Устойчивость пламени

Под устойчивостью пламени (горения) понимается его способность противостоять отрыву и проскоку. Отрыв пламени – это удаление пламени от устья горелки и последующее его погасание. Проскок пламени – проникновение пламени внутрь горелки. При этом пламя гаснет или горение продолжается внутри горелки с образование токсичных веществ и может привести к расплавлению горелки. Отрыв и проскок пламени, нежелательные явления, т.к. приводя к возникновению опасных ситуаций. При правильной организации процесса горения фронт пламени устанавливается или стабилизируется в той части пространства, где скорость движения потока ГВС равна (компенсируется) встречной скоростью движения фронта воспламенения.

Обратимся снова к пламени лабораторной горелки. На рис. 10.6 показан только внутренний конусный фронт горения и построен параллелограмм скоростей на его поверхности.

Рис. 10.6. Устойчивость пламени

Из рис. 10.6 следует, что Uн компенсируется только нормальной составляющей скорости потока – Wн. На поверхности конусного фронта Wп > Uн. Это означает, что конусный фронт неустойчивый, т.к. пламя сносится по поверхности конуса к его вершине. В действительности пламя горелки устойчивое вследствие того, что у основания конуса фронт горения разворачивается в горизонтальную плоскость и образуется кольцевой зажигающий пояс. В зажигающем поясе скорость потока и скорость горения равны, поэтому зажигающий пояс устойчив и воспламеняет поток ГВС, выходящей из устья горелки. С увеличением Wп зажигающий пояс несколько удаляется от устья. При этом Uн в зажигающем поясе возрастает, т.к. уменьшается охлаждающее воздействие на пламя устья горелки. И вновь происходит их взаимная компенсация: Wп = Uн. Однако при дальнейшем увеличение Wп может наступить момент, когда Wп в зажигающем поясепревысит Uн. В этом случае происходит отрыв и погасание пламени.

Исследованиями установлено, что наиболее мощный зажигающий пояс образуется при сжигании богатых смесей (α < 1). И чем меньше величина α, тем более устойчивее пламя в отношении отрыва. Однако при малых значениях коэффициент α фронт пламени имеет значительные размеры, снижается температура горения и, образуются продукты неполного сгорания. Поэтому рекомендуется создавать ГВС с коэффициентом α = 0,4 ÷ 0,8.

С уменьшением Wп зажигающий пояс приближается к устью горелки. При этом Uн тоже уменьшается из-за охлаждающего действия стенок устья. Происходит их взаимная компенсация: Wп = Uн. Устойчивость пламени сохраняется. Однако при последующем снижении Wп может наступить момент, когда Uн взажигающем поясестанет больше Wп. В этом случае происходит проскок: зажигающий пояс проникает внутрь смесителя.

Эффективность охлаждающего действия стенок устья (кольцевой зоны охлаждения) возрастает с уменьшением диаметра выходных каналов, с переходом от одного канала к множеству каналов. А при диаметрах каналов меньше критического (d₀ < d_кр) проскок не происходит. Проскок предотвращается и при сжигании метановоздушных смесей с коэффициентом α ≤ 0,6.

Таким образом, отрыву пламени препятствует кольцевой зажигающий пояс, а проскоку пламени – кольцевая зона охлаждения, т.е. стенки устья горелки. На основании изложенного можно сделать следующие выводы:

1. Чтобы пламя было устойчиво к отрыву скорость потока в зажигающем поясе не должна превышать скорость горения или следует подавать в горелку ГВС с коэффициентом α = 0,4 ÷ 0,8.

2. Чтобы предотвратить проскок следует увеличивать эффективность охлаждающего пояса устья горелки или увеличивать скорость потока.

На рис. 10.7 графически показана зона устойчивого горения для метановоздушной смеси.

Рис. 10.7. Зона устойчивого горения для метановоздушной смеси

а) при dо > dкр, б) при dо < dкр

Зона устойчивого горения (рис. 10.7) это область между кривыми скорости отрыва (Wпр) и скорости проскока (Wпр). Скорость отрыва с увеличение коэффициента α уменьшается, т.е. вероятность отрыва повышается. Скорость проскока с увеличение α возрастает, достигает максимума при α = 0,9, а затем уменьшается. Зона проскока пламени находится в диапазоне величины коэффициента α = 0,6 ÷ 2,0, т.е. в концентрационных пределах воспламенения.

Рис. 10.7а наглядно иллюстрирует, как с повышением коэффициента α зона устойчивого горения сужается. Вероятность отрыва и проскока при α ≥ 1,0 очень велика.

Зона устойчивого горения на рис. 10.7б по сравнению с рис. 10.7а, гораздо шире, т.к. при диаметрах огневых каналов меньше критического диаметра проскока не происходит.