Однородной газовой смеси

По аэродинамическим характеристикам газовоздушного потока в зоне горения различают ламинарное и турбулентное горение.

При ламинарном движении поле скоростей газового потока внутри горелки имеет параболический характер (рис.5.1, кривая 1). Так как в горелке давление газовоздушного потока несколько выше атмосферного, то на выходе из горелки происходит расширение струи. При горении расширение струи происходит также в результате повышения температуры горючей смеси при ее нагреве от пламени. Расширение струи вызывает изменение поля скоростей потока в выходном сечении горелки (рис 5.1., кривая 2). При развитии струи в объеме топки происходит эжектирование (подсос) газов из окружающей среды; объем газов в струе по мере ее удаления от устья горелки возрастает, струя расширяется и принимает коническую форму (рис. 5.1, кривая 3).

 

 

 

                Рис. 5.1. Схема ламинарного факела однородной

топливовоздушной смеси

 

Если горючую смесь поджечь вблизи устья горелки, то образующееся пламя будет распространяться в глубь струи в направлении ее оси навстречу потоку свежей горючей смеси, вытекающей из горелки. В ламинарном факеле при горении однородной горючей смеси фронт горения представляет собой очень тонкий (десятые доли миллиметра) устойчивый слой без пульсаций газа. Тонкая зона горения, образующая фронт пламени, обычно имеет ярко голубой цвет, благодаря чему в пространстве факел четко выделяется.

Геометрическая форма фронта пламени зависит от двух скоростей: осевого движения газа в струе w  и нормального распространения пламени u_n. Последняя скорость направлена в сторону свежей смеси по номали к фронту пламени в любой его точке. Соответственно этому поверхность фронта пламени принимает форму конуса, образующая которого имеет вид кривой (рис. 5.1, кривая 4). Длина ламинарного факела определяется по формуле:

                                                    l_ф = Rw_ср/u_n,

где R – радиус горелки;

     w_ср – средняя скорость потока.

В любой точке фронта пламени скорость поступательного движения струи w можно разложить на две составляющие: нормальную к фронту пламени w_n и тангенциальную w_t (см. рис. 5/1). Нормальная составляющая осевой скорости газа компенсируется скоростью распространения пламени u_n, тангенциальная же составляющая скорости газа ничем не компенсируется. Поэтому слой горящего газа, образующий фронт пламени, будет сноситься вдоль поверхности фронта пламени от устья к его вершине. Следовательно, горение может быть устойчивым только при условии непрерывного поджигания газа в устье горелки. Е сли поджигание прекратить, то пламя будет сноситься к вершине и погаснет. Такое явление называется отрывом факела.

При развитии факела в открытой атмосфере непрерывное зажигание газовоздушной смеси обеспечивается образующимся в устье горелки кольца горящего газа, называемого зажигающим кольцом. Предположение о существовании зажигающего кольца впервые было высказано российским ученым Л.Н.Хитриным. Возможность образования зажигающего кольца создается аэродинамическими условиями движения газовоздушного потока на периферии струи вблизи устья горелки. При истечении газа из горелки скорость потока уменьшается от оси к периферии. На срезе сопла горелки образуется заторможенная кольцевая зона газа. В эту зону из горючей газовоздушной струи вследствие ее расширения на срезе горелки, а также в результате диффузии горючего газа непрерывно поступает горючая смесь. В то же время вследствие конвективного и диффузионного массообмена в кольцевую зону из окружающей среды проникает воздух, понижая в ней тем самым концентрацию горючей смеси. Таким образом, для устойчивого существования зажигающего кольца в открытой атмосфере необходимо поддержание в нем концентрации газа в пределах воспламенения и соблюдение обязательного условия чтобы в устье горелки на периферии струи скорость распространения пламени была равна скорости движения струи. Если скорость потока в зоне зажигающего кольца больше скорости распространения пламени, то зажигающее кольцо будет сноситься потоком и произойдет отрыв факела. Если же скорость потока будет меньше скорости распространения пламени, то зажигающее кольцо может проникнуть внутрь горелки, т.е. произойдет проскок пламени в горелку. В том и другом случае горение факела прекращается, а проскок пламени в горелку больших размеров может вызвать в ней взрыв горючей смеси и разрушение горелки.

При сжигании в атмосфере предварительно подготовленной горючей смеси с коэффициентом избытка воздуха больше единицы горение отличается низкой устойчивостью. В топке устойчивое поджигание факела обеспечивается теплотой горячих газов, инжектируемых к корню факела и диффундирующих в горючую смесь. Однако и здесь необходимо учитывать возможность отрыва факела. 

Горение в ламинарном потоке осуществляется в многочисленных инжекционных горелках бытовых и коммунальных приборов, в термических и кузнечных нагревательных печах, в мелких котлах промышленных и коммунально-бытовых котельных и других приборов, работающих с низкими тепловыми нагрузками.

При турбулентном горении однородной горючей смеси характер распространения фронта пламени определяется взаимодействием двух скоростей: скорости осевого движения газа в струе w и скорости распространения турбулентного пламени u_т. Последняя значительно выше скорости распространения ламинарного пламени и зависит от гидродинамических характеристик струи – степени турбулентности, пульсационной скорости и др.

От источника зажигания (зажигающего кольца или раскаленных топочных газов и стен топки) воспламенение турбулентной струи   так же, как и ламинарной, начинается в ее наружных слоях. Теплота от воспламенившихся периферийных слоев турбулентной теплопроводностью и турбулентной диффузией передается соседним слоям, вызывая их последовательное воспламенение, которое протекает

на поверхности 1 (рис. 5.2.), называемой поверхностью воспламенения. Внутри ее находится только свежая невоспламенившаяся смесь. Протяженность этой поверхности в направлении оси потока называется длиной зоны воспламенения l_з.в.. и определяется по формуле:

                                                 l_з.в. = Rw_ср / u_т.

 

При турбулентном горении вследствие пульсаций частиц газа фронт пламени размывается и горение протекает в слое 2 (рис. 5.2), толщина которого зависит от масштаба турбулентности. При развитой турбулентности под воздействием турбулентных пульсаций части газа фронт пламени искривляется, непрерывно видоизменяется и разрывается на отдельные очаги горящих элементарных объемов. При этом толщина фронта пламени резко возрастает.

 

               Рис. 5.2. Схема турбулентного факела однородной

                                     топливовоздушной смеси

 

Толщина фронта турбулентного пламени по оси струи δ_т можно определить по формуле

                                            δ_т = 0,5 l_тw′ / u_n,

где l_т – масштаб турбулентности;

   w′ - пульсационная скорость отдельных молей газа.

Внешней границей фронта пламени является поверхность 3 (рис. 5.2), которая называется видимой границей фронта пламени. Исследованиями установлено, что в пределах видимого фронта горения выгорает до 90% горючей смеси.

Горение завершается за видимым фронтом. Зона 4 между видимым фронтом 3 и поверхностью 5 (рис. 5.2), ограничивающей зону полного выгорания, называется зоной догорания, длина которой по оси факела обозначена l_д. Длина зоны догорания зависит от кинетических и диффузионных процессов в этой зоне и может быть определена только

экспериментально.

Полная длина турбулентного факела при горении однородной горючей смеси

                                             l_ф = l_з.в. +   δ_т +   l_д.

 

В открытой атмосфере непрерывное зажигание турбулентного факела так же, как и ламинарного, возможно при помощи зажигающего кольца в устье струи. Питание зажигающего кольца горючей смесью производится обратными вихревыми токами, образующимися в устье горелки при турбулентном истечении струи. Однако вследствие эжектирующего эффекта турбулентной струи в основании факела появляется интенсивный спутный поток газа из окружающей среды, который стремится снести зажигающее кольцо с устья горелки и тем самым вызвать затухание факела. Поэтому при прочих равных условиях турбулентный факел менее устойчив, чем ламинарный.

При турбулентном горении однородной горючей смеси так же, как при ламинарном, возможен проскок пламени в горелку.. Проскок может произойти вблизи стенки горелки в ламинарном подслое, где при определенных условиях скорость распространения пламени может превышать скорость движения горючей смеси. В однородной горючей смеси с необходимым для полного горения количеством воздуха (α  ≥ 1 ) все молекулы горючих веществ тщательно перемешаны с молекулами кислорода воздуха. Так как температура термического разложения углеводородных соединений выше температуры их воспламенения, то при горении все молекулы горючих веществ окисляются до химически полных оксидов, что исключает возможность термического разложения углеводородных молекул с образованием частиц сажи. Такое горение является полным (без потерь теплоты), а факел, состоящий из хи мически полных оксидов, - прозрачным, с малой степенью светимости. При этом фронт пламени приобретает голубоватый цвет.

Таким образом, характерными признаками горения однородной горючей смеси является высокая экономичность процесса, протекающего без потерь теплоты, и сравнительно короткий прозрачный факел с малой степенью светимости.

 

 

5.2. Горение при раздельной подаче в зону горения

                              горючего и окислителя

При раздельной подаче горючего и воздуха в зоне горения будут протекать все стадии процесса горения: образование горючей смеси, ее нагрев, воспламенение и горение. Горение газообразных топлив – высокотемпературный процесс. При высоких температурах скорость протекания химических реакций значительно выше скорости

образования горючей смеси, завершающим этапом которой является сравнительно медленный процесс молекулярной диффузии. Поэтому скорость процесса горения в целом будет определяться скоростью смесеобразования. Как известно (см. главу 4), такое горение называется диффузионным.

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

Вначале рассмотрим наиболее простой случай диффузионного горения – горение свободной ламинарной струи горючего газа в атмосферном воздухе (рис. 5.3). В процессе развития струи происходит

Рис. 5.3. Схема ламинарного             Рис. 5.4. Схема турбулентного

    диффузионного факела                         диффузионного факела

 

 

взаимное проникновение молекул: молекулы газа диффундируют в воздушную среду, а воздуха – в струю газа. Глубина проникновения молекул воздуха в струю газа ограничена поверхностью 1, называемой поверхностью ядра струи. Внутри этой поверхности находится только чистый газ. Коэффициент расхода воздуха будет изменяться от α = 0 на поверхности ядра струи 1 до α = ∞ на границе 3 между струей и воздухом. Между этими поверхностями существует поверхность 2, на которой соотношение горючего и воздуха соответствует стехиометрическому (α = 1). Горючую смесь поверхность 2 разделяет на внутреннюю область – с избытком топлива и недостатком воздуха и внешнюю – с избытком воздуха и недостатком топлива. При поджигании смеси от высокотемпературного постороннего источника фронт горения стабилизируется на поверхности 2 со стехиометрическим составом смеси.

Скорость химических реакций во фронте пламени обычно велика и неизмеримо больше, чем скорость поступления к нему компонентов горючей смеси. Поэтому скорость горения всецело определяется скоростью смешения газа и воздуха за счет их диффузии в зону горения через слой продуктов сгорания. Следовательно ламинарное диффузионное горение не может быть интенсивным, а возможно только при малых скоростях выхода горючего газа из горелки. Длина ламинарного диффузионного факела определяется по формуле:

 

                                          l_ф = WR² / 2D,

 

где W – скорость истечения газа из горелки;

  R – радиус горелки;

  D – коэффициент молекулярной диффузии.

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.

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 горючих газов.

При переходе от ламинарного истечения газа к турбулентноиу структура факела в целом сохраняется. Однако вследствие пульсаций молей газа фронт пламени становится пульсирующим, волнистым, размытым, а его толщина значительно увеличивается. В режиме развитой крупномасштабной турбулентности фронт пламени местами может разрываться на отдельные части. Через фронт пламени 3 (рис. 5.4) из внутренней части факела во внешнюю диффундируют моли горючего газа, а из внешней во внутреннюю – моли кислорода и продукты сгорания.

Таким образом, при турбулентном диффузионном горении зона 1 кроме горючего газа и продуктов сгорания содержит включения кислорода 2, а в зоне догорания 4 наряду с воздухом и продуктами сгорания находятся включения исходного газа 5.

В зоне фронта пламени 3 горение протекает при соотношении концентраций горючего и окислителя, близком к стехиометрическому. Несмотря на это, здесь успевает прореагировать только 65-85% горючего; остальные 15-35% реагируют в зоне догорания 4, что значительно увеличивает общую длину факела. Полуэмпирические формулы для определения безразмерной длины открытого турбулентного диффузионного факела при предварительном подогреве газа в пределах от 20 до 680^оС и при скорости истечения газа из сопл диаметром от 2,7 до 10,1 мм, доходящей до 50 м/с, имеют вид:

для природного газа

                              L_{ф /}  d_o = 56,3 (W² / gd_o)^0,125 (ν / D)^0,3;

                                                      

  для сжиженного газа

                               L_{ф /}  d_o = 56,3 (W² / gd_o)^0,162 (ν / D)^0,3,

 

где d_o – диаметр сопла;

W – скорость истечения газа из сопла;

  g – ускорение свободного падения;

  ν - коэффициент кинематической вязкости;

  D – коэффициент молекулярной диффузии.

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

Диффузия молекул раскаленных продуктов сгорания в горючий газ, находящийся внутри фронта пламени, вызывают его нагревание в среде, не имеющей кислорода. В результате происходит термическое разложение углеводородных соединений с образованием мелкодисперсных частиц углерода (сажи) и водорода. В пламени частицы сажи раскаляются, что вызывает интенсивное тепловое и световое излучение факела. Факел получается плотным, ярким, длина его увеличивается за счет горения частиц сажи за пределами фронта пламени. В факеле раскаленные частицы свободного углерода взаимодействуют с диоксидом углерода:

                                            С + СО₂ = 2СО.

Полученный при этом оксид углерода вместе с сажистыми частицами составляют потери теплоты с недожогом.

Для уменьшения длины диффузионного факела и снижения потерь теплоты применяют дробление газового потока на мелкие струи. Поэтому горелки для диффузионного горения газа обычно выполняют в виде трубчатой распределительной системы с мелкими отверстиями для его выхода. Такие горелки применяются в небольших промышленных установках и в бытовых нагревательных приборах. Основным недостатком горения в таких установках являются малая интенсивность процесса и большой избыток воздуха, необходимый для обеспечения достаточно полного сжигания газа.

Вместе с тем диффузионное горение отличается высокой устойчивостью в широком диапазоне нагрузок. В зажигающее кольцо диффузионного факела из газовой струи поступает чистый газ (без воздуха). При разбавлении его воздухом происходит образование горючей смеси, концентрация которой даже при турбулентном режиме горения не выходит за концентрационные границы воспламенения. Это создает благоприятные условия для устойчивого горения зажигающего                                                 кольца, а следовательно, и диффузионного факела.

Оценивая технические характеристики диффузионного горения следует учитывать, что при этом способе сжигания газа исключается проскок пламени в газовую систему горелки, заполненную только газом, не способным гореть без окислителя. Поэтому при диффузионном горении условия взрывобезопасности не ограничивают предварительный подогрев газа и воздуха до их смешения. Применение подогретого газа, особенно воздуха, до температуры, превышающей температуру самовоспламенения горючей смеси, создает условия для использования диффузионного горения в высокотемпературных огнетехнических установках, например в мартеновских печах.