Горение предварительно подготовленной 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 струитак 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 факелам однородной топливовоздушной смеси

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

δ_г = 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_г + 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 химически 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.