Автор работы: Пользователь скрыл имя, 25 Декабря 2013 в 16:56, реферат
В работе приводится классификация газовых пламен по следующим признакам:
1) в зависимости от режима движения — ламинарный и турбулентный факел;
2) по способу образования горючей смеси — гомогенный и диффузионный факел;
3) по геометрии факела — свободный и ограниченный;
4) по аэродинамической схеме движения — спутный и встречный факел.
Сжигание газового топлива в потоке
Процесс горения газового топлива состоит из стадии смешения газа с воздухом, нагрева полученной смеси до температуры воспламенения, зажигания ее и реакций горения, сопровождающихся выделением теплоты. Причем смешение газа с воздухом и нагрев смеси занимают большую часть времени в процессе горения, так как реакции горения протекают практически мгновенно.
В работе [12] приводится классификация газовых пламен по следующим признакам:
1) в зависимости от режима движения — ламинарный и турбулентный факел;
2) по способу образования горючей смеси — гомогенный и диффузионный факел;
3) по геометрии факела — свободный и ограниченный;
4) по аэродинамической схеме движения — спутный и встречный факел.
Эта классификация четко и обоснованно отражает различные; гидродинамические и физические особенности формирования факелов и способы организации процесса горения газа.
Глава 5
УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ
Условия устойчивой работы горелок
Устойчивость горения в широком диапазоне изменения расходов газа и воздуха является существенным фактором, определяющим надежность работы газовых горелок. В практике сжигания газа часто приходится сталкиваться с нарушением устойчивой работы горелок, вызываемым либо отрывом пламени от насадка горелки, либо проскоком пламени в ее смесительную часть.
Рассмотрим условия, при которых пламя сохраняет устойчивость, т. е. остается неподвижным относительно устья горелки. Известно, что в зоне горения устанавливается динамическое равновесие между стремлением пламени продвинуться навстречу потоку газовоздушной смеси и стремлением потока отбросить пламя от горелки. Однако указанное явление наблюдается в определенном (очень узком) интервале скоростей истечения газовоздушной смеси из горелки. Когда скорость распространения пламени в какой либо точке фронта горения превысит скорость истечения газовоздушной смеси, возникает проскок пламени. А в тех случаях, когда скорость газовоздушной смеси во всех точках фронта горения превышает_скорость распространения пламени,_происходит отрыв пламени.
Таким образом, устойчивая работа горелки наблюдается в диапазоне скоростей , где - скорость истечения газовоздушной смеси, при которой наступает проскок пламени; — скорость истечения газовоздушной смеси, при которой наступает отрыв пламени.
Следует отметить, что отрыв пламени не происходит резко. Первоначально появляются пульсирующие срывы горения по периферии в основании факела, которые увеличиваются и учащаются с возрастанием скорости истечения газовоздушной смеси. Это создаст условия, при которых даже небольшие колебания окружающей среды приводят к отрыву пламени. Следовательно, определение «отрыв пламени» несколько условно, так как всегда должно быть оговорено, в каких условиях проводился эксперимент.
Из факторов, влияющих на отрыв и проскок пламени, необходимо отметить: состав газа и газовоздушной смеси, диаметр выходного отверстия насадка, режим истечения смеси и копструктивные особенности горелок. Так, например, чем больше скорость распространения пламени, зависящая от состава газа, тем больше при прочих равных условиях скорость выхода газовоздушной смеси, при которой наступает отрыв пламени. В частности, природный газ, содержащий более 90 % метана и имеющий сравнительно низкую скорость распространения пламени, имеет низкие пределы отрыва пламени. Сланцевый и коксовый газы, содержащие компоненты с высокими скоростями распространения пламени (водород), имеют более высокие скорости отрыва.
Известно, что с увеличением диаметра выходного сечения горелки возрастает скорость истечения газовоздушной смеси, при которой наступает отрыв пламени. Одной из причин отрыва пламени является влияние вступающего в реакцию вторичного воздуха.
Увеличение температурного уровня повышает устойчивость горелки по отношению к отрыву пламени, но одновременно несколько увеличивает тенденцию к проскоку пламени вследствие роста нормальной скорости распространения пламени.
Установлено, что чем больше калибр горелки, тем при большей скорости истечения газовоздушной смеси наступает проскок пламени.
Отрыв пламени происходит обычно при розжиге или выключении горелок, а во время работы - из-за быстрого изменения нагрузки или коэффициента избытка воздуха. Отрыв пламени приводит к загазованию топки и газоходов, что может повлечь за собой взрыв газовоздушной смеси с последующими серьезными разрушениями. Проскок пламени чаще всего происходит при неправильном зажигании и выключении горелки, а также при быстром снижении ее производительности. В результате проскока может произойти перегрев горелки или хлопок внутри нее, а также прекрашение горения и загазование помещения
Устойчивость пламени в большинстве промышленных горелок достигается применением специальных стабилизаторов, которые имеют различное конструктивное исполнение.
Предотвращение проскока пламени достигается увеличением скорости выхода газовоздушной смеси из насадка горелки и отводом теплоты от него. Конструктивно это решается сужением насадка на выходе и установкой теплоотводящих пластин, ребер, решеток с большим числом мелких отверстий, а также воздушным и водяным охлаждением насадка.
Для стабилизации пламени необходимо создать у устья горелки условия для надежного воспламенения газовоздушной смеси.
Это достигается применением стабилизаторов и аэродинамическими методами. Наибольшее распространение в качестве стабилизаторов получили керамические туннели, зажигательные пояса, тела плохообтекаемой формы, а из аэродинамических методов — закручивание воздушного потока, создающее зоны рециркуляции продуктов сгорания около выходного сечения смесителя.
В работе [39] предложено все схемы осуществления рециркуляции в топочных устройствах условно разделить на 3 группы:
1) естественная рециркуляция
(прямая струя с внезапным
Под кратностью рециркуляции понимается отношение рециркуляционного расхода к расходу первичной смеси.
Оптимальное значение кратности рециркуляции, обеспечивающее стабильность факела, зависит от многих факторов, как-то: состав газа, способ его сжигания, конструкция топочного устройства и т. д.
В промышленных установках стабилизация пламени осуществляется часто при помощи керамических туннелей (рис. 5-3). Струя газовоздушной смеси, выходя из насадка горелки в туннель, расширяется, так как диаметр туннеля выполняется обычно равным 2,5 диаметра насадка (). В головной части туннеля между его стенками и струей образуются вихревые зоны, в которые осуществляется рециркуляция продуктов сгорания. Непрерывная подача к корню факела раскаленных продуктов сгорания обеспечивает устойчивое зажигание газовоздушной смеси на выходе из горелки. Раскаленные стенки туннеля уменьшают прямую отдачу факела и приближают температуру туннеля к теоретической температуре горения.
Отрыв пламени в туннельных горелках происходит лишь тогда, когда к корню струи поступает теплоты меньше, чем требуется для ее зажигания. Это может иметь место при чрезмерно больших скоростях истечения смеси из горелки, когда она выходит за пределы устойчивости горения.
Рис. Схема керамического туннеля
Для ликвидации указанных выше недостатков керамических туннелей, устанавливаемых с инжекционными горелками среднего давления, разработаны кольцевые стабилизаторы к этим горелкам. Принцип работы кольцевых стабилизаторов заключается в следующем. Часть газовоздушной смеси в насадке горелки через отверстия малого диаметра попадает в кольцевой зазор между насадком и стабилизатором. Площадь поперечного сечения кольцевого зазора значительно больше суммарной площади отверстий. В результате газовоздушная смесь, попадая в кольцевой зазор, имеет малую скорость истечения и образует устойчиво горящее кольцо газа, поджигающее основной факел. Испытания инжекционных горелок с кольцевыми стабилизаторами показали, что при избыточном давлении природного газа до 147 кПа отрыва пламени от устья горелки не наступает.
Создана оригинальная конструкция пластинчатого стабилизатора для инжекционных горелок среднего давления ИКГ. Конструкция совмещает в себе устройство, предотвращающее отрыв и проскок пламени. Стабилизатор представляет собой стальные пластины, собранные в пакет на 2 стержнях. Между пластинами остаются щели в 1,5 мм, через которые проходит газовоздушная смесь. Пакет пластин вставляется в обойму, являющуюся насадком горелки, и закрепляется третьим стержнем. Наличие узких щелей, стенки которых интенсивно охлаждаются потоком газовоздушной смеси, не допускает проскока пламени внутрь горелки. С другой стороны, расположенные поперек потока скрепляющие стержни вызывают образование за ними вихревых токов горячих продуктов сгорания, обеспечивающих надежное поджигание исходной газовоздушной смеси.
Устойчивость горения при стабилизации пламени с помощью плохо обтекаемых тел достигается непрерывным поджиганием горючей смеси продуктами сгорания, рециркулирующими в зоне, образующейся за телом. Устойчивость процесса зависит в этом случае не только от источника поджигания, но и от внешних условий, т. е. от того, какое количество теплоты получает свежая смесь и как в связи с этим развиваются в ней химические процессы. Одним из определяющих факторов в процессе стабилизации является соотношение между временем, необходимым для подготовки смеси к горению, и временем контакта горючей смеси с поверхностью зоны.
Стабилизация с помощью аэродинамических методов, например встречных струй, позволяет в широком диапазоне регулировать процесс горения, т. е. управлять факелом. Это связано с существенным отличием структуры течения по сравнению с обтеканием тел плохообтекаемой формы. Проведенными исследованиями было установлено, что для плохообтекаемых тел размеры зоны циркуляции не зависят от скорости набегающего потока. В то же время увеличение скорости встречной струи позволяет сильно изменить зоны циркуляции и тем самым количество возвращаемых к корню факела высокотемпературных продуктов сгорания.
Для предотвращения проскока пламени часто насадок горелки охлаждается водой, воздухом или газом. При охлаждении уменьшается скорость распространения пламени в газовоздушной смеси и тем самым вероятность проскока пламени в смесительную часть горелки. Имеются и другие способы стабилизации факела, но они применяются только в специальных газогорелочных устройствах.
Методы исследования устойчивости горения
Устойчивое горение газа, как было показано выше, находится между областью проскока и отрыва пламени. От ширины этой зоны зависят и пределы регулирования нагрузки горелки. Чем ниже скорость, при которой наступает проскок пламени, и выше скорость, при которой наступает его отрыв, тем шире диапазон устойчивой работы горелок.
Явление проскока может наблюдаться только у горелок полного или частичного предварительного смешения. У горелок с раздельной подачей газа и воздуха, в которых смешение идет одновременно с горением, проскока пламени не бывает. Отрыв пламени может наблюдаться у горелок как предварительного смешения, так и других типов.