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.
(4.20) |
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.
Рис. 4.9. Структура развития свободной турбулентной струи. |
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.
(4.22) |
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.
(4Л |
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
П- |
KD |
4М
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. 4.10. Структура кольцевой закрученной струн на выходе из горелки. А — общий вид; б — распределение аксиальных скоростей; 50 — длина начального участка; — длина зоны рециркуляции Газов. |
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.
0,4 Я s 0,8 1,0 |
Рис. 4.11. |
Рис. 4.12. |
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.