ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ИСКУССТВЕННАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ ПЛАМЕНИ

Действие зажигающего кольца эффективно в области ламинарных режимов. С повышением форсировки горелки относительная тепловая мощность кольца уменьшается и кольцо постепенно перестает нести роль источника зажигания.

Для возможности интенсивного сжигания газа в промышленных топочных устройствах горелки должны обладать более высокой устой­чивостью зажигания, что достигается применением искусственной стабилизации.

Под устойчивостью зажигания понимается способность горелочно - го устройства обеспечить воспламенение вблизи устья горелки при воз­можно большей скорости истечения горючей смеси.

В парогенератора^ горючая смесь подается в топочную камеру через горелки со скоростью порядка 30—50 м/с, а в форсированных камерах сгорания эта скорость может достигать 150—200 м/с. При условиях, имеющих место в топочной камере, скорость распростране­ния пламени в зоне воспламенения значительно меньше и составляет для энергетических топлив несколько метров в секунду. Для обеспе­чения существования стационарного факела при указанном соотноше­нии скоростей необходимо наличие в топке непрерывного мощного ис­точника зажигания, от которого пламя может распространиться по все­му сечению потока горючей смеси. Следовательно, для стабилизации факела в топочной камере, т. е. для удержания пламени в нужных геометрических координатах, а именно у устья горелок, необходимо обеспечить непрерывное зажигание горючей смеси. Критерием устойчи­вого зажигания является наличие распространения пламени от местного источника воспламенения по всей струе горючей смеси.

Наибольшее применение имеет зажигание посредством возбужде­ния корневой части струи горючей смеси, поступающей через горелку в топку или средней ее части, т. е. той зоны первичного воспламенения и устойчивого поддержания горения, в которой обеспечивается равен­ство скоростей распространения пламени и движения смеси. Это осу­ществляется за счет использования для нагрева смеси некоторой части тепла, выделяющегося в процессе горения, путем рециркуляции в кор­невую область факела горячих 'продуктов сгорания при одновременном обеспечении в зоне зажигания благоприятных тепловые, концентраци­онных и газодинамических условий.

Рециркуляция горячих продуктов сгорания осуществляется преиму­щественно двумя способами. Первый способ достигается организацией сжигания в струйных течениях. При распространении в топочной ка­
мере струи горючей смеси эжектируют продукты сгорания, поступаю­щие рециркуляцией под действием разрежения, создаваемого в области корня факела. При этом в пограничном слое струи создаются благо­приятные тепловые и аэродинамические условия для воспламенения. При втором способе рециркуляция продуктов сгорания осуществляется в потоке горючей смеси обратными течениями за плохо обтекаемыми

Телами, помещаемыми в выходной части горелки (рис. 9-8). Такие стабилизаторы обычно выполняются в виде и'-образных осесимметричных или плоских тел.

Воспламенение смеси начинается по пе­риметру корневой части факела или стаби­лизатора, где образуется вихревая зона го­рячих продуктов сгорания. Так как продук­ты сгорания во втором случае циркулируют внутри струи, вытекающей из горелки, поте­ри тепла из зоны рециркуляции в окружаю­щее пространство практически отсутствуют.

По аналогии с зажиганием потока

От нагретого тела Л. Н. Хитриным и

С. А. Гольденбергом [Л. 10] решена задача о зажигании в потоке.

Среда в пограничном слое струи покоится, а химическое реаги­

Рование происходит в тонком слое толщиной прилегающем к внешней границе струи, температура которой равняется температуре рециркули­рующих продуктов сгорания. В пограничном слое струи горючей смеси устанавливается близкое к линейному распределение температур от ее величины 70 в ядре струи до Тт на внешней границе. Такое распреде­ление температур сохраняется при отсутствии горения или при малой интенсивности тепловыделения. 1

При сравнительно высоких температурах Тг, при повышенной ин­тенсивности тепловыделения в слое £ наступает прогрессирующий рост температуры, т. е. воспламенение. Критические условия воспламенения можно определить из равенства тепловыделения и теплоотвода:

Ді = д& (9-31)

По аналогии с выражением (8-33) для тепловыделения в зоне і

Можно записать:

^=1/ 2Я<2 Г №(Т, С)с1Т. (9-32)

Г

За счет теплоотдачи из слоя £ теряется тепла в количестве

Д2=а(Тг-Т0), (9-33)

Где Г0 — температура холодной смеси.

Коэффициент теплоотдачи при наличии плохо обтекаемого тела можно принять равным:

А =-£-N11. (9-34)

В формуле:

N11 — тепловой критерий Нуссельта;

Іі — определяющий размер плохо обтекаемого тела.

Подстановка в уравнение (9-31) выражений (9-32) и (9-33) с уче­том (9-34) дает:

(9-35)

Далее температура граничного слоя струи 7^ была отождествлена с температурой, при которой реакция заметно развивается в пламени. На основании теории распространения пламени авторами в формуле (9-35) сделана замена:

(9-36)

И получено:

(9-37)

В формуле:

Гр — коэффициент, близкий к единице, учитывающий возможные от­клонения процесса от принятой схемы расчета;

Ип — нормальная скорость распространения пламени;

А = —---- коэффициент температуропроводности.

Для данного случая, который можно уподобить внешней задаче конвективного теплообмена, на основании опыта можно принять:

Nu=.<4Re0>5.

Приравнивая выражения (9-38) и (9-37), получаем:

(9-39)

Подставляя выражение для числа Ие и имея в виду, что численные значения V и а можно принять равными, получаем выражение для критической скорости истечения смеси на пределе срыва:

ТТ/7 і UZnd

WK р = const------- :

Р а

Из (9-37) видно, что стабилизация пламени будет осуществлена тем лучше, чем ближе состав смеси к стехиометрическому (так как при приближении к такому составу Un увеличивается), чем больше скорость распространения пламени для сжигаемого газа, чем больше размеры стабилизатора и меньше скорость потока.

Устойчивость зажигания зависит также от конструкции горелки. В вихревых горелках зажигающая вихревая зона создается аэродина­мическими средствами путем закручивания горючей смеси, вытекающей из горелки при помощи лопаточного аппарата, помещаемого в выходной части горелки, или вихревого закручивающего аппарата на ее входной части. В некоторых случаях приемы стабилизации комбинируют. На­пример, для усиления вихревого течения за плохо обтекаемым телом, помещаемым в выходном сечении горелки, воздуху предварительно со­общают закрутку.

Зажигание также можно осуществлять обеспечением очага горения вблизи факела основной горелки. На рис. 9-9 схематически показана газовая горелка МЭИ для низко­калорийных газоїв с зажиганием от дежур­ного очага горения. В предвключенной ка­мере с микрофакельным диском 1 и пережи­мом 2 при малых скоростях производится устойчивое сжигание небольшой доли горю­чей смеси, порядка 5—10%, с избытком воз­духа а=0,9 ч-0,95. Продукты сгорания, пройдя пережим, поступают в вихревой по­ток основной массы горючей смеси, подаваемой с большими скоростями через тангенциальные щели 3 на боковой поверхности горелки, и обе­спечивают ее устойчивое зажигание.

Зажигание прямоточного факела может быть усилено аэродинами­ческим торможением периферийных слоев. Этот способ заключается в следующем. Выходная часть горелки выполняется с плавным раскры-

Рис. 9-10. Горелка с усилением зажигания аэродинамическим торможением периферийных слоев факела.

1 — короб; 2 — газовые коллекторы; 3 — плавный раструб.

Тием (рис. 9-10), обеспечивающим безотрывное течение смеси. Струя горючей смеси, вытекающая из горелки, с таким раструбом расширяет­ся интенсивнее. В более широком пограничном слое поперечные гра­диенты продольной скорости имеют небольшую величину. На периферии пограничного слоя такой неизотермической струи в расширенной зоне малых скоростей и малых поперечных градиентов продольной скорости создаются благоприятные тепловые и аэродинамические условия для воспламенения.