ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ЛАМИНАРНОЕ ДИФФУЗИОННОЕ ГОРЕНИЕ

В случае, когда через горелку подается газ, не содержащий в себе кислорода, при его поджигании горение происходит за счет потребления кислорода окружающего воздуха, поступающего посредством диффузии. Так как в данном случае газ и воздух подаются раздельно, а горение происходит в - процессе их взаимной диффузии, причем скорость горения определяется интен­сивностью процесса смешения, то подобное го­рение называют диффузионным.

В зависимости от характера движения различают ламинарное диффузионное горение и турбулентное диффузионное горение.

Ламинарное диффузионное го­рение происходит при ламинарном режиме движения газа, вытекающего из горелки. Ки­слород, необходимый для горения, поступает из окружающей атмосферы и смешивается с горючим газом; получаемая в результате мо­лекулярной диффузии смесь при поджигании образует факел, который при круглых горел­ках принимает конусообразную форму, так как по мере движения газ расходуется на го­рение и зона горения перемещается к оси струи, доходя до нее в вершине конуса (рис. 9-3).

Ламинарный диффузионный факел поддерживается стационарно, так же как при горении однородной смеси, за счет существования кольцевой зоны зажигания. В случае, когда в горелку подается только газ, а окру­жающая среда находится в покое, у кромки горелки газ диффундирует наружу и, смешиваясь с воздухом, образует смесь, которая в зоне малых скоростей устойчиво сгорает. Благодаря образованию более богатой сме­си в области зажигающего кольца и сгоранию ее в зоне меньших ско­ростей диффузионный факел обладает большей устойчивостью зажига­ния по сравнению с факелом однородной смеси.

При диффузионном горении также наблюдается явление отрыва факела. Но проскок пламени в горелку исключается из-за раздельной подачи горючего газа и воздуха.

Зона устойчивого горения устанавливается по поверхности, где по­ступающие молекулярной диффузией количества газа и кислорода на­ходятся в стехиометрическом соотношении для полного горения. Это утверждение следует из того, что в зоне горения не может быть ни из­бытка газа, ни избытка кислорода, так как в противном случае она не может занять устойчивого положения.

Предположим, что процесс горения установился в зоне, где имеется избыток горючего. В этом случае несгоревшая часть газа будет диффун­дировать в пространство вне факела, где, встретившись с кислородом, воспламенится за счет тепла, распространяющегося от фронта пламени, и сгорит, связав часть кислорода, поступающего в предполагаемую зону горения. Следовательно, количество кислорода, поступающего в нее, уменьшится, что еще более увеличит избыток газа. Поэтому предпола­гаемая зона горения не может занять устойчивого положения.

Предположим теперь, что процесс горения установился в зоне, где имеется избыток кислорода. Избыток кислорода, который не мог участ­вовать в реакции, должен диффундировать внутрь факела, где израсхо­
дуется на окисление некоторой части газа, поступающего в предполага­емую зону горения. Такое течение процесса приведет к уменьшению количества газа, поступающего в зону горения, поэтому зона горения не может занять устойчивого положения. Отсюда единственно реальным является предположение о том, что диффузионное горение идет устойчи­во по поверхности, где образующаяся смесь газа и кислорода соответст­вует стехиометрическому составу.

Таким образом, можно представить, что ламинарное диффузионное горение совершается следующим образом. Газ, вытекая из горелки, мо­лекулярной диффузией смешивается с кислородом воздуха, полученная горючая смесь при поджигании образует достаточно резко очерченный конусообразный светящийся факел. Фронт пламени устанавливается по поверхности, где смесь образуется в пропорции, теоретически необходи­мой для горения. В зону горения изнутри поступает газовое топливо в виде различных основных и промежуточных продуктов, а снаружн — кислород. Образующаяся горючая смесь воспламеняется за счет тепла, распространяющегося от фронта пламени. Химическое превращение со­вершается в узкой светящейся зоне фронта горения в смеси, которая значительно разбавлена горячими продуктами сгорания и тем самым сильно нагрета, но в которой концентрации горючих элементов и окис­лителя малы. В таких условиях химическое реагирование протекает наи­более интенсивно. Толщина зоны горения мала — не превышает 1 мм.. Образующиеся продукты сгорания диффундируют как в окружающее пространство, так и внутрь факела. Поверхность пламени отделяет окис­лительную область вне факела, в которой имеются кислород и продук­ты сгорания и нет горючего, от восстановительной области внутри факе­ла, в которой нет кислорода, но есть газ и продукты сгорания.

Структура ламинарного диффузионного факела показана на рис. 9-3. Концентрация горючего газа а падает от наибольшего значения на оси струи до нуля во фронте пламени, а концентрация кислорода Ь возрас­тает от нуля во фронте пламени до его значения в окружающем потоке. Концентрация продуктов сгорания с максимальна во фронте. Спектро­графические исследования показали, что в пламени углеводородных топлив также находятся промежуточные вещества ОН, СН, С2.

Скорость химических реакций во фронте пламени обычно велика и несоизмерима больше, чем скорость поступления к нему компонентов горючей смеси. Поэтому скорость горения всецело определяется ско­ростью смешения газа и кислорода за счет их диффузии в зоне горения через слой продуктов сгорания.

Благодаря большой скорости химической реакции поступающие в зону горения газ и кислород практически мгновенно сгорают, в резуль­тате чего в зоне горения их концентрации практически равны нулю, а температура равна адиабатической. Большая скорость химической реакции обусловливает малую толщину пламени и позволяет рассмат­ривать ее как геометрическую поверхность, с одной стороны которой находится смесь воздуха с продуктами сгорания, а с другой — смесь га­за с продуктами сгорания.

Исходя из того, что скорость диффузионного горения не зависит от химической кинетики и определяется условиями смешения, можно ана­литически рассчитать размер и форму фронта пламени как геометриче­скую поверхность, где скорость диффузии газа наружу и скорость диф­фузии кислорода внутрь таковы, что здесь количества газа и кислорода находятся в стехиометрическом соотношении для полного сгорания.

Так как скорость ламинарного диффузионного горения определяет­ся скоростью молекулярной диффузии в ламинарно-движущемся потоке,, этот вид горения не может быть интенсивным, а возможен при малых скоростях выхода горючего газа из горелки.

Для определения длины ламинарного диффузионного факела вос­пользуемся известным выражением для времени диффузии воздуха до> оси горелки:

(9-16)

В формуле:

Я — радиус горелки;

И — коэффициент молекулярной диффузии.

Длина ламинарного диффузионного факела определяется как рас­стояние, проходимое газом за это время, т. е.

Г = 1Гт = -|^. (9-17)

Следовательно, длина ламинарного диффузионного факела прямо пропорциональна скорости истечения, квадрату радиуса горелки (или квадрату ширины щели для щелевых горелок) и обратно пропорцио­нальна коэффициенту диффузии.

С увеличением теплоты сгорания газа в результате увеличения коли­чества необходимого для горения воздуха длина факела увеличивается.

Объем газа, подаваемого за единицу времени в круглых горелках,

Q~WR^ (9-18)

А в щелевых

<3~УРЬ, (9-19)

Где Ь — ширина выходной щели горелки.

Поэтому при постоянном объемном количестве подаваемого газа длина факела круглой горелки согласно (9-17)

0_

Я ’

(9-20}

А щелевой

(9-21)

Из (9-20) и (9-21) следует, что при постоянном объемном расходе газа длина факела при круглых горелках не зависит от их диаметра и скорости истечения, при щелевых горелках длина факела пропорцио­нальна их ширине.

Диффузионное пламя образуется также на по­верхности соприкосновения газа и окислителя, двигающихся параллельно друг другу в свободном пространстве или канале. В последнем случае фор­ма факела зависит от отношения количества пода­ваемого воздуха к теоретически необходимому его количеству^ При а>1 образуется стационарное за­мкнутое пламя в виде конуса с вершиной на оси канала (рис. 9-4, поверхность 1), а при а<1 —рас­крытое пламя в виде чашки (рис. 9-4, поверх­ность 2).

В заключение следует отметить особенность диффузионного вида горения, связанную с наличи­ем химической неполноты горения. В диф -

•фузионном ламинарном пламени температура достигает максимального значения в зоне горения. Вытекающий из горелки газ до поступления в зону горения нагревается за счет тепла, распространяющегося от пламени как теплопроводностью, так и посредством диффузии горячих продуктов сгорания. Некоторые газы, как, например, водород и окись углерода являются теплостойкими и при нагреве до температур 2500— 3000 К сохраняют свою молекулярную структуру. Горение теплостойких газов происходит в прозрачном факеле бледно-голубого цвета.

Газы, содержащие углеводородные соединения, являются теплоне­стойкими. В случае сжигания этих газов нагрев в восстановительной зоне в отсутствие кислорода вызывает их разложение с образованием сажи и водорода. Разложение углеводородосодержащих газов протекает тем интенсивнее, чем выше температура, при этом одновременно возрас­тает доля образующихся тяжелых, сложных, трудно сжигаемых углево­дородов. Например, разложение метана начинается при температуре около 680—700°С. При нагреве без доступа воздуха до 950°С разлагает­ся 26% метана, а при нагреве до 1150°С — 90%.

Находящиеся в пламени мелкодисперсные частицы сажи и свобод­ного углерода, размеры которых чрезвычайно малы и составляют деся­тые доли микрона, раскалившись за счет выделившегося при горении тепла, излучают более или менее яркий свет, вызывая свечение пламе­ни. Эти твердые частицы реагируют в гетерогенном процессе с кислоро­дом, поступающим за счет молекулярной диффузии.

Диффузионное горение частиц протекает сравнительно медленно, в результате чего часть свободного углерода и тяжелых углеводородов не успевает сгорать и в виде сажи покидает факел. Наличие углерода согласно равновесию С + С02=2С0 вызывает образование СО. Коли­чество углерода, тяжелых углеводородов и СО, присутствующих в про­дуктах сгорания, определяет величину химического недожога.