6.2. Горение газа в потоке газовоздушной смеси

Нормальное распространение пламени. При вынужденном зажигании газовоздушной смеси реакция горения ( пламя) возникает сначала у источника зажигания. Затем пламя распространяется с определенной скоростью, захватывая все новые и новые объемы газовоздушной смеси.

Пламенем называется зона , в которой происходит реакция горения. Пламя отделяет продукты сгорания от еще не сгоревшей смеси. Характерным свойством пламени является его излучающая способность. Существует два типичных случая распространения пламени: нормальное ( медленное горение) и детонационное ( от лат. прогреметь) горение. При детонационном горении происходит поджигание смеси в ударной волне (значительный перепад давления), образующейся при бросках пламени. Ударная волна ведет к разрушениям. При сжигании газа необходимо обеспечить нормальное горение газовоздушной смеси. Характеристикой такого горения является нормальная скорость распространения пламени (u_н). Это скорость движения фронта пламени в направлении нормальном к его поверхности.

Движение фронта пламени вызвано передачей теплоты свежей смеси молекулярной теплопроводностью. При достижении температуры свежей смеси температуры самовоспламенения происходит возгорание и смещение фронта пламени. Нормальная скорость распространения пламени не велика и для воздушных смесей с природными газами не превышает 0.4 м/с. Детонационное горение распространяется с весьма большой скоростью, несколько километров в секунду.

С хематично нормальное распространение пламени показано на рис 6.1.

Газовоздушный поток движется в направлении осях Х со скоростью W_n и набегает на неподвижный фронт пламени. Для того, чтобы фронт пламени был неподвижен, скорость потока должна быть равна нормальной скорости распространения пламени u_н : W_n= u_н.

В отдалении от фронта пламени набегающий поток имеет температуру Т₀ ( холодная смесь) и концентрацию горючего С₀. По мере приближения к фронту пламени смесь прогревается (зона прогрева) тепловым потоком, выходящим из зоны реакции. При достижении температуры воспламенения Т_в начинается реакция горения. Концентрация горючего в зоне реакции ( пламя) уменьшается до нуля, т.е. газовоздушная смесь превратилась в продукты сгорания. Температура в зоне реакции возрастает и становится равной температуре продуктов сгорания Т_г, т.е. температуре горения.

Кривая интенсивности тепловыделения qW в зоне реакции имеет максимум (q- теплота реакции; W – скорость реакции).Рост тепловыделения замедляется из-за выгорания горючего

( уменьшение С ) и образования продуктов сгорания.

Толщина фронта пламени h_ф включает толщину зоны подогрева и зоны реакции ( пламя) h_х (химическая реакция). Обозначим время сгорания τ _х , тогда толщина пламени будет равна:

h_х=u_нτ_х . (6.10)

Нормальная скорость распространения пламени зависит от скорости распространения химической реакции W (6.8):

u_н~√W ~ . (6.11)

Из формулы (6.11) следует, что нормальная скорость распространения пламени резко возрастает с повышением температуры горения газа Т_г. Это вызвано тем, что увеличивается подогрев смеси в зоне подогрева и интенсифицируется процесс в зоне реакции.

Распространение пламени в ламинарном потоке

Для стабильного процесса горения фронт пламени должен быть остановлен в пространстве. Это обеспечивается газогорелочным устройством ( горелкой). Как уже отмечалось, условием стабилизации является равенство скорости потока смеси и нормальной скорости распространения пламени (W_n= u_н) . Однако, если бы скорость потока возросла ( W_n> u_н), то пламя оторвалось бы от горелки. В противном случае, когда W_n< u_н., пламя проскочило бы в горелку. В том и в другом случае теряется устойчивость процесса горения. Это не происходит благодаря тому, что поток смеси имеет неравномерное поле скоростей: в центральной части потока скорость максимальна, а у стенки равна нулю. Вследствие этого возникает косой фронт пламени. Косой фронт требует непрерывного поджигания смеси. При косом фронте оказывается возможным регулирование горелки по расходу смеси.

Рассмотрим это подробнее на примере пламени лабораторной горелке Бунзена

( нем.ученый 19 в), рис. 6.2.

Из устья горелки выходит газовоздушная смесь с избытком горючего ( газ смешан с первичным воздухом, 50…60% теоретически необходимого количества). Газовоздушный поток движется в трубе горелки ламинарно и поле скоростей имеет параболический характер (см. рис.6.2а) При выходе из горелки, такое поле скоростей сохраняется, а после выхода деформируется за счет подсоса окружающего воздуха ( см. рис.6.2 в).

Пламя состоит из внутреннего 1 и наружного 2 конусов ( см. рис. 6.2а). Внутренний конус является поверхностью остановленного фронта пламени, где выгорает часть горючего, обеспеченная первичным воздухом. Внутренний конус пламени ярко очерчен и имеет зелено-голубоватый цвет. Наружный конус представляет собой поверхность, ограничивающую объем, где в результате поступления окружающего воздуха выгорает оставшаяся часть газа. Наружный конус не имеет четкого контура, его границы размыты.

На остановленном фронте внутреннего корпуса 1 в каждой точке выполняется равенство между нормальной скоростью распространения пламени u_Н ( направлена внутрь конуса) и нормальной составляющей скорости потока смеси W_H На рис. 6.2а скорость потока смеси W_n разложена на нормальную W_H и тангенциальную W_т составляющие. Составляющая W_т смещает фронт вверх, стремясь оторвать пламя от горелки. Поэтому то и требуется непрерывное поджигание смеси. В горелке Бунзена это обеспечивается поджигающим поясом 4 у стенки, где поток заторможен ( см. рис. 6.2 г) . Здесь не может происходить отрыв пламени, так как скорость потока является осевой и равна нормальной скорости распространения пламени

(W_n= u_н). В связи с тем, что при изменении расхода газовоздушной смеси поджигающий пояс сохраняется, возможно регулирование горелки.

Рассмотрим, как изменяются параметры пламени при изменении расхода газовоздушной смеси. Из рис. 6.2г видна следующая связь между нормальной скоростью пламени u_н и скоростью потока:

u_н= W_n соsφ, (6.12)

где φ – угол между скоростью потока и нормалью к фронту пламени.

Воспользуемся упрощенной формой внутреннего конуса ( см. рис. 6.2б) и запишем:

соsφ= . (6.13)

где R –внутренний радиус горелки; h –высота конуса внутреннего пламени.

Подставляя выражение (6.13) в равенство (6.12), получим:

u_н=W_{п .}( 6.14)

Среднюю скорость потока выразим через расход смеси Q см

.(6.15)

Расход смеси можно определить следующим образом:

Q_см=Q_г(1+α₁V_вт) ,(6.16)

где Q_г-расход газа; α₁-коэффициент избытка первичного воздуха; V_вт- теоретически необходимое количество воздуха (м3) для сжигания 1м³ газа.

С помощью соотношений (6.14)…(6.16) получим выражение для высоты внутреннего пламени:

.(6.17)

Из формулы (6.17) следует, что с увеличением расхода газа Q_г увеличивается высота внутреннего пламени. С увеличением расхода газа Q_г возрастает часть газа, поступающая в наружный конус. Для дожигания этой части газа требуется больше вторичного воздуха. Поэтому высота наружного конуса также будет увеличиваться с увеличением расхода газа. Отметим, что нормальная скорость распространения пламени u_н, входящая в формулу (6.17), зависит от вида газа и концентрации газа в газовоздушной смеси.

С увеличением расхода газа радиальные размеры поджигающего пояса уменьшаются. Поэтому при определенном большом расходе газа поджигающий пояс уже не может обеспечить непрерывного зажигания смеси и произойдет отрыв пламени от горелки. Обычно это происходит до того, как горение становится турбулентным. При снижении расхода газа скорость потока будет уменьшаться, и при определенном малом расходе газа скорость потока окажется меньше нормальной скорости распространения пламени. Пламя проникает внутри горелки- проскок пламени. Полагая в формуле (6.17) h =0, получим следующее выражение для минимального расхода газа:

Q_гmin = R²u_н/ (1 +₁V₀).

Видно, что уменьшению минимального расхода газа способствует увеличение коэффициента избытка первичного воздуха ₁ и уменьшения радиуса горелки R. Поэтому горелки выполняются с малыми диаметрами отверстий.

Отметим, что, помимо горелки Бунзена, ламинарный поток реализуется в открытых и духовых горелках бытовых газовых плит.

Распространение пламени в турбулентном потоке

В промышленных горелках и в горелках бытовых проточных и емкостных водонагревателей сжигание газа ведется в турбулентном потоке. Турбулентность вызвана большими скоростями газовоздушных смесей при больших расходах смеси. Турбулентность потока существенно интенсифицирует тепловые процессы в топочных устройствах. Однако горение в турбулентном потоке сопровождается значительным шумом по сравнению с горением в ламинарном потоке.

Турбулентность потока характеризуется числом Рейнольдса:

Re=

где W_п- средняя скорость потока; d- диаметр горелки; ν – кинематическая вязкость газовоздушной смеси.

. Экспериментальные исследования показали, что турбулентная скорость распространения пламени u_т значительно превышает нормальную скорость распространения пламени при ламинарном течение u_н и это превышение возрастает с увеличением числа Рейнольдса:

u_т/ u_н =0.18 d^0.26Re^0.24 ,(6.18)

где d-диаметр отверстия горелки, см;

Так при диаметре d =1см и при Re= 10⁵ значение u_т превышает u_н в 3,2 раза, а при Re=10⁶- в 6 раз.

Турбулентная скорость распространения пламени u_т весьма мало зависит от химических свойств смеси.

На рис.6.3а приведена схема турбулентного факела.

Р ис. 6.3. Турбулентный факел в свободном пространстве: 1- ядро факела; 2- видимая турбулентная зона горения; 3- зона догорания.

Ядро факела 1 является видимой зоной еще не воспламенившейся смеси ( зона подогрева). Видимая зона воспламенения и горения 2 ограничена фронтом пламени. В этой зоне выгорает до 90% газа. Зона догорания 3 характерна завершением процесса горения. Граница этой зоны невидима и обнаруживается только с помощью газоанализатора. Для поддержания пламени необходимо непрерывное зажигание струи на периферии.

Степень турбулентности влияет на характер поверхности фронта пламени. Как известно, турбулентность характеризуется перемешиванием отдельных малых объемов смеси. Перемещаясь поперек потока , частица должно пройти определенный путь , чтобы приобрести скорость, соответствующую той точке, куда она попадет. Величину  называют масштабом турбулентности.

При малых значениях  реализуется мелкомасштабная, а при больших  крупномасштабная турбулентность. Мелкомасштабная турбулентность ведет к появлению «шероховатостей» на фронте пламени. В случае крупномасштабной турбулентности фронт пламени делается волнистым с мелкими конусами, аналогичными конусам горелки Бунзена. С увеличением турбулентности фронт может разделится на отдельные очаги горения.

Длину турбулентного факела (см. рис.6.3) можно выразить через составляющие

L_ф=L_в+δ_т+L_д (6.19)

где L_в, δ_т, L_д -длины ядра факела, турбулентной зоны горения и зоны догорания.

Длину ядра факела определим, приравнивая объемные расходы смеси, поступающей из горелки в конус ядра факела и уходящей через поверхность конуса:

W_nπr²= Su_т , (6.20)

где r- радиус отверстия горелки; S- боковая поверхность конуса.

Пренебрегая различием высоты конуса L_в и его образующей, запишем:

S = π r L_в.

Подставляя последнее соотношение в выражение (6.20), после преобразования получим:

L_в= rW_n/u_т. (6.21)

Длина турбулентного фронта δ_т зависит от турбулентности и горючих свойств смеси. Процесс горения в турбулентном потоке протекает очень быстро, поэтому сократить зону горения практически невозможно.

Длина зоны догорания L_д не зависит от аэродинамики струи, а определяется в основном скоростью потока W_n:

L_д~W_n.

Из изложенного понятно, что при заданной скорости потока W_n уменьшать длину фронта L_ф (6.19) и, следовательно, интенсифицировать процесс горения, можно уменьшением L_в, т.е. уменьшением диаметра отверстия горелки. Поэтому, как и при ламинарном потоке, при турбулентном потоке горелки выполняют с малыми диаметрами отверстий.

Стабилизация пламени в турбулентном потоке

Как было показано выше, при ламинарном течение смеси пламя стабилизируется в связи с образованием поджигающего пояса ( см. рис.6.2г). При турбулентном потоке необходимо непрерывное поджигание смеси. Диапазон изменения турбулентного расхода смеси, в котором пламя не отрывается и не проскакивает, очень узок. Поэтому требуется искусственная стабилизация пламени. Для предотвращении проскока пламени необходимо :

1. увеличить градиент скорости потока у стенок ( на стенке горелки скорость нулевая);

2. уменьшить градиент изменения нормальной скорости распространения пламени вблизи стенок горелки.

Вместе эти условия обеспечивают работу горелки при W_n>u_n. Первое требование удовлетворяется увеличением скорости потока W_n и максимальным выравниванием поля скоростей на выходе горелки, последнее достигается поджатием потока конфузором ( рис. 6.4). Уменьшить градиент нормальных скоростей распространения пламени у стенки можно увеличением теплоотвода в стенку. Для этого головку горелки охлаждают водой или воздухом. Охлаждающее действие стенок усиливается с уменьшением диаметра отверстия. Поэтому установка при выходе из горелки сетки с мелкими ячейками или пакета, состоящего из близкорасположенных пластинок, способствует предотвращению проскока пламени.

Д ля предотвращения отрыва пламени необходимо предусмотреть постоянно действующий поджигающий очаг. Его можно создать следующими способами: 1) непрерывно действующий зажигатель, в качестве зажигателя используется непрерывно действующая искра, раскаленное тело или пламя дополнительной горелки (запальника) с ламинарным потоком; 2)образование заторможенной зоны; 3) возврат раскаленных продуктов сгорания к корню факела.

Пример использования зажигателя, совмещенного с горелкой, показан на рис. 6.4. Часть горючей смеси до истечения из горелки отводится через каналы 2 в кольцевую щель 3. Истечение из кольцевой щели ламинарное, самоподдерживающее горение , воспламеняющее основной поток смеси, выходящий через отверстие 1.

Образование заторможенных зон достигается размещением в потоке плохо обтекаемого тела. На рис.6.5 таким телом является конический стабилизатор.

Рис.6.5. Стабилизация пламени коническим стабилизатором.

Воспламенение смеси происходит по периметру конического стабилизатора, вблизи которого поток заторможен, а позади, циркулируют раскаленные продукты сгорания. В заторможенных зонах имеются участки, где скорость распространения пламени равна скорости заторможенного потока. Эти участки и обеспечивают стабилизацию пламени.

Возврат раскаленных продуктов сгорания организуется с помощью туннелей (туннельные насадки). Схема стабилизации пламени в туннельной горелке приведена на рис. 6.6.

Рис.6.6.

Газовоздушная смесь выходит из горелки 1 в туннель 3, где образуется факел 2. Вследствие эжектирующего действия факела к его корню подсасываются раскаленные продукты сгорания. Создается зона циркуляционного движения продуктов сгорания. Как и в случае стабилизатора (см. рис. 6.5.), эта зона обеспечивает стабилизацию пламени.