Теплотехнические принципы расчетов горелочных устройств
Лекция 2
План лекции:
Теплотехнічні принципи розрахунків пальникових пристроїв.
Принципи спалювання палива. Організація процесів спалювання палива. Факельне спалювання. Довжина факелу. Фактори, які впливають на довжину факелу. Калібр пальника. Вибір типу пальникового пристрою з точки зору нагріву.
2 Теплотехнические принципы расчетов горелочных устройств
2.1 Принципы сжигания топлива
Чтобы топливо и кислород вступили в реакцию, они должны быть предварительно перемешаны и смесь должна иметь температуру воспламенения. Скорость комплексного процесса определяется наиболее медленным звеном. Химические реакции, как правило, протекают с большой скоростью. Перемешивание молекул и горючего происходит медленнее, чем горение.
Имеют место два способа сжигания топлива – факельный и слоевой. По факельному способу сжигается газообразное, жидкое и пылевидное топливо. По слоевому методу сжигают твердое топливо. В большинстве печей топливо сжигается факельным способом. Слоевой способ используется в доменной и агломерационной печи, вагранках, паровых котлах небольшой мощности.
2.2 Организация процесса сжигания топлива
Факел, в отличие от обычной струи, рассмотренной в механике газов, представляет горящую струю. Проще всего под длиной факела Lфак подразумевать, расстояние от горелки, на котором практически заканчивается полное горение топлива.
Факел образуется при смешении газового и воздушного потоков. По месту встречи и характеру перемешивания потоков различают 3 метода сжигания газов:
1 метод. Газ и воздух встречаются вне горелочного устройства (в рабочем пространстве печи) и перемешиваются в рабочем пространстве печи в процессе горения. Воздух и газ могут быть нагреты до высокой температуры Длина факела зависит от многих факторов. Желательно, чтобы длина факела Lфак была меньше длины рабочего пространства печи. Этот метод используется в горелках типа "труба в трубе".
2 метод. Газ и весь воздух, необходимый для полного горения топлива, перемешиваются друг с другом до вылета в рабочее пространство печи. Это возможно, если температура образующейся смеси меньше температуры воспламенения, тогда газ не может гореть внутри горелочных устройств, если скорость распространения пламени меньше скорости истечения смеси. Длина факела весьма мала и способ называют беспламенным или бесфакельным. Этот метод используется в инжекционных и скоростных горелках.
Рекомендуемые материалы
3 метод. Предварительное перемешивание газа с частью воздуха, необходимого для полного сжигания топлива. Окончательное перемешивание смеси с остальной частью воздуха в рабочем пространстве печи в процессе горения. Регулируя процесс предварительного перемешивания можно управлять длиной факела. Этот метод используется в большинстве горелок, типа горелок нагревательных колодцев, плоскопламенных и др. Подобные горелки применяются и в кухонных плитах.
2.3 Факельное сжигание
|
Рис. 2.1 – Фотография ламинарного факела |
Различают ламинарный и турбулентный факел. При ламинарном факеле контакт горючего с кислородом воздуха происходит на поверхности струи. Внутренние слои газа не соприкасаются с кислородом, что хорошо видно на рис. 2.1 (темная полоска первичного газа охвачена светлой оболочкой горящего слоя). В ламинарном факеле по его сечению можно выделить две зоны: зону горючего газа и зону продуктов сгорания. На границе зон происходит горение топлива. Таким образом, имеет место послойное включение слоев газа в процесс горения. Фронт горения постепенно приближается к оси струи.
При турбулентном факеле отсутствует послойное выгорание газа в струе. Внешний вид и структура факела определяется свойством турбулентной струи захватывать окружающую среду, перемешиваться с этой средой и проталкивать ее вперед. Поэтому турбулентная струя газа после вылета из сопла горелки – устройств для сжигания газообразного топлива – приобретает форму конуса. По своей структуре турбулентная струя представляет совокупность хаотично перемещающихся макрочастиц, объединенных в одно целое силами вязкости и общим направлением движения.
При поджигании турбулентной струи горючего газа процесс горения начинается на поверхности струи. Образующиеся здесь продукты сгорания вовлекают в свое движение макрочастицы воздуха и вместе с ними проникают вглубь струи. Таким путем постепенно очаги горения возникают и внутри струи. Процесс горения из поверхностного превращается в объемный. Вследствие хаотичности турбулентного перемешивания очаги горения в каждом элементарном объеме факела возникают дискретно. Они то появляются, то исчезают. При зрительном восприятии большого числа близко расположенных и дискретно появляющихся очагов горения в объеме факела они сливаются воедино и турбулентный факел представляется в виде сплошной конусной струи горящего газа.
Для уяснения динамики перехода ламинарного факела в турбулентный рассмотрим изменение длины вертикального факела при возрастании скорости в сопле (рис. 2.2). С ростом скорости истечения длина ламинарного факела сначала возрастает почти пропорционально скорости истечения Wист, а факел имеет неизменную форму.
|
Рис. 2.2 – Фотографии факелов при переходе от ламинарного факела к турбулентному при возрастании скорости |
|
Рис. 2.3 – Изменение длины факела при возрастании скорости |
При достижении критической скорости Wкр вершина факела становится неустойчивой и начинает пульсировать. При дальнейшем увеличении скорости эта неустойчивость развивается и факел как бы складывается из двух частей: нижней ламинарной и верхней турбулентной, что видно из фотографии, приведенной на рис. 2.2. При еще большем увеличении скорости истечения длина факела начинает уменьшаться и граница раздела частей факела перемещается от вершины к соплу. При некотором значении скорости факел становится полностью турбулентным и дальнейшее увеличение вызывает противоположное явление – длина факела вновь начинает увеличиваться, но уже в более медленном темпе, чем при ламинарном режиме (рис. 2.3).
Значения критерия Рейнольдса, при котором начинается переход от ламинарного факела к турбулентному, зависит от природы газа и диаметра сопла. При увеличении диаметра сопла кривая Lфак = f(Wист) постепенно теряет максимум, вырождаясь в плавную кривую (пунктирная кривая на рис. 2.3). Хорошо развитый турбулентный факел имеет место при Reкр > 8000-10000. Для водорода Reкр = 3000.
2.4 Длина факела
Ламинарные факелы не встречаются в практике работающих печей. Между тем, теория турбулентного факела разработана для факела, развивающегося в неограниченной неподвижной воздушной среде или движущейся со скоростью Wв.
|
Рис. 2.4 – Схема к расчету длины факела в неподвижном воздухе |
Часто для определения длины факела используются закономерности изотермической струи. Путь, на протяжении которого газовая струя захватывает для горения стехиометрическое количество воздуха 
, И.Д. Семикин назвал длиной пути захвата Lзах (рис. 2.4). В конце пути захвата смесь весьма неоднородна. Свободный кислород находится в периферийных слоях, а горючий газ сосредоточен в центральном ядре факела. Для завершения процесса полного горения требуется определенный дополнительный путь – длина пути перемешивания Lпер. Общая длина факела равна
Lфак = Lзах + Lпер. (2.1)
Длина захвата Lзах определяется из формулы для расчета расхода газа в свободной затопленной струе по известной величине смеси газа и захваченного воздуха
= 
= 
= 
(2.2)
в виде:
, (2.3)
где – объем воздуха для сжигания 1 м3 газа при нормальных условиях (tв = tг = 0 °С, Рв = Рг = 760 мм рт. ст.); rв0 – плотность воздуха при нормальных условиях; rг0 – плотность топлива при нормальных условиях.
Далее, считая, что диаметр струи изменяется по длине струи по линейному закону, по известной величине Lзах определится диаметр струи (факела) в конце пути захвата
, (2.4)
где b = 2×tg(a/2); a – угла раскрытия факела.
Известно, что влияние внешней среды на осевой участок газовой струи зависит от диаметра струи таким образом, что вихрь на поверхности струи с диаметром dL достигнет оси струи через Lпер = В×dL, т.е. длина пути перемешивания определится по формуле Lпер = В×dзах. Тогда
Lфак = Lзах×(1 + В×b) = 3,16 ×d0×(1 + 
)×(1 + В×b). (2.5)
При практическом значении угла раскрытия факела aпр = 24° получим b = 2×tg(a/2) = 0,425 и величине В » 6 окончательно получим
Lфак = 11×(1 + )×d0. (2.6)
Формально длина факела зависит от теплоты сгорания топлива и диаметра сопла горелки. При большой тепловой мощности полезно дробление факела, но на длине захвата нужно исключить слияние факелов.
2.4.1 Факторы, влияющие на длину факела. Калибр горелки. Выбор типа горелочного устройства с точки зрения нагрева
Номинальная относительная длина факела – это расстояние от выходного сечения горелки, измеренное в калибрах выходного отверстия, до точки, где концентрация СО2 на оси факела составляет 95 % от максимально возможной при номинальной тепловой мощности и при коэффициенте расхода воздуха n = 1.
На длину факела влияют следующие основные факторы:
1) диаметр газового сопла d0;
2) теплота сгорания топлива 
;
3) концентрация кислорода в обогащенном воздухе;
4) скорость выхода газа из горелки;
5) скорость воздушного потока;
6) избыток воздуха, подаваемого для горения;
7) температура газа;
8) температура воздуха;
9) соприкосновение факела с плоскостью;
10) угол встречи потоков газа и воздуха;
11) расстояние между факелами.
|
Рис. 2.5 – Фотографии зависимости длины факела от диаметра сопла |
Рассмотрим отдельные факторы более подробно.
1. Диаметр газового сопла.
Сравнение факелов можно проводить при постоянной скорости истечения газа, когда изменяется тепловая мощность горелки, и при одной и той же тепловой мощности горелки, но тогда будет изменяться скорость истекающего газа, что усложняет сравнение. На рис. 2.5 представлены факелы коксового газа, истекающего из сопел различных диаметров с одной и той же скоростью. Вершины факелов образуют прямую линию, что подтверждает достоверность формулы (2.6): длина факела пропорциональна диаметру газового сопла d0. Следует учитывать, что одновременно увеличивается мощность горелки.
2. Теплота сгорания топлива.
Чем выше теплота сгорания топлива, тем больше воздуха требуется для его сжигания, и тем больше, согласно (2.6), будет длина факела. Процесс вовлечения воздуха в горящую струю – процесс энергетический, потому на длину факела влияет не объемная теплота сгорания топлива 
[Дж/м3], а массовая теплота сгорания [Дж/кг]. Так, объемная теплота сгорания СО составляет 3050 кДж/м3, что выше объемной теплоты сгорания водорода, составляющей 2575 кДж/м3. Но rCO = 1,25 кг/м3 и 
= 2440 кДж/кг, а у водорода 
= 0,0893 кг/м3 и 
= 28800 кДж/кг. Для СО имеем = 2,3 м3 возд. / м3 газа; для Н2 – = 2,38 м3 возд. / м3 газа. Расчет по формуле (2.6) приводит к следующим результатам: Lфак(СО) = 40×d0, 
= 407×d0. Длина факела у водорода очень большая, хотя химическая особенность водорода способствует быстрому ходу реакции горения. Эту особенность Н2 отметили многие исследователи факельного процесса – одному кг Н2 требуется захватить много воздуха на пути Lзах.
3. Концентрация О2 в воздухе.
Чем больше процент О2 в воздухе, тем меньше воздуха потребуется для горения, тем легче и быстрее вовлечь в струю нужное количество О2. Следовательно, длина пути захвата Lзах, а соответственно dзах, Lпер и Lфак уменьшаются.
Таким образом, сокращение длины факела при сжигании газа с обогащенным воздухом или даже с чистым кислородом обязано не сколь химии процесса, сколь механике газов, т.е. физике процесса.
Влияние факторов 4-11 на длину факела не нашло отражения в формуле (2.6) и потому используются экспериментальные данные для решения поставленных вопросов.
4. Скорость выхода газа из горелки.
Как показано ранее, с увеличением скорости истекающего газа (в турбулентной области) длина факела медленно возрастает (относительно возрастания длины ламинарного факела). На одной и той же длине захват воздуха растет пропорционально скорости газа за счет увеличения турбулентности потока и длина факела перестает зависеть от тепловой мощности горелки.
5. Скорость воздушного потока.
Практическое сжигание газа в печах связано с подачей вентиляторного воздуха в горелку. Воздух из воздушного кольца может истекать с различной скоростью. Общая идея процесса перемешивания газовых сред состоит в том, что количество движения двух потоков определяет течение процесса. Чем больше количества движения участвует в процессе перемешивания, тем интенсивнее происходит процесс перемешивания. С этой точки зрения, ввод дополнительного количества движения с воздухом должен привести к укорочению длины факела, что подтверждается и экспериментом.
6. Избыток воздуха, подаваемого для горения.
Избыток воздуха при сохранении площади воздушного кольца в горелке может привести к некоторому сокращению длины факела из-за увеличения скорости воздуха. Дожигание "хвоста" факела идет в условиях снижающейся концентрации кислорода. Ясно, что подача воздуха с некоторым небольшим избытком совершенно необходима, чтобы наверняка исключить недожог топлива в печи.
7. Температура газа.
Подогрев газа с соответственным увеличением скорости гипотетически эквивалентен уменьшению диаметра горелки d0 при постоянной тепловой мощности горелки на холодном газе. По этой причине длина факела сокращается.
Это явление можно объяснить следующим образом. Химическая теплота остается постоянной, а скорость вылета газа и, следовательно, количество движения возрастает, отчего перемешивание потоков газа и воздуха ускоряется.
8. Температура воздуха.
С увеличением температуры воздуха скорость воздуха увеличивается, перемешивание газа и воздуха ускоряется и длина факела уменьшается.
9. Соприкосновение факела с плоскостью.
При соприкосновении струи газа с плоскостью факел деформируется, он становится шире и тоньше.
Струя газа, уширяясь при встрече с плоскостью, одновременно лишается некоторого фронта для захвата кислорода. Уширение факела способствует его укорочению, а прекращение снабжения его кислородом со стороны плоскости вызывает его удлинение. В конечном итоге, при наличии таких противоречивых факторов, длина факела существенно может и не измениться.
Лекция "Введение" также может быть Вам полезна.
10. Угол встречи потоков газа и воздуха.
При встрече потоков газа и воздуха под углом, что имеет место при практическом сжигании газа в промышленных печах, происходит явление удара со всеми вытекающими отсюда последствиями. Потоки сплющиваются, расширяются, дробятся на отдельные пряди. Более слабый поток деформируется сильнее.
Чем больше скорости потоков, тем сильнее действие удара. Удар струи о струю способствует перемешиванию газов за счет появления макротурбулентности крупных вихрей. Это ведет к укорочению факела, но связано с потерей стройности движения, т.е. аэродинамических качеств факела. Угол встречи 450 при равенстве скоростей газа и воздуха может сократить длину факела вдвое.
В тех случаях, когда аэродинамические качества важнее, чем длина факела (например для факела в мартеновской печи), применение больших углов вредно. Для сокращения длины факела лучше увеличить скорость воздуха и уменьшить угол встречи потоков, поскольку большой угол встречи разрушает факел.
11. Расстояние между факелами.
При близком расположении друг к другу факелы мешают подходу кислорода. При расширении струй они сливаются друг с другом. Если этот контакт произошел раньше, чем закончился захват нужного количества воздуха для горения, то дальнейшее получение кислорода затрудняется, так как факелы из отдельных превращаются в один общий. В результате слияния потоков длина общего факела резко возрастает. Если воздух и газ подаются параллельными потоками с большими скоростями при котором длина захвата меньше длины слияния потоков, то длина суммы всех факелов практически не отличается от длины отдельного факела.
