книги из ГПНТБ / Брюханов О.Н. Вопросы теплофизики при беспламенном сжигании газа

Температура

боспламенения\

Расстояние от огневой поверхности

Рис. 3—27. Влияние обратного излучения на изменение условий воспламене­ ния горючей смеси в перфорированных керамических огневых насадках

огневая поверхность горелки,

— — — фронт пламени, Тем — температура горючей смеси.

тенденцию к перемещению вглубь плитки. В случае очень горя­ чего окружения температура насадки за счет увеличения обрат­ ной радиации возрастает. Температура зажигания достигается газовоздушной смесью в глубине огневых каналов и зона го­ рения перемещается в глубь каналов. Горение в двух последних случаях неустойчивое.

§ 3—7. Вибрационные явления при прохождении пламени

через керамические перфорированные огневые насадки

Как показывают наблюдения, независимо от типа газа и диа­ метра отверстий перфорированной керамической насадки при развитии проскока пламени через перфорированную керамиче-

102

ном режи-ме течения, газовоздушная смесь на выходе из нип­ пелей начинает колебаться. Она приводит в движение 'смесь, находящуюся в распределительном коробе ігорелки, задает им­ пульсы обратного воздействия. Колебания струи сопровожда­ ются периодическим срывом с кромок ниппелей вихрей и поступ­ лением их в поток. При действии вихря на факел, фронт пла­ мени будет деформироваться. Под действием температуры сам вихрь увеличивается. Суммарная энергия вихрей за счет нагре­ ва возрастает, и, когда она становится сравнимой с энергией самой струи, создается импульс обратного воздействия. Обрат­ ная связь замыкается. Разность в уровнях энергии от момента срыва вихря до обратного импульса и есть энергия, которая расходуется на поддержке автоколебательного процесса.

Стюарт [76] связывает акустические колебания в керамиче­ ских туннелях с запаздыванием зажигания новой (для данного цикла) порции смеси.

Не ставя перед собой задачу количественного анализа коле­ бательных явлений, связанных 'с проскоком пламени через пер­ форированную керамическую огневую насадку, качественно рассмотрим акустические колебания при развитии проскока пла­ мени через огневые каналы.

з:

о

1/90 гц

h

с;

Г

і

5ремя t (мин)

Рис. 3—28. Амплитудно-временная характеристика для различных частот

104

На рис. 3—28 -приведены временные характеристики для от­ дельных частот колебаний, снятые с помощью датчика давле­ ния. По этим характеристикам на рис. 3—29 построены ампли­ тудно-частотные характеристики вибрационного горения.

Из рисунков видно, что определенные частоты имеют наи­ большую вероятность возникновения. Максимумы амплитудночастотных характеристик лежат в интервале 110—'180 гц. Это частоты наибольшей амплитуды в спектре вибрационного го­ рения.

Разделив промежуток времени проскока на три части по амплитудно-временным графикам для отдельных частот на рис. ô—30 построены частичные амплитудно-частотные харак­ теристики для трех промежутков времени проскока.

Из графиков видно, что в первый период проскока наблю­ дается максимум чгістоты 170 гц, то есть наибольший вес в спект­ ре имеют средние частоты. Во втором периоде частота несколь­ ко увеличивается до 230 гц, то есть спектр сдвигается в сторону более высоких частот. В третьем периоде времени в спектре на­ блюдаются большие амплитуды низких и верхних частот.

Несмотря на то, что спектр акустических колебаний доволь­ но широк, 60—280 гц, резонансных явлений не наблюдается. Это можно объяснить тем, что собственная частота распределитель­ ной коробки, как резонатора, значительно выше спектра частот возникающих акустических колебаний.

105

в4 -

/ '

I /

о— У

Рис. 3—30. Амплитудно-частотная характеристика для трех промежутков времени:

I. — в начале проскока; II. — в середине проскока; I I I . — в конце проскока^

# , О, 0 — экспериментальное значение максимальных амплитуд.

Колебания пламени определяются только режимом работы каналов и химическим составом 'горючей смеси.

Осциллограммы колебаний в одном канале, полученные с по­ мощью емкостного датчика, показывают, 'что при изменении ко­ эффициента избытка воздуха изменяется частота колебаний (рис. .3—3.1). Для серии опытов установлена следующая при­ ближенная зависимость частоты от коэффициента избытка воз­ духа

частоты колебаний с определенной формой с увеличением а пла­

снятые с помощью емкостного датчика, можно утверждать, что колебания пламени нооят чисто релаксационный характер. Осо­ бенно это хорошо заметно при а = 0,9. На это указывает форма

106

3

s .

s 6

2 .

бремя t I/O'3сек )

Рис. 3—31. Осциллограммы колебаний пламени с различной частотой а — I 10 гц, б — 12 гц, в — 25 гц, г— 100 гц.

колебаний, изменение частоты со временем проскока и сильная зависимость частоты от коэффициента избытка воздуха. Релаксационныіми колебаниями являются колебания системы .между двумя устойчивыми равновесными ее состояниями. Для случая горения одним равновесным состоянием можно 'считать состо­ яние смеси лри температуре много ниже температуры зажига­ ния Т<^Т3. Другим устойчивым состоянием будет состояние га­ зовоздушной амеси после окончания в ней реакции. Наша си­ стема (капилляр и проходящая по нему ігазовоздушная смесь), может находиться в двух состояниях до и после торения. Горе­ ние ѳто переход одного равновесного состояния в другое. Редак­ ционные системы называют иногда пороговыми, так как при достижении порогового значения той или иной переменной вели­ чины (в нашем случае ею может быть температура) система

107

переходит из одного состояния колебательного равновесия в дру­ гое. В химических системах пороговую роль играет накопление вещества или тепла до определенной концентрации (критиче­ ской) или температуры. Амплитуда колебаний отвечает пере­ ходу критической концентрации к полному выгоранию, а час­ тота пропорциональна скорости поступления вещества и опреде­ ляется временем достижения критической концентрации. Нетрудно заметить, что между нашей системой и химическими релаксационными системами не так много разницы. Поэтому ІМОЖНО сделать попытку объяснить механизм возникновения виб­ раций пламени в каналах малого диаметра с помощью особен­ ностей химического ігорения высших углеводородов. Важней­ шей особенностью горения высших углеводородов является так называемое двухстадийное горение.

В определенной области параметров сначала происходит холоднопламенное воспламенение, а затем холодное пламя пере­ ходит самопроизвольно в горячее. Первая стадия протекает при низкой температуре. Вторая стадия — горячее 'горение, во вре­ мя этой стадии выделяется много тепла. У различных 'углеводо­ родов завершающей стадией горения является догорание окиси углерода, образующейся в начальной стадии ігорения, но сохра­

окись углерода накапливается в системе вплоть до полного ис­ чезновения исходного углеводорода. Далее идет реакция дого­ рания СО с выделением большого количества тепла. Чем боль­ ше в смеси окислителя, тем быстрее идет первая стадия реакции (холодное горение), тем быстрее накапливается критическая концентрация СО и холоднопламенное горение переходит в го-

горения. Для простоты возьмем самый простой и характерный

ка. Участок 0—1 характеризует продвижение пламени вниз, причем, это первая стадия горения (холодное горение), 1—2—• пламя движется вниз, также происходит холоднопламенное го-

108

Рис. 3—32. Схема определения скорости горения по осциллограмме.

рение, но наряду с этим концентрация значительно увеличилась и близка к критической, .поэтому происходят произвольные схло-

с выделением большого количества тепла. Температура резко повышается, что способствует резкому увеличению скорости пламени. Происходит взрыв подготовленного к реакции объема СО в 'смеси с кислородом. Участок 2—,3 характеризует в области горения резкое расширение газов. Резкое увеличение амплитуды объясняется взрывом. Пламя проскакивает в область капилля­ ра с низкой температурой и гаснет. Кривая 3—4 характеризует относительное остывание газовоздушной смеси внутри датчика или уменьшение температуры, которое происходит по экспонен­ циальной зависимости, точно также как и остывание нагретого тела. За время 3—4 сгоревшие газы выбрасываются из области горения и их место занимает подготовленная к сжиганию газо­ воздушная смесь. В момент 4 свежая смесь достигала области капилляра с высокой температурой и начинается период холоднопламенного горения. Процесс горения таким образом, повто­

На участке 1—2 происходит плавное уменьшение скорости дви­ жения пламени.

Uaa=ktg ß .

109

Рис. 3—34. Амплитудно-временная характеристика колебаний, полученная с помощью емкостного датчика.

где k' — коэффициент, определяемый тепловой нагрузкой и ко­ эффициентам избытка воздуха. Ход кривой примерно такой ж е как и при изменении амплитуды от времени суммарных колеба­ ний (рис. 3—35). На практике 'беспламенное сжигание таза про­ исходит при коэффициенте a=il,05. При таких а колебания пла­ мени имеют 'спектр частот. Увеличение частот в спектре объяс­ няется уменьшением времени релаксации. Так как порог реакции сильно зависит от многих вероятностных параметров (коицент-

Рис. 3—35. Амплитудно-временная характеристика колебаний, полученная с помощью датчика давления.

111