Горение газа

Горение газа

Распространение пламени, горение газа в ламинарном потоке заранее подготовленной газовоздушной смеси подчиняется тем же закономерностям, что и для неподвижной смеси, хотя внешняя картина горения в этом случае иная.

Представим себе трубку, в которой ламинарно движется со скоростью W0 холодная смесь газа с теоретически необходимым или избыточным количеством воздуха. В целях упрощения анализа условий, горение газа допустим, что стенки трубки теплонепроницаемы, а скорость движения смеси равномерна по всему сечению трубки. Если в каком-либо сечении этой трубки воспламенить смесь и создать плоский фронт горения, он начнет перемещаться относительно смеси. Очевидно, что в случае, когда скорость перемещения пламени меньше, чем скорость движения смеси, фронт горения будет перемещаться по направлению движения потока и в конечном итоге пламя будет вынесено из трубки. Если скорость перемещения фронта больше скорости движения смеси, он будет перемещаться к началу трубки. Наконец, возможен случай, когда скорость перемещения фронта пламени окажется равной скорости движения смеси, фронт стабилизируется, т. е. будет неподвижным относительно стенок трубки.

Сразу же оговоримся, что такая стабилизация фронта в условиях трубки постоянного сечения практически мало устойчива, однако этот случай представляет большой интерес с точки зрения установления некоторых закономерностей горение газа в ламинарном потоке.

Рассмотрим, какие физикохимические процессы горение газа будут протекать в таком стабилизированном плоском фронте пламени в ламинарном потоке в трубке постоянного сечения (рис. V-7). По трубке движется газовоздушная смесь со скоростью W₀, начальной температурой Т₀ и концентрацией горючего газа С₀. В результате приближения смеси к зоне реакции, ограниченной плоскостями I-I и II-II, она будет нагреваться в основном за счет теплопроводности. Отметим сечение 0-0, правее которого будет происходить заметное повышение температуры холодной смеси. Таким образом, между сечениями 0-0 и I-I образуется зона подогрева смеси, имеющая глубину (т. е. размер по направлению движения) бп. Здесь уже начинается ускорение реакции, вначале очень медленное.

По мере приближения к сечению I-I смесь нагревается до температуры самовоспламенения, в результате чего в сечении I-I развивается весьма интенсивная реакция горение газа. В зоне I-II, имеющей глубину бр, наблюдается быстрое нарастание скорости реакции, сопровождающееся ростом температуры и падением концентрации горючего. В сечении II-II концентрация горючего газа в смеси падает практически до нуля, и реакция затухает. Далее в трубке будут двигаться уже продукты сгорания. Таким образом, фронт горения слагается из зоны подогрева и зоны реакции или химического фронта. В сумме обе эти зоны образуют физический фронт горения. Зона подогрева характеризуется наличием огромного градиента температур, а реакция протекает при высокой температуре, поэтому глубина физического фронта горения очень мала (доли мм). Решающее влияние па скорость перемещения фронта пламени оказывают процессы, происходящие в зоне подогрева. В этой зоне, наряду с интенсивным нагреванием смеси, происходит молекулярный обмен с зоной реакции, т. е. имеет место диффузия промежуточных и конечных продуктов реакции. В некоторых случаях такой массообмен может оказать большее влияние на процесс горения, нежели явления теплообмена, однако мы ограничимся рассмотрением теплового режима горения. Как было указано ранее, в выбранной нами одномерной модели процесса горения фронт пламени перемещается по нормали к своей плоскости против направления потока со скоростью последнего. Скорость перемещения фронта горения по нормали к элементу поверхности называется нормальной скоростью горения. Будем обозначать эту величину ин. Нормальная скорость горения зависит от свойств газа, состава смеси и температуры.

Полагая, что температура в зоне подогрева повышается от Т₀ до Т_в только за счет теплопроводности, можно написать:

Если ради упрощения повышение температуры в этой зоне принять линейным, то

Чтобы выявить связь между теплофизическими свойствами смеси и нормальной скоростью распространения пламени, условно примем, что изменение температуры не влияет на λ, ς0 и с_Р, а так же на скорость движения смеси и продуктов сгорания. В этом случае

Приведенные формулы не могут служить для расчета глубины зоны и времени подогрева, так как пренебрежение влиянием температуры на искомые величины приводит к грубой ошибке, однако можно сделать вывод, что глубина зоны подогрева прямо пропорциональна коэффициенту температуропроводности а и обратно пропорциональна нормальной скорости горения.

Из систем дифференциальных уравнений, описывающих тепловыделение и теплообмен в зоне реакции, может быть получено выражение нормальной скорости распространения пламени:

Как видно, продолжительность реакции зависит от тех же факторов, что и продолжительность разогрева смеси. Следовательно, продолжительность всего процесса также зависит от коэффициента температуропроводности смеси, нормальной скорости горения и температурных характеристик процесса.

где В - коэффициент, учитывающий влияние температурного режима. 

Выражение (V-30) позволяет сделать вывод, что нормальная скорость горения может быть выражена не только через продолжительность подогрева, но и через скорость реакции или всего процесса с другими постоянными коэффициентами.

Так как время т является величиной, обратно пропорциональной скорости W, то

Сопоставление формул (V-5) и (V-32) позволили Я. Б. Зельдовичу получить следующее соотношение:

Из этого соотношения видно, что на нормальную скорость горения оказывает огромное влияние температура горения. На последнюю, в свою очередь, значительно влияет начальная температура смеси Т₀.

Влияние начальной температуры смеси на максимальную скорость распространения пламени приближенно описывается следующей формулой:

Плотность смеси обратно пропорциональна абсолютной температуре, поэтому массовая скорость распространения пламени прямо пропорциональна абсолютной температуре.

Горючая часть газового топлива обычно представляет собой смесь горючих газов. Доля горючих газов в газовоздушной смеси, дающая максимальную скорость распространения пламени, может быть подсчитана по правилу аддитивности (формула Ле Шателье):

Наличие балластных газов в газовоздушной смеси снижает нормальную скорость распространения пламени. По Л. Н. Хитрину [1957], влияние N₂ и С0₂ на ив следующее:

Нормальные скорости распространения пламени в некоторых газовоздушщдх смесях показаны на рис. V-8. Обращает на себя внимание то, что максимум нормальной скорости соответствует смесям с повышенным против стехиометрического содержанием горючих газов (т. е. α < 1,0). По существующим представлениям это объясняется особенностями протекания цепных реакций и условиями создания промежуточных активных центров.

Мы рассмотрели важный с точки зрения изучения явления, хотя практически маловероятный, случай стационарного фронта пламени в трубке постоянного сечения. Такой неподвижный фронт пламени, как было указано, может быть при равенстве скорости потока и нормальной скорости распространения пламени.

Однако в реальных условиях имеет место стабилизация горения и при отсутствии равенства этих скоростей. Во-первых, горение не может протекать в трубках, каналах или щелях малого диаметра или ширины. Существуют критические размеры отверстий, измеряемые величинами порядка 0,5-1,5 мм, через которые фронт пламени не может перемещаться независимо от скорости смеси, т. е. не может быть «проскока» пламени. Это явление объясняется высоким удельным (по отношению к тепловыделению) теплоотводом от фронта горения, приводящим к затуханию реакции. Невозможность проскока пламени через сетки и каналы малых сечений широко используется в технике, например во взрывобезопасных лампах (Деви), при устройстве пламегасителей в газопроводах и смесепроводах, стабилизирующих выходных насадках некоторых газовых горелок и, наконец, в излучающих или радиационных горелках (глава VI).

Во-вторых, горение газа может быть устойчивым при скоростях смеси, во много раз превышающих нормальную скорость распространения пламени, при наличии стабилизаторов горения, т. е. средств надежного воспламенения смеси в какой-либо зоне потока.

В случае ламинарного истечения газовоздушной смеси из трубки или сопла на выходе может возникнуть устойчивый факел при скорости смеси, значительно превышающей скорость нормального распространения пламени. Это объясняется, во-первых, падением скорости потока у стенки трубки, характерным для ламинарного движения; во-вторых, образованием завихрений при внезапном выходе потока из трубки. Нужно заметить, что за счет более интенсивного отвода тепла у стенок трубки скорость распространения пламени также падает.

На рис. V-9 показана схема ламинарного факела, называемого конусом Михельсона. По размерам этого конуса и средней скорости движения смеси можно определить (как это было предложено В. А. Михельсоном) нормальную скорость распространения пламени.

Если принять, что фронт пламени образует поверхность правильного конуса с диаметром основания D = 2R и высотой Н (сплошные линии - образующие на рис. V-9), то вектор нормальной скорости распространения пламени цн во всех точках фронта пламени будет направлен к оси конуса под углом φ. Следовательно,

за единицу времени смесь проходит путь W₀, а фронт пламени по нормали к боковой поверхности конуса и под углом φ к направлению скорости W₀.

В действительности фронт пламени образует не правильный конус, как принимается в упрощенной модели, а поверхность, с криволинейной образующей, как это показано пунктиром на рис. V-9.

Отклонение поверхности фронта пламени от конической вызывается неравномерностью скоростей потока и распространения пламени по сечению трубки или сопла.

Горение газа в ламинарном потоке, представляя значительный теоретический интерес, редко имеет место в промышленных установках из-за больших тепловых нагрузок горелок.

В случае, если течение в трубке характеризуется значением критерия Рейнольдса (Re), большим чем 2300, ламинарный поток становится неустойчивым и переходит в турбулентный. Поверхность фронта пламени теряет правильную геометрическую форму. Возникающие пульсации скорости искажают эту поверхность,, однако при умеренной турбулизации она остается непрерывной (мелкомасштабная турбулентность).

При увеличении турбулентности, когда масштаб турбулентности становится больше толщины фронта горения, происходят отрывы отдельных элементов фронта с образованием изолированных очажков горения, движущихся в потоке смеси или продуктов сгорания и продолжающих дробиться в процессе догорания. Такое явление характерно для крупномасштабной турбулентности.

На рис. V-10 показаны схемы ламинарного и турбулентного фронтов горения. Ламинарный фронт а глубиной h_л включает зону подогрева и зону реакции. Турбулентный фронт б создается при горении в турбулентном потоке, когда масштаб турбулентности l меньше глубины ламинарного фронта h_л. Наличие турбулентных пульсаций увеличивает ограничивающие поверхности фронта как со стороны свежей смеси, так и со стороны продуктов сгорания.

В случае, когда масштаб турбулентности больше глубины фронта, зона горения разбивается на отдельные очажки в и суммарная поверхность фронта горения сильно возрастает. В результате такого увеличения поверхности увеличивается скорость перемещения фронта пламени; другими словами, турбулентная скорость распространения пламени оказывается значительно выше нормальной скорости . распространения пламени. На рис. V-11 показан пример относительного роста скорости распространения пламени в газовоздушной смеси.

Если принять, что общая поверхность фронта горения при мелкомасштабной турбулентности F_T, а при ламинарном горении F_л, то турбулентная скорость распространения пламени будет:

т. е. турбулентная скорость распространения пламени уже не зависит от нормальной скорости распространения пламени, а следовательно, от свойства горение газа и примерно равна пульсационной скорости, т. е. пропорциональна средней скорости потока. Однако этот вывод подтверждается не всеми авторами.

Стабилизация фронта турбулентного горения важна не менее, чем стабилизация горения в ламинарном потоке. Из-за более высоких скоростей турбулентного горения скорость вытекающей из горелки смеси в этом случае также должна быть значительно выше. Следует иметь в виду, что локальные скорости потока и горения переменны по выходному сечению: у стенок устья горелки они равны нулю, а в центре потока увеличиваются до максимума.

Изменение пульсационных скоростей (поперечных и продольных) и масштаба турбулентности по сечению трубки показано на рис. V-12.

Как следует из графика, абсолютное значение масштаба турбулентности в сходных стойках растет пропорционально радиусу трубы.

Условия проскока или отрыва пламени проиллюстрированы на рис. V-13. В случае а фронт пламени будет вынесен в устье горелки, где создастся устойчивый очаг зажигания за счет завихрения потока у выходных кромок. В случае b пламя перемещается навстречу потоку, т. е. наблюдается проскок.

По Б. Льюису и Г. Эльбе [1948], проскок будет иметь место в тем случае, когда вблизи стенки кривые скоростей W и u_n имеют общую касательную, т. е.

Опасность проскока возрастает с увеличением диаметра устья горелки, так как это, с одной стороны, приводит к большей турбулизации потока (росту масштаба турбулентности) и повышению турбулентной скорости распространения пламени, а с другой стороны, уменьшает теплоотвод к стенкам горелки. В целях предотвращения проскока в горелках высокой производительности (с большим диаметром выходного сечения) приходится увеличивать выходную скорость смеси и усиливать охлаждение стенок, например путем применения водяного охлаждения.

Скорость смеси, при которой происходит проскок пламени при сжигании природного газа в топочной камере с керамическим туннелем, для инжекционных и дутьевых горелок определяется формулой (для α = 1,0)

Как при ламинарном, так и при турбулентном потоках в качестве очагов воспламенения смеси наиболее простыми и достаточно надежными являются устойчивые завихрения потока, приводящие к подмешиванию раскаленных продуктов сгорания к потоку смеси (рис. V-14).