ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ТУРБУЛЕНТНОЕ ДИФФУЗИОННОЕ ГОРЕНИЕ

Интенсивность диффузионного сжигания зависит от интенсивности •смесеобразования. Так как массообмен при турбулентном течении про­исходит во много раз интенсивнее, чем при ламинарном режиме, то для промышленных целей более важным является способ турбулентного диффузионного сжигания неперемешанных газов.

Турбулентное диффузионное сжигание производится раздельной по­дачей газа и воздуха через горелки в камеру сгорания в среду горячих продуктов сгорания. Воздух может подаваться через те же горелки или помимо них через отдельные сопла.

Как наиболее простой случай рассмотрим диффузионное горение прямоточной струи газа в неподвижной или спутной среде окислителя (рис. 9-5). Пусть горючий газ вытекает из круглой горелки 1 со ско­ростью, обусловливающей турбулентный режим движения, в открытое пространство, окислителя, в его спутный поток.

После установления зоны горения протекание процесса в стационар­ном факеле и его структуру, схематически показанную на рис. 9-5, мож­но представить следующим образом. При турбулентном распростране­нии газовой струи из окружающей среды в зону горения диффундирует воздух, а из ядра струи 2— газ. Диффузионные потоки газа и кислоро­да в зоне горения 3 вступают в химическое реагирование. Концентрация газа а, имеющая максимальное значение на оси факела, и концентрация кислорода Ь, имеющая максимальное значение в окружающей среде, 158
в зоне горения падают до нуля, а кон­центрация продуктов сгорания с макси­мальна. Образующиеся в зоне горения продукты сгорания диффундируют как в окружающее пространство, смешиваясь с воздухом, так и внутрь факела, смеши­ваясь с горячим газом. Зона смешения газа и продуктов сгорания обозначена цифрой 4, а зона смешения продуктов сгорания с воздухом — 5.

Подобно тому как это было сделано при рассмотрении ламинарного диффузи­онного пламени, можно показать, что зо­на горения устанавливается по поверхно­сти, где количества поступающих путем турбулентной диффузии газа и кислоро­да находятся в стехиометрическом - соот­ношении для полного горения.

Так как турбулентная струя облада­ет свойством автомодельности, а коэф­фициент турбулентной диффузии пропор­ционален скорости истечения и диаметру сопла {№ос1о), то положение зоны вос­пламенения и горения, определяемое как геометрическое место точек, где образу­ется смесь стехиометрического состава, при горелке данного размера не должно зависеть от скорости истечения. Равно и длина зоны воспламенения не должна зависеть от скорости истечения. При подсчете в калибрах диаметра при данном топливе она должна быть одинаковой для горелок различных размеров. При этом остается лишь зависимость относительной длины зоны воспламенения от стехио­метрического числа и концентрации кислорода в окружающей среде, т. е.

Тг=?(£■)• (9-22>

В формуле:

Т— стехиометрическое число, показывающее расход кислорода на единицу массы сгорающего газа;

О2 — концентрация кислорода в окружающей среде.

Длина зоны воспламенения диффузионного факела тем больше, чем больше теплота сгорания газа, так как для сжигания единицы массы газа должно поступить больше кислорода. Чем меньше содержание кис­лорода в окружающей среде, тем длиннее зона воспламенения. Напро­тив, при повышении концентрации кислорода в окружающей среде дли­на зоны воспламенения факела уменьшается.

Эти положения, полученные из теоретических исследований, под­твердились опытами.

Выделяющееся при химическом реагировании тепло посредством турбулентной теплопроводности и диффузии горячих продуктов сгорания передается образующейся горючей смеси, обеспечивая ее воспламенение и распространение пламени. Следовательно, положение зоны горения определяется условиями турбулентной диффузии, а скорость горения — скоростью последней. Дополнительным условием устойчивого горения
является наличие достаточной скорости распространения пламени, так как в противном случае произойдет срыв пламени.

Зажигание турбулентного диффузионного факела происходит анало­гично зажиганию при турбулентном горении однородной газовой смеси. Турбулентная струя газа при своем распространении в топочном про­странстве вместе с воздухом увлекает также и горячие продукты сгора­ния, в результате чего смесь нагревается и воспламеняется. Зажигание диффузионного факела можно усилить организацией теплового, газоди - нимического и концентрационного режимов таким образом, чтобы по­высить интенсивность тепловыделения и, напротив, понизить интенсив­ность теплоотвода из зоны реагирования в области корня факела. В частности могут быть применены стабилизаторы различных типов.

Общая длина факела £ф превышает длину зоны воспламенения (1з. в) на длину участка зоны догорания Ьр. В этой зоне протекает дого­рание множества молей, на которые факел раздроблен под действием турбулентных пульсаций. В них процесс смешения происходит в основ­ном за счет молекулярной диффузии, которая протекает медленно. При этом концентрации горючего газа и кислорода в зоне догорания малы. В этих условиях горение протекает сравнительно медленно, обусловли­вая значительную длину зоны догорания.

Длина зоны догорания равняется протяженности перемещения молей за время тд их выгорания. Так как средняя скорость перемещения молей пропорциональна скорости истечения, то для определения относительной длины зоны догорания можно записать:

Время выгорания турбулентных молей определяется временем мо­лекулярной диффузии кислорода из окружающей среды от внешней по­верхности до центра моля и с учетом (9-16) может быть подсчитано по -формуле

(9-24)

В формуле:

Б — размер наибольших молей;

И — коэффициент молекулярной диффузии.

Вается потребность в кислороде для горения и зависимость величины диффузионного потока от концентрации кислорода в окружающей среде.

Относительный размер турбулентных молей зависит от гидродина­мических критериев Рейнольдса и вихревого переноса:

(9-25)

Где р0 и р — плотность истекающего из горелки газа и окружающей среды.

Применение теории переноса масс при совместном рассмотрении уравнений (9-23), (9-24) и (9-25) позволило С. Н. Шорину и О. Н. Ер­молаеву [Л. 23] получить следующую зависимость для безразмерной длины зоны догорания:

Опытами установлено, что с повышением начальной температуры

Газа длина факела заметно сокращается. Это объясняется влиянием температуры на коэффициент молекулярной диффузии и на кинематиче­скую вязкость, в связи с чем в (9-26) внесен диффузионный крите­рий у/В.

Так как безразмерная длина зоны воспламенения факела согласно (9-23) и (9-24) зависит только от т/02, то с учетом (9-26) для общей относительной длины турбулентного диффузионного факела принята следующая зависимость [Л. 23]:

(9-27)

Конкретный вид зависимости (9-27) для длины диффузионного тур­булентного факела различных газов можно получить на основе экспери­ментальных исследований.

На длину факела сильное влияние оказывает конструкция горелоч - ного устройства и способ организации процесса сжигания в топках па­рогенераторов и в камерах сгорания различного назначения.

В заключение следует отметить, что из-за переноса масс горючего, продуктов сгорания и воздуха посредством перемещения множества отдельных молей фронт горения в турбулентном факеле получается вол­нистым, размытым, разорванным на отдельные части и слабо устойчи­вым. Кроме того, турбулентному диффузионному факелу, также как и ламинарному диффузионному факелу, по тем же причинам присуще образование химической неполноты сгорания.

Обрабатывая данные экспериментальных исследований по открыто­му диффузионному факелу коксового и генераторного газов при различ­ных размерах диаметра сопла £/0 и скорости истечения №0, П. В. Левчен­ко для относительной длины факела в качестве определяющего принял критерий Фруда.

О р /И^2о N

В системе координат = / [—[^) вс^ точки, относящиеся к сжига­

Нию исследованных газов, расположились вблизи двух кривых, харак­терных соответственно для каждого из этих газов и описываемых урав­нением:

(9-28)

В формуле:

V0 и а — теоретически необходимое количество воздуха для сжига­ния газа и коэффициент избытка воздуха;

О — коэффициент диффузии;

V — коэффициент кинематической вязкости.

Коэффициент К определен экспериментально. Формулу (9-28) мож­но применять для расчета в первом приближении длины открытого диф­фузионного факела газов с различной теплотой сгорания.

С. Н. Шориным и О. Н. Ермолаевым экспериментально определена длина диффузионного факела при предварительном подогреве газа в пределе от 20 до 680°С и при скорости истечения из сопл диаметром от 2,7 До 10,1 мм, доходящей до 50 м/с. В исследованных пределах из­менения расхода и температуры газов для безразмерной длины факела

11— 541 161
получена зависимость в следующем виде:

Для городского газа

£=5б^гш°'3; ^

Для сжиженного газа

£=М^П(^Г - (9'30)

В формулах (9-29) и (9-30) коэффициент кинематической вязкости

V принимается при температуре окружающего воздуха, а коэффициент молекулярной диффузии Ь — при температуре газа на выходе из сопла.

В опытах с подогревом было установлено, что при прочих равных условиях с повышением температуры газа длина факела уменьшается. Эти опыты интересны также в том отношении, что подтверждена пра­вомочность обработки опытных результатов в зависимости от критерия применительно к высококалорийным газам.