Теплотехника - Чечеткин А.В.
Скачать (прямая ссылка):
тг = тд + тк. (3.22)
При сжигании газа возможны два предельных случая. Если тд » тк, то тг ~ Тд и горение называется диффузионным. В этом случае процесс горения лимитируется в основном временем смесеобразования. Если тк » тд, то тг ЯЙ тк и горение лимитируется временем самой химической реакции.
В зависимости от способа подачи воздуха, необходимого для горения, возможны следующие виды сжигания газа: 1) горение однородной газовой смеси, когда сжигается предварительно подготовленная горючая смесь; 2) диффузионное горение, когда газ и воздух подаются порознь; 3) горение с недостаточным объемом воздуха (газ подается вместе с воздухом, но объем последнего недостаточен для полного горения).
Важнейшим условием интенсивного и полного горения является хороший контакт окислителя с горючим и хорошее смесеобразование газа с воздухом.
Диффузионный принцип сжигания осуществляется при раздельной подаче газа и воздуха. Различают диффузионное горение, ламинарное и турбулентное в зависимости от характера движения пламени (факела).
Особенностью ламинарного горения является крайне медленное смесеобразование и низкая интенсивность процесса из-за плохой теплопроводности газов. При ламинарном движении газа и воздуха смешение происходит только за счет молекулярной диффузии, а устойчивый фронт пламени, т. е, слой, отделяющий несгоревшую смесь от продуктов сгорания, устанавливается только в зоне стехиометрического состава смеси. Для реакций, протекающих в пламени при ламинарном режиме горе
234
ния, в качестве основной характеристики принимают скорость нормального распространения пламени ип (м/с), представляющую собой линейную скорость перемещения фронта пламени по направлению, нормальному к поверхности фронта в данной точке. В смеси, движущейся навстречу пламени со скоростью м> = «„, фронт пламени занимает стационарное положение. Выражение для расчета нормальной скорости может быть получено из теплового баланса для стационарного плоского фронта пламени как равенство теплоты, воспринимаемой продуктами горения ц„ср (Т, — Т0) и теплотой, передаваемой теплопроводностью свежей горючей смеси, с] = — X (дг/дп) = (Х/Ь) М.
Считая 5 равной толщине зоны горения 8ХИМ = м„тхим, получим
и„ = уа/ххам, (3.23)
где а — коэффициент температуропроводности; х — время химической реакции в зоне горения (время сгорания).
Из выражения (3.23) следует важный качественный вывод, что скорость распространения пламени зависит от теплофизических свойств горючей смеси и времени сгорания тхим. Так как время сгорания тХИм пропорционально средней скорости химических превращений и зависит от температуры и состава смеси в зоне реакции, то м„ зависит существенно от этих параметров. Таким образом, нормальная скорость распространения пламени в известной степени может характеризовать закономерности химических превращений, происходящих в зоне горения.
Распределение температур и концентраций в зоне горения зависит от соотношения между коэффициентами температуропроводности и диффузии. Особенностью ламинарного диффузионного горения является растянутый характер факела (рис. 3.2).
Сжигание термически неустойчивых газов в этом случае сопряжено с большим химическим недожогом, поэтому такое сжигание в практике используется редко.
Диффузионное горение газа в турбулентном потоке характеризуется более сложным механизмом горения по сравлению с ламинарным. Сильное влияние на длину факела оказывает закручивание струи газа и воздуха и угол встречи этих струй. Меняя эти параметры, можно управлять длиной факела в очень широких пределах. Благодаря преимуществам закрученного потока обеспечивается хорошее смесеобразование и интенсивное горение.
Рис. 3.2. Структура ламинарного диффузионного факела
235
Переход ламинарного диффузионного горения в турбулентное для большинства газов происходит при числах Рейнольиса Яе > 2200.
Турбулентная скорость распространения пламени больше, чем нормальная скорость при ламинарном горении за счет интенсивного перемешивания слоев газа, за счет турбулентной составляющей температуропроводности и турбулентной составляющей диффузии. Скорость химического взаимодействия (горения) при этом увеличивается, а тк сокращается. Турбулентная скорость распространения пламени может быть
определена зависимостью щ = у (а + аг)/т, а соотношение скоростей — формулой
Величина химической неполноты сгорания в турбулентном потоке значительно ниже, так как при высокой интенсивности процесса уменьшается время нагрева газа и снижается возможность термического разложения углеводородов.
Турбулентный диффузионный факел обеспечивает более равномерное распределение температур и более равномерную теплоотдачу в рабочем пространстве топочной камеры и применяется в основном, когда газ сжигается в больших количествах.
Сжигание газа с недостаточным количеством воздуха применяется с целью получения нейтральной защитной атмосферы в муфельных и электрических нагревательных печах. Нагрев стальных изделий в защитной атмосфере предохраняет их от окисления и обезуглероживания. При сжигании газа с количеством воздуха, составляющим 0,7...0,8 от теоретического, в продуктах горения содержатся СО и Н2, а при снижении количества воздуха обнаруживаются метан и тяжелые углеводороды. Сжигание при малом количестве воздуха сопровождается крекингом углеводородов с выделением сажи.
