Устойчивость (стабилизация) фронта воспламенения

Смесеобразование в факеле – процесс перемешивания горючего с окислителем до образования горючей смеси. Смесеобразование определяет характер протекания горения, длину, форму и излучающую способность факела, а самое главное,– полноту сгорания газа.

Как уже отмечалось, в зависимости от организации процесса (конструкции горелки) сжигание газа может сопровождаться образованием либо короткого, либо длинного факела. При раздельной подаче газа и окислителя в топочную камеру сгорание, как правило, протекает в растянутом светящемся факеле по мере смешения компонентов. При сжигании предварительно подготовленной газовоздушной смеси факел получается коротким и несветящимся.

Процесс смесеобразования отличается значительной сложностью, поскольку, как правило, процесс перемешивания газа и окислителя происходит при взаимодействии потоков, движущихся с различными скоростями под разными углами атаки и имеющих различные температуры, плотности и расходы (количество движения).

Особенно ощутимым является влияние процесса перемешивания на процесс горения при раздельной подаче (без предварительного смешения) в камеру сгорания топлива и окислителя. Такой способ образования горючей смеси осуществляется, например, когда воздух и (или) газ подогреваются до температуры воспламенения или близкой к ней. В таких случаях предварительное смешение невозможно, поскольку это вызвало бы преждевременное воспламенение смеси ещё до поступления её в камеру сгорания. Это диктует свои условия в области организации горелочного устройства и приводит к значительно более длинному факелу, чем в случае предварительно подготовленной смеси.

Основная задача конструирования рациональных газогорелочных устройств сводится к обеспечению возможности регулировать качество смешения и сообразно с этим изменять длину, форму и излучающую способность факела.

Интенсификация процессов смесеобразования в газовых горелках осуществляется, как правило, двумя путями:

1) дроблением потоков большого размера на более мелкие струи;

2) повышением масштаба и интенсивности турбулентности (переход к закрученным и пульсирующим потокам).

Воздействовать на процесс горения можно, в первую очередь, соответствующей организацией аэродинамики на начальном участке формирования факела. Речь идёт об аэродинамике потока топочных газов и процессах турбулентного переноса тепла и массы, которые зависят от конструкции горелки и взаимного расположения горелок в топочной камере.

Каждая горелка в заданных пределах изменения производительности должна обеспечить устойчивое зажигание и стабилизацию фронта воспламенения. Под стабилизацией факела подразумевается создание условий, обеспечивающих надёжное горение факела без погасаний, пульсаций или отрыва от горелки.

Факел считается устойчивым, если при установившемся режиме подачи топлива он стабилизируется вблизи устья горелки и не меняет своего среднего положения в пространстве. Это состояние факела является результатом соответствующего взаимодействия скорости распространения пламени и противодействующей ей скорости потока газовоздушной смеси, вытекающей из устья горелки. Если скорость потока газовоздушной смеси превышает скорость распространения пламени, явление втягивания пламени в горелку, или, так называемого, проскока пламени, невозможно. При этом, если скорость истечения газовоздушной смеси чрезмерно высока, смесь не успевает в достаточной степени прогреться за счёт рециркуляции продуктов сгорания к корню факела, и происходит отрыв факела (погасание пламени).

На рис.28 показаны качественные границы устойчивости пламени в зависимости от степени аэрации горючей смеси, т.е. коэффициента избытка воздуха в горелке (доли первичного воздуха), и скорости истечения газовоздушной смеси.

Нижний предел устойчивости горения изменяется по кривой, напоминающей закон изменения скорости горения в зависимости от концентрации газовоздушной смеси. Верхний предел устойчивого горения с увеличением α_гор резко снижается.

Рис. 28. Границы устойчивости пламени в зависимости

от коэффициента избытка воздуха и скорости

газовоздушного потока на выходе из горелки

Как видно, устойчивое горение в широком диапазоне скоростей наблюдается лишь при малом количестве первичного воздуха в исходной горючей смеси. В этом случае устойчивость горения обеспечивается хорошим источником воспламенения – диффузионным факелом, возникающим в камере при горении газа за счёт вторичного воздуха. С увеличением α_гор (доли первичного воздуха) пределы устойчивого горения сокращаются, так как влияние диффузионного фронта воспламенения нивелируется. При α_гор = 1, т.е. когда диффузионное горение вообще отсутствует, горение смеси устойчиво лишь в очень узком диапазоне изменения скорости истечения газовоздушного потока.

В таких случаях для предотвращения отрыва пламени от горелки необходимо повысить температурный уровень в области воспламенения газовоздушной смеси, например, с помощью закручивания потоков, обеспечивающего подсос раскалённых продуктов сгорания к корню факела в приосевой зоне – зоне внутренней рециркуляции дымовых газов (см. рис.14).

8.5. Особенности расчёта газовых горелок

Точный расчёт газовых горелок представляет собой задачу неоправданной сложности, поэтому практикой разработаны различные методы приближённого расчёта, которые дают вполне приемлемые результаты.

Большое распространение в энергетических установках получили газовые горелки, в которых воздушный поток поперечно пересекается мелкими струями газа, при этом газ может подаваться либо по центральной трубе (горелка типа “труба в трубе”) (рис.29а), либо с периферии (рис.29б).

Рис. 29. Схемы подачи газа в поперечный поток воздух:

а - по центру; б - с периферии

Струи газа по мере проникновения в поток воздуха будут сноситься этим потоком. При достижении определённого расстояния от стенки газового коллектора h осевая линия струи газа будет совпадать с направлением сносящего потока воздуха. Это расстояние называется глубиной проникновения струи в сносящий поток и зависит от диаметра сопла d_c вытекающей струи и отношения скоростей (W_г , W_в) и плотностей (ρ_г , ρ_в) газа и воздуха. Для более равномерного распределения газовых струй по сечению горелки и для лучшего смешения газа с воздухом газовые сопла выполняются в два ряда, причём первый (по ходу воздуха) ряд сопел имеет бóльший диаметр, чем второй.

Базовой формулой при расчёте таких горелок является полученная на основании многочисленных экспериментов Ю.В.Ивановым зависимость для определения относительной глубины проникновения газовых струй в поперечный поток воздуха:

, (13)

где К_s – эмпирический коэффициент, зависящий от относительного шага между соплами, расположенными в одном ряду.

На рис.30 представлен примерный характер геометрии струй газа, истекающих в поперечный поток воздуха.

Под действием воздушного потока траектория струи искривляется, и сама струя становится шире за счёт диффузионного размытия. Отверстия (большие и малые сопла) для выхода газа должны быть расположены таким образом, чтобы струи в том сечении, где они принимают направление потока, перекрывали всё сечение.

При расчёте газовых горелок для определения глубины проникновения струи приходится предварительно задаваться значениями скоростей газа и воздуха, а также исходить из полученных опытным путём рекомендаций.

Рис. 30. Схема распространения струй газа

в поперечном потоке воздуха

По уравнению расхода газа определяется внутренний диаметр газоподводящей трубы d_вн:

.

Скоростью газа в трубе следует предварительно задаться. Рекомендуемые значения скорости W_г.тр = 20–30 м/с.

По уравнению расхода воздуха

определяется внутренний диаметр наружной воздухоподводящей трубы D_вн, после чего по соответствующему сортаменту труб выбирается подходящая труба (d_н – наружный диаметр газоподводящей трубы).

При расчёте глубины проникновения струй газа, истекающих из больших и малых сопел, исходят из предположения, что в том сечении, где большие и малые струи принимают направление потока воздуха, они соприкасаются друг с другом, а внешняя граница больших струй достигает внешней границы кольцевого канала. При этом в сечении, где оси струй газа принимают направление потока воздуха, их условный диаметр, согласно опытным данным, составляет:

D_стр=0,75H и d_стр=0,75h.