Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

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

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.10.2023

Размер:

11.73 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 / 2812 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

рация, локальная температура), то вероятность воспламенения при быстром протекании первой стадии горения увеличивается ( а > 1 , 0 ) . Так как время релаксации т очень сильно зависит от вероятностных факторов, то частота хлопков непостоянна, она все время меняется. При увеличении а большую роль начинают играть биения в конце периода релаксации, которые можно рассмотреть как самостоятельные хлапіки (рис. 3—32). Все это дает возможность говорить, что колебания пламени в каждом отдельном капилляре имеют целый спектр частот. Суммарный спектр колебаний (рис. іЗ—29) объясняется наличием большого количества частотных спектров отдельных капилляров, которые, складываясь, образуют общую зависимость амплитуды колеба ний от частоты.

Проведенный анализ механизма колебаний пламени при про скоке через перфорированную керамическую огневую насадку позволяет утверждать, что керамическая насадка, как и всякая система сжигания, является потенциальной автоколебательной

'системой, в	которой если зона	торения	втягивается в каналы,
в результате	взаимодействия	пламени,	,газовоздушной смеси

и раскаленных стенок каналов возникают автоколебания. Ко лебания образуют спектр'частот, который складывается из спект ров колебаний отдельных капилляров (60—280 гц).

На колебания пламени в каналах оказывают влияние аку стические свойства керамической перфорированной насадки.

Форма колебаний в каналах напоминает кривую процесса горения по Франк-іКаменецкому Д. А.

Механизм вибрационного торения углеводородной 'газовоз душной смеси при прохождении пламени через каналы малого диаметра имеет двухстадийный характер '(процесс воспламене ния и процесс горения).

Амплитуда колебаний в процессе прохождения пламени че рез керамическую перфорированную насадку увеличивается по линейному закону от времени.

Происходит как 'бы раскачка фронта пламени, в результате чего пламя проскакивает в распределительную коробку под на садкой и в смеситель торелки, воспламеняя находящуюся там •газовоздушную смесь. Интересно отметить, что замкнутые об ласти проскоков пламени через огневые каналы перфорирован ных керамических плиток (если учесть, что пределы проскока пламени связаны с температурой огневой поверхности), напо минают, полученную Абруковым С. А. [77], область возможного возникновения колебаний пламени СО в трубке, при излучении зависимости пределов вибрационного распределения пламени от температуры.

112

§ 3—8. Описание проскока пламени

по теории H. Н. Семенова и Я. Б. Зельдовича

В перфорированной насадке заранее подготовленная газо воздушная смесь проходит через систему параллельных цилинд рических каналов, а в пористой насадке через систему пор. Причем, диаметры каналов и размеры пор берут меньше кри тического. В таких насадках горение происходит в зоне малой толщины над поверхностью насадки и частично заходит в устье каналов. Поверхность насадки, благодаря этому, разогревается до температуры порядка 800—900°С. Насадка прогревается так же вглубь, осуществляя при этом предварительный подогрев газовоздушной смеси. Как известно [39, 44, 45], предваритель ный подогрев газовоздушной смеси ведет к увеличению скоро сти распространения пламени. Увеличение скорости распростра нения пламени может привести к проникновению пламени в каналы насадки и в дальнейшем к проскоку пламени в смеси тельную камеру. Для того, чтобы этого избежать и обеспечить сгорание смеси на поверхности насадки, диаметр отверстий вы бирают меньше критического.

Увеличение скорости распространения пламени вследствие

подогрева газоводушной	смеси в каналах насадки приводит
к увеличению устойчивости	горения на перфорированной насад

ке по отношению к отрыву пламени. Отрыв пламени в перфори рованных насадках может быть достигнут только при очень больших расходах ігаза три этом горение выходит из режима беспламенного.

Таким образом, при сжигании газовоздушной смеси на пер форированных насадках отрыв пламени не является пределом, ограничивающим область беспламенного горения, а потери устой чивости проявляются, главным образом, через проскок.

Экспериментальные исследования пределов устойчивости беспламенного горения на перфорированных керамических на садках показали, что проскок пламени через эти насадки имеет

место, если тепловую нагрузку (расход смеси)		увеличить до кри
тического значения. При этом .последнее	зависит от вида газа
и содержания воздуха в газовоздушной	смеси	[64].

Таким образом, при беспламенном сжигании газа на перфо рированных насадках увеличение тепловой нагрузки, а не умень шение, как в случае горения на единичных отверстиях, умень шает устойчивость по отношению к проскоку.

Вследствие увеличения тепловой нагрузки температура по верхности увеличивается, насадка лучше прогревается вглубь и могут появиться условия, для захождения зоны горения в ка

налы.
и	При	уменьшении	тепловой нагрузки, хотя скорость горения
и	будет	превышать	скорость потока, зона горения не может
8	Зак . 11586		113

переместиться внутрь огневого канала потому, что диаметр ка нала меньше критического, т. е. теплоотвод в стенку из зоны го рения препятствует распространению пламени.

При сжигании одного и того же газа на перфорированных насадках с различными диаметрами отверстий критические гра диенты скоростей потока при проскоке не ложатся на одну кривую.

2600

2400

2200

2000

1800

1600

1400

а;

<ъ

1200

1000

800

0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3

Коэффициент избытка воздуха, <L

Рис. 3—36. Кривые критических	градиентов	при проскоке пламени сжиженно
го газа через перфорированные	насадки с	диаметром отверстий rfi = I,75 мм

иdu = 1,5 мм

Вкачестве примера на рис. 3—36 'показан вид кривых кри тических градиентов при проскоке пламени сжиженного газа

через перфорированные насадки с диаметрами отверстий

114

d i = l , 7	5 мм и d 2 =l>5 мм. Критические градиенты вычислялись
по формуле
где W	— средняя скорость газовоздушной смеси;

dK — диаметр канала.

Скорость газовоздушной смеси рассчитывалась по формуле

	<7(1+«Х)	при с > 1
	<Эофа(1+х)	при с > 1
	?(!+'«%)	и а <	1
	<Зофа(1+х)
где 9 —	удельная тепловая нагрузка;
а — коэффициент избытка воздуха;
X —	объемное стехиаметрическое число;
Ф — коэффициент живого сечения насадки;
Qo —	теплота сгорания ;газовоздушной		смеси при а = , 1 .

Для расчета критических градиентов использовались экспе

риментальные данные по критическим	тепловым нагрузкам
(§ 3 - 5 ) .
Выражение для W определялось с учетом зависимости теп
лоты сгорания ігазовоздушной смеси от	коэффициента избытка
воздуха согласно [78].

Кривые критических градиентов скорости при проскоке в слу чае беспламенного горения на перфорированных насадках пе ревернуты по сравнению с аналогичными кривыми, полученным при горении на отдельных цилиндрических трубах. Это объяс няется различными причинами проскока пламени. Дейст вительно, в случае единичных трубок с диаметром отверстия больше критического, причиной проскока является нарушение равновесия между скоростью распространения пламени и скоро стью потока. Форма кривой критических градиентов в этом слу чае соответствует зависимости скорости распространения пламе ни от содержания воздуха в смеси с максимумом при а = 1 .

В случае же перфорированных насадок для прохождения пла мени нужен соответствующий прогрев насадки. Расход газовоз душной смеси, необходимый для этого прогрева, зависит от содер жания воздуха в омеси. Так как теплота сгорания смеси стехиометрического состава ( а = і 1 ) больше теплоты сгорания при афі, то естественно минимум критической тепловой нагрузки прихо

дится на а = 1 или		точнее на а = 1 , 0 5 из-за несовершенства сме
шения.
Существование		двух разных кривых проскока для одного
и того .же газа	в	насадках с различными диаметрами каналов
легко объяснить	с точки зрения гашения пламени в узких кана-

115

лах. Для получения проскока при меньшем диаметре каналов нужна большая тепловая нагрузка, лучший разогрев насадки по тому, что чем меньше диаметр, тем больше соотношение между теплоотводом из зоны горения и тепловыделением в зоне горения.

Действительно, тепловыделение в зоне горения в случае за

хождения пламени	в канал	~ d K 3	, а теплоотвод		~ d K 2 и
теплоотвод из зоны			горения		1
•		.	Z	/ - w	.
тепловыделение		в зоне горения			dK
Закономерности	гашения	пламени		в узких	каналах хорошо

описывает тепловая теория Зельдовича Я. Б. [64]. Согласно этой теории, затухание пламени в узких каналах обусловлено теп ловыми потерями из зоны реакции к стенкам канала. Т. к. ширина зоны реакции мала, то можно пренебречь потерями тепла во время протекания самой реакции. Поэтому учитывают непосредственные потери тепла из зоны реакции в стенку, кото рые сводятся к:

1) потерям тепла в зоне подогрева смеси от начальной тем-1 пературы Т0 до температуры горения ТѴор;

2) потерям тепла из зоны горения теплоотдачей вдоль на правления распространения пламени остывающими продуктами сгорания.

Так как во фронте пламени профиль температуры таков, что

ох

где U — скорость распространения пламени, а ширина зоны подогрева

Ax~Ul,

то оба этих фактора приводят к относительным тепловым поте рям обратно пропорциональным квадрату скорости распростра нения пламени.

Температура зоны горения из-за потерь будет меньше тео ретической температуры горения и согласно соотношения Зель довича, будет равна

	Trop — Ттеор	• •	(3,71)
где ß — коэффициент	теплоотдачи.
Из формулы (3,71)	видно, что потери тепла		в стенку, кото

рые могут привести к затуханию пламени, обратно пропорцио нальные квадрату скорости распространения пламени.

Последнее хорошо объясняет тот факт, что для одной и той же перфорированной насадки и двух разных газов имеем две

разные	кривые	проскока. При этом кривая проскока	пламени
с газа	с большей	скоростью распространения пламени	располо-

116

жена в области меньших тепловых нагрузок, чем кривая про скока пламени газа с меньшей скоростью распространения как, например, кривые проскока пламени сжиженного и природного газа через перфорированную насадку с диаметром отверстий 1,75 мм, которые представлены на рис. 3—37.

0,5 0,7 0,8 0,9 1	V 12	7,3 7,4 1,5
коэффициент	избытка	воздуха, <х

Рис. 3—37. Кривые проскока сжиженного и природного газа через перфориро ванную насадку с диаметром отверстий 1,75 мм

Действительно, скорость распространения пламени в смеси сжиженного газа с воздухом больше (теплоотдача в стенку со гласно (3,71) меньше), чем в смеси природного газа и поэтому нужна меньшая тепловая нагрузка (меньший разогрев стенок), для того, чтобы произошел проскок пламени через перфориро ванную Насадку, чем в случае природного газа.

ИГ

Занемонец В. Ф. [79 [ применил теорию теплового воспламе нения H. Н. Семенова для теоретического вывода критерия устой чивости горения на пористых огнеупорных насадках. Количест во тепла, выделяющегося в единицу времени на участке канала длиной dx вследствие протекания химической реакции, дается в виде:

		Qi==QJlÉSdxW(T),	(3,72)
где	Q —	теплота сгорания .газовоздушной смеси;
	W(Т) —	скорость реакции;

•а количество тепла, теряемое горючей смесью на этом же участ

ке канала в единицу времени в виде

= $ndKdx(T~Tc?),

(3,73)

где

ß — коэффициент

теплоотдачи;

Т — температура газовоздушной смеси;

Тот — температура

стенки.

Применим

теорию

Семенова для

расчета

кривых проскока.

Предположим,

что

при устойчивом

горении

пламя

плоское

и не заходит в каналы. При увеличении

тепловой

нагрузки тем

пература

стенок огневого канала увеличивается,

плам^

заходит

в каналы, т. е. в них воспламеняется

газовоздушная

сімесь. Со

гласно

[49], условия воспламенения

газовоэдушной

смеси

запи

шутся

в виде

Q i = Q 2 ;

(3,74)

(3,75)

где <2і —

количество тепла, выделяющегося в единицу

времени

на участке канала dx, в результате химической ре

акции;

—

количество

тепла, теряемое

газовоздушной

смесью

в стенку на участке канала

в единицу времени;

Г в

— температура

газовоздушной

смеси

в момент

воспла

менения.

Величины

и Qz записываются

виде

выражений

(3,72)

и (3,73) соответственно.

Считая порядок реакции равным единице, согласно

[49], вы

ражение для скорости реакции записываем в виде:

W{T)=Qkex?(

) .

(3,76)

где Q — плотность газовоздушной смеси;

k — константа скорости реакции;

Е — энергия

активации;

—

газовая

постоянная.

318

В тепловом балансе нами не учитываются потери тепла, в сторону свежей газовоздушной смеси, но это компенсируется тем, что путем конвекции оно возвращается в рассматриваемый, нами объем.

Кроме того, не учитываем приток тепла от пламени, т. к. это тепло компенсируется конвекцией из нашего объема в сторону пламени. Последнее обозначает, что мы не рассматриваем за

хождения пламени в каналы,	как следствие распространения;
пламени, а причиной этого захождения считаем		воспламенение
от смеси от стенок.
Согласно [25], температура	стенок канала	на глубине до.

1 мм при стационарном горении на поверхности почти близка, температуре поверхности огневой насадки. Так как мы рассмат

риваем начальный момент захождения пламени

каналы

на

садки, то можно Гст в

(3,73) заменить температурой

поверхно

сти

насадки.

Подставляя (3,72), (3,73) в (3,74), получаем:

~QdKQkexv(--^f)

= ß ( 7 ' - 7 n 0 B ) .

(3,77>

левой

стороне применим

метод разложения

экспонента,,

предложенный Франк-Каменецким

[65], который

состоит в сле

дующем:

Величину,

стоящую

в показателе экспоненты,

представляют

в виде

Е Е

• Д Г ,

R(T,+№)

RT*

А£_ ~

RT*

RT2

Т.

где

AT=T-Tt;

Т* —• температура,

вблизи

которой

происходит

реакция

тогда

в задачах при воспламенении

Т„ — Тст,

у нас Т* =

Таоѣ„

и р ( _ _ ^ ) ж ы р ( ^ _ ) и р [ ^ Щ . ] .

<3,78>

Обозначив

Ѳ =

запишем

(3,78)

е х р ( - ^ ) ~ ^ - ^ ) е х П ^ Ч К ) - ( з '7 9 )

С учетом преобразования (3,79)

записываем

(3,77)

119-

4 - Q ä « Q k e x V ( - J r ~ ) e x p ( — (				)	=ИТ~Тпоп)-	(3,80)
4	• > Лі пов '	\	<J	'
В [79] принимается
					( Г - Г с т ) •
•Согласно [65] должно		быть
	Е	Е	1		( Г - Г с т )
	Я Г	Я Г С Т	Я Р 0		( Г - Г с т )
	Я Г	Я Г С Т	Я Р 0	Т

Эта неточность не отражается существенным образом на оконча тельном критерии устойчивости только потому, что после приме нения преобразования Франк-Каменецкого в одном из множите лей равенства, соответствующему нашему равенству (3,80), по лагают в [79] Г ~ Г С Т . Наши дальнейшие преобразования не тре буют такой подстановки. Пользуясь условием (3,75), получаем:

г т и * н » ( - і і е г ) в р ( І т = - ) ^ ( 3

Обозначив
QdxQk ехр (	н = — )
	Н І п	о в	= а	(3,82 )
:имеем
a - e x p ( ^ Z ^ )		=	i .	(3,83)
Поделив (3,80) на Ѳ, получаем:
Г Гпов	\	Г	Гп ов	, 0 0 , ,
(— Q — 7 = — ё — "				( 3 , 8 4 )
Из (3,83) и (3,84) следует, что
Г - Г П о в	=	ь
Ѳ

И з (3,83) получаем критерий устойчивости	горения на перфори
рованной насадке по отношению к проскоку
а-е=1.	(3,86)

Пользуясь этим критерием, построим кривую проскока пла мени природного газа через перфорированную насадку отвер-

•стий dK=l,75	мм в зависимости от удельной тепловой				нагрузки.
Используя обозначения		(3,82),	запишем	(3,86)
Т	^ к е е х р (	— ^	) = ß —	— •	(3,87)

320

Коэффициент конвективного теплообмена ß по [80] зависит от скорости смеси следующим образом:

ß =	'	v l 3 5	U71.35,	(3,88).
		K
где Я — теплопроводность		газовоздушной смеси;
V — кинематическая	вязкость		газовоздушной	смеси;
W — скорость газовоздушной смеси.
Подставляя (3,88) в (3,87), получаем
T Q ^ e x p ( - ^ è r ) =
0,0044Ягік °'3 5 №1 '3 5			RTm*	(3,89),
				(3,89),

Зависимость Q от коэффициента избытка воздуха определяется соотношением [78] :

Qo~r-,	• при	а > 1
Q = 1 Qo	при	а = 1	(3,90)
1+Х
Qoa-^-.	при	а < 1 -

Овозд где х= массовое стехиометрическое число.

(?газа Зависимости коэффициентов кинематической вязкости и тепло

проводности смеси Я от коэффициента избытка воздуха a при расчетах учитывались по формулам [52] :

•	1	+ а Х	ах	(3,91)
	1	+	ах
	Ѵгаза		Ѵвозд
ІаЯ—	бгаза lgЯгазаЧ~()возд lg А,Возд			^

£)газ~Г"(?возд

где дгаз и двозд — плотность газа и воздуха соответственно.

Зависимость плотности газовоздушной смеси Q от коэффици ента избытка воздуха a определялась ,тго формуле

	д	= е пгаз_1_опвозд		(3	'	93)
	ѵ	* газ 1 ѵвозд '		ѵ	'	'
где п г а з	— объемная	доля газа в	смеси;
Явозд	— объемная доля воздуха		в смеси.

Константу скорости реакции обычно определяют опытным путем. Для ее нахождения мы пользовались экспериментальны-

121:

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 / 2812 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ