Развитие и воспламенение топливно-воздушной струи в топочном объеме

В энергетике основным типом топок мощных паровых котлов является камерная топка. Топливновоздушная смесь поступает в нее из горелочных устройств в виде прямоточных или завихренных струй, развитие которых в топочном объеме определяет условия воспламенения и последующую интенсивность горения.

Рассмотрим вначале механизм развития прямоточной струи, втекающей в топочный объем, заполненный горячими топочными газами (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Структура развития свободной турбулентной струи: 1 - выходная часть сопла (горелки);
2 - ядро струи; 3 - пограничный слой;
4 - распределение температур в струе;
5 - распределение концентрации горящего вещества в струе; 6 - эпюра скоростей на выходе из горелки;
7 - эпюры скоростей на основном участке; 8 - внешний угол раскрытия струи; 9 - внутренний угол раскрытия струи

Из амбразуры горелочного устройства вытекает струя, имеющая начальные значения скорости w₀, температуры T₀, концентрации горючего С₀. На поверхности раздела струи с топочной средой за счет поперечной составляющей пульсационных скоростей происходит проникновение части массы струи в окружающий газовый объем и захват части массы из окружающего объема в струю. В зоне смешения, называемой пограничным слоем струи, взаимодействие масс подчиняется закону сохранения количества движения

4.22

где M₀, M_Г - масса основной струи и окружающей газовой среды; w₀, w_Г, - скорости струи и газовой среды, причем для данного условия w_Г = 0.

В связи с этим средняя скорость поступательного движения смеси в пограничном слое определяется

4.23

По мере приближения к внешней границе струи доля вовлеченной в движение массы М_Г увеличивается, а массы M₀ - уменьшается и скорость w_СМ падает.

За счет турбулентного переноса масс пограничный слой расширяется и внутрь струи, в результате ее потенциальное ядро, сохраняющее начальные значения w₀, T₀, C₀(невозмущенная часть струи), постепенно уменьшается. Внешний угол раскрытия струи составляет 12…14 °, внутренний угол расширения пограничного слоя 6°. Сечение, в котором оканчивается потенциальное ядро, является переходным, расстояние до него от устья горелки представляет собой начальный участок струи S₀. За переходным сечением пограничный слой распространяется на всю струю, и параметры на оси струи также начнут изменяться по мере удаления от переходного сечения - скорость будет падать, температура расти.

Длина начального участка струи

4.24

где r₀ - начальный радиус круглой струи или половина эквивалентного диаметра струи прямоугольной формы; а_C - экспериментальный коэффициент структуры струи, учитывающий ее начальную турбулентность и неравномерность поля входных скоростей.

В турбулентном потоке при числе Re > 2∙10⁴ коэффициент а_C =0,07…0,08, откуда длина начального участка S₀ = (4,2…5,0)d_Э, где d_Э - эквивалентный диаметр струи. Для прямоугольной формы амбразуры горелки эквивалентный диаметр составляет

4.25

где a, b - ширина и высота выходного сечения горелки.В переходном сечении в зависимости от внешнего угла раскрытия струи α_ВНШ- полуширина струи составит

4.26

что примерно в 3 раза превышает начальный радиус струи.

Прогрев поступающего топлива до температуры воспламенения происходит за счет двух источников теплоты - теплового потока излучения из ядра факела и более интенсивно - путем конвективного нагрева за счет смешения воздуха с горячими топочными газами. В связи с этим горелочные устройства должны выполняться таким образом, чтобы максимально интенсифицировать вовлечение горячих газов в свежую струю на начальном участке и тем самым ускорять воспламенение топлива. Примером такого типа устройства является вихревая горелка с кольцевой закрученной струей (рис. 4.10). Степень закручивания такой струи в горелке определяется параметром крутки, значения которого обычно составляют n_Г = 2…4.

Рис. 4.10. Структура кольцевой закрученной струи на выходе из горелки: а - общий вид движения потоков;
б - распределение аксиальных скоростей; S₀ - длина начального участка; S_рц - длина зоны рециркуляции газов.

Параметр крутки приближенно можно выразить в виде

где w_t, максимальная тангенциальная составляющая скорости потока на выходе из горелки; w_a - то же аксиальная составляющая скорости.

Параметр крутки n_Г может быть определен для данной горелки по ее конструктивным размерам (диаметр канала, тип, размеры, угол установки завихрителя и т.п.). С увеличением параметра n_Г растет турбулентность струи, интенсивность вовлечения окружающих газов в струю и угол раскрытия струи.

В центральной (приосевой) зоне закрученной струи создается область пониженного давления, куда устремляются высокотемпературные газы из ядра горения. Создается осевая рециркуляция газов к корню струи. Длина зоны рециркуляции также зависит от степени крутки S_РЦ = 1,4n_Гr₀. Таким образом, основное отличие закрученной кольцевой струи от прямоточной состоит в повышенной турбулентности и наличии, кроме внешней, еще внутренней зоны вовлечения газов в струю, что ускоряет ее прогрев.

Воспламенение горючей смеси топлива с воздухом возможно при соблюдении двух условий: температура горючей смеси должна быть не ниже температуры воспламенения, концентрация горючего должна превышать нижний предел воспламенения. У внешней границы струи, где температура t_СМ наибольшая, находится незначительное количество топлива, недостаточное для воспламенения. В центральной зоне струи температура недостаточна для воспламенения, поэтому начало горения становится возможным в довольно узкой, близкой к периферии полосе струи, где выполняются оба указанных условия.

Фронт горения отличается повышенной турбулентностью за счет резкого увеличения объема газов (благодаря росту температуры). Фронт горения будет устойчивым, если постоянно обеспечивается подвод свежих порций топлива и воздуха. Горение происходит всегда на определенном удалении от среза горелки, поскольку вблизи горелки в струе нет необходимого уровня температур. Фронт горения устанавливается в том месте, где поступательная скорость потока оказывается равной скорости распространения турбулентного пламени (см. § 4.2.1).

Начальный этап горения топлива происходит в условиях высокой концентрации горючего и окислителя и при повышенной турбулентности потока, созданной горелкой. Зону топочной камеры, в пределах которой идет интенсивное горение топлива до степени выгорания 0,85…0,90, называют зоной ядра факела, отличающейся высоким температурным уровнем и значительным тепловым излучением на окружающие экранные поверхности нагревания топлива (рис. 4.11). По своим размерам зона ядра факела занимает 1/3…1/5 объема топочной камеры. Остальную часть топки составляет зона догорания топлива и охлаждения газов.

Степень выгорания топлива в топочной камере обычно относят к длине факела l_Ф, которую отсчитывают по условной линии от устья горелки до оси топки по горизонтали, затем от уровня горелок до уровня середины горизонтального газохода по вертикали и далее по горизонтали до выхода из топки.

Исследования сжигания различных видов топлив показывают, что в основном (на 85…90%) сгорание твердого топлива завершается на относительной длине факела l_ГОР/l_Ф = 0,35…0,40, жидкого топлива (мазута) на длине 0,25, природного газа - на длине 0,15, что соответствует практически горизонтальной части длины факела на уровне горелки.

Рис. 4.11. Зоны горения топлива в топочной камере: I - зона ядра факела; 2 - зона догорания топлива и охлаждения газов; 3 - условная длина факела; Н_г.г - высота горизонтального газохода.