Пределы устойчивости горения ламинарного факела и искусственная стабилизация пламени при турбулентном режиме движения

В открытом факеле горелок атмосферного типа с зажиганием от естественного зажигающего кольца у корня факела процесс горения может протекать устойчиво, т.е. со стабилизацией факела в определенном объеме при установившемся режиме подачи горючей смеси и в нешироких пределах скоростей (несколько метров в секунду) истечения смеси из горелки. При малых скоростях истечения возможен проскок пламени в горелку, а при больших скоростях – отрыв пламени от горелки и его погасание. Предел минимальной скорости в горелке, ниже которой происходит проскок пламени, называется нижним пределом устойчивости горения по скорости. Установлено, что с увеличением диаметра горелки предельная скорость проскока увеличивается. В горелках для диффузионного сжигания газа проскок пламени невозможен.

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 воспламенения, голубой конус фронта пламени не образуется и имеет место чисто диффузионное горение. Если же содержание газа в горючей смеси меньше нижнего предела воспламенения, то горение невозможно.

 На рис.5.6 изображены пределы устойчивости горения в горелках атмосферного типа. Как видно кривая 1 нижнего предела устойчивости горения 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.

При скоростях потока выше верхнего предела устойчивости горения пламя отрывается и гаснет. С увеличением диаметра горелки значение верхнего предела устойчивости горения увеличивается. Над кривой 2 верхнего предела устойчивости лежит область отрыва пламени.

     

 

Рис. 5.6. Пределы устойчивости горения в горелках атмосферного типа

 

 Между кривыми 1 и 2 находится область устойчивого горения. Наиболее устойчивыми в сравнительно широком диапазоне скоростей являются диффузионные факелы газов, не содержащие окислитель, а также смеси, состав которых находится выше верхнего концентрационного предела воспламенения. В частности, для метана СН₄ и богатых метаном природных газов к области устойчивого горения относятся смеси с избытком воздуха α = 0 ÷ 0,6. Для факелов стехиометрической смеси и смесей с избытком воздуха (α >1) верхний предел устойчивости горения приближается к кривой проскоков и пределы устойчивого горения настолько уменьшаются, что горение становится практически неустойчивым. Такое влияние избытка воздуха объясняется тем, что при горении стехиометрической смеси 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 горелках с горючим газом смешивают 40-70% воздуха, необходимого для сгорания. Это позволяет уменьшить опасность отрыва и создать более благоприятные условия для предотвращения проскока пламени внутрь горелки. Вести процесс горения при α < 0,4 нецелесообразно, так как при этом увеличиваются потери тепла от химической неполноты горения.

В промышленных огнетехнических установках, как правило, применяется турбулентный режим горения с высокой скоростью ввода горючей смеси в топочную камеру – 25-40 м/с, а при форсированных режимах – до 100-120 м/с. Следовательно, для обеспечения устойчивого воспламенения факела требуются специальные приемы искусственной стабилизации факела, практическое осуществление которых зависит от способа сжигания топлива.

Наибольшее применение нашел способ повышения устойчивости факела при котором для нагрева и зажигания горючей смеси используется некоторая часть тепла, выделяющегося в процессе горения, путем рециркуляции в корневую область факела горячих продуктов сгорания при одновременном обеспечении в зоне зажигания благоприятных тепловых, концентрационных и газодинамических условий.

Рециркуляция горячих продуктов сгорания осуществляется преимущественно двумя способами. Первый способ достигается организацией сжигания в струйных течениях. При распространении в топочной камере 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. 5.7). Такие стабилизаторы обычно выполняются в виде U-образных

 

 

                      Рис. 5.7. U-образный стабилизатор горения

 

осесимметричных или плоских тел. Воспламенение смеси начинается по периметру корневой части факела или стабилизатора, где образуется вихревая зона горячих продуктов сгорания.

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.

 

                            Контрольные вопросы                  1.Какие основные особенности горения предварительно

            приготовленной горючей смеси в открытой атмосфере?

         2.Какова устойчивость ламинарного и турбулентного факелов?            

 .       3.Расскажите о диффузионном горении горючей смеси и

            назовите его основные особенности.

4.Каковы устойчивость и полнота горения, а также светимость                                                           

диффузионного факела?

5.Что такое проскок пламени в горелку и отрыв факела?

6.Какие условия необходимы для предотвращения отрыва  

факела?   

7.Какие приемы применяют для стабилизации кинетического и    

                диффузионного факелов?  

          8.Нарисуйте схему ламинарного газового факела однородной    

             смеси.

                     6. Горение жидкого топлива  

Основными видами жидкого топлива являются продукты переработки нефти – бензин, керосин, соляровое масло, мазут. Первые три вида применяются в двигателях внутреннего сгорания. В топках котлов и печей сжигают главным образом мазут, а также низкосортные высокосернистые нефти, глубокая переработка которых экономически нецелесообразна.

Жидкое топливо сгорает всегда в паровой фазе. Это объясняется тем, что температура кипения жидких топлив не превышает нескольких сотен градусов, а температура пламени получается высокой, Поэтому жидкое топливо предварительно испаряется, а затем воспламеняется и сгорает в паровой фазе. Испарение и горение могут также идти параллельно.

Легкие моторные топлива (бензин, лигроин) испаряются легко и быстро в обычных атмосферных условиях. В отличие от них тяжелые углеводородные топлива (соляровое масло, мазут, сырая нефть) имеют очень малую скорость испарения. Поэтому при горении тяжелых углеводородных топлив испарение является важным фактором, определяющим скорость процесса.