Строение газового пламени при кинетическом способе сжигания
Факельный вид горения. Диффузионный, кинетический режимы горения.Кинетическое ламинарное пламя. Форма пламени. Уравнение поверхности пламени. Устойчивость пламени. Проскок и отрыв пламени. Критерий устойчивости. Диффузионное ламинарное пламя. Форма пламени. Решение Бурке-Шумана. Смешанное диффузионно-кинетическое пламя.
1.Факельный вид горения.
Этот вид горения осуществляется с помощью горелок. Он имеет широкое распространение ( хотя есть другие разнообразные способы организации горения : кипящий слой , пористая среда , каналы и.т.д.; кроме того, для твердых ракетных топлив и порохов существуют свои специальные способы организации горения ).
Это наиболее старый способ сжигания топлива.
Используется в котельных установках, технологических печах и аппаратах, в быту, а также в ПВРД.
Таким образом, факел представляет собой стационарное пламя правильной формы, возникающее в струе горючей смеси (механизм образования не имеет значения)
Форма пламени зависит от следующих факторов:
- типа (формы и устройства) горелки;
- степени смешения горючего и окислителя;
- характера потока горючей смеси;
Фронт воспламенения — это граница между ядром и зоной воспламенения. Ядро — это область в которой сохраняются основные параметры воспламенения. Форма и размер определяются интенсивностью смешения горючего с окислителем.
Рис.1. Простейшая схема факела.
Внешне воспринимается как совокупность темного конуса и светящейся эллипсоидальной области.
LВ — зона воспламенения (до фронта воспламенения), ядро факела , форма ее конус;
d — фронт воспламенения, его толщина много меньше LВ и LФ (в случае турбулентного горения толщина ее значительна)
LД — зона догорания, имеет эллипсоидальную форму,
LФ – длина факела в целом , имеет эллипсоидальную форму.
Эффективность горения определяет LФ
2. Диффузионный и кинетический режимы горения.
      Факел, который образуется при истечении топлива в среду окислителя (или окислителя в среду топлива, горючего). Его называют — диффузионным факелом — (диффузионное горение, диффузионное пламя).
      Факел, который образуется при истечение заранее подготовленной смеси топлива и окислителя в окружающую среду (она может быть тоже окислительной). Такой тип называют — кинетическим факелом — (кинетическое горение, кинетическое пламя).
      Для первого типа главную роль играет явление диффузии, смешения (молекулярной, турбулентной).
      Для второго типа главную роль играет кинетика химических реакций (тепловой и цепной механизмы распространения пламени).
       Горение – это процесс преобразования смеси одних химических соединений в смесь других химических соединений (продуктов горения), текущий в режиме самоорганизации и сопровождающийся (обычно) выделением тепла и света.
tпреобр = tсмеш + tнагрева + t хим.р. , где
tсмеш – время, необходимое для подвода окислителя к топливу (время смешения); tнагрева – время нагрева компонентов горения до температуры воспламенения; t хим.р. – время протекания химической реакции горения.;
При кинетическом режиме горения интенсивность горения ( tпреобр ) определяется концентрацией горючего (составом смеси), родом горючего и окислителя, температурой и давлением смеси, т.е. зависит от того же, чем определяется скорость химических реакций, – зависит только от кинетики самих химических реакций. Поэтому такой вид горения и называется — кинетическим .
При диффузионном режиме горения tпреобр определяется гидродинамикой геометрической области преобразования, т.е. определяется интенсивностью процесса смешения, а также родом горючего и окислителя.
3.“Кинетическое” ламинарное пламя.
       Кинетическое пламя – это горение однородной газовой смеси, которое происходит благодаря распространению пламени в горючей смеси, непрерывно поступающей в топочную камеру.
      Ламинарное “кинетическое” пламя – имеет место при ламинарном движении горючей смеси.
      Пусть в горелку, расположенную вертикально, во избежании искривления факела подаётся однородная смесь. При ламинарном движении смеси скорость её движения распределяется в горелке по параболе. Аналогичное распределение скорости сохраняется и на выходе из горелки: у стенок горелки скорость очень мала, далее она возрастает, достигая максимального значения на оси горелки.
      При зажигании в устье горелки вблизи её среза в точках, где скорость потока равна скорости нормального распространения пламени Uн , пламя держится устойчиво, образуя зажигающее кольцо, обеспечивающее непрерывное зажигание поступающей смеси по периферии струи. У стенок горелки, где скорость смеси менее, чем Uн , пламя не может проникнуть в горелку, так как вследствие теплоотдачи через стенки скорость распространения пламени уменьшается и становится меньше скорости струи в этом месте.
Рис.2. Распределение по скоростям в пламени горелки
      Кольцевая зона зажигания образуется естественно в результате замедленного движения на периферии горелки и диффузии горючего газа из потока наружу.
      Пламя в процессе распространения от периферии к центру одновременно относится потоком, и в результате этого достигает оси струи на некотором расстоянии от устья горелки, образуя конусообразный факел. Тонкая зона горения, образующая фронт пламени, обычно имеет ярко-голубой цвет, благодаря чему в пространстве факел чётко выделяется.
      Время, необходимое для распространения пламени от периметра горелки до центра струи
       
    ,где R – радиус горелки.
За это время центральные струи, двигаясь со скоростью W , проходят расстояние
которое соответствует длине факела. Получаем, что длина ламинарного факела равняется
      При данном диаметре горелки форма факела и его размеры зависят от скорости распространения пламени и скорости потока в отдельных точках струи. Чем больше скорость распространения пламени и меньше скорость потока, тем короче факел, и, наоборот, чем меньше Un и больше W , тем длиннее факел. При данной скорости выхода смеси из горелки длина факела зависит от скорости распространения пламени, т.е. от природы сжигаемого газа, его концентрации в смеси и температуры газо-воздушной смеси. С увеличением диаметра горелки длина факела увеличивается.
      Таким образом, горение протекает по поверхности конусообразного факела, причём глубина зоны горения составляет десятые доли миллиметра, основной же объём факела остаётся инертным.
4.Уравнение поверхности. Устойчивость пламени.
      Фронт пламени однородной смеси принимает устойчивое положение по конусообразной поверхности, в каждой точке которой нормальная к ней составляющая Wn скорости движения газа равняется нормальной скорости распространения пламени, т.е.
— уравнение фронта пламени
,где W – местная скорость потока.
φ – угол между направлением внешней нормали к фронту пламени и местной скоростью потока.
      Кроме области вблизи горелки или кромки стабилизатора W намного больше нормальной скорости распространения пламени.
      В открытом факеле при ламинарном горении однородной смеси с зажиганием по периферии устья круглой горелки фронт пламени принимает устойчивое положение по конусообразной поверхности.
      Метод сжигания однородной газо-воздушной смеси в ламинарном потоке не имеет промышленного распространения и применяется лишь в небольших нагревательных приборах.
5.Проскок и отрыв пламени.
   
Риc.3 Распределения скорости пламени и потока (по абсол.величине, без учета направления) в случае отрыва (а) и проскока (б).
КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОСТИ — условие касание кривых W и U вблизи от R стабилизатора (стенок горелки)
6. Диффузионное ламинарное пламя.
Пламя, которое образуется при истечении топлива в среду окислителя, называется диффузионным.
Рис.4 Форма диффузионного пламени а) при избытке окислителя, б) при избытке горючего.
Ламинарное диффузионное пламя наблюдается при ламинарном истечении горючего и окислителя.
Ученые предложили следующую модель пламени рассматривали пламя как процесс изотермического смешения в однородном газе. Предположение Бурке и Шумана сводятся к следующему:
- скорость химической реакции бесконечно велика, зона горения представляет собой плоскость.
- число молей постоянно.
- диффузия происходит только перпендикулярно к массовому потоку.
- скорости газа и воздуха в зоне пламени постоянны и равны скоростям в набегающих потоках.
- коэффициенты диффузии всех компонентов постоянны и равны друг другу.
Пункты 4 и 5 означают, что горение протекает при = const
Используя уравнение диффузии Эйнштейна у 2 =2Dt ,где
y – среднее расстояние диффузии.
D – коэффициент диффузии.
t — время, получаются следующие выражения
    
  ,где
— высота пламени при низкой скорости течения.
D — средняя скорость во внутренней трубке.
R — радиус внутренней трубки,
Ω – объем расхода газа через горелку.
Источник
Горение газа
Горением называют быстро протекающую во времени химическую реакцию соединения горючих компонентов топлива с кислородом воздуха, сопровождающуюся интенсивным выделением теплоты, света и продуктов сгорания.
Для метана реакция горения с воздухом:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q н
C 3 H 8 + 5O 2 = 3CO 2 + 3H 2 O + Q н
Для СУГ:
C 4 H 10 + 6,5O 2 = 4CO 2 + 5H 2 O + Q н
Продуктами полного сгорания газов являются водяные пары (H 2 O), диоксид углерода (CO 2 ) или углекислый газ.
При полном сгорании газов цвет пламени, как правило, голубовато-фиолетовый.
Объемный состав сухого воздуха принимается: O 2 ≈ 21%, N 2 ≈ 79%, из этого след., что
1м 3 кислорода содержится в 4,76м 3 (≈5 м 3 ) воздуха.
Вывод: для сжигания
— 1м 3 метана необходимо 2м 3 кислорода или около 10м 3 воздуха,
— 1м 3 пропана – 5м 3 кислорода или около 25м 3 воздуха,
— 1м 3 бутана – 6,5м 3 кислорода или около 32,5м 3 воздуха,
— 1м 3 СУГ
6м 3 кислорода или около 30м 3 воздуха.
Практически при сжигании газа водяные пары, как правило, не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания. Поэтому технические расчеты ведут по низшей теплоте сгорания Q н.
Условия, необходимые для горения:
1. наличие топлива (газа);
2. наличие окислителя (кислорода воздуха);
3. наличие источника температуры воспламенения.
Неполное сгорание газов.
Причиной неполного сгорания газа является недостаточное количество воздуха.
Продуктами неполного сгорания газов являются оксид углерода или угарный газ (CO), несгоревшие горючие углеводороды (C n H m ) и атомарный углерод или сажа.
Для природного газа CH 4 + O 2 → CO 2 + H 2 O + CO + CH 4 + C
Для СУГ C n H m + O 2 → CO 2 + H 2 O + CO + C n H m + C
Наиболее опасным является появление угарного газа, который действует на организм человека отравляюще. Образование сажи придает пламени желтую окраску.
Неполное сгорание газа опасно для здоровья человека (при содержании 1% СО в воздухе 2-3 вздоха для человека достаточно, чтобы отравиться со смертельным исходом).
Неполное сгорание неэкономично (сажа препятствует процессу передачи тепла, при неполном сгорании газа мы недополучаем тепло, ради которого сжигаем газ).
Для контроля полноты сгорания обращают внимание на цвет пламени, которое при полном сгорании должно быть голубым, а при неполном сгорании – желтовато-соломенным. Наиболее совершенный способ контроля полноты сгорания – анализ продуктов сгорания с помощью газоанализаторов.
Способы сжигания газа.
Понятие о первичном и вторичном воздухе.
Существуют 3 способа сжигания газа:
1) диффузионный,
2) кинетический,
3) смешанный.
Диффузионный способ или способ без предварительного смешения газа с воздухом.
Из горелки в зону горения поступает только газ. Воздух, необходимый для горения, смешивается с газом в зоне горения. Этот воздух называется вторичным.
Пламя вытянутое, желтого цвета.
a= 1,3÷1,5 t ≈ (900÷1000) о С
Кинетический способ – способ с полным предварительным смешением газа с воздухом.
В горелку подается газ и подается воздух дутьевым устройством. Воздух, необходимый для горения и который подается в горелку для предварительного смешения с газом, называется первичным.
Пламя короткое, зеленовато-синеватого цвета.
a= 1,01÷1,05 t≈ 1400 о С
Смешанный способ – способ с частичным предварительным смешиванием газа с воздухом.
Газ инжектирует первичный воздух в горелку. В зону горения из горелки поступает газовоздушная смесь с недостаточным для полного сгорания количеством воздуха. Остальной воздух – вторичный.
Пламя средних размеров, зеленовато-голубоко цвета.
a=1,1¸1,2 t ≈1200 о С
Коэффициент избытка воздуха a=Lпр./Lтеор. — это отношение количества воздуха, необходимого для горения на практике к количеству воздуха, необходимого для горения и теоретически посчитанного.
Всегда должен быть a>1, в противном случае будет недожог.
Lпр.=a∙Lтеор., т.е. коэффициент избытка воздуха показывает во сколько раз количество воздуха, необходимого для горения на практике больше количества воздуха, необходимого для горения и посчитанного теоретически.
Источник
