Ламинарное и турбулентное горение

Горение в ламинарном и турбулентном потоках

Фронт пламени может быть остановлен, если создать встречное движение горючей смеси со скоростью, равной нормальной скорости распространения пламени. Наглядный пример — поверхность внутреннего конуса бунзеновской горелки. За счет регулирования состава газовоздушной смеси, вытекающей из горелки при ламинарном режиме движения, можно добиться появления устойчивого и резко очерченного конуса горения (рис. 8.3). Боковая поверхность конуса (фронт пламени), неподвижная относительно огневой кромки канала горелки, движется по направлению к вытекающей газовоздушной смеси, а пламя в этом случае распространяется по нормали к поверхности воспламенения в каждой ее точке. На поверхности конусного фронта пламени сохраняется равенство скоростей — проекции скорости потока газовоздушной смеси на нормаль wH к образующей конуса и нормальной скорости распространения пламени ин подчиняются закону Михельсона:

wн = wпот cosφ = ин (8.26)

где φ — угол между направлением потока и нормалью к поверхности конусного фронта пламени; wnom — средняя скорость потока газовоздушной смеси, проходящей через горелку за единицу времени, м/с.

Постоянство нормальной скорости распространения пламени справедливо только для основной части боковой поверхности конусного фронта пламени.

Таблица 8.14.Скорости распространения пламени в различных газовоздушных смесях (при t =20°C и p = 103,3 кПа), м/с

В вершине конуса скорость увеличивается благодаря прогреву газовоздушной смеси близко расположенными участками конусной поверхности фронта пламени, а у основания конуса — снижается за счет охлаждающего воздействия торцевой части огневого канала горелки.

Для практических расчетов обычно пренебрегают этой разницей и принимают скорость прохождения смеси через фронт пламени постоянной по всей поверхности конуса и равной ин.

Усредненная нормальная скорость распространения пламени равна

ин = Vсм /S (8.27)

где Vсм— объем проходящей через горелку газовоздушной смеси, S — площадь поверхности конусного фронта пламени.

На практике конусный фронт пламени не имеет правильной геометрической формы, поэтому для точного определения S пламя фотографируют, фронт пламени разбивается на ряд усеченных конусов. Сумма боковых поверхностей и есть общая поверхность конусного фронта пламени. Значения нормальных скоростей распространения пламени, определенные как методом бунзеновской горелки, так и другими методами, одинаковы и равны нормальным скоростям, приведенным в табл. 8.14.

Высота конусного фронта пламени зависит в основном от размера огневого канала горелки. Уменьшение высоты пламени может достигаться дроблением крупных огневых каналов на несколько мелких. Для одинаковых по составу газовоздушных смесей высота конусных фронтов пламени малых каналов h может быть приближенно определена по высоте фронта пламени одиночного канала Н:

h = Н/ √n (8.28)

где n — число малых каналов.

Для горелок с высокой тепловой мощностью (горелки промышленных котлов, печей и т. п.) горение, как правило, происходит в турбулентном потоке — гладкий конусный фронт пламени из-за вихревого движения и пульсаций размывается и теряет четкие конусные очертания. При этом наблюдаются два характерных вида горения, соответствующие мелко- и крупномасштабной турбулентности.

При масштабах турбулентности, не превышающих толщину зоны ламинарного горения, конусный фронт пламени сохраняет свою форму и остается гладким, хотя зона горения увеличивается. Если же масштаб турбулентности превышает толщину зоны нормального горения, поверхность конусного фронта пламени становится неровной. Это ведет к увеличению суммарной поверхности фронта горения и сжиганию большего количества горючей смеси на единицу поперечного сечения потока.

При крупномасштабной турбулентности, значительно превышающей толщину зоны ламинарного горения, волнение поверхности фронта пламени приводит к отрыву отдельных частиц горячей смеси, дробящихся последующими пульсациями. Фронт пламени теряет свою целостность и превращается в систему отдельных очагов горения в виде равных, расчленяющихся и сгорающих в потоке частиц горючей смеси.

При крупномасштабной турбулентности поверхность фронта пламени, слагаясь из поверхностей всех горящих частиц, увеличивается, приводя к резкому росту скорости распространения пламени (рис. 8.4). В этом случае может происходить не только фронтовое горение, распространяющееся с нормальной скоростью vn, но и объемное, возникающее за счет турбулентных пульсаций раскаленных продуктов горения в свежую смесь. Следовательно, суммарная скорость распространения пламени при крупномасштабной турбулентности определяется тем или иным сочетанием элементов фронтового и объемного горения.

При отсутствии пульсаций турбулентная скорость горения становится равной нормальной скорости распространения пламени. Наоборот, если пульсационная скорость значительно превышает нормальную, турбулентная скорость горения становится мало зависящей от физико-химических свойств горючей смеси. Эксперименты показали малую зависимость скорости сгорания различных гомогенных газовоздушных смесей с а>1 в промышленных топках от нормальной скорости распространения пламени.

3.9. Турбулентное диффузионное горение газа

Интенсивность диффузионного сжигания зависит от интенсивности смесеобразования. Так как массообмен при турбулентном горении происходит во много раз интенсивнее, чем при ламинарном режиме, для промышленных целей важным является способ турбулентного диффузионного сжигания перемешанных газов.

Турбулентное диффузионное сжигание производится при раздельной подаче горючего газа и воздуха через горелки в камеру сгорания в среду горячих продуктов сгорания. Воздух может подаваться через те же горелки или помимо них через отдельные сопла.

На рис. 3.18 представлена картина перехода от ламинарного пламени к турбулентному для вертикальной струи. При ламинарном потоке увеличение скорости истечения вызывает практически пропорциональное увеличение длины пламени. При некотором критическом значении скорости вершина пламени начинает пульсировать. При дальнейшем увеличении скорости пламя становится все более неустойчивым и в конце концов превращается в турбулентную горящую струю, при этом длина пламени достигает некоторого минимума, после которого с возрастанием скорости практически не меняется. Указанная закономерность справедлива только для сопл малого диаметра.

Как показали опыты, при истечении газа из сопел большего диаметра длина факела с ростом скорости продолжает возрастать и в турбулентной области (рис. 3.19).

Переход ламинарного диффузионного горения в турбулентное для большинства газов происходит при числах /?е, значительно больших 2000-2200, что, по-видимому, объясняется влиянием тепловыделения на вязкость и плотность вытекающего газа.

Длина зоны воспламенения диффузионного факела тем больше, чем больше теплота сгорания газа, так как для сжигания единицы массы газа должно поступить больше кислорода.

Рис. 3.18. Переход от ламинарного пламени к турбулентному при диффузион ном сжигании газа

Рис. 3.19. Изменение длины диффузионного факела в зависимости от скорости истечения газа и диаметра газового сопла (,

Чем меньше содержание кислорода в окружающей среде, тем длиннее зона воспламенения. Напротив, при повышении концентрации кислорода в окружающей среде длина зоны воспламенения факела уменьшается.

Зажигание диффузионного турбулентного факела обеспечивается эжекцией вместе с окислительной средой горячих продуктов сгорания. Общая длина факела ?(|) превышает зону воспламенения на длину участка зоны догорания ?зд, где происходит догорание множества молей, на которые факел раздроблен под действием турбулентных пульсаций. В них процесс смешения осуществляется в основном за счет молекулярной диффузии, которая протекает медленно. При этом концентрации горючего газа и кислорода в зоне догорания малы. В этих условиях горение протекает сравнительно медленно, определяя значительную длину зоны догорания

Время догорания газа в этой зоне равно

где б — размер наибольших молей; Д — коэффициент молекулярной диффузии. Функция/(т/02) с помощью стехиометрического числа т учитывает необходимость кислорода для горения и зависимость величины диффузионного потока от концентрации кислорода в окружающей среде; т — стехиометрическое число, показывающее расход кислорода на единицу массы сгорающего газа; О, — концентрация кислорода в окружающей среде.

В открытом факеле с поджиганием от зажигающего кольца у кромки горелки горение может быть устойчиво в узких пределах скорости истечения смеси. При малых скоростях истечения возможен проскок пламени в горелку, а при больших — отрыв пламени от горелки и его погашение.

Условием устойчивости однородного ламинарного горения, осуществляемого обычно в атмосферных горелках, является равенство W = — UH на периферии основного факела в зоне зажигающего кольца.

При W H возможен проскок пламени в горелку. Предел минимальной скорости в горелке, ниже которой происходит проскок пламени, называется нижним пределом устойчивости горения по скорости.

На рис. 3.20 показаны пределы устойчивости горения в горелках атмосферного типа. Кривая / по своему виду аналогична кривой концентрационных пределов горения, 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 пламя отрывается и гаснет. Над кривой 2 верхнего предела устойчивости, которая характеризует максимальную форсировку, лежит область отрыва пламени. Между кривыми 1 и 2 находится область устойчивого горения.

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.

Рис. 3.20. Зоны устойчивого и неустойчивого горения газа

Поэтому при сжигании в атмосферных горелках с горючим газом смешивают 40-70% воздуха, необходимого для сжигания. Это позволяет уменьшить опасность отрыва и создает более благоприятные условия для предотвращения проскока. Вести процесс горения при а

Как проскок, так и отрыв пламени нарушают нормальную работу горелок и могут быть причиной аварии. Для обеспечения нормального протекания горения процесс следует вести в области устойчивого горения.

Стабилизирующую способность горелок выявляют экспериментально. Эту характеристику обычно представляют в виде графика зависимости нижней и верхней предельных скоростей истечения смеси от коэффициента избытка воздуха.

Рис. 3.21. Распределение скоростей распространения пламени и скоростей потока:

а — случай выноса пламени из горелки на ее край; 6 — случай проскока пламени в горелку

На рис. 3.21 схематически показаны условия проскока и выноса пламени на край горелки. На рис. 3.21, а скорости истечения по всему сечению струи больше скорости распространения пламени. Проскок пламени в этом случае невозможен, однако пламя внутри трубы не может занять устойчивое положение и будет вынесено на край горелки. На рис. 3.21, б в пристенной части струи скорость распространения пламени превышает скорость потока, что неизбежно приводит к проскоку пламени.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *