Блинов Е.А., Топливо и теория горения. Раздел: подготовка и сжигание топлива

Подождите немного. Документ загружается.

Пары топлива с поверхности капли переносятся за счет диффузии к зоне горе-

ния, как и кислород к поверхности горения из окружающей среды. Во внутрен-

ней части приведенной пленки (между поверхностью горения и каплей) нахо-

дятся только продукты сгорания и пары топлива. В процессе горения изменя-

ются диаметр капли и диаметр сферы

поверхности горения. Для расчета про-

цесса горения составляются четыре балансовых уравнения.

Для внутренней зоны (между каплей и зоной горения) уравнение тепло-

вого баланса

[]

лdt

)

исп

ДG

=−+ (1.19)

где с

- концентрация паров топлива; r - текущий радиус от нуля до радиуса

сферы поверхности горения; левая часть уравнения - расход теплоты на испа-

рение и перегрев паров топлива от температуры капли t

до температуры t

зоне горения, тогда t

- текущая температура

и материального баланса

wс

Dс

ДG

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−π−= (1.20)

где D - коэффициент диффузии, ρ

и z

- плотность паров и относительное со-

держание пара в смеси "пар-продукты сгорания", w - скорость паров топлива.

Здесь в правой части первый член определяет перенос пара за счет молекуляр-

ной диффузии, второй соответствует конвективному (стефановскому) потоку

пара от капли к зоне горения.

Рис. 1.22. Схема горения капли

Для внешней зоны (между зоной горения и окружающей средой) уравне-

ние теплового баланса имеет вид

[]

лdt

ДG

π−

=−− (1.21)

Здесь второй член в левой части соответствует доле теплоты сгорания, которая

выносится со стефановским потоком; и материального баланса (по кислороду)

см

)

см

ДG

ρπ

=+ (1.22)

где

z- отношение расхода кислорода к расходу топлива;

см

z - относитель-

ное содержание кислорода в смеси "окислитель - продукты сгорания". Второй

член в левой части соответствует конвективному переносу.

Совместное решение уравнений (1.19)...(1.22) позволяет определить ско-

рость испарения, температуру в зоне горения, диаметр сферы поверхности го-

рения и температуру поверхности капли.

Учет кинетического сопротивления

горения позволяет дополнительно

определить распределение температур и концентраций около капли [3]; на рис.

1.23 показаны графики изменения концентраций топлива и окислителя, а также

изменение температуры при горении капли.

Рис. 1.23. Изменение концентраций и температур в зоне горения капли:

- концентрация топлива;

- концентрация кислорода; Т – температура.

1.3. Горение жидкого топлива в факеле

Топливовоздушная смесь поступает в топку в виде прямоточных или за-

крученных струй. Для воспламенения распыленного жидкого топлива необхо-

димо испарить некоторую его часть и подогреть смесь паров топлива с окисли-

телем до температуры горения. В начальный период (при розжиге горелки) те-

плота подводится от специального газового запальника (при отсутствии газово-

го

топлива - от автономных источников теплоты). Запальник отключается после

достижения стабильного процесса горения. В дальнейшем воспламенение

вновь поступающих порций топлива и устойчивое их горение происходит за

счет двух источников теплоты: теплового излучения из ядра факела и от стен

топочной камеры и, в большей степени, конвективного нагрева при перемеши-

вании свежей топливовоздушной

смеси c горячими топочными газами.

Прямоточная струя имеет небольшой угол раскрытия и вялое перемеши-

вание капель топлива с потоком воздуха. Образовавшаяся топливовоздушная

смесь нагревается высокотемпературными продуктами сгорания, рециркули-

рующими от наружной образующей горящего факела к устью горелки. Воспла-

менение в мазутном прямоточном факеле происходит с внешней границы струи

свежей топливовоздушной смеси и

распространяется вглубь струи.

Закрученная струя имеет больший угол раскрытия и большую интенсив-

ность перемешивания капель топлива с окислителем, а также большую эжекти-

рующую способность. Рециркуляция раскаленных продуктов горения к свежей

топливовоздушной смеси (к корню факела) происходит как с наружной обра-

зующей горящего факела, так и внутри факела, в зоне обратных

токов [2]. Вос-

пламенение в закрученном факеле происходит одновременно с наружной и с

внутренней границ струи.

Воспламенившаяся часть смеси паров топлива с воздухом, называемая

фронтом пламени

, зажигает прилегающие слои смеси - фронт пламени переме-

щается. Такое перемещение характерно для смеси, находящейся в покое. Ли-

нейная скорость перемещения элемента фронта пламени относительно непод-

вижной смеси по нормали к поверхности фронта называется скоростью нор-

мального распространения пламени U

. Она может быть медленной (до 10 м/с)

и быстрой (взрыв) - до 3000 м/с. Для гомогенной смеси углеводородов с возду-

хом U

= 0,3…1,2 м/с, для гетерогенных взвесей U

= 0,3...0,7 м/с. Скорость

распространения пламени увеличивается с ростом давления и температуры

смеси. Разбавление смеси инертным газом снижает U

. Например, в смеси ме-

тана с кислородом

max

U = 3,25 м/с, а в смеси метана с воздухом

max

U =

0,37м/с. В целом можно сказать, что скорость распространения пламени не за-

висит от гидродинамических условий, а зависит только от физико-химических

свойств горючей смеси, т.е. U

является физико-химической константой.

Для обеспечения стабильного положения в топочном пространстве зоны

воспламенения, т.е. фронта горения факела, смесь к зоне воспламенения долж-

на поступать со скоростью, равной скорости распространения пламени.

На рис. 1.24 стабильному положению фронта пламени соответствует точ-

ка пересечения кривых U

и W

. На оси абсцисс откладывается расстояние от

среза форсунки х

, на этой же оси может быть показано время движения смеси

(для х

время τ

= 0). Тогда х

- расстояние от среза форсунки, на котором нахо-

дился фронт пламени, а τ

инд

- время подготовки топливовоздушной смеси до ее

устойчивого горения, т.е. время индукции. Таким образом, факел в топочном

пространстве имеет три области: негорящая часть факела, фронт пламени, го-

рящая и догорающая часть факела.

Рис. 1.24. Условие стабильного положения фронта воспламенения

На рис. 1.25 показана структура развития диффузионного факела [4]. Ус-

ловно факел можно разделить на зоны. В зоне I осуществляется подвод турбу-

лизированного потока воздуха к распыленному потоку мазута. В зоне II проис-

ходит активное перемешивание капель топлива с воздухом, подогрев основной

массы капель топлива до температуры

испарения, частичное испарение наибо-

лее мелких капель. Именно в этой зоне происходит распределение топлива по

сечению факела; границей зоны II является та часть факела, где прекращается

действие сил инерции капель топлива, определяемых их массой и той скоро-

стью, которую они имели на выходе из форсунки. Дальнейшее движение капель

происходит вследствие воздействия на

них движущегося потока смеси газов и

воздуха. В зоне III полностью испаряются мелкие капли топлива, частично -

более крупные; смесь паров топлива и окислителя воспламеняется и сгорает в

кинетической области. При этом практически мгновенно выделяется до

50…70% тепловой энергии топлива.

Протяженность области кинетического горения определяется тонкостью

распыливания и равномерностью распределения капель по сечению

факела.

Количество выделяющейся теплоты и развивающаяся при этом температура

определяют скорость испарения и время подогрева топливовоздушной смеси до

воспламенения в зонах II, III и последующих. В зоне IV происходит оконча-

тельное испарение всех капель и одновременное горение паров топлива, при-

чем пары горят вокруг каждой отдельной капли (см. механизм горения оди-

ночной капли). Горение в этой зоне переходит в диффузионную область.

Рис. 1.25. Структура диффузионного факела:

1 – воздухозакручивающий аппарат; 2 – форсунка;

I …VII – условные зоны факела

Перемешивание в зоне IV достаточно интенсивно: крупномасштабная турбу-

лентность, значение которой зависит от энергии воздушного потока на выходе

из воздухонаправляющего устройства, имеет еще высокий уровень. В этой зоне

горящий факел расчленяется на отдельные очаги горения. Происходит это в ре-

зультате возникновения в турбулентном потоке объемов с большой концент-

рацией топлива и с отсутствием топлива. Такая структура факела приводит к

неполному сгоранию топлива. Основное влияние на выравнивание соотноше-

ния топливо-воздух по сечению факела оказывают крупномасштабные пульса-

ции - взаимодействия между горящими и негорящими вихревыми образования-

ми факела. В зоне V продолжается взаимодействие

вихревых образований и

выгорание топлива. Горят пары топлива, не сгоревшие в предыдущей зоне, а

также тяжелые углеводороды, сажа и коксовые частицы, образовавшиеся в зо-

нах III и IV в результате перегрева капель при испарении. Горение глубоко

диффузионное. Существенную роль при таком горении играет как крупномас-

штабная, так и мелкомасштабная турбулентность потока. Перемешивание

крупных объемов и массообмен во всем сечении факела обеспечивается круп-

номасштабной турбулентностью, а перемешивание внутри отдельных объемов -

мелкомасштабной турбулентностью. Степень выгорания топлива в этой зоне

определяется равномерностью распределения топлива по сечению факела, дос-

тигнутой в зоне II. Протяженность зоны V (в конце ее выгорает 98…99% топ-

лива) зависит также от структуры турбулентности в этой

зоне и от коэффици-

ента избытка воздуха в зоне I. Увеличение последнего ускоряет процесс диф-

фузионного выгорания. В зоне VI происходит диффузионное дожигание твер-

дой фазы. Полное дожигание твердых частиц затруднено по двум причинам:

низкая температура в конце факела (1000...1200°С) и отсутствие мелкомас-

штабной турбулентности. Поэтому абсолютно полное сгорание жидкого топли-

ва в факеле практически недостижимо; неполнота горения (механическая) для

конкретных топливосжигающих установок нормируется. Зона VII - это зона

движения продуктов сгорания по тракту установки. Приблизительная протя-

женность зон I...VI по оси факела в долях диаметра устья горелочного

устрой-

ства

уг

D для закрученной струи топливовоздушной смеси приведена в

табл. 1.4.

Таблица 1.4

Протяженность зон (по рис. 1.25)

Номер зоны Процесс, происходящий в зоне Протяженность зоны

III

Турбулизация и подача воздуха

Распределение капель топлива в воздухе,

его подогрев и частичное испарение

Испарение и кинетическое горение

Испарение и начало диффузионного го-

рения

Диффузионное горение

Диффузионное дожигание

0,5 D

ГУ

(0,75…1,0) D

ГУ

1,5 D

ГУ

(2…3) D

ГУ

(3…5) D

ГУ

Длина факела

Выше было показано, что дальность полета отдельной капли зависит от

начальных диаметра и скорости ее. Если учесть, что диаметр горящей капли

уменьшается в полете (рис. 1.26), то, очевидно, что в этом случае уменьшается

и дальность ее полета.

Рис. 1.26. Уменьшение относительной массы горящей капли

по длине факела в зависимости от начальной скорости

υ м/с: 1 - υ = 100; 2 - υ = 40 ; 3 - υ = 20

Для капли максимального диаметра дальность полета будет также макси-

мальной, и длина факела могла бы быть принята равной этой дальности. Одна-

ко длина факела определяется не только условиями испарения топлива, но и

условиями смесеобразования. Учитывая это, длину факела l

можно определить

из выражения

,В

max

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+= (1.23)

где k

и k

- коэффициенты пропорциональности; w

и w - осевая составляю-

щая скорости и полная скорость потока; с

и с

- соответственно концентра-

ция топлива в начальном сечении факела и в конце факела; В - производитель-

ность форсунки.

Первое слагаемое в уравнении (1.23) - часть длины факела, определяемая

условиями испарения топлива, второе слагаемое - условиями перемешивания

газообразной фазы.

После ряда упрощений это уравнение можно записать в виде

0,5б

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

= (1.24)

где α - коэффициент избытка воздуха, подаваемого в горелку; m - коэффициент,

учитывающий условия смесеобразования (рис. 1.27); k

- коэффициент, учиты-

вающий условия испарения. При сжигании в закрученной струе мазута 40 – k

1,27; мазута 100 – k

= 1,5…1,65; при сжигании в прямоточной струе k

= 0,95.

Рис. 1.27. Влияние производительности горелки

на коэффициент смесеобразования m

Увеличение коэффициента k

при переводе топочного устройства с мазу-

та 40 на мазут 100 объясняется следующим. Известно, что при кипении капли

мазута сначала испаряются легкие фракции, температура кипения при этом

возрастает. Соотношение между количеством легких и тяжелых фракций ха-

рактеризуется коэффициентом состава топлива k

сост

. Начальная температура

кипения у мазутов 40 и 100 одинакова, t

нач

=250°С, но коэффициенты k

сост

резко

отличаются: у мазута 40 k

сост

= 0,35, у мазута 100 k

сост

= 0,72. Поэтому темпера-

турный перепад Δt

= t

– t

в процессе испарения для мазута 100 значительно

меньше, чем для мазута 40, а значит меньше и скорость испарения. При перево-

де топочного устройства с мазута 40 на сжигание мазута 100 длина факела зна-

чительно увеличивается.

Длина факела, строго говоря, является величиной неопределенной. Так,

изменение требований к полноте сгорания в конце факела (

изменяется

от

1,0 до 0,5%) соответствует удлинению факела на 20%, а абсолютно полному

сгоранию теоретически соответствует l

= ∞. На практике за длину факела при-

нимают расстояние от устья горелки до того места факела, где недожог состав-

ляет 1%. Длина факела, найденная из выражения (1.24) соответствует этому ус-

ловию.

Если исходить из условия, указанного ранее, что длина факела определя-

ется временем испарения и горения крупных капель, то для определения l

можно воспользоваться выражением

,Вk

гу

l += (1.25)

где k - коэффициент, учитывающий равномерность распределения топлива в

факеле, физические свойства топлива и среды в топке и условия подачи возду-

ха; для горелок прямоточного типа k = 4,5...5,0; для вихревых горелок

k = 3,0...4,0.

В вертикальных топках вследствие действия подъемных сил общая длина

факела складывается из горизонтальной и вертикальной составляющих. Гори-

зонтальная составляющая определяется из выражения

фг

(1.26)

где l

определяется из (1.24) или (1.25); k

- коэффициент, зависящий от осевой

скорости w

в амбразуре горелки (см. табл. 1.5).

Вертикальная составляющая

Давление

топлива

Давление

распылителя

Удельный

расход

воздуха

Коэффици-

ент расхода

воздуха

Температу-

ра топ

ива

и воздуха

Качество

смесеобра-

зования

Мощност

горелки

Организа-

ция пода-

чи воздуха

Темпера-

турные ус-

ловия горе-

ния

Свойства

топлива

спаряе

ост

топлива

Дисперс-

ность рас-

пыления

фв

(1.27)

где k

- коэффициент, зависящий от видимого теплонапряжения в сечении топ-

ки (таблица 1.5).

Таблица 1.5

Выбор коэффициентов k

и k

, м/с 20 35 50 65

0,4 0,45 0,5 0,55

МВт/м

2,3 5,8 9,3

0,6 0,7 0,6

Длина факела зависит от многих взаимосвязанных величин - рис. 1.28; ею

можно управлять, например, изменением дисперсности распыливания, удель-

ным расходом распылителями т.п. Однако следует помнить, что организация

сжигания жидкого топлива, в том числе и длина факела, определяется конст-

руктивными и технологическими характеристиками топки. Так, короткий факел

свидетельствует об интенсивном и экономичном горении

в ограниченном объ-

еме топочной камеры. Но с другой стороны излишнее укорочение факела при-

ведет к росту тепловых потоков на уровне горелок и к значительному падению

температуры в остальном топочном пространстве, что отрицательно скажется

на экономичности и надежности установки. В этом случае для лучшего запол-

нения камеры сгорания факелом и

выравнивания температур следует удлинить

факел, например, укрупнив распыл.

Рис. 1.28. Классификация взаимосвязанных величин,

влияющих на длину факела

Форма факела

Самым узким и самым длинным является факел прямоточной струи,

формируемый струйными механическими, пневматическими и вентиляторными

форсунками. Расширение факела и уменьшение его длины достигается при ис-

пользовании центробежных и ротационных механических, щелевых и турбу-

лентных пневматических и паровых, а, также турбулентно-вихревых вентиля-

торных горелочных устройств. При использовании последних ширина факела,

определяемая углом его раскрытия β

, зависит от степени крутки n (см. раздел

I.I). Однако следует учитывать, что чем больше степень крутки, тем труднее

получить необходимую равномерность распределения топлива и воздуха в на-

чальном сечении факела. С увеличением степени крутки может произойти затя-

гивание рециркуляционной зоны факела внутрь горелочной амбразуры, при

этом происходит заброс топлива в проточную часть горелки и обгорание эле

ментов горелок. При очень сильной закрутке воздуха может возникнуть ра-

зомкнутое течение, когда воздушная струя на выходе горелки раскрывается на

угол β

= 180° и более, В этом случае распределение топлива и воздуха полно-

стью нарушается, горелка становится неработоспособной. Оптимальный угол

закрутки, примерно равный углу наклона лопаток завихрителя, составляет

30...60°, угол раскрытия факела при этом не достигает опасных значений (рис.

1.29).

Рис. 1.29. Влияние степени крутки на угол раскрытия факела:

1 - для горелок типа У (а/в = 0,4); 2 - типа AT (β = 25...65°, α = 20...45°);

3 – типа Т (в/d

= 1,0); 4 – типа ТЛ (α = 30°).

При снижении нагрузки угол раскрытия факела возрастает; так, при пере-

ходе от 100% до 50% нагрузки у механических форсунок β

увеличивается на

10%, у форсунок со сливом - на 20%.

Рекомендуемые углы раскрытия для конуса факела распыливания форсу-

нок: (55

± 5)° - для горелки производительностью меньше 3,8 ГДж/ч (1 МВт);

(70 ± 5)° - меньше 32,7 ГДж/ч (9 МВт); (85 + 5)°- меньше 81,2 ГДж/ч (22,5 МВт)