2.3 Диффузионный принцип сжигания

Полное время сгорания газообразного топлива τ_Σ складывается из времени, необходимого для возникновения физического контакта между окислителем и топливом, иначе говоря, времени смесеобра­зования и времени, затрачиваемого на протекание химической реакции τ_х, т. е.

τ_Σ = τ_см + τ_х

При подаче газа и воздуха, необходимого для горения, раздельно процесс горения будет определяться главным образом временем смесеобразования, т. е. диффузионными процессами τ_Σ ≈ τ_см. Такой прин­цип сжигания газа и называется диффузионным.

В зависимости от организации диффузионных процессов в при­меняемых горелках представляется возможным изменять длину факела горения. Наибольшую длину факела можно получить при подаче газа и воздуха раздельными параллельными потоками при ламинарном режиме течения, когда смешение происходит только за счет молекулярной диффузии. Короткий факел можно получить путем организации усиленной турбулентной диффузии.

Рассмотрим случай горения при параллельном движении с оди­наковой скоростью потоков газа и воздуха. В результате процесса диффузии происходит проникновение газа в воздух и, наоборот, воздуха в газ. На определенном расстоянии от оси потока устанав­ливается стехиометрическое соотношение между газом и воздухом. При поджигании потока пламя сосредоточивается на возникающей таким образом поверхности стехиометрического соотношения, на которой образуется пламенная оболочка. Внутри этой оболочки движется несгоревший газ, а снаружи - воздух, причем газ и воз­дух диффундируют в направлении к зоне горения.

Пусть горелочное устройство состоит из двух концентрических труб. Из центральной трубы с некоторой скоростью вытекает газ, а из кольцевого межтрубного пространства с той же скоростью вы­текает воздух. При ламинарном режиме потоков смешение компо­нентов будет происходить лишь за счет молекулярной диффузии. Структура образующегося при этом факела показана на рисунке 1.

При таких высокотемпературных условиях, которые имеют место в топочных устройствах, скорость реакции горения весьма велика, поэтому диффузионное горение газа определяется главным образом скоростью переноса кислорода воздуха к фронту пламени.

С помощью теории подобия можно получить следующую форму­лу критериального вида для определения длины ламинарного диффузионного пламени:

(2.4)

Характер зависимости в указанной формуле таков, что с уве­личением начальной скорости истечения газовой струи _о ее диаметра d_о, стехиометрического критерия V_В]V_Г и температурного критерия Т_тсо /Т_о длина пламени газа возрастает.

Рис.1 Смесеобразование и структура ламинарного диффу­зионного факела

1 - струя чистого воздуха; 2 – смесь горючего с продуктами горе­ния, α< 1; 3 - смесь воздуха с продуктами

горения, α > 1; 4 - фронт пламени;

5 - границы струи

Диффузионное горение газа происходит вблизи наружного светящегося фронта пламени, поэтому общее тепловыделение про­порциональ-но длине пламени и диаметру газовой струи, т. е.

(2.5)

Вместе с тем объем пламени пропорционален квадрату диа- метра газовой струи и длин пламени, т. е.

(2.6)

Рис. 2. Переход от ламинарного пламени к турбулентному при диффузионном сжигании газа: 1 - ламинарное пламя; 2 - пере­ходная зона; 3 - полностью раз­вившееся турбулентное пламя; 4 - кривая, огибающая верхние точки пламени; 5 - кривая, оги­бающая точки перехода пламени из ламинарного в турбулентное

следовательно, тепловыделение, отнесенное к единице объема све­тящегося факела, обратно пропорционально диаметру струи, т.е.

(2.7)

Отсюда следует, что для того, чтобы в рабочем пространстве сжечь боль­шое количество газа, следует применять горелки с большим количе­ством струй малого диаметра. Применение же горелок с большим начальным диаметром газовых струй характеризуется малыми те­пловыми напряжениями топок и, следовательно, требует большого объема рабочего пространства.

Более распространенным, а вместе с тем и более сложным явля­ется диффузионное горение газа в турбулентном потоке. Картина перехода от ламинарного пламени к турбулентному показана на рис. 2.

Переход ламинарного диффузионного горения в турбулентное для большинства газов происходит при Rе > 2000 - 2300

С возникновением беспорядочного вихревого движения струек газа поверхность воспламенения становится извилистой. Поэтому тепловоспринимающая поверхность при тех же габаритах пламени значительно увеличивается. Существенную роль начинает играть теплопередача конвекцией, которая в ламинарном пламени прак­тически ничтожна. Вследствие этого скорость воспламенения и рас­пространения пламени увеличивается.

Эксперименты показывают, что критерий Rе не является опре­деляющим при горении газа в свободной струе. По данным иссле­дований Китаева и Левченко , длина свободного турбулентного пламени при горении газа определяется по следующей формуле:

(2.8)

где L_ф - длина факела; d_о - начальный диаметр струи; _о - на­чальная скорость истечения струи; g - ускорение силы тяжести; R - коэффициент, зависящий от рода газа.

Коэффициент R учитывает стехиометрический фактор - вели­чину теоретического расхода воздуха V_о (м³/кг), коэффициент расхода воздуха и физические свойства газа, характеризуемые плотностью ρ, коэффициентом молекулярной диффузии D и коэффициентом динамической вязкости μ.

Кроме указанных факторов, на длину турбулентного факела оказывают влияние и другие факторы: скорость воздушного потока, подогрев газа и воздуха, угол встречи струй газа и воздуха, за­кручивание потока газа и воздуха и т. д.

Установлено, что чем выше коэффициент молекулярной диффу­зии и ниже коэффициент кинематической вязкости газа, тем короче факел. Эта зависимость выражается следующей формулой:

Кроме того, чем больше теоретический расход воздуха, тем на большем пути происходит перемешивание газа с воздухом и тем длиннее факел. С увеличением скорости истечения воздуха длина факела сокращается. С уменьшением диаметра газового сопла увеличивается скорость истечения и уменьшается длина факела.

На интенсивность процесса смешения оказывает влияние соот­ношение скоростей истечения газа и воздуха. Увеличение избытка воздуха до известного предела приводит к заметному сокращению длины факела. Весьма значительно влияет на длину факела за­кручивание струи газа и воздуха и угол встречи этих струй. Так, например, при изменении угла встречи струй от 0 до 90° длина факела уменьшается в 7 раз.

Турбулентный диффузионный факел используется в тех случаях, когда газ сжигается в больших количествах и когда необходимо иметь растянутый светящийся факел, обеспечивающий более рав­номерное распределение температур и более равномерную теплоот­дачу от факела по всей длине рабочего пространства теплоиспользующей установки, например в мартеновских печах, в крупных нагревательных методических печах, при обогреве простенков кок­совых печей и пр.