Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Горение газообразного топлива в потоке воздуха

Горение газообразного топлива в потоке воздуха отличается от горения жидкого и твердого топлива тем, что оба реагирующих компонента (горючее и окислитель) находятся в одной газообразной фазе, поэтому возможны организация горения этого топлива как при полном (до молекулярного уровня) предварительном перемешивании реагирующих компонентов, так и без такого перемешивания, а также организация горения газовоздушной смеси, содержащей недостаточное для полного сгорания количество воздуха. Горение однородной газовой смеси происходит стационарно в некоторой зоне потока, в которую непрерывно поступает горючая смесь и из которой также непрерывно отводятся продукты сгорания.


В топочный объем газовоздушная смесь, как правило, вводится через сопло относительно малого сечения, в результате чего образуется турбулентная газовая струя, закономерности развития которой достаточно полно рассмотрены в работах Г. Н. Абрамовича, Л. А. Вулиса и др. При входе в топочный объем струя газовоздушной смеси расширяется по направлению движения за счет эжектировання в нее газов с высокой температурой из окружающего струю пространства и одновременно частично разбавляется продуктами сгорания за счет поперечных турбулентных пульсаций (рис. 2.17). В соответствии с теорией развития неизотермических струй в результате взаимодействия струи с окружающим ее нагретым пространством происходит ее нагрев в турбулентном пограничном слое. В ядре струи, где газы движутся с постоянной скоростью, равной скорости начального участка струи, температура остается постоянной и равной температуре газовоздушной смеси на выходе из сопла. В результате нагрева смеси в периферической зоне струи она воспламеняется, образуя зону горения, расширяющуюся по мере удаления от устья сопла. В ядре струи смесь не горит.

Воспламенение струи происходит в ее наружных слоях по конической поверхности Д. В результате роста температуры сечение струи несколько увеличивается в зоне воспламенения. Турбулентный режим движения влияет на структуру поверхности горения. Под действием турбулентных пульсаций фронт пламени искривляется и иногда разрывается на отдельные очаги. Видимым фронтом горения является участок факела, включающий зону воспламенения и толщину турбулентного фронта горения бт. При больших скоростях струи степень выгорания топлива на этом участке достигает 90 %. Остальные 10 % горючего вступают в химическую реакцию с кислородом воздуха в зоне догорания /д, протяженность которой тем больше, чем меньше скорость химического реагирования и чем больше скорость движения газов. Процесс горения предварительно перемешанной газовоздушной смеси протекает в кинетическом (или близком к нему) режиме.

При вводе в топочный объем предварительно неперемешанных потоков газообразного топлива и окислителя процесс горения протекает в диффузионном режиме, т. е. в режиме с определяющим влиянием массопереноса на процесс. Интенсивность диффузионного сжигания топлива зависит от совершенства смесеобразования. Прн турбулентном сжигании горючее и окислитель в зону горения вводят через горелочное устройство раздельно, при этом воздух могут вводить также через сопла, расположенные вне горелочного устройства. В простейшем случае при введении прямоточной струи газа в неподвижную среду или спутный поток окислителя (рис. 2.18) через сопло / диффузионный процесс горения развивается следующим образом.

При турбулентном распространении газовой струи из окружающей среды в зону горения диффундирует воздух, а из ядра струи 2 — газообразное горючее. Диффузионные потоки горючего и воздуха вступают в химическую реакцию в зоне горения 3. Кривая изменения концентрации горючего а имеет максимальное значение по оси струи, а кривая изменения концентрации кислорода в — в окружающей среде. В зоне горения 3 эти концентрации падают до нуля, а температура возрастает до максимального уровня. Образующиеся в зоне горения 3 продукты сгорания диффундируют в окружающую среду, образуя зону смешения продуктов сгорания с окислителем 5, и к оси струи горючего, образуя зону смешения продуктов сгорания с горючим 4. Зона горения 3 в диффузионном факеле устанавливается по поверхности, где количество поступающих путем турбулентной диффузии горючего н окислителя находится в стехиометрическом соотношении, необходимом для их полного реагирования. Положение зоны горения определяется исключительно условиями турбулентной диффузии, а скорость горения— скоростью диффузии.

Для интенсификации процесса зажигания диффузионного факела создают условия, способствующие повышению интенсивности тепловыделения и понижению интенсивности теплоотвода у корня факела. Например, организуют приток к корню факела высокотемпературных продуктов сгорания, создают завихривание вводимого воздуха или устанавливают тепловые излучатели в виде огнеупорных излучающих вставок.

При организации горения газовоздушной смеси с недостаточным количеством воздуха только часть горючего сгорает, реагируя с кислородом, содержащимся в смеси. Несгоревшая часть горючего вместе с продуктами сгорания взаимодействует с кислородом окружающей среды, образуя вторую зону горения, положение которой подчиняется законам диффузионного горения.

Таким образом, пространство, занимаемое горящим факелом, делится на три области: 1) область между горелкой и первым фронтом пламени, где смесь еще не горит; 2) область между двумя зонами горения, где находится несгоревшее в первой зоне горения горючее; 3) область вие диффузионной зоны горения, где находится смесь продуктов сгорания с окислителем. Как и в случае чисто диффузионного горения, для полного протекания реакции здесь также решающее значение имеет смесеобразование. Из трех рассмотренных способов сжигания газообразного горючего при раздельной подаче горючего и окислителя наблюдается максимальная химическая неполнота сгорания.

Теплогенерирующие установки: Учеб. для вузов. Г. Н. Делягин, В. И. Лебедев, Б. А. Пермяков. М.: Стройиздат, 1986.

Экспертиза

на главную