Стабилизация процесса горения

Для стабилизации пламени необходимо создать около устья горелки условия для надежного воспламенения газовоздушной смеси.

Наибольшее распространение в качестве стабилизаторов получили:

- керамические туннели (рис. 3.11),

- зажигательные пояса,

- тела плохообтекаемой формы (рис. 3.12),

- закручивание воздушного потока, создающее зоны рециркуляции продуктов сгорания около выходного сечения смесителя,

- создание устойчивого вихря в топке.

При стабилизации в туннелях струя смеси выходит из газового сопла в туннель большего диаметра. В туннеле образуются устойчивые вихревые зоны, в которых осуществляется рециркуляция продуктов сгорания. Раскаленные продукты поджигают свежую смесь. Оптимальные соотношения диаметров D/d ~ 2,5.

        

 

Рисунок 3.11 - Схема керамического туннеля

 

Плохо обтекаемые тела также приводят к образованию вихревых зон за стабилизатором с зоной рециркуляции продуктов сгорания (рис. 3.12).

 

Рисунок 3.12 - Схема организации зажигания рециркуляцией продуктов сгорания за плохо обтекаемым телом

 

    Зоны устойчивой рециркуляции продуктов сгорания можно организовать за счет закручивания струи (рис. 3.13). При этом образуются зоны разрежения по центру струи и у выходного сечения, обеспечивающие рециркуляцию раскаленных продуктов сгорания.

 

Рисунок 3.13 - Стабилизация факела при использовании вихревых горелок

 

    В центре топки можно создать устойчивый вихрь раскаленных продуктов сгорания, являющийся источником зажигания за счет взаимодействия струй при тангенциальном расположении горелок (рис. 3.14).

Рисунок 3.14 - Стабилизация факела в топке при тангенциальном

расположении горелок

Турбулентное горение

предварительно подготовленных смесей

 

При больших значениях критерия Рейнолдса, т.е. при Re > Re_кp устойчивость течения нарушается и движение становится неупорядоченным, пульсирующим, решающими факторами становятся интенсивность перемешивания и турбулентные пульсации.

При переходе из ламинарного в турбулентный режим происходит изменение структуры пламени (рис. 3.15). При ламинарном течении наблюдается гладкий и тонкий фронт пламени, а высота h факела пропорциональна скорости потока W. После достижения критического значения Re_кp пламя укорачивается, утолщается и выглядит сильно размытым. Это связано с увеличением скорости распространения пламени U _п, которое обусловлено турбулентностью.

 

Рисунок 3.15 - Изменение структуры пламени при переходе из ламинарного в турбулентный режим

 

В турбулентном пламени химическая реакция ускоряется за счет турбулентной диффузии и турбулентной теплопроводности. Скорость турбулентного распространения пламени U _т является функцией скорости W (или числа Rе).

Существуют две теории турбулентного распространения пламени:

1. Теория поверхностного горения (мелкомасштабной турбулентности).

Под действием турбулентности поверхность фронта пламени искривляется и увеличивается (рис. 3.16). Увеличение скорости турбулентного распространения пламени U _т будет пропорционально увеличению площади поверхности фронта горения F _т

,

где U _т - скорость турбулентного распространения пламени;

U_n - нормальная скорость распространения пламени.

 

Рисунок 3.16 - Схема пламени при мелкомасштабной турбулентности

 

Увеличение отношения поверхностей в выражении  пропорционально , тогда получим 

.

 

    2. Теория объемного горения.

Теория объемного горения используется, когда рассматривается крупномасштабная турбулентность. Элементарные объемы горящей смеси, перемещаясь в свежую смесь, создают очаги поджигания (рис. 3.17), фронт разрывается на отдельные очаги горения.

 

 

Рисунок 3.17 Схема пламени при крупномасштабной турбулентности

 

Горение происходит по законам нормального распространения пламени. Фронтом пламени является суммарная поверхность отдельных молей. В этом случае

,

 

и высота факела h, перестает зависеть от скорости истечения смеси W

,

 

.

 

В промышленных установках топливовоздушная смесь, подаваемая через горелку в камеру сгорания, представляет собой неоднородную струю, распространяющуюся в среде продуктов сгорания. В процессе турбулентного расширения струи горючая смесь нагревается и одновременно разбавляется продуктами сгорания. По мере удаления от горелки горение распространяется внутрь струи. Кривые распределения температур и концентраций показаны на рис. 3.18. По мере приближения к внешней границе факела температура повышается, а концентрация горючей смеси падает. Воспламенение струи происходит в ее наружных слоях по конической поверхности, где скорость распространения пламени имеет максимальную величину. От периферийных слоев турбулентной теплопроводностью тепло передается соседним слоям, вызывая их последовательное воспламенение. Длина зоны воспламенения  ограничивается точкой, в которой воспламенение достигает оси факела, и рассчитывается по формуле

,

 

где W – скорость истечения газа;

U _т – скорость турбулентного распространения пламени.

Видимым фронтом горения является участок факела (), где  - толщина фронта горения. В нем происходит воспламенение струи и основное выгорание (до 90 %) горючих. Горение завершается за видимым фронтом, определяя общую длину факела . Длина зоны догорания  - участок до границы полного сгорания.

 

Рисунок 3.18 - Структура турбулентного факела

 

Тогда общая длина факела l _Ф  будет равна

,

где l _В - длина зоны воспламенения;

     - толщина фронта горения;

l _Д - длина зоны догорания.

Диффузионное горение газов

    В случае, когда через горелку подается только газ, горение происходит за счет взаимодействия газа с кислородом из окружающего воздуха. Поскольку горение происходит в процессе взаимной диффузии горючего и окислителя, подобное горение называется диффузионным горение. С корость горения определяется интенсивностью процесса смешения горючего и окислителя. В зависимости от характера смешения различают ламинарное и турбулентное диффузионное горение.

    Ламинарное диффузионное горение происходит при ламинарном режиме движения газа, вытекающего из горелки. Зона устойчивого горения устанавливается по поверхности, где горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении. Образующиеся продукты горения диффундируют как в окружающее пространство, так и внутри факела. Структура диффузионного ламинарного факела при сжигании водорода показана на рис. 3.19. Концентрация горючего падает от наибольшего значения на оси струи до нуля во фронте пламени, а концентрация кислорода возрастает от нуля во фронте пламени до его значения в окружающем потоке. Концентрация продуктов Н₂О и температура Т максимальны во фронте пламени.

 

Рисунок 3.19 - Структура диффузионного ламинарного пламени при сжигании водорода

 

    В диффузионном ламинарном пламени температура достигает максимального значения в зоне горения. Вытекающий из горелки газ нагревается за счет тепла, переносимого теплопроводностью и диффузией до поступления в зону горения.

В случае сжигания углеводородов их нагрев приводит к термическому разложению с образованием сажи и водорода. Находящиеся в пламени мелкодисперсные частицы сажи и свободного углерода, раскалившись, вызывают свечение пламени. Диффузионное горение частиц сажи протекает сравнительно медленно, в результате чего может возникнуть недожог топлива.

    Высота ламинарного диффузионного пламени может быть рассчитана по формуле

                                                ,                                             (3.15)

 

где W – скорость истечения газа;

R – радиус соплового отверстия;

D – коэффициент молекулярной диффузии.

    Интенсивность диффузионного сжигания зависит от интенсивности образования смеси.

Для промышленных условий более важным является способ турбулентного диффузионного горения, поскольку массообмен в пламени интенсивнее. С увеличением скорости размеры факела растут, достигая максимума. Одновременно теряется правильность очертаний и стабильность его вершины, начинается турбулизация факела, захватывающая все большую его длину. По мере приближения турбулентного фронта к корню факела высота его несколько снижается, оставаясь дальше постоянной. По достижении критической скорости газовой струи весь факел становится турбулентным, и в дальнейшем при увеличении скорости высота факела не изменяется. Относительная высота турбулентного диффузионного факела рассчитывается по формуле

                                          ,                                     (3.16)

где h – длина факела;

d – диаметр устья горелки;

V ⁰ – теоретический объем продуктов сгорания;

r_в и r_г – плотность воздуха и газа.  

 

Переход диффузионного факела от ламинарного режима горения к турбулентному горению наблюдается для разных газов при различных значениях критерия Re:

для водорода -                 2200,

для коксового газа -        3700…4000,

для оксида углерода –              4750,

для пропана и ацетилена - 8900…10400.