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

ной пламени будет тем меньшей частью, этой компоненты тече­ ния, чем больше локальная скорость.

Из этих трех величин • ff , ті0 и U іможно составить без-

аи

размерную величину.

dy U

называемую коэффициентом растяжения пламени, который ха­ рактеризует 'степень охлаждающего действия градиента скоро­ сти на пламя. Высокие значения К связываются с заметным охлаждением галамени. іВ [41] показано, что большое количест­ во опубликованных экспериментальных данных ото отрыву угле­ водородов (рис. 3—6), удовлетворяет соотношению:

Горюче/Окиси-,

КОЭФФИЦИЕНТ ИЗБЫТКА ТОПЛИВА

Рис. 3—6. Зависимость коэффициента растяжения пламени от состава горю­ чей смеси.

62

Связь между составом смеси и граничным градиентом скоро­ сти при отрыве пламени, которую обычно приписывают физиче­ ской картине, представленной в теории Льюиса и Эльбе, следует как частный случай формулы (3,2).

Таким образом, для бедных смесей или богатых смесей в инертной атмосфере критерий К отрыва не зависит от состава смеси.

ким и рассматривать перемешивание в пограничном слое струи

нию потока. Д л я больших отношений —^- профиль скорости па­ раболический и больше не имеет место подобие между полем скоростей и полем концентрации горючего газа. Механизм от­

рыва пламени в [42] не отличается от представленного нами

/

выше и кроме того, не определено точно, какие —^- считать ма­ лыми. В физической картине отрыва пламени, представленных выше теорий, существенную роль играют величины мертвого пространства. Согласно [42]-, где представлены результаты из­ мерений мертвого пространства для некоторой области отно­ шений 'между воздухом и газам в горючей смеси природного газа, мертвое пространство уменьшается, как показано на рис.

3—7, линейно при увеличении содержания воздуха и смеси. Ранее было показано, что при уменьшении скорости истече­

ния газовоздушной смеси пламя будет двигаться вверх против течения, мертвое пространство будет уменьшаться и, если ско­

63

т. е. распространение горения внутрь трубки. На основании схе­ мы, представленной на рис. 3—2, можно легко прийти к выводу, что критическим условием проскока является равенство местно­

критическое равенство (3,3) можно заменить приближенным

ментальные значения градиента скорости при проскоке пламени для трубок разного диаметра должны укладываться на одну кривую, представляющую зависимость градиента скорости от коэффициента избытка воздуха. Подтверждением последнего может служить нижняя кривая на рис. 3—4. Ранее отмечалось, что такой же закономерности подчиняются данные по отрыву пламени, обработанные в терминах градиента (верхняя кривая на рис. 3—4). Отсутствие максимума на кривой отрыва объяс­ няется разным влиянием диффузии и атмосферного воздуха на

64

Согласно [39], можно предположить, что при проскоке каса­ ние профилей скорости течения и скорости распространения пламени происходит в точке Uua=U, т. е. на расстоянии глу­ бины проникновения уП р от стенки.

Тогда можно приближенно написать

ная длина для ламинарного распространения пламени, х — тем­ пературопроводность смеси, получим:

Репл= — — — критерии Пекле для пламени.

Хотя, как показано на рис. 3—8, где нанесены эксперимен­ тальные данные по проскоку [43], обработанные в критериях Ре и Рвщі, зависимость (3,10) для разных газов и диаметров выполняется легко, можно заметить, что при и с р = и п л и £/С р = 0 формула (3,10) приводит к противоречию. Поэтому к ?тому критерию нужно относиться осторожно [39] .

1,4 г

Рис. 3—7. Величина мертвой зоны природного газа как функция отношения между воздухом и газом в смеси.

§ 3—2. Влияние температуры стенок

огневого канала на устойчивость горения

Рассмотрение принципов стабилизации приводит к выводу (§ 3—1), что определяющую роль для устойчивости горения по отношению к отрыву и проскоку пламени играет отношение между распределением по сечению потока скорости истечения горючей смеси и распределением скорости распространения го­ рения.

Экспериментальные и теоретические исследования скорости распространения ламинарного горения показывают [44], что скорость распространения пламени Uun значительно увеличива­ ется при повышении начальной температуры горючей смеси.

Теоретические расчеты [39] распространения ламинарного горения приводят к следующей приближенной зависимости нор­ мальной скорости распространения реакции горения второго порядка от начальной температуры смеси и температуры го­ рения

Несколько другая зависимость скорости распространения пламени от температуры горючей смеси получена в [46] при обработке экспериментальных данных по распространению го­ рения в метано-кислородных смесях. Согласно [46], зависимость скорости пламени от температуры газа может быть представ­ лена следующим образом:

где Unn0— значение скорости пламени при комнатной темпе­ ратуре 7о=293°К;

п — 1, 2 для большого интервала концентраций и толь­ ко при приближении к границам концентрации воз­ растает.

Зависимости скорости пламени от температуры смеси, полу­ ченные в [46], представлены на рис. 3—9 и рис. 3—10.

Представленное на рисунках отличие между скоростью рас­ пространения пламени в холодных и нагретых смесях того же состава, должно приводить к изменению пределов устойчивости горения вследствие подогрева горючей смеси. Действительно, предположим, что у нас имеется поток нагретой горючей смеси и, что его градиент скорости в пограничном слое анагр несколько больше градиента проскока холодной смеси ^пр.хол. Соответст­ венно скорости потоков смеси на глубине проникновения хп р н будут удовлетворять неравенству

Так как критическим условием проскока пламени является ра­ венство скорости смеси и скорости пламени на глубине проник­ новения

то из неравенства (3,16) следует, что при проскоке пламени на­ гретой смеси должно выполняться неравенство (3,15). Следо­ вательно, чем больше начальная температура горючей смеси, тем больше скорость распространения пламени и тем больше скорость истечения, при которой уже происходит проскок пла­ мени. С помощью теории отрыва пламени Льюнса и Эльбе, представленной схематично на рис. 3—3 в § 3—1 легко прийти к выводу, что увеличение скорости распространения пламени вследствие подогрева смеси должно сопровождаться увеличе­ нием критического градиента скорости потока смеси при отрыве пламени. Последнее следует также из другой, более общей тео­ рии отрыва, теории растяжения пламени, согласно которой при отрыве должна оставаться постоянной величина

где £отр. — градиент скорости истечения смеси при отрыве; по — ширина зоны предварительного подогрева.

Из равенства (3,18) следует, что подогрев смеси, который при­ водит к увеличению скорости пламени должен одновременно сопровождаться увеличением критического градиента отрыва.

68

Рис. 3—9. Влияние температуры на скорость пла­ мени метано-кислородных смесей.

ѵ \

Рис. 3—10. Скорости пламени метано-кислород­ ных смесей (см/сек) при различных температурах в зависимости от концентрации СЯ4 (%).

Таким образом, температура горючей смеси влияет на пре­ делы устойчивости горения по отношению к проскоку пламени. При повышении температуры смеси пределы устойчивости по отношению к проскоку уменьшаются, а по отношению к отрыву пламени увеличиваются.

Подтверждением последнего вывода могут служить экспери­ ментальные измерения [46], согласно которым градиент скоро-

69

сти при проскоке пламени метано-кислороднои смеси увеличи­ вается с повышением температуры для всех исследованных сме­ сей прямо-пропорционально скорости пламени, что соответству­ ет формуле (3,18), или несколько медленнее. Градиенты скоро­ сти проскока при различных температурах смеси показаны на рис. 3—11.

if-

Рис. 3—11. Градиенты проскока (в сек~1) лами­ нарных метано-кислородных пламен при разных температурах в зависимости от концентрации СЯ*(%).

Расчеты [46] критерия Пекле при проскоке для потока сме­ си Ре и для пламени Репп, с учетомм температурного изменения температуропроводности, показали, что соотношение

70

Считая, что Гц (температура воспламенения — зажигания) не зависит от Т, значения Тв вычисляют для каждой пары экс­ периментально определенных градиентов скорости у стенки для данной газовоздушной смеси с помощью соотношения

g l _ /^(Е/плЬ-ЩпрнЬ

и уравнений (3,20) — (3,22). Затем из полученного уравнения определяют Тв. Значения Тв, определенные по различным па­ рам, усредняют и среднее значение используют для расчета градиентов в исследуемом температурном интервале.

Датгер [48] предложил другой метод, в котором исключена необходимость определения Г в и приближенно учитываются из­ менения тепловых характеристик и скорости реакции. Зависи­ мость скорости пламени от абсолютной температуры смеси при­ нимается по уравнению академика Н. Н. Семенова для бимоле­ кулярной реакции [49]

ченные формулы для определения скоростей проскока й отрыва

7!