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

Температура тыльной поверхности насадки при увеличении удельной тепловой нагрузки уменьшается. Это свидетельствует о преобладании скорости отвода тепла потоком газовоздушной смеси над скоростью 'подвода тепла из зоны (горения.

диафрагмы, вытесняя продукты сгорания предыдущих взрывов. Эта смесь воспламеняется от нагрева, вызванного с одной сто­

рания.

При взрыве возникает давление, препятствующее проходу новой порции смеси в поджигающее пространство, куда она смо­ жет попасть только после выхода продуктов сгорания; этот про­

распространение пламени становится невозможным. В резуль­ тате проведенных исследований, определены предельные раз­ меры зерен 2,04-2,25 мм и пор 0,20-^0,27 мм, при которых метановоздушное плоское пламя в условиях невысоких температур •окружающей среды вообще не может распространяться в глуби­ ну Г9].

Недостатками пористых насадок являются: размягчение ке­ рамической массы при высоких температурах, оплавление пор, закупоривание их пылью и механическими примесями в газе и воздухе, большое гидравлическое сопротивление.

С ж и г а н и е г а з а в п е р ф о р и р о в а н н ы х н а с а д к а х . Устранение этих недостатков в пористых насадках для беспла­ менного сжигания газа привело к разработке керамических на­ садок с искусственными порами, перфорированными цилиндри­ ческими или коническими каналами [10, 11].

Перфорированная насадка состоит из огнеупорных плиток с большим количеством сквозных цилиндрических каналов мало­

цесса горения, горение происходит в зоне малой толщины и без видимых следов пламени, а в продуктах сгорания совсем отсут­ ствует несгоревшие частицы газа и неуспевшие прореагировать промежуточные продукты реакции горения. В процессе горения на поверхности плиток и частично в каналах значительное коли-

22

Газобоз душная смесь

Рис. 1—6. Горелка ударного типа.

:в связи с небольшой длиной туннелей панельных торелок сжи­ гание fa3a производится с небольшими теплонапряжениями по сравнению с туннельными горелікаіми [13].

•24

и специальных устройств, увеличивающих активность смеси,, они обеспечивают беспламенное горение газа при температурах ниже температуры его воспламенения.

§ 1—3. Аэродинамические основы сжигания газа в перфорированных насадках

Аэродинамической основой беспламенного сжигания газа в перфорированных насадках является аэродинамика тонких струй Г15].

При сжигании газа в тонких струях имеем дело с целой си­ стемой струй, закономерности развития которых отличаются от развития свободной струи.

Для удобства рассмотрим плоские параллельные струи, те­ ория которых дана в [15, 16]-

Горелки с выходной амбразурой в виде вытянутых верти­ кальных прямоугольников, устанавливаются на одной высоте параллельно друг другу.

Газовоздушная смесь, вытекая из таких горелок, образует в пространстве факел, состоящий из системы плоских парал­ лельных струй.

До слияния в общий поток каждая из них развивается само­ стоятельно.

Благодаря эжекции, в межуструйных пространствах обра­ зуются зоны горячих продуктов сгорания, которые обеспечива­ ют устойчивое зажигание.

Малая ширина горелок и большой периметр воспламенения обеспечивают быстрое распространение пламени на все сечение факела, малую длину зоны воспламенения и расположение ядра горения вблизи устья горелок.

После воспламенения струи сливаются и процесс горения продолжается в общем потоке.

Схема метода сжигания газа в тонких параллельных струях дается на рис. 1—9.

Одним из основных конструктивных параметров при расчете насадки является величина расстояния между огневыми отвер­ стиями. Для обеспечения самостоятельного развития каждой струи на протяжении начального участка расстояние между стенками должно быть величиной порядка 5,5Ь0, где bo—полу­ ширина щели (радиус огневого отверстия). (

Горящий газовый факел на расстоянии до 8—10 калибров приближенно можно рассматривать как свободную затопленную неизотермическую струю.

Аэродинамика горящего газового факела отличается от за­ кономерностей распространения изотермической струи.

25

Рассмотрим развитие ігорящето пламени, вытекающей горю­ чей смеси, (рис. 1—10) [15].

При этом принимаются следующие предположения:

1. На участке (15-^20) bçy струя распространяется как сво­ бодная.

2. В турбулентном пограничном слое факела скорость пада­ ет от ее величины в невозмущенном ядре Ut до нуля на границе

Т0 — температура окружающей среды.

Применяя закон сохранения количества движения к началь­ ному сечению (1—1) и сечению (2—2) (рис. 1—10), для приня­ тых выше условий для единицы ширины струи, можно написать:

27

д л я — получим:

При конечной высоте струи следует учитывать расширение и по малым граням. Для этого вводится поправочный коэффи-

ъг h

циент Л -. , , • ft+Oo

При сжигании природного газа в тонких струях с подогре­ тым до 290°С воздухом при а—1,05 .получены [15] :

Тг= 1750+273

Г а = 1300+273

и, что область сгорания заканчивается в пределах начального участка.

Относительная ширина факела в конце области сгорания, подсчитанная по (1,10), для этого случая, составляет:

Т. к. при небольших значениях отношения плотности газа в струе к плотности окружающей среды отличия в закономерно­ стях распространения несжимаемой и сжимаемой струи неве­ лики, то для исследования аэродинамики горящего факела об­ ласть сгорания факела заменяют начальным участком такой изотермической струи, переходное сечение которой было бы одинаково с сечением факела в начале зоны охлаждения (рис. 1—10, сеч. 2—2) как по величине, так и по полю скоростей. Это можно сделать подбором соответствующей величины на­ чального сечения моделирующей изотермической струи.

Изотермическую струю с таким профилем скорости, как в се­ чении факела, в конце области сгорания, можно получить, за­ менив щелевую горелку расширяющимся соплом с размерами, указанными на рис. 1—10.

Для обеспечения слияния двух плоских параллельных факе­ лов в районе переходного сечения толщина стенки должна быть взята не более следующей величины

'В=Б,5Ь0+2(Ь'—Ь) «lOôo. (1,12)

Таким образом, при рассмотренном методе сжигания топли­ ва, струи сливаются в общий поток и после воспламенения пла­ мя распространяется на все сѳчение.

При этом обеспечивается устойчивое сжигание газа с прак­ тическим отсутствием химической неполноты горения.

28

В перфорированных огневых насадках беспламенных газо­ вых излучателей толщина перегородок между цилиндрическими каналами обычно имеет величину 0,5 мм, т. е. составляет по­ рядок радиуса огневого канала. Такое соотношение конструктив­ ных размеров насадки обеспечивает слияние струи, в начальном участке, т. е. образование поверхности равных скоростей над плиткой и плоского пламени.

§ 1—4. Перфорированные огневые насадки беспламенных газовых инфракрасных излучателей

Непосредственным источником инфракрасных лучей в бес­ пламенных газовых излучателях является раскаленная поверх­ ность огневой насадки, вблизи которой и частично в ней проис­ ходит горение газа. Требование сокращения размеров факела за счет увеличения скорости распространения пламени при сго­ рании 'стехиометрических смесей и обеспечение беспламенного или точнее микрофакельного сжигания газа, в единой конструк­ ции огневой насадіки, привело ,к разработке одного ш видов огневой насадки беспламенных газовых излучателей — перфо­ рированной керамической огневой насадки, с большим количе­ ством сквозных цилиндрических или конических каналов. В за­ висимости от конструкции беспламенных газовых излучателей огневая насадка может иметь различные размеры, сохраняя форму, определяемую типом излучателя и методом сжигания газа.

Керамическая огневая насадка беспламенных газовых го­ релок изготавливается из огнеупорной керамики на специаль­ ных прессах.

Материалом насадки служит легковесная огнеупорная кера­ мическая масса, пористость которой снижает коэффициент теп­

туру тыльной стороны огневой насадки, тем самым препятствует зажиганию смеси внутри горелки. Состав керамическоймассы для огневой насадки беспламенных газовых горелок не являет­ ся каким-то строго постоянным и неизменным, может быть раз­ личным, но он должен отвечать основным требованиям, предъ­ являемым к огневой насадке:

—высокая термостойкость;

—малая теплопроводность;

—механическая прочность.

Институтом СНИИМ [18] разработан и рекомендован сле­ дующий состав керамической массы для огневой насадки бес­ пламенных газовых излучателей и технологический режим их изготовления:

29

Шамот, глина и окись железа размалываются, перемешива­ ются и смачиваются водой. Полученная смесь отвешивается и загружается в прессформу. Стенки прессформы и пуансоны предварительно смазываются машинным маслом. Спресованные

при температуре 900°С. После предварительного обжига произ­ водится окончательный обжиг насадки при температуре 1300—• 1350°С в течение 8 часов. При обжиге насадка загружается в печь, температура которой не превышает 150°С. После обжига насадка охлаждается вместе с печью до температуры 60—80°С.

Институтом «Гипрониигаз» и ИГ АН УССР предложен дру­ гой состав керамической массы для перфорированной керами­ ческой огневой насадки газовых инфракрасных излучателей и технология ее изготовления [19]:

Приготовленный состав обезвоживается на фильтропрессах или гипсовых плитах до остаточной влажности 30%, после чего добавляется на 10 кг массы 1 кг асбестита (асбест хризонтило-

2.Обжиг от 850°С до 950°С с плавным нарастанием темпе­ ратуры в течение 2-х часов.

3.Выдержка при 950°С в течение 2-х часов.

4.Остывание вместе с печью.

Крепление плиток к горелке и между собой производится при помощи замазки, состоящей из 85% шамота и 15% жаро­ стойкого портландцемента, марки 500, 600. Замазка разводится на жидком стекле до получения густой массы.

Нашей промышленностью, по рецептуре института «Гипро­ ниигаз» серийно выпускаются перфорированные керамические плитки для огневой насадки газовых горелок инфракрасного

30

излучения. Выпускаемые, например, Саратовским заводом газо­ вой аппаратуры Мингазпрома СССР перфорированные керами­ ческие плитки для газовых горелок инфракрасного излучения, работающих на природном и сжиженном газах, имеют размеры

насадка любого размера и формы в зависимости от конструкции газового излучателя.

Диаметр и шаг каналов перфорированной керамической огне­ вой насадки выбирают в зависимости от 'свойств сжигаемого

может быть значительно большим, а именно: 1,8—1,5 мм. Отвер­ стия каналов размещаются так, что расстояние между их цент­ рами по всем направлениям одинаковы, а минимальная толщи­

каналов обеспечивают малое гидравлическое сопротивление на­ садки и высокое теплонапряжение поверхности [19].

При условии правильного выбора диаметра каналов устойчи­ вость сжигания данного газа будет зависеть от свойств материа­ ла керамической насадки, главным образом, от таких факторов, как коэффициент теплопроводности, пористость и объемный вес.

На рис. I—Па приводится схема перфорированной керами­ ческой огневой насадки беспламенных газовых излучателей.

Другой разновидностью излучающей насадки беспламенных газовых инфракрасных излучателей является керамикосетчатая огневая насадка (рис. I—Пб). Конструктивно она отличается от чисто керамической огневой насадки тем, что над керамикой на расстоянии 84-12 мм устанавливается жаропрочная металличе­ ская сетка. Установка над керамикой металлической сетки в ГИИ позволяет повысить температуру керамики без изменения тепловой нагрузки [22]. Правильный выбор конструктивных параметров металлических сеток в значительной степени влияет на интенсивность излучения и эффективность работы беспла­ менных горелок инфракрасного излучения с керамико-сетчатыми огневыми насадками [23].

Сетка интенсифицирует процесс сжигания газа и способст­ вует выравниванию температуры поверхности излучающей ке­ рамики, обеспечивает дополнительную стабилизацию горения и повышает температуру керамики на 50—100°С.

31