4.1 Горение предварительно приготовленной однородной горючей смеси

При ламинарном движении поле скоростей газового потока внутри горелки имеет параболический характер (рис. 21, кривая 1). Так как в горелке давление газо­воздушного потока несколько выше атмосферного, то на выходе из горелки происходит расширение струи. При горении расширение струи происходит также в ре­зультате повышения температуры горючей смеси при ее нагреве от пламени. Расширение струи вызывает из­менение поля скоростей потока в выходном сечении горел­ки (рис. 21, кривая 2). При развитии струи в объеме топки происходит эжектирование газов из окружающей среды; объем газов в струе по мере ее удаления от устья возрастает, струя расширяется и принимает коническую форму (рис. 21, кривая 3).

Если горючую смесь поджечь вблизи устья горелки, то образующееся пламя будет распространяться в глубь струи в направлении ее оси навстречу потоку свежей горючей смеси, вытекающей из горелки. В ламинарном факеле при горении однородной горючей смеси фронт горения представляет собой очень тонкий устойчивый слой без пульсаций и вибраций газа.

Геометрическая форма фронта пламени зависит от двух скоростей: осевого движения газа в струе ω и нормального распространения пламени u_H. Последняя скорость направлена в сторону свежей смеси по нормали к фронту пламени в любой его точке. Соответственно этому поверхность фронта пламени принимает форму конуса, образующая которого имеет вид кривой (рис. 21, кривая 4). Чем больше отношение между средней скоростью струи ω и скоростью распространения пламе­ни u_H, тем больше длина пламени.

Если из горелки выходит предварительно приготовлен­ная однородная горючая смесь, содержащая весь необ­ходимый для полного горения воздух (α 1), то в зоне горения протекают только химические реакции между горючим! веществами и окислителем, скорость которых определяется химической кинетикой. Поэтому ламинар­ное горение однородной горючей смеси называется кине­тическим. Необходимо отметить, что по мере развития реакций изменяется концентрация реагирующих веществ (исходных веществ и конечных продуктов реакции) и возникает градиент концентрации, вызывающий диф­фузию реагирующих веществ. Таким образом, при го­рении предварительно приготовленной горючей смеси диффузия происходит, но она существенного влияния на"процесс горения не оказывает.

В результате экспериментальных и теоретических исследований установлено, что длина кинетического ла­минарного факела l_Ф прямо пропорциональна радиусу струи r₀ и средней скорости потока и обратно пропорциональна скорости распространения пламени u_H, т. е.

; (73)

В любой точке фронта пламени скорость поступательного движения струи w можно разложить на две состав­ляющие: нормальную к фронту пламени w_Н и танген­циальную w_t (см. рис. 21). Нормальная составляющая осевой скорости газа компенсируется скоростью распро­странения пламени u_H, тангенциальная же составляю­щая скорости газа ничем не компенсируется. Поэтому слой горящего газа, образующий фронт пламени, будет «сноситься» вдоль поверхности фронта пламени от устья к его вершине. Следовательно, горение может быть устойчивым только при условии непрерывного поджигания газа в устье горелки. Если поджигание пре­кратить, то пламя будет сноситься к вершине и погаснет. Такое явление называется отрывом факела.

При развитии факела в открытой атмосфере непрерыв­ное поджигание газовоздушной смеси можно обеспечить путем создания в устье горелки кольца горящего газа, называемого зажигающим кольцом. Возможность обра­зования зажигающего кольца создается аэродинамическими условиями движения газовоздушного потока на периферии струи вблизи устья горелки. При ламинарном истечении газа из сопла скорость потока уменьшается от оси к периферии. На срезе сопла (горелки) разуется заторможенная кольцевая зона газа со скоростью движения, близкой к нулю. В эту заторможенную кольцевую, зону им горючей газовоздушной струи вследствие ее расширения на срезе горелки, а также результате диффузии горючего газа непрерывно поступает горючая смесь. Ее состав соответствует состав смеси в струе, вытекающей из горелки. В то же время вследствие конвективного и диффузионного массообмена в заторможенную кольцевую зону из окружающей среды проникает воздух, понижая тем самым в ней кон­центрацию горючего. Если в результате этих процессов концентрация горючего в заторможенной зоне не вый­дет за пределы воспламенения, то при поджигании по­сторонним источником газ в заторможенной кольцевой зоне горит устойчиво. Устойчивое зажигающее кольцо сохранится и после устранения источника зажигания, если в устье горелки на периферии струи скорость рас­пространения пламени u_H будет равна скорости движе­ния струи, т. е. u_H =w. Понижение скорости распространения пламени u_H до очень низкого значения, соответствующего скорости газа в периферийной зоне струи, может происходить вследствие разбавления горючей сме­си воздухом из окружающей среды и охлаждающего действия стенок горелки.

Таким образом, для устойчивого существования зажигающего кольца в открытой атмосфере необходимо поддержание в нем концентрации газа в пределах вос­пламенения и соблюдение равенства w = u_H. Если ско­рость потока в зоне зажигающего кольца w > u, то зажигающее кольцо будет сноситься потоком и прои­зойдет отрыв факела. Если же w < u_H, то зажигающее кольцо может проникнуть внутрь горелки, т. е произой­дет проскок пламени в горелку. В том и другом случае горение факела прекращается, а проскок пламени в горелку больших размеров может вызвать в ней взрыв горючей смеси и разрушение горелки.

При сжигании предварительно приготовленной горю­чей смеси с α > 1 концентрация газа в зажигающем коль­це вследствие его разбавления воздухом и продуктами сгорания будет значительно ниже стехиометрической, особенно при высоком значении α в горючей смеси. По­этому горение предварительно приготовленной газо­вой смеси с α > I в открытой атмосфере отличается низкой устойчивостью. В топке устойчивое поджигание факела обеспечивается теплотой горячих газов, инжек­тируемых к корню факела и диффундирующих в горю­чую смесь. Однако и здесь необходимо учитывать воз­можность отрыва факела.

При турбулентном горении однородной горючей смеси характер распространения фронта пламени определя­ется взаимодействием двух скоростей: скорости осевого движения газа в струе w и скорости распространения турбулентного пламени u_Т. Последняя значительно вы­ше скорости распространения ламинарного пламени и зависит от гидродинамических характеристик струи — степени турбулентности, пульсационной скорости и др. От источника зажигания (зажигающего кольца или раскаленных топочных газов и стен топки) воспламенение турбулентной струи так же, как и ламинарной, на­чинается в ее наружных слоях. От воспламенившихся периферийных слоев турбулентной теплопроводностью и турбулентной диффузией теплота передается сосед­ним слоям, вызывая их последовательное воспламене­ние, которое протекает на поверхности 1 (рис. 22), называемой поверхностью воспламенении. Внутри ее на­ходится только свежая невоспламенившаяся смесь. Про­тяженность этой поверхности и направлении оси потока называется длиной зоны воспламенения l_З.B. Длину зоны воспламенения турбулентного факела можно определить

из уравнения (74), если скорость распространения нормальное пламе­ни u_H заменить на ско­рость распространения турбулентного факела u_Т:

; (74)

При турбулентном го­рении вследствие пуль­саций частиц газа фронт пламени размывается и горение протекает в слое 2, толщина которого зависит от масштаба тур­булентности. При развитой турбулентности од воз­действием турбулентных пульсаций части газ фронт пламени искривляется, непрерывно видоизменяется и разрывается на отдельные очаги горящих элементар­ных объемов. Таким образом, фронт пламени дробится на отдельные горящие частицы, окруженные продуктами сгорания; при этом толщина фронта пламени резко возрастает.

Толщина фронта турбулентного пламени зависит от характеристик потока — масштаба турбулентности l_т, пульсационной скорости отдельных молей газа w' и свойств горючей смеси, определяемых скоростью рас­пространения нормального пламени u_H. Толщину фронта турбулентного пламени по оси струи можно определить из уравнения

; (75)

Внешней границей фронта пламени является поверх­ность 3, которая называется видимой границей фронта пламени. Исследованиями установлено, что в пределах видимого фронта горения выгорает до 90 % горючей смеси.

Горение завершается за видимым фронтом. Зона 4 между видимым фронтом 3 и поверхностью 5, ограничивающей зону полного выгорания, называется зоной догорания, длина которой по оси факела обозначена l_д. Дли­на зоны догорания зависит от кинетических и диффузионных процессов в этой зоне и может быть определена только экспериментально.

Полная длина турбулентного факела при горении од­нородной смеси

; (76)

Поскольку одним из факторов, определяющих про­цесс турбулентного горения, является скорость распро­странения турбулентного пламени ц_т, зависящая от гидродинамических характеристик струи, то, следова­тельно, и скорость турбулентного горения будет оп­ределяться не только кинетическими, но и гидродина­мическими условиями. Роль диффузионных факторов в процессе турбулентного горения особенно существенна в режиме крупномасштабной турбулентности вследствие значительного увеличения толщины фронта пламени, его пульсаций и вибраций, вызывающих разрыв фронта пламени, с образованием обособленных микрофакелов горения.

В открытой атмосфере непрерывное поджигание тур­булентного факела так же, как и ламинарного, возмож­но при помощи зажигающего кольца в устье струи. Питание зажигающего кольца горючей смесью производится обратными вихревыми токами, образующимися в устье горелки при турбулентном истечении струи. Однако вследствие эжектирующего эффекта турбулентной струи в основании факела появляется интенсивный спутный поток газа из окружающей среды, который стремится занести зажигающее кольцо с устья горелки и вызвать затухание факела. Поэтому при прочих равных условиях турбулентный факел менее устойчив, чем ламинарный. При турбулентном горении однородной горючей смеси так же, как при ламинарном, возможен проскок пла­мени в горелку. Проскок может произойти вблизи стенки горелки в ламинарном подслое, где при определенных условиях скорость распространения пламени может превышать скорость движения газа. В однородной горючей смеси с необходимым для полного горения ко­личеством воздуха (α > 1) все молекулы горючих ве­ществ тщательно перемешаны с молекулами кислорода воздуха. Так как температура термического разложения углеводородных соединений выше температуры их вос­пламенения, то при горении все молекулы окисляются до химически полных оксидов, что исключает возмож­ность термического разложения углеводородных моле­кул с образованием частиц сажи. Такое горение является полным (без потерь теплоты), а факел, состоящий из химически полных оксидов,— прозрачным, с малой степенью светимости. При этом фронт пламени приобре­тает голубоватый цвет и его часто называют голубым конусом.

Таким образом, характерными признаками горения однородной горючей смеси является высокая экономич­ность процесса, протекающего без потерь теплоты, и сравнительно короткий прозрачный факел с малой сте­пенью светимости.