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

Рис. 5.7. U-образный стабилизатор горения

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.