2.4 Кинетический принцип сжигания

При использовании кинетического принципа сжигания пред­варительно создается однородная газо-воздушная смесь. Этот принцип применяется в тех случаях, когда требуется получить высо­кую интенсивность процесса горения в относительно малом объеме с минимальным химическим недожогом и когда по условиям техно­логического процесса не нужен длинный светящийся факел. В этом случае τ_Σ ≈ τ_х

Горение газо-воздушной смеси в ламинарном потоке осуществля­ется лишь в небольших осветительных и нагревательных приборах, поэтому на этом процессе мы не останавливаемся. При сжигании газовых смесей в промышленных топли-

воиспользующих установках практически всегда имеет место турбулентный режим.

Различают мелкомасштабную (ММТ) и крупномасштабную (КМТ) турбулент­ности. В первом случае масштаб турбулентности l не превышает толщины ламинарного фронта пламени; при этом фронт пламени принимает извилистую форму, что обеспечивает большую, чем у ламинарного пламени, суммарную реагирующую поверхность и соответственно сжигание большего количества газа на единицу поперечного сечения потока (рис.3).

Рис. 3 Влияние турбулентности на структуру фронта пламени : а - ламинарное пламя, I = 0; б - мелкомасштабная турбулентность 0 <l< h_л; в - крупномасштабная турбулентность, l< h_л

При крупномасштабной турбулентности величина l значительно превышает толщину ла­минарного фронта пламени; при этом идет интенсивный процесс смешения газа, воздуха и продуктов горения, интенсивность про­цесса сжигания возрастает в еще большей степени.

Для случая мелкомасштабной турбулентности потока Щелкин дает следующую формулу для скорости распространения пла­мени( U_ммт)

(2.9)

где l - масштаб турбулентности; U_пул - пульсационная скорость; lU_пул - коэффициент турбулентного обмена, имеющий размер­ность температуропроводности и характеризующий интенсивность турбулентного смешения; а - коэффициент температуропроводно­сти; U_п – нормальная скорость распространения пламени.

Нормальной скоростью распространения пламени называется скорость перемещения элемента фронта пламени по направлению нормали к этому фронту

Толщина турбулентного фронта пламени определяется формулой

(2.10)

При U_пул = 0 формулы (Ш-9) и (Ш-11) дают значения U_п и h, соответствующие ламинарному горению.

Мелкомасштабная турбулентность в промышленных теплоис-пользующих установках встречается весьма редко, так как поток обычно подвергается дополнительной турбулизации, вызываемой самим процессом горения (автотурбулизация).

Факторы, определяющие скорость распространения пламени при крупномасштабной турбулизации, многочисленны. В упро­щенном виде формула для нее имеет вид

U_кмт = f (U_n, Re, d_o)

причем чем выше значения U_кмт, Re, d_o, тем больше турбулентная скорость распространения пламени.

На рис.11приведена схема кинетического факела при турбу­лентном движении потока. В факеле можно различить следующие зоны: холодное ядро-конус 1, где движется еще не воспламенив­шаяся газо-воздушная смесь; зона воспламенения, или видимый фронт, турбулентного пламени 2, в которой сгорает до 90% горю­чей смеси, и зона догорания 3. В последней зоне происходит завер­шение горения или достигается равновесие между газообразными продуктами сгорания (при наличии диссоциации).

Рис. 4 Структура турбулентного кинетического факела

Если обозначить длину холодного ядра пламеникак длину зоны воспламенения через L_зв, тол­щину турбулентного фронта пламени в направлении оси струи через δ_т и толщину зоны догорания через L_з.д, то полная длина фа­кела будет равна

L_ф = L_зв + δ_т + L_зд (2.11)

Если принять, что величина L_в определяется скоростью движения струи _пот и скоростью распространения фронта пламени от периферии к центру U_фр, то длина ядра факела составит

(2.12)

где R₁ - коэффициент пропорциональности; r_о - радиус кратера

горелки.

Для крупномасштабной турбулентности (КМТ) поверхность фронта горения складывается из суммарной поверхности всех газовых объемов, сгорающих на пути, равном толщине слоя h_л, и скорость распространения пламени U_кмт, входящая в формулу (II1-13), опре­деляется по формуле

(2.13)

где А и В — постоянные коэффициенты, близкие к единице.

Если , то U_кмт в этом случае близка к U_пул , т.е. U_кмт ~ U_пул. Толщина турбулентного фронта пламени в этом случае может быть приближенно вычислена по формуле

(2.14)

где R₂ - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, уменьшение протяженности основных зон ки­нетического турбулентного факела (L_зв и δ_т) можно получить путем уменьшения диаметра горелок, уменьшения скорости выхода горю­чей смеси и увеличения скорости нормального распространения пламени (например за счет повышения начальной температуры смеси).

Протяженность зоны догорания может быть приближенно вы­числена по формуле

L_д = R₃ , (2.15)

где R₃ - постоянный коэффициент;  - скорость продуктов горе­ния в зоне догорания.

Протяженность зоны догорания L_д невелика и составляет 10-15% общей длины факела.

При сжигании предварительно приготовленных газо-воздушных смесей можно получать огромные тепловые нагрузки (объемные теплонапряжения), исчисляемые 10500 МВт/м³. В целях повышения устойчивости горения создаются специальные стаби­лизирующие устройства, например керамические насадки (тунели). Сжига­ние газовой смеси в таких условиях не дает заметного свечения пла­мени, и его иногда называют беспламенным.

Беспламенное горение обычно сопровождается значительным шумом, вызываемым, по-видимому, пульсационным эффектом вспышек масс горючей смеси, поступающих в камеру сгорания с раскаленными стенками.

Весьма перспективным сжигание предварительно приготовлен­ных газо-воздушных смесей может быть при использовании низко­калорийных газов. При некотором подогреве компонентов горе­ния и надлежащем избытке воздуха этим методом можно сжигать газ даже с теплотой сгорания 1200 кДж/м³