5.3. Горение при предварительном смешении газа с частью воздуха

При горении горючей смеси с недостаточным количеством воздуха через горелку подается газ в смеси с воздухом, количество которого меньше, чем требуется для полного горения. Этот воздух называется первичным. При выходе из горелки часть газа сгорает, соединяясь с первичным воздухом. Горение происходит по законам кинетического горения однородной смеси с образованием конусообразного фронта пламени.

При ламинарном режиме фронт кинетического горения 2 имеет вид голубого конуса с четкими границами и очень малой толщиной (рис.5.5). Остаток несгоревшего газа, забалластированный инертными продуктами сгорания первичной смеси, сгорает после смешения с вторичным воздухом, поступающим из окружающего пространства, образуя фронт диффузионного горения 4.

Рис. 5.5. Схема ламинарного факела при предварительном смешени газа с частью воздуха:

5 – зона догорания;

6 – граница факела

Внутри первого фронта пламени (голубого конуса) находится смесь горючего газа с первичным воздухом, снаружи второго (диффузионного) фронта пламени – смесь продуктов сгорания с воздухом, диффундирующим из окружающей среды, а в пространстве 3 между ними – смесь газа, не сгоревшего в первом фронте, и продуктов сгорания.

Длина зоны кинетического и зоны диффузионного горения зависит от содержания воздуха в первичной горючей смеси, вытекающей из горелки. С уменьшением содержания воздуха в первичной смеси в зоне кинетического горения сгорает меньше газа и ее длина уменьшается. В этом случае увеличивается количество газа, сгорающего в диффузионной зоне, и ее длина увеличивается. При отсутствии первичного воздуха фронт кинетического горения исчезает и горение становится чисто диффузионным. И наоборот, с увеличением содержания воздуха в первичной смеси происходит уменьшение зоны диффузионного горения, а при стехиометрической смеси фронт диффузионного горения исчезает и остается только зона кинетического горения.

При переходе к турбулентному режиму движения первичной смеси горение, имеющее два фронта, претерпевает существенные изменения. Пламя из спокойного и устойчивого переходит в пульсирующее, неспокойное. В режиме мелкомасштабной турбулентности поверхность первого и второго фронта пламени искривляется, местами разрывается, видимая толщина каждого фронта горения увеличивается. При горении в режиме развитой крупномасштабной турбулентности непрерывность горящего слоя нарушается, фронт горения разрывается с образованием отдельных хаотически движущихся элементарных объемов из свежей горючей смеси, продуктов сгорания и воздуха, содержащихся в этих объемах в различных пропорциях. На границах между элементарными объемами и внутри них образуются микроочаги горения, в которых определяющим условием процесса горения является диффузионный массообмен и горение всего факела протекает в диффузионном режиме.

При турбулентном режиме вследствие значительного увеличения площади поверхности фронта пламени резко увеличиваются скорость распространения пламени и суммарная скорость горения газа.

Сжигание газа, предварительно перемешанного с частью воздуха, широко применяется в лабораторных горелках, бытовых газовых приборах, небольших промышленных и отопительных печах. В этих установках обычно применяются инжекционные горелки атмосферного типа с образованием первичной и втори чной горючих смесей за счет инжекции атмосферного воздуха.