Обеспечение устойчивости и стабилизации горения газа в горелках.

При рассмотрении устойчивости горения в ламинарном потоке установлено, что пламя сохраняется стабильным, т. е. не проскакивает внутрь горелки и не отрывается от нее в достаточно узком диапазоне скоростей. Для горелок, работающих с полным предварительным смешением газа с воздухом, и при турбулентном течении смеси зона устойчивой работы совсем исчезает или делается настолько узкой, что обеспечить нормальную работу горелки можно только применением приемов искусственной стабилизации. Задача искусственной стабилизации пламени складывается из борьбы с проскоком и борьбы с отрывом лламени.

Как отмечалось выше, проскок пламени определяется условиями движения потока и теплообмена внутри горелки, на выходе из нее. При турбулентном потоке проскок также возможен, особенно в области ламинарного подслоя пограничного слоя. Для предотвращения проскока пламени необходимо увеличить градиент скоростей потока у границ стенок и уменьшить градиент нормальных скоростей распространения пламени вблизи стенок горелки. Первое требование достигается увеличением скорости выхода газовоздушной смеси и максимальным выравниванием выходного поля скоростей из горелки.

Выравнивания выходного поля скоростей на выходе из горелки достигают поджатием потока с помощью конфузоров. Уменьшить градиент нормальных скоростей у стенки можно увеличением интенсивности теплоотвода в стенки горелки. Для этого головки горелки следует выполнять с воздушным или водяным охлаждением. Охлаждающее действие стенок растет с уменьшением диаметра отверстия, поэтому установка на выходе из горелки сетки с малыми ячейками или пакета, состоящего из близкорасположенных пластинок, способствует предотвращению проскока пламени.

Для предотвращения отрыва пламени необходимо предусмотреть поджигающий очаг вне горелки на ее выходе. Его можно создать при помощи искусственного непрерывно действующего зажигателя, созданием заторможенных зон или путем возврата раскаленных продуктов горения к корню факела. В качестве зажигателей могут быть использованы непрерывно действующая искра, раскаленное тело или пламя дополнительной горелки.

Прием стабилизации пламени с помощью поджигающего очага показан на рис. 18.15.

Часть горючей смеси до истечения из выходного отверстия горелки 1 ответвляется через каналы 2 в кольцевую щель 3 и образует спокойное пламя по периферии основного потока, которое ввиду малых выходных скоростей не отрывается от горелки при увеличении производительности последней. Таким способом удается стабилизировать пламя в турбулентном потоке.

При введении в поток газовоздушной смеси тела плохо обтекаемой формы вблизи стенок этого тела поток тормозится и за ним создается зона медленного течения, а при больших поперечных размерах стабилизатора — зона возвратного движения продуктов горения. В заторможенных зонах имеются участки, где скорость распространения пламени равна скорости потока. Эти участки обеспечивают стабилизацию пламени.

Наибольшее распространение получила стабилизация пламени с помощью туннелей и тел плохо обтекаемой формы, обеспечивающих возникновение зон с рециркуляцией раскаленных продуктов горения. Схема стабилизации пламени в туннельной горелке -показана на рис. 18.16. Газовоздушная смесь выходит из горелки 1 в туннель 3, где образует факел 2. Вследствие эжектирующего действия факела к его корню подсасываются раскаленные продукты горения, создается зона возвратного их движения, образуя устойчивый очаг зажигания. У открытого пламени к корню подсасывается холодный воздух. Это ухудшает условия зажигания. С ростом скорости интенсивность подсоса холодной среды увеличивается, что приводит к нарушению устойчивого периферийного зажигания.

Если горение протекает внутри туннеля достаточной длины, то факел перекрывает сечение туннеля, горение устойчивое. Если туннель короткий и факел перекрывает часть его сечения, в туннель засасывается холодный газ из окружающей среды и горение срывается. Отрыв пламени у горелок предварительного смешения с огнеупорными туннелями происходит в том случае, когда нарушается тепловой баланс на поверхности контакта между холодной струей и зажигающими раскаленными продуктами горения. Условия воспламенения здесь аналогичны условиям вынужденного зажигания с той только разницей, что в этом случае процесс развивается в движущейся среде, а роль источника зажигания выполняют раскаленные продукты горения.

Работа стабилизаторов, представляющих собой тела плохо обтекаемой формы, по принципу действия близка к процессу стабилизации пламени в туннельных горелках. Разница заключается в том, что в туннеле зажигание горючей смеси осуществляется с периферии корневой части факела, а в осесимметричных стабилизаторах раскаленные продукты циркулируют внутри газовоздушной струи. В этом случае потери тепла от зажигающих продуктов горения в окружающую среду отсутствуют, что улучшает условия воспламенения смеси.

Как показывают исследования, наилучшие результаты получаются при размещении в потоке горючей смеси V-образных тел плохо обтекаемой формы. Схема работы V-образного стабилизатора, установленного в центре турбулентного потока, показана на рис. 18.17, где зона 1 представляет собой еще не воспламенившуюся горючую смесь, зона 2 является зоной воспламенения, а зона 3 — зоной завершения реакций горения. Этим зонам соответствуют следующие длины: Lв— длина зоны холодной смеси; т — толщина фронта турбулентного горения; Lд — толщина зоны догорания. Длина факела Lф = Lв+ т+Lд.

Аналогичная картина стабилизации пламени имеет место при работе атмосферной горелки с сепаратором (рис. 18.18).

Изменение предельных скоростей отрыва пламени для газовоздушной смеси равного состава в зависимости от контакта пламени с окружающим воздухом показано на рис. 18.19. Когда концентрация горючего небольшая (т. е. количество воздуха больше теоретически необходимого), кривые отрыва пламени для атмосферной горелки и горелки с сепаратором совпадают. Это объясняется тем, что с уменьшением процента горючего скорость распространения пламени падает, мощность зажигающего пояса уменьшается, в результате уменьшается и предельная скорость, соответствующая отрыву пламени. С ростом процента горючего в смеси устойчивость пламени атмосферной горелки непрерывно растет, а кривая пределов отрыва пламени для горелки с сепаратором начинает падать, так как последний нарушает контакт пламени с атмосферным воздухом и придает кривой отрыва вид, соответствующий кривой скорости распространения пламени. При наличии контакта с окружающим воздухом он диффундирует в поток богатой горючей смеси, разбавляет ее и образует мощный кольцевой зажигающий пояс.