Устойчивость горения. Стабилизаторы

Под устойчивостью горения понимают постоянство местонахождения пламени относительно огневых отверстий горелки, обеспечиваемое равенством нормальной скорости распространения пламени и противоположно направленной нормальной составляющей скорости потока газовоздушной смеси.

При ламинарном истечении наиболее устойчивой является часть пламени, примыкающая к кромкам огневых отверстий, так как в краевых слоях потока скорости истечения смеси, уменьшенной торможением о стенки огневых каналов, соответствует пониженная за счет охлаждения теми же стенками скорость распространения пламени. Благодаря этому у основания факела создается огневой зажигательный поясок, стабилизирующий процесс горения в определенном диапазоне расхода смеси.

С увеличением расхода смеси ламинарный режим переходит в турбулентный, зажигательный поясок «размывается», устойчивость горения нарушается и пламя отрывается от горелки. Наоборот, с уменьшением расхода скорость распространения пламени в пристенной зоне потока может превысить скорость истечения смеси и пламя втягивается внутрь горелки. Первое явление называют отрывом, второе - проскоком или обратным ударом пламени.

При полном отрыве пламя гаснет, а при частичном - занимает относительно устойчивое положение на некотором расстоянии от горелки. Отрыв пламени в любом виде недопустим, так как при полном отрыве несгоревший газ, а при частичном - продукты незавершенного горения могут образовать в окружающей атмосфере или топке взрывоопасные или токсичные смеси. Отрыв пламени возможен при увеличении давления газа перед горелкой сверх допустимых пределов, чрезмерном увеличении разрежения в топке, обеднении газовоздушной смеси воздухом, сопровождающемся уменьшением скорости распространения пламени, и по другим причинам. Отрыв пламени зависит от диаметров огневых отверстий и содержания первичного воздуха в смеси (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Скорости отрыва пламени в открытой атмосфере смесей природного газа с воздухом в зависимости от размера огневых отверстий и содержания
первичного воздуха:

а - многофакельная; б - однофакельная горелка

С увеличением диаметров огневых отверстий увеличивается скорость истечения смеси, при которой происходит отрыв пламени. Увеличение содержания первичного воздуха в смеси (т.е. воздуха, поступающего в горелку) приводит к снижению скорости отрыва пламени.

Проскок пламени происходит, когда скорость истечения газовоздушной смеси становится меньше скорости распространения пламени (у инжекционных горелок, например, при уменьшении давления газа ниже расчетного предела). В этом случае пламя может погаснуть, обычно с хлопком, или переместиться в смеситель горелки, перегревая его и препятствуя притоку первичного воздуха. Проскок пламени недопустим, так как приводит к истечению из горелки несгоревшего газа или продуктов незавершенного горения, а также перегреву горелки. Приближенные значения скоростей смесей природного газа с воздухом, при которых происходит проскок пламени, приведены для многофакельных инжекционных горелок в табл. 11.4, для однофакельных - на рис. 11.6.

Таким образом, пределы устойчивой работы горелок ограничиваются скоростями отрыва и проскока пламени. На рис. 11.7 показаны кривые, характеризующие пределы устойчивого горения смеси природного газа с воздухом в зависимости от содержания первичного воздуха и размеров огневых отверстий горелок. При заданном содержании первичного воздуха превышение скорости истечения смеси из огневых отверстий выше значений, ограниченных кривыми 1, ведет к отрыву пламени, а понижение этой скорости ниже значений кривых 2 приводит к проскоку. При содержании в смеси первичного воздуха менее величин, ограниченных кривыми 3, возникают желтые языки пламени, связанные с

Таблица 11.4

Приближенные значения скоростей смесей природного газа с воздухом, при которых происходит проскок пламени, м/сек (температура смеси 20°С)

Рис. 11.6. Максимальные скорости проскока пламени (в пересчете на 0°С и 760 мм рт.ст.) инжекционных однофакельных горелок для смесей природных газов с воздухом при
α = 1, 0:

1 - горелка в открытой атмосфере; 2 - горелка в керамическом туннеле

образованием сажистых частиц. Для завершения процесса горения необходимо обеспечить подвод достаточного количества вторичного воздуха и условия для нормального развития факела пламени без соприкосновения его с охлажденными поверхностями Характер кривых на рис. 11.7 свидетельствует о том, что диапазон устойчивого горения газовоздушных смесей, содержащих 50-70% первичного воздуха, широк. Это положено в основу конструирования горелок бытовых газовых приборов.

У смесей, содержащих 100% и более первичного воздуха, диапазон устойчивого горения слишком узок, и они не могут устойчиво работать без применения искусственных стабилизаторов горения. Огнеупорные туннели цилиндри-

Рис. 11.7. Пределы устойчивого горения для смесей природного газа с воздухом:

1 - отрыв пламени; 2 - проскок; 3 - появление желтых краев; диаметры выходных отверстий горелки, дюймы: 4 - 1/2; 5 - 1; 6S - 11/4

ческой формы (рис. 11.8, а), широко применяемые в промышленных установках, предотвращают отрыв пламени рециркуляцией раскаленных продуктов горения к корню факела за счет разрежения, создаваемого струей газовоздушной смеси. Устойчивость горения в керамических туннелях не нарушается при скоростях выхода газовоздушной смеси из горелки 100 м/сек и более. Так же, как и в туннелях, отрыв пламени предотвращается рециркуляцией раскаленных продуктов горения при размещении в центре потока газовоздушной смеси тел плохообтекаемой формы (см. рис. 11.8, б). В кольцевом стабилизаторе (см. рис. 11.8, в) отрыв пламени предотвращается тем, что небольшая часть горючей смеси проходит через боковые отверстия 1 и за счет небольшой скорости истечения из канала 2 образует устойчивое огневое кольцо, поджигающее основной центральный поток смеси. Проскок пламени внутрь горелки в этих случаях исключается созданием скоростей истечения смеси, в несколько раз превышающих скорость распространения пламени.

В пластинчатом стабилизаторе (см. рис. 11.8, г), представляющем решетку из металлических пластин 4, стянутых цилиндрическими стержнями 3, отрыв пламени предотвращается рециркуляцией продуктов горения за стержнями, а проскок пламени - размещением пластин с зазором между ними меньше критического. Для предотвращения отрыва пламени и нарушения стабильности горения применяют также горки из огнеупорного кирпича, стационарные запальные устройства в виде запальной горелки и ряд других устройств.

Рис. 11.8. Примеры устройств для стабилизации пламени:

а - цилиндрический керамический туннель; б - тело плохообтекаемой формы; в - кольцевой стабилизатор; г – пластинчатый