Скорость горения газа

При сжигании газовоздушной смеси зона горения распространяется по объему смеси с определенной скоростью, называемой скоростью распространения пламени. Определение ее величины при различных условиях горения производится экспериментально с учетом состава смеси, температуры, давления, режима движения, методов сжигания и ряда других факторов. Наиболее часто для сравнительной оценки скорости распространения пламени применяют два метода - статический и динамический.

При статическом методе скорость распространения пламени определяется измерением скорости перемещения фронта пламени по газовоздушной смеси, заключенной в трубку из тугоплавкого стекла.

Если левый конец трубки заглушен, то при поджигании газовоздушной смеси с открытого правого конца можно наблюдать за перемещением пламени в трубке. При этом вдоль оси трубки справа налево движутся последовательно: зона подогрева смеси, фронт воспламенения и зона реакций горения, оставляя за собой продукты сгорания.

По кривым рис. 11.2 видно, что в зоне подогрева за счет теплопроводности от фронта горения смесь нагревается от первоначальной температуры Т₀ до температуры самовоспламенения Т_с, затем воспламеняется, при этом за счет интенсивной реакции в зоне горения температура возрастает до максимального значения Т₂. Процесс горения сопровождается резким снижением концентрации горючего газа в смеси от значения С₀ до нуля. Уменьшению концентрации горючего газа в зоне горения соответствует интенсивный рост тепловыделений, показанный кривой qw.

Замеренную (например, с помощью кинокамеры) скорость движения пламени в этом случае называют равномерной скоростью распространения пламени. Данный метод прост и нагляден, но неточен, так как по мере удаления фронта горения от открытого конца трубки происходят ускорение и вибрация движения пламени за счет проявления детонации и, кроме того, определяемая линейная скорость движения пламени зависит от диаметра трубки и с его уменьшением замедляется за счет увеличения относительных теплопотерь через стенки.

Поэтому диаметр трубки должен быть оговорен. При очень малом диаметре трубки, называемом критическим, удельные теплопотери настолько увеличиваются, что движение пламени вообще прекращается. Для стехиометрической метано-воздушной смеси критический диаметр равен примерно 3,5 мм.

Рис. 11.2. Схема распространения пламени в трубке:

Т - температура; С - концентрация горючего; qw - тепловыделения

На рис. 11.3 графически показана зависимость равномерной скорости распространения пламени от состава некоторых газовоздушных смесей при 20°С, давлении 760 мм рт.ст. и диаметре трубки 25 мм. Из графика видно, что максимальное значение этой скорости соответствует не стехиометрическому соотношению газа и воздуха, а некоторому недостатку последнего.

Динамический метод определения скорости распространения пламени, предложенный Гюи и В.А. Михельсоном, основан на измерении геометрических размеров конусного фронта пламени газовой горелки Бунзена. Этот метод позволяет определить так называемую нормальную скорость распространения пламени u_н, направленную по нормали к фронту горения холодной газовоздушной смеси.

При этом методе регулированием состава и скорости газовоздушной смеси, ламинарно вытекающей из горелки, добиваются образования устойчивого резко очерченного голубого внутреннего конуса горения (рис. 11.4). Стабильность формы этого конуса обеспечивается тем, что в каждой точке его поверхности нормальная скорость распространения пламени u_н, направленная по нормали внутрь конуса, будет равна прямопротивоположно направленной составляющей w_н скорости потока w_п газовоздушной смеси.

Из треугольника векторов скоростей на рис. 11.4 видно, что

w_н = w_пcosφ = u_н, (11.20)

Рис. 11.3. Кривые равномерных скоростей распространения пламени
в трубке диаметром 25 мм:

1 - водород; 2 - окись углерода; 3 - коксовый газ; 4 - метан; 5 - этан

где w_н - нормальная составляющая скорости потока; w_п - скорость потока, для приближенных расчетов можно принять, что скорость потока одинакова по всему сечению; φ - угол между скоростью потока и нормалью к фронту горения; u_н - нормальная скорость распространения пламени.

Рис. 11.4. Схема пламени горелки

Бунзена

Средняя скорость потока

w_ср.п = V_см / (πR²), м/сек, (11.21)

где V_см - расход газовоздушной смеси в устье горелки; R - внутренний радиус горелки.

Допустим, что конус горения имеет правильную геометрическую форму. Тогда из треугольника аbс (см. рис. 11.4)

, (11.22)

но так как из выражения (9.20)

, (11.23)

то окончательно

. (11.24)

Из формулы (11.24) видно, что с увеличением радиуса горелки и скорости потока высота внутреннего конуса горения увеличивается, а с увеличением нормальной скорости распространения пламени - уменьшается. Из формулы (11.24)

. (11.25)

Таким образом, определение нормальной скорости распространения пламени динамическим методом сводится к вычислению средней скорости газовоздушной смеси в горелке и измерению высоты внутреннего конуса горения. Нормальная скорость распространения пламени меньше равномерной скорости распространения пламени (табл. 9.3).

Определяемые описанными методами скорости распространения пламени могут иметь место в неподвижных или ламинарно движущихся газовоздушных смесях. В практике сжигания газа, особенно в топках промышленных агрегатов, пламя распространяется в турбулентном потоке смеси. В этом случае фронт пламени имеет неровную поверхность, а при большой турбулентности он

Таблица 11.3

Максимальная равномерная и нормальная скорости распространения пламени в газовоздушной смеси при 20°С и 760 мм рт.ст.

разрывается на множество очагов горения, перемешивающихся со струйками холодной смеси, что значительно увеличивает скорость распространения пламени. В этом случае говорят о турбулентной скорости распространения пламени u_т, которая в значительной степени зависит от скорости потока газовоздушной смеси. Процесс распространения пламени в турбулентном потоке еще недостаточно изучен, и для определения параметров турбулентного горения пользуются эмпирическими зависимостями.

Турбулизация потока газовоздушной смеси в горелках позволяет интенсифицировать горение и уменьшить длину факела. Независимо от режима движения газовоздушной смеси наличие в ней балластных компонентов снижает нормальную скорость распространения пламени.