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

При работе горелки металлическая сетка раскаляется и служит вторичным излучателем, что увеличивает коэффициент излучения ігореліки, так как сетка нагревается до 800—900°С Она изготавливается из жаростойкой хромоникилевой стальной про­ волоки диаметром 1,1—1,3 мм с размерами квадратной ячейки 2,3—2,5 мм и живым сечением 40—50%. Для керамических пли­ ток с ребристой или волнистой поверхностью живое сечение может быть больше 50%.

Металлические сетки снижают устойчивость горения к про­ скоку пламени, для предотвращения которого несколько умень­ шают номинальные удельные расходы газа для горелок с металлокерамической насадкой по сравнению с керамической.

Сетка уменьшает влияние внешних потоков воздуха и спо­ собствует стабильной работе излучателя.

Для высокотемпературных газовых инфракрасных излуча­

поэтому рабочие температуры поверхности изучения могут быть выше 1350°С.

32

a

ь

Рис. 1—11. Схема перфорированных керамических (а) металлокерамических (б) и высокотемпературных

огневых насадок.

/ ) . П е р ф о р и р о в а н н а я керамика, г). Ж а р о п р о ч н а я металлическая сетка.

ГЛАВА II. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ ПЕРФОРИРОВАННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ОГНЕВЫХ НАСАДОК

§ 2—1. Общие условия работы перфорированных насадок

Применяемые в качестве огневых насадок беспламенных га­ зовых инфракрасных излучателей перфорированные керамиче­ ские плитки имеют различное конструктивное исполнение. Об­ щим для всех типов керамических огневых насадок из огнеупор­ ного материала, состоящих из большого числа сквозных цилин­ дрических каналов малого диаметра, является принцип сжига­ ния газовоздушной горючей смеси. На рисунках 1—5 и I — I I приведены общий вид и схемы керамических перфорированных огневых насадок, применяемых в беспламенных газовых инфра­ красных излучателях. Полностью подготовленная газовоздуш­

с интенсивным подогревом газовоздушной смеси в каналах пер­ форированной огневой насадки позволяет достигнуть наиболее полного сжигания газа и устранить появление опасного спут­ ника процесса горения — окиси углерода.

Процесс сжигания газовоздушной смеси в перфорированных керамических насадках инфракрасных излучателей или горел­ ках инфракрасного излучения как бы разделяется на две фазы:

1. Благодаря предварительной подготовки до стехиометрического состава газовоздушной смеси, горение происходит в зо­ не малой толщины над поверхностью насадки и в устье огневых каналов. Значительное количество тепла отдается керамической насадке, поверхность которой уже через 40—50 секунд после зажигания горелки, разогревается до температуры 800—900°С.

Керамическая насадка становится мощным источником теп­ лового излучения, температура излучающей поверхности кото­ рого, меняется с изменением тепловой нагрузки.

2. Разогреваясь на' поверхности и прогреваясь на некоторую глубину, огневая насадка предварительно подогревает газовоз­ душную смесь в цилиндрических каналах. Скорость распростра­ нения пламени увеличивается, благодаря этому, повышается устойчивость пламени по отношению к отрыву. Устойчивость пламени в отношении проскока обеспечивается тем, что отвер­ стия в огневой насадке изготовляются малого диаметра [27].

На рисунке 2—1 схематично показано распределение тепло­ вых потоков в керамической перфорированной огневой насадке. Тепло, освобождаемое в результате горения, выделяется внутри очень узкой зоны горения и из зоны реакции передается:

а) во внешнюю среду с продуктами сгорания — изображено волнистой стрелкой;

б) во внешнюю среду радиацией от керамики и пламени — показано пунктирной стрелкой;

в) вглубь насадки теплопередачей через стенки каналов — показано стрелками в стенках каналов;

г) потоку газовоздушной смеси, показанному двойными стрелками.

Протекающий через каналы перфорированной огневой на­ садки, газовоздушный поток все-время забирает часть тепла. Температура газовоздушной смеси в огневых каналах перфори­ рованной керамической огневой насадки практически равна тем­ пературе стенки канала. После достижения состояния равнове­ сия тепловых потоков во времени температура в любой точке сечения газовоздушного потока и керамической огневой насадки одинакова [28].

§ 2—2. Температура горючей смеси в огневых каналах

Рассмотрим перфорированную керамическую огневую насад­ ку горелки толщиной h с постоянным коэффициентом теплопро-

36

смесь, проходящая через цилиндрический канал огневой насад­ ки, имеет температуру f. Начало координат системы находится на огневой поверхности насадки (рис. 2—2).

Горючая

смесь

Рис. 2—2. К расчету температуры горючей смеси в огневых каналах.

Весовая скорость горючей смеси (произведение удельного ве­

происходит во всем объеме огневой насадки, то необхоимо учи­ тывать ее пористость относительно каналов.

Для перфорированных керамических огневых насадок с ци­ линдрическими каналами эта объемная пористость совпадает с коэффициентом живого сечения поверхности

37

где 2/ — общая площадь поперечного сечения каналов огневой насадки горелки, м%\

Fn — общая площадь огневой поверхности насадки го­ релки, м2.

'Рассмотрим единицу площади огневой поверхности насадки горелки FB=l. Площадь поперечного сечения каналов в нор­ мальном направлении к потоку согласно (2,1) равна q>, а пло­ щадь поперечного сечения стенок

Теплопередача от стенок каналов к горючей смеси пропор­ циональна площади контакта между стенками каналов и горю­

и потоком горючей смеси. Теплопередача в стенках каналов, а

M — число каналов единичной площади перфориро­ ванной керамической огневой насадки.

Количество тепла, поступающее от стенок канала к горючей смеси, будет

dq=GCCMdf. (2,5)

Продифференцировав (2,3) и (2,5) по х, получаем из (2,3) — (2,5) систему трех одновременных дифференциальных уравнений:

38

Введем обозначения:

получим линейное однородное дифференциальное уравнение 3-го порядка, описывающее теплопередачу в стенках керамической перфорированной огневой насадки газовых горелок инфракрас­ ного излучения

dH . d4 ' dt п

39

Найдем b и с из опытных данных, полученных при сжигании природного газа (с тепловой сгорания 8500 ккал/нм3) в горел­ ках инфракрасного излучения с перфорированной керамической огневой насадкой, диаметр отверстия которой— 1,55 мм [25, 34].

40

Известно, что при сжигании природного газа с коэффициен­

начальной температуре смеси 20°С, хотя несомненно, что в ре­ зультате теплообмена с тыльной стороны плитки она несколько повышается перед тем как войти в ее каналы.

Принимаем сск согласно [35] для керамических каналов пер­ форированных огневых насадок с цилиндрическими каналами

на очень большую величину er2h и пренебрегая сравнительно малыми слагаемыми, получим

Подставляя С ь С2 и С3 из (2,30) в і(2,14) и (2,16), получаем тем­ пературу стенки и смеси в любой точке х

41