Машиностроение и механика

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Физико-химические основы тепловых процессов - Ламинарный и турбулентный газовый факел

Article Index
Физико-химические основы тепловых процессов
Состав и компоненты топлива
Состав твердого и жидкого топлива
Компоненты топлива
Теплота сгорания топлива
Расход кислорода и воздуха для горения топлива
Расход воздуха для горения топлива
Состав продуктов сгорания. Недожог топлива
Недожог топлива
Температура горения топлива
Действительная температура горения
Коэффициент использования тепла топлива
Показатель излучательной способности топлива
Энергетика химических связей и теплота сгорания топлива
Закон действующих масс
Воспламенение топлива, температура воспламенения
Пределы воспламенения
Распространение пламени в газовоздушных смесях
Ламинарный и турбулентный газовый факел
Длина ламинарного газового факела
Уравнение для расчета длины турбулентного газового факела
All Pages

 

Ламинарный и турбулентный газовый факел

Газообразное топливо сжигают факельным способом. Факел представляет собой горящую струю газа, имеющую геометрическую форму и определенную направленность. Если поперечные размеры топочного пространства весьма велики по сравнению с радиальными размерами факела, то факел называют свободным, в противном случае его условно называют ограниченным.

 

По месту встречи и характеру перемешивания газового и воздушного потоков различают три метода сжигания газов:

1). Газ и необходимый для горения воздух встречаются друг с другом вне горелочного устройства в топочном пространстве и перемешиваются в процессе горения. Этот метод сжигания называют факельным с полным внешним перемешиванием.

2). Газ и некоторая часть воздуха, идущего на горение, предварительно перемешивается друг с другом до вылета в топочное пространство, а остальной воздух присоединяется к смеси в топочном пространстве в процессе горения. Этот метод сжигания называют факельным с частичным предварительным перемешиванием.

3). Газ и весь воздух, идущий на горение, предварительно перемешивается друг с другом до вылета в топочное пространство. Этот метод сжигания следовало бы назвать факельным с полным предварительным перемешиванием, но по традиции его называют беспламенным или бесфакельным.

При сжигании газов в промышленных печах особое внимание уделяют длине факела. Длина факела должна быть такой, чтобы горение топлива оканчивалось в пределах топочного пространства.

Наибольшее распространение получил факельный метод сжигания с полным внешним перемешиванием (I метод), который дает наибольшую длину факела.

В промышленных условиях организованный факел, как правило, создается за счет кинетической энергии газовой струи. Свойства факела во многом зависят от режима движения газа в горелочном устройстве. Различают два режима движения газа ¾ ламинарный и турбулентный.

Характер движения жидкостей и газов определяют по величине критерия (число) Рейнольдса:

clip_image041,

 

где `w- средняя скорость движения потока, м/с;

d0- диаметр трубопровода, м;

n - коэффициент кинематической вязкости, м2.

В результате опытов установлено, что, как правило, при Re < 2000 имеет место ламинарное движение; при Re > 3000 ¾ турбулентное.

Переход от ламинарного к турбулентному движению в зависимости от состояния стенок трубопровода происходит при Re = 2000¸3000. Причем более шероховатым трубам отвечают меньшие значения критических чисел Рейнольдса, и наоборот. Хорошо развитая турбулентность наблюдается при Re³8000¸10000. В зависимости от начального числа Рейнольдса горящие газовые струи могут быть ламинарными или турбулентными.

При ламинарном факеле контакт горючего с кислородом происходит на поверхности струи газа, а внутренние слои газового потока не соприкасаются с кислородом.

При турбулентном факеле струя газа захватывает окружающую среду, перемешивается с ней и проталкивает ее вперед. Поэтому турбулентная струя газа после вылета из сопла расширяется и принимает конусообразную форму. По своей структуре турбулентная струя представляет собой совокупность хаотично перемещающихся макрочастиц вещества, объединенных в единое целое силами вязкости и общим направленным движением.

При поджигании турбулентной струи процесс горения начинается на поверхности струи. Образующиеся здесь продукты сгорания вовлекают в свое движение макрочастицы воздуха и вместе с ними постепенно проникают в глубь струи. Вследствие хаотичности турбулентной струи очаги горения в каждом элементарном объеме факела возникают дискретно. При зрительном восприятии большого числа близко расположенных и дискретно появляющихся очагов горения в объеме факела они сливаются воедино и турбулентный факел нам представляется в виде сплошной струи горящего газа.

Для уяснения динамики перехода ламинарного факела в турбулентный рассмотрим последовательное изменение длины вертикального факела при возрастании скорости в сопле. С ростом скорости длина факела сперва возрастает почти пропорционально и при любом значении скорости факел имеет резко ограниченный контур и неизменную форму. При достижении критической скорости wкр вершина пламени становится неустойчивой и начинает пульсировать. При дальнейшем возрастании скорости эта неустойчивость развивается и факел как бы складывается из двух частей - нижней ламинарной и верхней турбулентной.

При еще большем увеличении скорости истечения длина факела начинает уменьшаться и граница раздела частей пламени перемещается от вершины к соплу. При некотором значении скорости w’ факел становится полностью турбулентным и дальнейшее увеличение скорости истечения вызывает вновь увеличение длины факела, но уже в значительно более медленном темпе, чем при ламинарном режиме. Таким образом, кривую, характеризующую изменение длины факела в зависимости от скорости истечения газа, можно разделить на три области: ламинарную, переходную и турбулентную.

Исследования показывают, что значения чисел Re, при которых начинается переход от ламинарного факела к турбулентному, зависят от природы горючего газа и диаметра сопла. При увеличении диаметра сопла переход от ламинарного к турбулентному факелу начинается при меньших значениях чисел Re.