ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ПРЕДЕЛЫ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ ЛАМИНАРНОГО ФАКЕЛА

В открытом факеле горелок атмосферного типа с зажиганием от естественного зажигающего кольца процесс горения может протекать устойчиво, т. е. со стабилизацией факела в определенном объеме при установившемся режиме подачи горючей смеси и в нешироких пределах скоростей истечения смеси из горелки. При малых скоростях истечения возможен проскок пламени в горелку, а при больших скоростях — отрыз пламени от горелки и его погасание.

Условием устойчивости ламинарного горения, осуществляемого обычно в атмосферных горелках, является равенство —II п на пери­

Ферии основания факела в зоне зажигающего кольца. В факеле одно­родной смеси при '№<ип возможен проскок пламени в горелку. Предел минимальной скорости в горелке, ниже которой происходит проскок пла­мени, называется нижним пределом устойчивости горения по скорости.

Поскольку горение однородной газовой смеси происходит за счет нормального распространения пламени, устойчивое пламя можно полу­чить при сжигании смесей, которые находятся в концентрационных пределах воспламенения. Если содержание горючего газа в смеси выше верхнего предела, голубой конус не образуется и имеет место чисто II* 163

Диффузионное горение. Если же содержание газа в смеси меньше ниж­него предела, то горение невозможно.

Из критического условия по проскоку пламени было получено, что скорость потока на нижнем пределе устойчивости согласно уравнению (9-10) пропорциональна скорости нормального распространения пламе­ни в рассматриваемой смеси. Поэтому кривая нижнего предела устой­чивости горения (рис. 9-7, кривая 1) по своему виду аналогична кривой концентрационных пределов горения и по составу смеси ограничивается теми же пределами и имеет максимум при небольшом избытке горючего и минимум на краях.

Согласно выражению (9-10) с увеличением диаметра горелки пре­дельная скорость проскока увеличивается. В горелках для диффузион­ного сжигания газа проскок пламени невоз­можен.

При скоростях потока выше верхнего предела устойчивости пламя отрывается и гаснет. С увеличением диаметра горелки значение верхнего предела устойчивости го­рения увеличивается. Над кривой 2 (рис. 9-7) верхнего предела устойчивости лежит область отрыва пламени. Кривая

2 Характеризует максимальную форси­ровку.

Между кривыми 1 и 2 находится об­ласть устойчивого горения. Наиболее устой­чивыми в сравнительно широком диапазоне скоростей являются диффузионные факелы газов, не содержащих окислитель, и сме­сей, по составу находящихся выше верхнего концентрационного пре­дела. В частности, для метана и богатых метаном природных газов к области устойчивого горения относятся смеси с избытком воздуха а=0-г-0,6. Для смесей, находящихся между верхним концентрацион­ным пределом и стехиометрическим составом, с увеличением избытка воздуха пределы устойчивого горения сокращаются, т. е. по мере при­ближения состава смеси к стехиометрическому устойчивость горения уменьшается. Для факелов стехиометрической смеси и смесей с избыт­ком воздуха (а>1) верхний предел приближается к кривой 'проскоков и пределы устойчивого горения настолько уменьшаются, что горение становится практически неустойчивым. Такое влияние избытка воздуха объясняется тем, что при богатых смесях, благодаря более сильному диффузионному потоку газа снаружи, около кромок горелки образуется более мощное зажигающее кольцо, обеспечивающее большую устойчи­вость диффузионного пламени. При горении стехиометрической и в осо­бенности, более - бедной горючей смеси у кромок горелки смесь сильно разбавляется воздухом из окружающей среды. В результате уменьше­ния скорости распространения пламени в этой обедненной смеси и по­нижения ее температуры горения зажигающее кольцо становится менее мощным, что приводит к уменьшению верхнего предела устойчивости горения. Поэтому при сжигании в атмосферных горелкарс с горючим газом смешивают 40—70% воздуха, необходимого для сгорания. Это позволяет уменьшить опасность отрыва и создать более благоприятные условия для предотвращения проскока. Вести процесс горения прй а<0,4 нецелесообразно, так как при этом увеличиваются потери тепла от химической неполноты горения.

Как проскок, так и отрыв пламени нарушают нормальную работу горелки и могут быть причиной аварии. Кроме того, эт. и явления огра­ничивают производительность горелки по минимальному и максималь­ному пределу. Для обеспечения нормального 'протекания горения про­цесс следует вести в области устойчивого горения.

Стабилизирующую способность горелок различных конструкций по пределам устойчивого горения, нарушаемым проскоком или отрывом пламени, выявляют экспериментально. Эту характеристику обычно представляют в виде графика зависимости нижней и верхней предель­ной скорости истечения смеси от коэффициента избытка воздуха (рис. 9-7).