FAS — 8.7. Горение в ламинарном и турбулентном потоках

Горение в ламинарном и турбулентном потоках

Фронт пламени может быть остановлен, если создать встречное движение горючей смеси со скоростью, равной нормальной скорости распространения пламени. Наглядный пример — поверхность внутреннего конуса бунзеновской горелки. За счет регулирования состава газовоздушной смеси, вытекающей из горелки при ламинарном режиме движения, можно добиться появления устойчивого и резко очерченного конуса горения (рис. 8.3). Боковая поверхность конуса (фронт пламени), неподвижная относительно огневой кромки канала горелки, движется по направлению к вытекающей газовоздушной смеси, а пламя в этом случае распространяется по нормали к поверхности воспламенения в каждой ее точке. На поверхности конусного фронта пламени сохраняется равенство скоростей — проекции скорости потока газовоздушной смеси на нормаль wH к образующей конуса и нормальной скорости распространения пламени ин подчиняются закону Михельсона:

wн = wпот cosφ = ин (8.26)

где φ — угол между направлением потока и нормалью к поверхности конусного фронта пламени; wnom — средняя скорость потока газовоздушной смеси, проходящей через горелку за единицу времени, м/с.

Постоянство нормальной скорости распространения пламени справедливо только для основной части боковой поверхности конусного фронта пламени.

Таблица 8.14.Скорости распространения пламени в различных газовоздушных смесях (при t =20°C и p = 103,3 кПа), м/с

Газ

Смесь с максимальной нормальной скоростью распространения пламени

Стехиометрическая смесь

Содержание в смеси, об. %

Максимальная нормальная скорость распространения

Содержание в смеси, об. %

Нормальная скорость распространения пламени

газа

воздуха

газа

воздуха

 

Водород

42,0

58,0

2,67

29,5

70,5

1,6

Оксид углерода

43,0

57,0

0,42

29,5

70,5

0,30

Метан

10,5

89,0

0,37

9,5

90,5

0,28

Этан

6,3

93,7

0,40

5,7

94,3

0,32

Пропан

4,3

95,7

0,38

4,04

95,96

0,31

н-Бутан

3,3

96,7

0,37

3,14

96,86

0,30

Этилен

7,0

93,0

0,63

6,5

93,5

0,5

Пропилен

4,8

95,2

0,44

4,5

95,5

0,37

Бутилен

3,7

96,3

0,43

3,4

96,6

0,38

Ацетилен

10,0

90,0

1,35

7,75

92,25

1,0

Рефераты:  Сочинение Роль науки в современном мире

В вершине конуса скорость увеличивается благодаря прогреву газовоздушной смеси близко расположенными участками конусной поверхности фронта пламени, а у основания конуса — снижается за счет охлаждающего воздействия торцевой части огневого канала горелки.

Для практических расчетов обычно пренебрегают этой разницей и принимают скорость прохождения смеси через фронт пламени постоянной по всей поверхности конуса и равной ин.

Усредненная нормальная скорость распространения пламени равна

ин = Vсм /S (8.27)

где Vсм— объем проходящей через горелку газовоздушной смеси, S — площадь поверхности конусного фронта пламени.

На практике конусный фронт пламени не имеет правильной геометрической формы, поэтому для точного определения S пламя фотографируют, фронт пламени разбивается на ряд усеченных конусов. Сумма боковых поверхностей и есть общая поверхность конусного фронта пламени. Значения нормальных скоростей распространения пламени, определенные как методом бунзеновской горелки, так и другими методами, одинаковы и равны нормальным скоростям, приведенным в табл. 8.14.

Высота конусного фронта пламени зависит в основном от размера огневого канала горелки. Уменьшение высоты пламени может достигаться дроблением крупных огневых каналов на несколько мелких. Для одинаковых по составу газовоздушных смесей высота конусных фронтов пламени малых каналов h может быть приближенно определена по высоте фронта пламени одиночного канала Н:

h = Н/ √n (8.28)

где n — число малых каналов.

FAS — 8.7. Горение в ламинарном и турбулентном потоках

Для горелок с высокой тепловой мощностью (горелки промышленных котлов, печей и т. п.) горение, как правило, происходит в турбулентном потоке — гладкий конусный фронт пламени из-за вихревого движения и пульсаций размывается и теряет четкие конусные очертания. При этом наблюдаются два характерных вида горения, соответствующие мелко- и крупномасштабной турбулентности.

При масштабах турбулентности, не превышающих толщину зоны ламинарного горения, конусный фронт пламени сохраняет свою форму и остается гладким, хотя зона горения увеличивается. Если же масштаб турбулентности превышает толщину зоны нормального горения, поверхность конусного фронта пламени становится неровной. Это ведет к увеличению суммарной поверхности фронта горения и сжиганию большего количества горючей смеси на единицу поперечного сечения потока.

Рефераты:  Профилактика СПИД

При крупномасштабной турбулентности, значительно превышающей толщину зоны ламинарного горения, волнение поверхности фронта пламени приводит к отрыву отдельных частиц горячей смеси, дробящихся последующими пульсациями. Фронт пламени теряет свою целостность и превращается в систему отдельных очагов горения в виде равных, расчленяющихся и сгорающих в потоке частиц горючей смеси.

При крупномасштабной турбулентности поверхность фронта пламени, слагаясь из поверхностей всех горящих частиц, увеличивается, приводя к резкому росту скорости распространения пламени (рис. 8.4). В этом случае может происходить не только фронтовое горение, распространяющееся с нормальной скоростью vn, но и объемное, возникающее за счет турбулентных пульсаций раскаленных продуктов горения в свежую смесь. Следовательно, суммарная скорость распространения пламени при крупномасштабной турбулентности определяется тем или иным сочетанием элементов фронтового и объемного горения.

При отсутствии пульсаций турбулентная скорость горения становится равной нормальной скорости распространения пламени. Наоборот, если пульсационная скорость значительно превышает нормальную, турбулентная скорость горения становится мало зависящей от физико-химических свойств горючей смеси. Эксперименты показали малую зависимость скорости сгорания различных гомогенных газовоздушных смесей с а>1 в промышленных топках от нормальной скорости распространения пламени.

Кинетика диффузионного горения

При горении горючего газа, вытекающего, например, из трубы в атмосферу воздуха, кислород, диффундируя через слои продуктов горения, поступает в зону горения. В этой зоне кислород вступает в химическое взаимодействие (реакция окисления) с горючим. Вследствие диффузии окислителя концентрация горючего (Сг) на некотором расстоянии от горелки (хв)

В этой области образуются в основном продукты неполного окисления (СО, С и др.), так как имеется большой избыток горючего газа. Образование углерода (С) обусловливает ярко-желтое свечение диффузионного пламени. По мере диффузии окислителя в зону горения концентрация горючего (Сг) падает, и как только на расстоянии хн она снизится до нижнего предела (Сн), химическая реакция завершится.

Рефераты:  Оппортунизм и его виды. Реферат. Основы права. 2014-11-15

Схема горения газового фронта

Рис. 6.3. Схема горения газового фронта

Структура диффузионного ламинарного пламени

Рис. 6.4. Структура диффузионного ламинарного пламени:

1 — изменение концентрации горючего (Сг); 2 — скорость химической реакции

во фронте пламени

За счет определяющего влияния диффузии на скорость химической реакции (^х р) ширина зоны реакции в диффузионном пламени больше, чем в кинетическом (см. рис. 6.4), и составляет, по оценкам А.Г. Гейдона и Х.Г. Вольфгарда, от нескольких миллиметров до 1 см. Соответственно уменьшается скорость выделения теплоты в единице объема зоны горения — примерно в 104 раз.

Оцените статью
Реферат Зона
Добавить комментарий