Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология - Лисиенко В.Г.
ISBN 5-98457-018-1
Скачать (прямая ссылка):
При рассмотрении факела выделяют аэродинамическую границу и границы зоны горения (рис. 4.12).
Аэродинамическая граница характеризуется значениями скорости продольного течения газа, равными нулю. В теории струй пограничного асимптотического слоя назначается некоторая практически ощутимая величина скорости, например w = 0,5-1 м/с. При движении окружающей среды и циркуляции продуктов сгорания в корень факела аэродинамические границы выделить еще труднее: они становятся в значительной мере условными, определяемыми, например, по смене направления потока.
Вследствие трудности оценки границ факела в реальных условиях действующих печей прибегают часто к физическому моделированию аэродинамики на воздушных или водяных моделях. В настоящее время существенно продвинулся также математический аппарат расчета гидродинамики турбулентных потоков в достаточно сложных условиях геометрической и аэродинамической обстановки, например, с использованием “K-s’’-моделей турбулентности. В рамках зонально-узлового метода расчета удается уже сочетать расчеты процессов радиационного и сложного теплообмена с расчетами гидродинамики потоков.
Кривые изменения химического недожога и степени выгорания топлива по длине диффузионного факела, как известно, имеют асимптотический характер (см. рис. 4.13), поэтому для оценки длины принято назначать некоторую величину конечного химического недожога q*, которая практически мало влияет на процессы теплообмена, например, q* = 2 %.
Эта же величина используется и для очерчивания зоны горения факела (см. рис. 4.12, кривая 2). Химический недожог по оси факела характеризует полную длину факела / . Кроме этой длины, для расчета факела и в процессе теп-
28
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Относительное расстояние x!L
Относительное расстояние xlL
Рис. 4.13. Изменение характеристик факела по длине рабочего пространства печи для факелов разной длины: а — безразмерный подсос воздуха в факеле а ; б — степень выгорания топлива к; в — степень черноты еф: I/ = (/„'/!,); / — 0,147; 2 — 0,294; 3 — 0,5; 4 — 0,698; 5 — 0,998; Qln: б— 1,2; 7 — 2,0; 8 — 2,5; 1в — характерный размер ванны печи (вдоль факела); I-V — расчетные (для зональной модели) участки по длине печи; V = /п - 2 м; степени черноты еф: 1-5 — светящийся факел; 9 — несветящийся факел; о, *,_х — границы соотвественно: длины пути подсоса /п, полной длины факела / и полной длины факела /ф для кривой 2 при различном соотношении / //п, L — расстояние между выходными сечениями горелок L = L + 4 м
лообмена используется стехиометрическая длина факела / и длина пути подсоса /п. Стехиометрическая длина факела характеризует расстояние от среза сопла до той точки на оси струи, в которой подсасывается теоретически необходимое для горения количество окислителя, т.е. коэффициент расхода воздуха на оси струи а = 1. Длина пути подсоса используется в зональных расчетах теплообмена, где необходимо выделять зону горения (тепловыделения) и зону продуктов горения. Под длиной подсоса понимают расстояние от среза сопла до того поперечного сечения факела, в котором в среднем в зону горения подсасывается теоретически необходимое количество воздуха, т.е. а. = 1. В пределах стехиометрической длины выгорает подавляющая часть топлива факела, при этом химический недожог топлива, рассчитанный в среднем на все сечение струи, 2 %, т.е. /сх ~ / (/ф — длина факела, рассчитанная по среднему недожогу q3). Как видно из рис. 4.12, величина /, отражающая ос-редненный по зоне горения подсос, меньше величины / отношение ljla ~ 1,5. Примерно в таком же соотношении находится полная длина факела /ф и длина факела, рассчитанная по среднему по сечению струи химическому недожогу /ф, отношение /ф / /ф ~ 1,4. Из этого следует, что величины / и /п находятся примерно в таком же соотношении, как и /А и / .
’ ф СХ
29
Границы и зоны факела, приведенные на рис. 4.12, получены по экспериментальным данным для свободного факела природного газа при начальной скорости истечения w0 = 200 м/с (в исследованиях Г. В. Воронова, В. Г. Лисиенко, Н. И. Кокарева и Б. И. Китаева).
Полную длину факела В. Г. Лисиенко рекомендовал выражать через стехиометрическую длину, которая может быть определена по аэродинамическим данным и по данным воздушного моделирования. Это соотношение, равное Рф = /ф//сх, как выяснилось, для свободного факела зависит в определенной мере от скорости истечения газа w,}. Так при определении полной длины факела методом фотосъемки при сравнительно умеренных скоростях истечения газа (м>0 < 40 м/с) Рф ~ 1,7-2,0, при сравнительно высоких скоростях w() = 200 м/с
РФ~ М-
В камере сгорания величина Рф зависит от коэффициента расхода воздуха, подаваемого на горение а . Для факелов различных горелок при сжигании природного газа и пропан-бутана (1 < а0 < 1,15) получена величина рф для длины факела, определяемой через q3m = 2 %:
(Зф=1,43/[0,92- 1,35(а0-1)]. (4.12)
При а0 = 1,15 по формуле (4.12) |Зф = 1,62, что входит в диапазон рекомендуемых значений.
Стендовые опыты со свободными и полуограниченными (сверху) факелами природного газа свидетельствуют также о зависимости коэффициента |Зф от условий предварительного перемешивания топлива и воздуха в горелке. На горелке с регулируемой длиной факела (см. рис. 4.11) для длиннофакельной ступени (обычная двухпроводная горелка, wQ = 130 м/с, wr ~ 50 м/с) было получено значение [Зф' = 1,64 (здесь р ' = /ф//нп; /нг — длина зоны интенсивного горения, определяемая по максимуму температур). Так как длина /нг мало отличается от / , такой коэффициент можно считать укладывающимся в обычные рамки. Однако для короткофакельной ступени (при резком улучшении смешения газа с воздухом в корпусе горелки за счет подачи газа перпендикулярно потоку воздуха через отдельные отверстия) уже был получен значительно больший коэффициент Р ' = 2,9. Вероятно, этот эффект вызван тем, что длина зоны догорания факела зависит от времени пребывания несгоревших молей газа, а на короткофакельной ступени скорость вдоль оси факела растет.
