buitenste laag gehard wordt. Gassen met een hoog specifiek vlamver­mogen zijn daarom noodzakelijk.

Solderen
Bij het solderen worden de te verbinden metalen niet ge­smolten. De verbinding komt tot stand door een toevoeg­materiaal met een lager smeltpunt en andere samen­stelling dan de te verbinden materialen. Het toevoegmate­riaal wordt door de capillaire werking in de spleet tussen de beide delen getrokken.

Bij het solderen onderschei­den wij:

• Het zacht solderen.
• Hierbij wordt als toevoeg­materiaal een legering van tin en lood gebruikt met een smeltpunt van onder de 450 °C.
• Het hardsolderen.

Hierbij worden messing-, koper- of zilverlegeringen gebruikt met een smelttem­peratuur boven 450 °C.

Om een goede hechting van het soldeer op het basismate­riaal te krijgen en een goed doorvloeien van het soldeer te vergemakkelijken wordt een vloeimiddel toegepast. Ook bij het solderen is het no-dig met een reducerende vlam te werken. Door de lage procestemperatuur is het mogelijk om alle gassen toe te passen, zelfs in combinatie met lucht. Ook hier is het eco­nomisch om het proces snel te laten verlopen. Dit pleit voor een snelle verwarming. Het is echter ook belangrijk, vooral bij werkstukken met grotere rnateriaaldikte, om een gelijkmatige verwarming te krijgen. In deze gevallen zal het werkstuk geleidelijk op temperatuur gebracht moeten worden. Het plaatselijk snel verhitten heeft hier nadelige gevolgen (bijvoorbeeld het ontzinken van messing).

Natuurkundige eigenschappen
In verband met de veiligheid en de economie van de ver­schillende autogene technie­ken, zijn de overige natuur­lijke eigenschappen van de brandbare gassen minstens zo belangrijk.

Soortelijk volume gas
Dit wordt gebruikt voor de omrekening van kg gas naar m³ of liters. Met uitzondering van aardgas worden de ove­rige gassen berekend per kg geleverd gas.

• 1 kg acetyteen tevert 908 titer gas.
• 1 kg menggas tevert 575 titer gas.
• 1 kg propaan tevert 540 liter gas.

Dichtheid van gassen
De gewichten van de verschillende gassen zijn weergegeven in het staafdiagram (fig. 4).

De gassen die zwaarder zijn dan lucht, zullen zich bij lek­kages verzamelen in lager ge­legen ruimten. Dit kan onder­meer voorkomen bij het wer­ken aan boord van schepen maar ook bijvoorbeeld in smeerputten van garagebe­drijven. Acetyleen en aardgas zijn lichter dan lucht en zullen op natuurlijke wijze ontsnap­pen.

Conclusie
In enkele gevallen is de prijs van het gas bepalend voor de gaskeuze, zeker in die situatie waar het gas wordt gebruikt voor verwarmingsdoeleinden. Er wordt dan gebruik ge­maakt van de totale verbran­dingswarmte van het gas. In de autogene techniek maken wij gebruik van de warmte die vrijkomt uit de primaire ver­branding en is het specifiek vlamvermogen bepalend. De gasprijs is in de autogeen techniek dan ook relatief on­belangrijk. Bij het autogeen snijden bijvoorbeeld vormen de gas- en zuurstofkosten sa­men 10-15% van de totale kosten per meter snedeleng­te. Sneller snijden door ge­bruik te maken van de eigen­schappen van acetyleen le­vert dan ook direct financieel voordeel op. Wanneer de gasprijs bepalend zou zijn le­vert dit nauwelijks een bij­drage aan het verlagen van de kosten per meter. Dit geldt in meer of mindere mate voor alle overige autogene tech­nieken.

Toepasbaarheid van brandbare gassen
Afhankelijk van het proces worden er eisen gesteld aan de vlam. Dit voor wat betreft de vlamtemperatuur, het spe­cifiek vlamvermogen en de at­mosfeer in de vlam. In veel gevallen is een keus uit meer­dere gassen mogelijk. Als voorbeeld het solderen. An­derzijds kan het zo zijn dat er slechts een gas gebruikt kar worden. Autogeen lessen is een techniek die alleen maai met acetyleen kan. Niet alleer door de hoge vlamtemperatuur tuur van de acetyleen-zuur­stofvlam maar ook door de reducerende atmosfeer van dE vlam. De gaskeuze die dar gemaakt wordt gebeurt geheel op procestechnische gronden. Fig. 3 geeft eer overzicht van de eisen die dE verschillende processen ear de vlam stellen.

Op enkele van die processer zal wat dieper worden Inge­gaan en worden aangegever welke gassen, technisch ge­zien, toepasbaar zijn.

Het autogeen snijden
Het autogeen snijden berust op het principe van een ge­richte verbranding van het materiaal, met behulp van zuivere zuurstof. Voordat de verbranding plaats kan vin-den moet, zoals al eerder aangegeven, het materiaal op ontstekingstemperatuur (±1160 °C) worden gebracht.

Door deze relatief lage tern­peratuur zijn alle gassen toe­pasbaar, Wel heeft de gas­keuze invloed op de snelheid van werken, dus op de eco­nomie van het snijden! Een hogere warmte-inbreng geeft hogere snijsnelheden en kor­tere starttijden, minder kans op het afbreken van het snij­proces en vooral bij laskant­voorbewerkingen ligt de snij­snelheid hoger. Bij een ge­concentreerde warmte-in­breng wordt minder warmte in het materiaal gebracht waardoor de vervormingen beperkt blijven en de maat­voering nauwkeuriger is. Eco­nomisch gezien verdient ace­tyleen de voorkeur.

Autogeen gutsen
Nu er steeds meer overdekt wordt gewerkt is geluidbe­heersing actueel geworden. Dit geldt zeker voor het gut­sen. Vaak wordt daarom het werkstuk naar buiten ver­plaatst om, zonder overlast voor anderen, elektrisch ge­gutst te worden. Dit soort handelingen kosten tijd en dus geld.

Met autogeen gutsen wordt het geluid tot een aanvaard­bear niveau teruggebracht. Met autogeen gutsen is men niet meer afhankelijk van zware trafo’s en aanwezig­heid van perslucht.

Dat betekent dat op elke plaats gegutst kan worden. Omdat men bij het autogeen gutsen gebruik maakt van de brander die ook voor het snij­branden wordt gebruikt, is het werk niet meer alleen ge­bonden aan de lasser. Wacht­tijden worden hierdoor be­perkt.

Het autogeen gutsen stelt hoge eisen aan de voorwarm­vlam, die er voor moet zorgen dat het plaatoppervlak snel en zeer plaatselijk op ontste­kingstemperatuur (±1.200°C) wordt gebracht.

Autogeen richten en strekken
Bij dit voor scheeps- en con­structiebouw zo belangrijke proces ter eliminatie van pleat- en profielvervormin­gen, gaat het principieel om een plaatseliike verkorting (krimp) van het materiaal. Dit krimpen levert slechts een reele verkorting op, indien de uitzetting, als gevolg van de voorafgaande verwarming met de vlam, zo volledig mo­gelijk wordt omgezet in stuik van het materiaal.

Geeist wordt derhalve een snelle scherp afgebakende v_.erhitting om een voldoende krachtig stuikfront te creeren. Aileen de acetyleen-zuurstof­dam voldoet hieraan. Andere vlammen blijven bij het strek­ken duidelijk achter, ondanks sen vaak exorbitant hoog gas- en zuurstofverbruik door economisch en goed richten en strekken dus: ace­tyleen!