Факторы, влияющие на длину факела. Калибр горелки. Выбор типа горелочного устройства с точки зрения нагрева
Номинальная относительная длина факела – это расстояние от выходного сечения горелки, измеренное в калибрах выходного отверстия, до точки, где концентрация СО2 на оси факела составляет 95 % от максимально возможной при номинальной тепловой мощности и при коэффициенте расхода воздуха n = 1.
На длину факела влияют следующие основные факторы:
1) диаметр газового сопла d0;
2) теплота сгорания топлива 
;
3) концентрация кислорода в обогащенном воздухе;
4) скорость выхода газа из горелки;
5) скорость воздушного потока;
6) избыток воздуха, подаваемого для горения;
7) температура газа;
8) температура воздуха;
9) соприкосновение факела с плоскостью;
10) угол встречи потоков газа и воздуха;
11) расстояние между факелами.
|
Рис. 2.5 – Фотографии зависимости длины факела от диаметра сопла |
Рассмотрим отдельные факторы более подробно.
1. Диаметр газового сопла.
Сравнение факелов можно проводить при постоянной скорости истечения газа, когда изменяется тепловая мощность горелки, и при одной и той же тепловой мощности горелки, но тогда будет изменяться скорость истекающего газа, что усложняет сравнение. На рис. 2.5 представлены факелы коксового газа, истекающего из сопел различных диаметров с одной и той же скоростью. Вершины факелов образуют прямую линию, что подтверждает достоверность формулы (2.6): длина факела пропорциональна диаметру газового сопла d0. Следует учитывать, что одновременно увеличивается мощность горелки.
2. Теплота сгорания топлива.
Чем выше теплота сгорания топлива, тем больше воздуха требуется для его сжигания, и тем больше, согласно (2.6), будет длина факела. Процесс вовлечения воздуха в горящую струю – процесс энергетический, потому на длину факела влияет не объемная теплота сгорания топлива 
[Дж/м3], а массовая теплота сгорания ![clip_image045[1]](/images/stories/clip_image0451_thumb.gif "clip_image045[1]"){kind=small}
[Дж/кг]. Так, объемная теплота сгорания СО составляет 3050 кДж/м3, что выше объемной теплоты сгорания водорода, составляющей 2575 кДж/м3. Но rCO = 1,25 кг/м3 и 
= 2440 кДж/кг, а у водорода 
= 0,0893 кг/м3 и 
= 28800 кДж/кг. Для СО имеем ![clip_image023[2]](/images/stories/clip_image0232_thumb.gif "clip_image023[2]"){kind=small}
= 2,3 м3 возд. / м3 газа; для Н2 – ![clip_image023[3]](/images/stories/clip_image0233_thumb.gif "clip_image023[3]"){kind=small}
= 2,38 м3 возд. / м3 газа. Расчет по формуле (2.6) приводит к следующим результатам: Lфак(СО) = 40×d0, 
= 407×d0. Длина факела у водорода очень большая, хотя химическая особенность водорода способствует быстрому ходу реакции горения. Эту особенность Н2 отметили многие исследователи факельного процесса – одному кг Н2 требуется захватить много воздуха на пути Lзах.
3. Концентрация О2 в воздухе.
Чем больше процент О2 в воздухе, тем меньше воздуха потребуется для горения, тем легче и быстрее вовлечь в струю нужное количество О2. Следовательно, длина пути захвата Lзах, а соответственно dзах, Lпер и Lфак уменьшаются.
Таким образом, сокращение длины факела при сжигании газа с обогащенным воздухом или даже с чистым кислородом обязано не сколь химии процесса, сколь механике газов, т.е. физике процесса.
Влияние факторов 4-11 на длину факела не нашло отражения в формуле (2.6) и потому используются экспериментальные данные для решения поставленных вопросов.
4. Скорость выхода газа из горелки.
Как показано ранее, с увеличением скорости истекающего газа (в турбулентной области) длина факела медленно возрастает (относительно возрастания длины ламинарного факела). На одной и той же длине захват воздуха растет пропорционально скорости газа за счет увеличения турбулентности потока и длина факела перестает зависеть от тепловой мощности горелки.
5. Скорость воздушного потока.
Практическое сжигание газа в печах связано с подачей вентиляторного воздуха в горелку. Воздух из воздушного кольца может истекать с различной скоростью. Общая идея процесса перемешивания газовых сред состоит в том, что количество движения двух потоков определяет течение процесса. Чем больше количества движения участвует в процессе перемешивания, тем интенсивнее происходит процесс перемешивания. С этой точки зрения, ввод дополнительного количества движения с воздухом должен привести к укорочению длины факела, что подтверждается и экспериментом.
6. Избыток воздуха, подаваемого для горения.
Избыток воздуха при сохранении площади воздушного кольца в горелке может привести к некоторому сокращению длины факела из-за увеличения скорости воздуха. Дожигание "хвоста" факела идет в условиях снижающейся концентрации кислорода. Ясно, что подача воздуха с некоторым небольшим избытком совершенно необходима, чтобы наверняка исключить недожог топлива в печи.
7. Температура газа.
Подогрев газа с соответственным увеличением скорости гипотетически эквивалентен уменьшению диаметра горелки d0 при постоянной тепловой мощности горелки на холодном газе. По этой причине длина факела сокращается.
Это явление можно объяснить следующим образом. Химическая теплота остается постоянной, а скорость вылета газа и, следовательно, количество движения возрастает, отчего перемешивание потоков газа и воздуха ускоряется.
8. Температура воздуха.
С увеличением температуры воздуха скорость воздуха увеличивается, перемешивание газа и воздуха ускоряется и длина факела уменьшается.
9. Соприкосновение факела с плоскостью.
При соприкосновении струи газа с плоскостью факел деформируется, он становится шире и тоньше.
Струя газа, уширяясь при встрече с плоскостью, одновременно лишается некоторого фронта для захвата кислорода. Уширение факела способствует его укорочению, а прекращение снабжения его кислородом со стороны плоскости вызывает его удлинение. В конечном итоге, при наличии таких противоречивых факторов, длина факела существенно может и не измениться.
10. Угол встречи потоков газа и воздуха.
При встрече потоков газа и воздуха под углом, что имеет место при практическом сжигании газа в промышленных печах, происходит явление удара со всеми вытекающими отсюда последствиями. Потоки сплющиваются, расширяются, дробятся на отдельные пряди. Более слабый поток деформируется сильнее.
Чем больше скорости потоков, тем сильнее действие удара. Удар струи о струю способствует перемешиванию газов за счет появления макротурбулентности крупных вихрей. Это ведет к укорочению факела, но связано с потерей стройности движения, т.е. аэродинамических качеств факела. Угол встречи 450 при равенстве скоростей газа и воздуха может сократить длину факела вдвое.
В тех случаях, когда аэродинамические качества важнее, чем длина факела (например для факела в мартеновской печи), применение больших углов вредно. Для сокращения длины факела лучше увеличить скорость воздуха и уменьшить угол встречи потоков, поскольку большой угол встречи разрушает факел.
11. Расстояние между факелами.
При близком расположении друг к другу факелы мешают подходу кислорода. При расширении струй они сливаются друг с другом. Если этот контакт произошел раньше, чем закончился захват нужного количества воздуха для горения, то дальнейшее получение кислорода затрудняется, так как факелы из отдельных превращаются в один общий. В результате слияния потоков длина общего факела резко возрастает. Если воздух и газ подаются параллельными потоками с большими скоростями при котором длина захвата меньше длины слияния потоков, то длина суммы всех факелов практически не отличается от длины отдельного факела.