ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ГОРЕНИЕ ОДНОРОДНОЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ

В однородной предварительной перемешанной смеси интенсивность горения зависит только от кинетики самих химических реакций, поэто­му такой вид горения называют кинетическим.

Горение однородной газовой смеси происходит благо­даря распространению пламени в горючей смеси, непрерывно поступаю­щей в топочную камеру. В зависимости от характера движения горючей смеси различают ламинарное горение и турбулентное горение. Вначале рассмотрим ламинарное горение.

Пусть в горелку (рис. 8-4), расположенную вертикально, во избе­жание искривления факела подается однородная смесь. При ламинар­ном движении смеси скорость ее движения распределяется в горелке по параболе. Аналогичное распределение скорости сохраняется и на вы­ходе из горелки: у стенок горелки скорость очень мала, далее она воз­растает, достигая максимального значения на оси горелки.

При зажигании в устье горелки вблизи ее обреза в точках, где ско­рость потока равна скорости нормального распространения пламени 1/п, пламя держится устойчиво, образуя зажигающее кольцо, обеспе­чивающее непрерывное зажигание поступающей смеси по периферии струи. У стенок горелки, где скорость смеси менее чем ип, пламя не мо­жет проникнуть в горелку, так как вследствие теплоотдачи через стенки скорость распространения пламени уменьшается и становится меньше скорости струи в этом месте.

Кольцевая зона зажигания образуется естественно в результате за­медленного движения на периферии горелки и диффузии горючего газа 10* 147

Из потока наружу. Предположение о существова­нии «зажигающего кольца» впервые было выска­зано Л. Н. Хитриным [Л. 10].

Пламя в процессе распространения от перифе­рии к центру одновременно относится потоком, и в результате этого достигает оси струи на некотором расстоянии от устья горелки, образуя конусообраз­ный факел (рис. 8-4 и 9-1). Тонкая зона горения, образующая фронт пламени, обычно имеет ярко- голубой цвет, благодаря чему в пространстве факел Рис. 9-1. К рэсчбту четко выделяется.

Длины ламинарного Время, потребное для распространения пламе-

Факела однородной ни от периметра горелки до центра струи (рис. 9-1),

Смеси.

* (9-1)

Ип ’

Где Я — радиус горелки.

За это время центральные струи, двигаясь со скоростью прохо­дят расстояние

L=Wx, (9-2)

Которое соответствует длине факела. Подставляя в уравнение (9-2) зна­чение т, получаем, что длина ламинарного факела равняется

'=”• <9-3>

При данном диаметре горелки форма факела и его размеры зависят от скорости распространения пламени и скорости потока в отдельных точках струи. Чем больше скорость распространения пламени и меньше скорость потока, тем короче факел, и, наоборот, чем меньше ип и боль­ше ТС7, тем длиннее факел. При данной скорости выхода смеси из горел­ки длина факела зависит от скорости распространения пламени, т. е. от природы сжигаемого газа, его концентрации в смеси и температуры га­зовоздушной смеси. С увеличением диаметра горелки длина факела увеличивается.

Таким образом, горение протекает по поверхности конусообразного факела, причем глубина зоны горения составляет десятые доли милли­метра, основной же объем факела остается инертным.

Если в смеси имеется избыток горючего (а<1), то за счет воздуха, содержащегося в смеси в голубом конусе, сгорает лишь часть горючего газа. Избыток газа, пройдя зону горения, смешиваясь с воздухом окру­жающей атмосферы, сгорает, образуя вторичное пламя факела вблизи голубого конуса. При а^1 все количество газа сгорает в голубом кону­се факела.

Фронт пламени однородной смеси принимает устойчивое положение по конусообразной поверхности (рис. 8-4), в каждой точке которой нор­мальная к ней слагающая скорости движения газа равняется нор­мальной скорости распространения пламени, т. е.

№п = №со8ф = ип. (9-4)

В формуле:

'ЧУ — местная скорость потока;

Ф — угол между направлением внешней нормали к фронту пламени и местной скоростью потока.

Из соотношения (9-4) видно, что скорость струи может значительно превышать ип, не вызывая срыва горения. Но V? не должна быть мень­ше ип во избежание устремления пламени в горелку.

Согласно расчетам Б. Льюиса и Г. Эльбе на значительном расстоя­нии от стенки горелки, на участке 0,16<г/^<0,75 (где г — текущий ра­диус в сечении горелки), ип постоянно. У вершины конуса нормальная скорость распространения пламени возрастает и в вершине достигает наибольшей величины £/макс„.

Это объясняется тем, что в вершине конуса с большой кривизной происходит интенсивный нагрев свежего газа со всех сторон, а не с од­ной стороны, как в других частях, в которых вследствие малой ширины зоны подогрева пламя с точки зрения теплообмена можно считать плос­ким. Кроме того, у вершины конуса окружающие его горячие продукты сгорания предохраняют смесь от примешивания холодного воздуха из окружающей среды. У края горелки примешивание окружающей среды к струе и теплоотдача стенке уменьшают ип-

Величина ип в вершине конуса несколько больше, чем в средней «го части, а у основания — меньше. Поэтому при расчете скорости рас­пространения пламени в среднем по всему конусу приходят к данным, получаемым по средней части конуса, в которой ип постоянна. Это по­зволяет определять ип по формуле (8-17) делением объемного расхода смеси на площадь боковой поверхности голубого конуса.

Форма факела зависит от геометрической формы источника зажи­гания. При кольцевом источнике, располагаемом по периферии устья круглой горелки, получается факел конической формы; при точечном источнике, располагаемом в центре сечения круглой горелки, — в виде опрокинутого конуса; при источнике по периметру прямоугольной горел­ки— в виде призмы и т. д.

В открытом факеле при ламинарном горении однородной смеси с зажиганием по периферии устья круглой горелки фронт пламени при­нимает устойчивое положение по конусообразной поверхности. Это объ­ясняется следующим образом.

Если бы горючая смесь находилась в покое, то из произвольной точ­ки фронта 1 (рис. 8-4) пламя за некоторое время 1Дт переместилось бы внутрь факела по нормали к поверхности фронта на расстояние £/пДт в точку 2. Но смесь движется и за это время пламя относится от точки

1 По вертикали на расстояние в точку 3. Соответственно каждая последующая равновесная точка фронта пламени смещается все глубже и выше до достижения оси факела на определенном удалении от устья горелки. Совокупность таких равновесных точек зоны горения в потоке образует коническую поверхность факела, опирающегося на обрез круг­лой горелки.

Таким образом, в вертикальном конусообразном фронте пламени в точках, находящихся выше зажигающего кольца, благодаря существо­ванию нижележащих равновесных точек фронта пламени, устанавли­вается равновесие между скоростью перемещения элемента фронта пла­мени и скоростью набегающего потока. Устойчивыми точками фронта пламени, способными существовать без наличия нижележащих мест с источниками тепла, являются точки по периферии горелки, в которых

г=-ип.

Действительно, опыты показывают, что, ослабляя эффективность действия зажигающего кольца ускорением течения окружающей среды вдоль внешней поверхности горелки, можно перемещать факел или сов­сем оторвать его от горелки и погасить. Напротив, при неизменных уело -

Виях течения на периферии можно увеличить скорость течения средней части струи на выходе из горелки или среды в области верхней части конуса, не нарушая устойчивости факела. Следовательно, для образова­ния устойчивого факела в нижней периферийной части конуса, опираю­щейся на горелку, необходимо соблюдение условия равновесия

УР =—ип. (9-5)

Условие равновесия по соотношению (9-4) дает связь между ско­ростью перемещения элемента фронта пламени и скоростью набегающе­го потока смеси в факеле, находящемся в устойчивом состоянии за счет наличия зажигающего кольца.

Стабилизация ламинарного факела зажигающим кольцом осуществ­ляется в пограничном слое потока, в котором создаются благоприятные гидродинамические и тепловые условия, при которых пламя может су­ществовать устойчиво.

На схеме образования факела (рис. 8-4) для нескольких сечений, расположенных на различных расстояниях от среза горелки, изображе­ны профили скорости ТС7 потока горючей смеси и скорости нормального распространения пламени ип. При ламинарном движении горючей сме­си профиль скорости параболический, у стенки горелки скорость равна нулю, а на оси возрастает до максимальной величины. На небольшом расстоянии от стенки участок параболы может быть заменен прямой. Для однородной смеси данного состава ип является постоянной вели­чиной. Однако вследствие изменения тепловых и концентрационных условий на периферии потока горючей смеси ип уменьшается, причем характер этого изменения в различных сечениях различен. В сечениях внутри - горелки ип уменьшается по мере приближения к холодным стенкам из-за отвода тепла. По выходе смеси из горелки ип уменьшает­ся по мере приближения к границе струи из-за разбавления горючей смеси воздухом из окружающей среды. Вблизи границы струи, где смесь значительно обеднена, распространение пламени прекращается. Участки прекращения распространения пламени внутри горелки и в струе на профилях ип показаны пунктиром.

В сечениях / и //, находящихся внутри горелки и на выходе, вблизи у ее устья, величина ип не достигает скорости потока ни в одном участ­ке поперечного сечения. Так, у края горелки образуется кольцевая зона, в которой горение становится невозможным.

На периферии струи, где скорость потока весьма мала, кольцевая зона охлаждающего действия стенок, выделенная на рис. 8-4 пунктиром, препятствует проникновению пламени внутрь горелки.

На выходе из горелки профиль скорости в потоке практически со­храняется, а зона действия теплоотвода к стенкам горелки сокращается. Вследствие этого скорость распространения пламени постепенно увели­чивается. Начиная с некоторого расстояния от устья горелки имеются сечения (сечение ///, рис. 8-4), где кривые № и 0п пересекаются в двух точках. На участке между точками пересечения профилей W и Цп ско­рость распространения пламени ип больше скорости потока, а в осталь­ных участках сечения 11п< №. Очевидно, что между сечениями II и /// существует такая точка, в которой скорость пламени как раз равна ско­рости смеси №. В таких точках по периферии горелки пламя удержи­вается стационарно, обеспечивая естественную стабилизацию факела постоянно действующим зажигающим кольцом.

Факел стабилизируется несколько выше среза горелки. Расстояние от нижнего края пламени то среза горелки определяется расстоянием,
на которое распространяется охлаждающее действие стенок. По поряд­ку величины оно равно ширине зоны пламени. При небольших измене­ниях скорости истечения или состава горючей смеси наблюдаются коле­бания зажигающего кольца и факела в целом.

При уменьшении скорости истечения из горелки голубой конус уко­рачивается и притупляется. Когда скорость истечения смеси становится равной или меньше скорости распространения пламени, может произой­ти проскок пламени в горелку. Минимально допустимая скорость истечения смеси из горелки по условиям отсутствия проскока называет­ся нижним пределом устойчивости пламени по ско­рости смеси.

По мере проникновения пламени в глубь потока ип увеличивается от значения ее на нижнем пределе распространения до значения, харак­терного для данной смеси, а скорость истечения увеличивается от нуля на стенке - по параболическому закону, свойственному ламинарному движению, до некоторой максимальной величины. Согласно Льюису и Эльбе критическое условие проскока должно соответствовать случаю касания кривых V? и 11п вблизи стенок горелки.

Это условие можно записать как

Где г и Я — текущий радиус и радиус горелки.

Так как при ламинарном движении

И7 = 1Г,(1(9-7)

То

(<ш_ __ 2]Уо

Где УР0— скорость на оси потока.

Таким образом, нижний предел устойчивости горения по скорости, после которого происходит проскок, определяется условием:

<9-9>

Так как средняя скорость по сечению потока Ш=1/2№0, то критиче­ское условие проскока, выражаемое уравнением (9-9), можно записать также в виде:

(»-■»>

Т-| / с1и п и

При сжигании смеси заданного состава ( —:— является постоянной

V аг /г-+ц

Величиной. Поэтому из (9-10) следует, во-первых, что для сохранения критического значения параметра 4У/1Я при переходе к горелкам боль­шего размера необходимо увеличить скорость потока в соответствии с соотношением:

/О 1 п

Я1 1^1 (у-и)

Следовательно, чем больше диаметр горелки, тем больше должна быть скорость для предотвращения проскока. Во-вторых, при смесях с большей величиной ип нижний предел устойчивости горения по ско­рости выше.

В ряде случаев для большей гарантии устранения возможности про скока улучшают условия охлаждения пламени вблизи стенок, что обыч­но осуществляется применением водяного охлаждения устья горелок.

При этом расширяется периферийная область струи, на которую рас-

Пространяется охлаждающее влияние стенок и, следовательно,

Уменьшается, что позволяет уменьшить предельную скорость, исключаю­щую проскок пламени, или при той же скорости иметь устойчивое горе­ние в горелке большего диаметра.

Повысить устойчивость факела по отношению к проскоку можно также обеспечением в устье горелки более плоского профиля скорости с значительным возрастанием скорости течения вблизи стенок горелки. Этого можно достигнуть сужением выходной части горелки или выпол­нением лемнискатного конфузора на выходе из нее.

Зажигающее действие естественного кольцевого слоя горючей смеси, находящегося у края горелки, можно заменить и усилить искусственным источником, например накаленным металлическим кольцом. В этом слу­чае над горелкой образуется факел такой же конической формы, как и в случае круглой горелки с естественной стабилизацией. При этом фа­кел может сохранять устойчивость при больших скоростях истечения горючей смеси, т. е. будет иметь место более устойчивое зажигание. Перемещением источника зажигания можно легко перемещать факел вверх и вниз по потоку.

С увеличением скорости истечения смеси без нарушения условия (9-5) на периферии горелки устойчивое положение фронта факела со­гласно (9-4) будет сохранено за счет увеличения высоты голубого кону­са, так как при этом увеличивается угол ф. Дальнейшее увеличение ско­рости истечения выше некоторого значения приводит к отрыву и пога­санию факела. В зависимости от природы газа и состава смеси сущест­вует верхний предел устойчивости пламени, т. е. максимальная скорость истечения, превышение которой приводит к отрыву пламени.

Таким образом, устойчивость зажигания факела обусловливается образованием зажигающего кольца вне горелки, а проникновению пла­мени внутрь горелки препятствует кольцевая зона охлаждающего дей­ствия стенок у края горелки. Следовательно, для случая отрыва сущест­венной является обстановка на выходе из горелки, а для случая про­скока— обстановка внутри трубки горелки. Проскок и отрыв пламени происходят из-за нарушения условия (9-5) вблизи устья горелки.

Устойчивость факела определяется естественной или искусственной стабилизацией его корневой части.

Форма факела зависит от геометрического расположения очага за­жигания, а его размеры определяются размером горелки и устойчивым положением равновесия между перемещением элемента фронта пламе­ни и скоростью набегающего потока согласно (9-4).

Метод сжигания однородной газовоздушной смеси в ламинарном потоке не имеет промышленного распространения и применяется лишь в небольших нагревательных приборах.

Для интенсификации горения сжигание газов производится при больших скоростях газового потока и, следовательно, при турбулент­ном режиме его движения.

Атмосферные горелки с развитием факела в открытой атмосфере работают малоустойчиво, так как в них нельзя осуществить горение при больших скоростях истечения смеси. Появляющийся спутный поток охлаждает зажигающее кольцо, оно теряет поджигающую способность и факел погасает.

Для стабилизации турбулентного факела необходимо обеспечить его устойчивое зажигание. Последнее достигается сжиганием газа в про­странстве, заполненном накаленными продуктами сгорания.

При установившемся режиме горения, смесь, подаваемая через го­релку (рис. 9-2) в камеру сгорания или в топочное пространство паро­генератора, представляет собой неизотермическую струю, распростра­няющуюся в среде высоконагретых продуктов сгорания. В процессе турбулентного расширения струи по мере увлечения топочных газов го­рючая смесь нагревается и одновре­менно разбавляется продуктами сгорания. Согласно теории неизо­термической струи нагрев струи происходит в турбулентном погра­ничном слое, в ядре же постоянных скоростей начального участка тем­пература остается неизменной и рав­ной температуре истечения. Нагрев происходит наиболее интенсивно по периферии струи и по мере удаления от устья горелки распространяется внутрь струи. Кривые распределения температур и концентраций в струе

Изображены на рис. 9-2. По мере приближения к внешней границе струи температура повышается, а концентрация горючей смеси падает. Выше было показано, что влияние температуры на скорость реакции значи­тельно сильнее влияния концентраций реагирующих веществ и что по­этому в пламени химические реакции протекают в малом интервале температур, близко примыкающем к температуре горения в смеси, силь­но разбавленной продуктами сгорания, в которой скорость распростра­нения пламени достигает максимальной величины. Поэтому воспламене­ние струи происходит в ее наружных слоях по конической поверхности АД, где скорость распространения пламени имеет максимальную вели - чину, так как только на этой поверхности пламя может держаться устойчиво. От воспламенившихся периферийных слоев турбулентной теплопроводностью тепло передается соседним слоям, вызывая их по­следовательное воспламенение. Нагреву соседних слоев способствует также турбулентная диффузия.

Турбулентный режим движения также влияет на структуру поверх­ности горения. Под воздействием турбулентных пульсаций фронт пла­мени искривляется, размывается, разрывается на отдельные очаги и непрерывно видоизменяется, но конусообразная форма сохраняется, так как зажигание происходит по периферии струи. Поэтому и в этом случае значительная часть объема факела остается инертной, неиспользован­ной.

Структура газового факела схематически показана на рис- 9-2. Дли­на зоны воспламенения '/З. в ограничивается точкой, в которой воспламе­нение впервые достигает оси факела. Заменяя в уравнении (9-3) ип на ит, получаем соотношение для длины зоны воспламенения при турбу­лентном горении:

/зв =~. (9-13)

Из соотношения (9-13) следует, что при турбулентном горении уве­личение скорости выхода газовоздушной смеси из горелки данного диа­метра не должно значительно влиять на длину зоны воспламенения фа­кела, так как с увеличением средней скорости пропорционально увели­чивается пульсационная скорость, а под ее воздействием пропорционально увеличивается и скорость распространения пламени. При турбулентном горении также £/т меньше зависит от свойств смеси. Показательным является характер зависимости £/т от состава смеси, которая так же. как и для 11п, имеет вид куполообразной кривой. Разница лишь в том, что по мере увеличения скорости движения кривые смещаются вверх и растет величина ит на концентрационных пределах распространения пламени. Поэтому с увеличением скорости смеси разница между макси­мальной скоростью пламени и скоростью пламени вблизи границ умень­шается, это и означает снижение зависимости £/т от химических свойств смеси.

В конусе, ограниченном поверхностью воспламенения, движется еще не воспламененная смесь. Через бт обозначена толщина фронта турбу­лентного пламени. Принимая размер моля примерно равным длине пути перемешивания, время его выгорания можно определить как

(9-14)

2 и гг •

За это время моль газа под действием пульсационной скорости переместится на расстояние

? - 1~ (9-151

Которая и является толщиной турбулентного фронта горения.

Так как масштаб турбулентности пропорционален сечению потока, а пульсационная скорость увеличивается при росте средней скорости, то с увеличением диаметра горелки и скорости истечения смеси из нее 6т согласно (9-15) будет увеличиваться. Кроме того, бт зависит от фи­зико-химических свойств смеси, которые косвенно характеризуются ве­личиной ип. С увеличением ип толщина фронта пламени уменьшается.

Видимым фронтом горения является участок факела протяжен­ностью /з. в + бт - В нем происходит воспламенение струи и выгорание воспламенной смеси. Степень сгорания на выходе из этой зоны обычно значительна и даже при больших скоростях истечения из горелки может достигать 90%'.

Горение завершается за видимым фронтом, определяя общую дли­ну факела /ф. Участок /д до границы полного сгорания называется дли­ной зоны догорания. На протяжении /д горение должно завершиться с требуемой полнотой. Поэтому 1Д будет тем больше, чем меньше ско­рость химического реагирования и чем больше скорость движения га­зов. Из-за сравнительно малой скорости химического реагирования при малых концентрациях горючей смеси 1Л значительно увеличивается.