Горение газообразного топлива

Горение газов осуществляется в объеме и относится к гомогенному горению; оно может происходить в кинетиче­ской и диффузионных областях.

Кинетическое горение

После того как произошло воспламенение, наступает процесс распространения пламени, связанный с постоянной передачей тепла от сгоревших к новым порциям топлива. Подобная передача тепла определяется законами теплопроводности и диффузии и зависит от характера пламени. Ес­ли пламя распространяется в неподвижной смеси или в смеси, движущейся ламинарно, то основной формой пере­дачи тепла является молекулярная теплопроводность.

Подобный чисто теплопроводный процесс получил наз­вание нормального горения.

При турбулентном движении газоокислительной смеси большую роль приобретает турбулентная диффузия. При некоторых условиях распространение пламени происходит с огромной скоростью и имеет характер взрывной волны. По­добное распространение пла­мени получило название дето­национного горения или прос­то детонации.

Нормальное горение. После воспламенения горючей смеси возникает определенный фронт горения. Распространение пла­мени предполагает перемеще­ние этого горения в направ­лении несгоревших порций га­за. Позади фронта горения на­ходятся продукты сгорания, впереди — невоспламенившая­ся горючая смесь.

Возникшая при этом разность температур между про­дуктами сгорания и горючей смесью приводит к переда­че тепла теплопроводностью, которая, опережая фронт го­рения, способствует подогреву новых порций смеси до тем­пературы воспламенения и вызывает перемещение фронта. В большинстве случаев при горении газов фронт пламенч является очень тонким —около 4×10^–2 —6×10^–2 см, поэто­му с некоторым приближением его можно рассматривать как поверхность.

При нормальном горении фронт пламени в покоящей­ся горючей смеси перемещается с определенной скоростью u_n = Dn/Dt, где Dn — расстояние, на которое перемещается фронт пламени за время Dt.

Скорость нормального горения определяется исключи­тельно процессом теплопроводности и потому является фи­зико-химической константой горючей смеси.

По современным представлениям горение газовой сме­си может быть изображено графически (рис. 43). Самовос­пламенение происходит в точке T_в, но до идет химическая реакция, свойственная индукционному периоду. Быст­рая реакция происходит в коротком интервале температур от в до Т_г, который соответствует химической толщине фронта пламени d_р.Тепловая толщина фронта б_п пред­ставляет собой зону тепловой подготовки прогрева горю­чей смеси до , после которой развивается интенсивная химическая реакция.

Для всех горючих газов существует оптимальное соот­ношение газа и воздуха, при котором скорость нормально­го горения достигает максимальной величины.

Увеличение температуры подогрева газа или газовой: смеси приводит к существенному увеличению скорости го­рения.

Горение однородной смеси в турбулентном потоке. Го­рение при турбулентном режиме — гораздо более распро­страненный случай в металлургической практике по срав­нению с горением в спокойной или ламинарно движущейся среде.

В настоящее время турбулентное горение рассматрива­ется как процесс, протекающий в отдельных перемешиваю­щихся объемах (объемное горение).

На скорость турбулентного горения и на состояние фрон­та горения большое влияние оказывает общий уровень тур­булентности потока. Измерения скорости турбулентного перемещения пламени показали, что отношение скорости турбулентного распространения пламени к нормальной ско­рости u_т/u_н быстро возрастает с увеличением числа Rе.

Это увеличение происходит в результате изменения u_т, так как u_н — const.

Диффузионное горение

В настоящее время широко распространен диффузион­ный метод сжигания газообразного топлива, при котором смешение и горение происходит в одном объеме. Поэтому процессы смешения при диффузионном горении играют первостепенную роль.

Процессы смешения между струями топлива и воздуха могут протекать при ламинарном и турбулентном течени­ях этих струй. В первом случае смешение определяется мо­лекулярной диффузией, во втором — турбулентной диффу­зией.

На рис. 44 представлена упрощенная схема распределе­ния концентраций в ламинарном пламени. Как видно, кис­лород полностью отсутствует внутри объема, ограниченного фронтом пламени, так же как топливо отсутствует за пределами этого объема.

Расчеты и опыты показали, что высота пламени пропор­циональна скорости подачи газа и обратно пропорциональ­на коэффициенту диффузии.

Если рассматривать факел, образующийся при вытека­нии горючего газа в неограниченную спокойную среду, то при определенной (критичес­кой) скорости ламинарный факел начнет переходить в турбулентный.

Критическое значение кри­терия Rе_кр, при достижении которого начинается переход ламинарного пламени в турбу­лентное, зависит от вида топ­лива, динамических характе­ристик потока и влияния на них процесса горения.