Паровые котлы ТЭС

Воспламенение топливно-воздушной смеси. фронт горения

В энергетике основным типом топок мощных па­ровых котлов является камерная топка. Топливно-воз- душная смесь поступает в нее из горелочных устройств в виде прямоточных или завихренных струй, развитие которых в топочном объеме определяет условия вос­пламенения и интенсивность горения.

Рассмотрим вначале механизм развития прямоточ­ной струи, втекающей в топочный объем, заполненный горячими топочными газами (рис. 4.9). Из амбразуры горелочного устройства вытекает струя, имеющая на­чальные значения скорости w0, температуры Т0, кон­центрации горючего Со. На поверхности раздела струи со ередой за счет поперечной составляющей пульса - ционных скоростей происходит проникновение массы струн в окружающий объем. В зоне смешения, назы­ваемой пограничным слоем струи, взаимодействие масс подчиняется закону сохранения количества движения

М aWfj-^M J w i= (Mo-j-M і) ШС і

Где Мз, Mi — взаимодействующие массы струи и окру­жающей среды; wo, ОУі — их скорости, причем для дан­ного условия W 1=0.

В связи с этим средняя скорость поступательна движения смеси Wcm определяется как

Mawa

М„ + м,

По мере приближения к внешней границе стрз доля вовлеченной в движение массы Mi увеличиваете и скорость wCm падает.

За счет турбулентного переноса масс пограничны слой расширяется и внутрь струи, в результате ег потенциальное ядро, сохраняющее начальные значени. wa, Го. Со (невозмущенная часть струи), постепенн уменьшается. Внешний угол раскрытия струи состааля ет 12—14°, внутренний угол расширения пограничной слоя 6°. Сечение, в котором оканчивается потенциаль ное ядро, называется переходным, а расстояние до неге от устья горелки представляет собой начальный уча­сток струи So. За переходным сечением пограничный слой распространяется на всю струю, и параметры на оси струи также начнут изменяться по мере удаления от переходного сечения (скорость падает, температура растет). Длина начального участка струи

:0,67-

Где г0 — начальный радиус круглой струи или половина эквивалентного диаметра струи прямоугольной формы; а — экспериментальный коэффициент структуры струи, учитывающий ее начальную турбулентность и нерав­номерность поля входных скоростей.

В турбулентном потоке при числе Re>2-104 ко­эффициент а-=0,07-:~0,08, откуда длина начального уча­стка So= (4,2-*-5)d3, где d3 — эквивалентный диаметр струи. В переходном сечении в зависимости от внеш­него угла раскрытия струн аВнш полуширина струн со­ставит:

Tg а„ ни, (4.23)

Что примерно в 3 раза превышает начальный радиус струи.

Прогрев поступающего топлива до темпе­ратуры воспламенения происходит за счет двух источников теплоты: теплового потока излучения от ядра факела и особенно конвек­тивного нагрева за счет перемешивания мас­сы струи с горячими топочными газами.

В связи с этим горелочные устройства должны выполняться таким образом, чтобы максимально интенсифицировать вовлечение горячих газов в свежую струю на начальном участке и тем самым ускорить воспламенение топлива. Примером такого типа устройств является вихревая горелка с кольцевой закру­ченной струей (рис. 4.10). Степень закручива­ния такой струи определяется параметром крутки я—2-І-5, определяемым как отношение

4М

(4.24)

Где М — момент количества движения относи­тельно оси струи; К — проекция главного век­тора количества движения на ось струи; D — характерный размер струи, для круглой струи (сплошной или коаксиальной) характерным является эквивалентный диаметр d3.

Рис. 4.11. Зоны горения топлива в топочной камере.

1 — зона ядра факела; 2 — зона догорания топлива и охлажде­ния газов; 3 — условная длина факела; /іг г — высота горизон­тального газохода.

Рис. 4.12. Выгорание топлива и изменение температуры газов по длине факела.

1 — характеристика выгорания антрацита; 2 — то же мазута; 3 — температура газов прн сжигании антрацита; 4 — то же ма­зута.

Параметр крутки можно приближенно вы­разить также в виде

. 4wt

' Wn '

(4.25)

Где wt — максимальная тангенциальная со­ставляющая скорости потока на выходе из горелки; wa — то же аксиальная составляю­щая скорости [13, 73].

С увеличением параметра п растет турбу­лентность струи, интенсивность вовлечения окружающих газов в струю и угол раскрытия струи.

В центральной приосевой зоне закручен­ной струи создается область пониженного дав­ления, куда устремляются высокотемператур­ные газы. Создается рециркуляция газов к корню струи. Длина зоны рециркуляции также зависит от степени крутки 5^=1,4я/о - Таким образом, основное отличие закрученной кольцевой струи от прямоточной состоит в по­вышенной турбулентности и наличии, кроме внешней, еще внутренней зоны вовлечения га­зов в струю, что ускоряет ее прогрев.

Воспламенение горючей смеси возможно - при соблюдении двух условий: температура горючей смеси должна быть не ниже темпе­ратуры воспламенения; концентрация горюче­го должна превышать нижний предел воспла­менения.

У внешней границы струи, где температура tc м наибольшая, находится незначительное- количество топлива, недостаточное для вос­пламенения. В центральной зоне струи темпе­ратура недостаточна для воспламенения. На­чало горения, следовательно, становится воз­можным в довольно узкой, близкой к пери­ферии полосе струи, где выполняются оба условия.

Фронт горения отличается повышенной турбулентностью за счет резкого увеличения - объема газов. Фронт горения будет устойчи­вым, если постоянно обеспечивается подвод свежих порций топлива и воздуха. Горение происходит всегда на определенном удалении от среза горелки, поскольку вблизи горелкіг в струе нет необходимого уровня температур. Фронт горения устанавливается в том месте,- где поступательная скорость потока оказы­вается равной скорости распространения тур­булентного пламени.