диркуляционная зона в стесненном потоке больше, чем в свободной струе при
одинаковых условиях истечения);
в) формой профиля скорости на выходе (рециркуляционная зона в потоке,
созданном лопаточным завихрителем, длиннее по сравннению со случаем
истечения из закручивающего устройства с аксиально-тангенциальным
подводом).
Размер и форма рециркуляционной зоны и соответствующей области с
повышенным уровнем турбулентности оказывают решающее влияние на
устойчивость факела, интенсивность процесса горения и другие характеристики
пламени.
[pic]
Рис. 4.5. Распределение продольной составляющей скорости вдоль оси при
различных значениях параметра закрутки [pic]
Рис. 4.6. Изменение максимальных значений параметров вдоль струи:
Изменение продольной составляющей 'скорости вдоль оси струи круглого
сечения при различных значениях параметра закрутки показано на рис. 4.5 ;
струя распространялась из закручивающего устройства с тангенциальным
подводом. При малых интенсивностях закрутки (5<0,1) вблизи выхода
наблюдается потенциальное ядро (т. е. область неизменной скорости). С
увеличением параметра закрутки длина ядра уменьшается, и при S === 0,5
максимальное значение и смещается от оси. При 5 > 0,6 на оси появляется
обратный поток. Специальный эксперимент, в котором параметр закрутки по
возможности непрерывно изменялся в диапазоне 0,3 ... 0,64, показал,. что
изменение распределения происходит монотонно, без скачков, не было
обнаружено существенной разницы и при повторении опыта с изменением 5 в том
же диапазоне, но в обратной последовательности, В соответствии с ростом
темпа расширения струи возрастает скорость эжекции, вследствии чего
ускоряется вырождение неравномерности скорости и концентрации жидкости,
истекающей из сопла. Это положение иллюстрируют экспериментальные данные,
представленные на рис. 4.6, где для различных значений параметра закрутки
приведены распределения вдоль струи максимальных значений продольной (рис.
4.6, а), окружной (рис. 4.6,6) и радиальной (рис. 4.6, в) скоростей. При
высокой интенсивности закрутки, когда начинает образовываться
рециркуляционная зона и появляются области малых или отрицательных значений
продольной составляющей скорости, ее максимум смещен от оси струи. Отметим,
что вниз по потоку максимальные значения продольной и радиальной
составляющих скорости, а также минимальное значение давления изменяются
обратно пропорционально' приведенному расстоянию от среза сопла в степенях
один, два и четыре соответственно.
6. Структура рециркуляционной зоны
[pic]
Рис. 4.7. Изолинии функции тока Штриховая линия соответствует нулевым
значениям продольной скорости
[pic]
Рис. 4.9а Изолинии приведенной кинетической энергии турбулентности.
Штриховой линией обозначена граница зоны обратных токов.
[pic]
Рис. 4.96. Изолинии безразмерной среднеквадратичной величины пульсации
окружной скорости {w' ) /uq.
В рециркуляционной зоне интенсивность турбулентности достигает очень
высокого уровня. На границе обратного течения, где средняя скорость равна
0, величина локальной интенсивности турбулентности стремится к
бесконечности. Измерения всех шести компонент тензора турбулентных
напряжений показывают, что распределение кинетической энергии
турбулентности сильно неоднородно, а напряжение и соответственно тензор
коэффициентов турбулентной вязкости сильно неизотропны .На рис. 4.9а
показано, что приведенная кинетическая энергия турбулентности достигает
значения 300% за кромкой сопла и быстро затухает на расстоянии, равном
одному диаметру. При отдельном рассмотрении пульсации продольной и окружной
скоростей обнаруживается сильная анизотропия турбулентности. Максимум
пульсации окружной скорости (рис.4.9б) наблюдается прямо под кромкой сопла
при 2r/d=0,8, причем пульсации быстро затухают по направлению к оси
симметрии. Интенсивность пульсации продольной скорости имеет два
максимума, один сразу за кромкой при 2r/d=0,9 и другой внутри вихревой
горелки вблизи оси симметрии. Высокие уровни турбулентности обусловлены
трехмерным нестационарным возмущением закрученного течения – так называемым
прецессирующим вихревым ядром.
Распределения характеристик турбулентности в слабозакрученных струях
(S <$ 0,6), аналогичные распределениям в струях с сильной закруткой,
показанным на рис. 4.9, получены в работе. Там же определено сечение,
расположенное на расстоянии примерно в 3 ... 4 диаметра от среза сопла,
начиная с которого максимальные значения интенсивностей турбулентных
пульсации в закрученной струе становятся меньше, чем в незакрученной. Более
интенсивное расширение струи приводит и к более интенсивной диссипации.
Форма и размер рециркуляционной зоны и соответствующей области с
повышенным уровнем турбулентности оказывают решающее влияние на
устойчивость факела, интенсивность процесса горения и другие характеристики
пламени. К настоящему времени получено достаточно много данных, позволяющих
провести сопоставление характеристик различных закручивающих устройств и
определить влияние на изотермический поток различных модификаций их
геометрии, таких, как установка на выходе из закручивающего устройства
конических диффузоров, трубок или форсунок для впрыска топлива, топочных
камер. Наряду с картиной линий тока, представленной па рис. 4.7, на рис.
4.10 и 4.11а и 4.116 приведены три аналогичные картины. Можно видеть, что
область рециркуляционного течения всегда существует вблизи выхода из сопла.
[pic]
Закручивающие устройства с цилиндрической выходной частью: 1 —
кольцевой лопаточный завихритель, ф=45° [10]; 2-ф==60° ; 3-ф=70° ; 4-ф=75°
;
5 — закручивающее устройство с аксиально-тангенциальным подводом ;
6 — закручивающее устройство с тангенциальным подводом .
Закручивающие устройства с диффузором на выходе: 7 — полуугол
раскрытия диффузора .
Тип закручивающего устройства (за исключением лопаточного завихрителя
без втулки) и наличие соосных трубок для подвода топлива или форсунок, по-
видимому, не влияют на характер связи. Для устройств с цилиндрической
выходной частью представленные данные можно описать зависимостью
S=0.508+5.66Mr-6.24Мr2+2.28Мr3
где Mr —- поток массы газа, вовлеченного в рециркуляционное движение.
7. Вихревые горелки, прецессирующее вихревое ядро в потоке с
горением
1. Факел типа а—предварительно перемешанные топливо и воздух; 1,4 < а
< 6,0.
Для этого случая характерен очень короткий факел с большой
интенсивностью процесса горения, который реализуется и при тангенциальном
подводе. Пламя генерирует сильный шум, течение нестационарное; как и в
изотермическом потоке, образуется ПВЯ, которое порождает очень большие
пульсации скорости и давления.
2. Факел типа б - подвод топлива у основания горелки; 0,8 < ее < 40.
Этот тип факела со значительно меньшей интенсивностью процесса горения
менее возмущен, чем факел типа а, так как возмущения в виде ПВЯ сильно
подавлены как по амплитуде, так и по частоте . Внутри горелки всегда
существует прослойка воздуха вокруг пламени, и горение на стенке не
происходит. Длина и форма факела сильно меняются при изменении коэффициента
избытка воздуха а; так, при ( = f пламя проникает внутрь горелки на
расстояние почти в три диаметра. Этот тип факела наиболее характерен для
промышленных вихревых горелок.
Пределы срыва пламени, особенно при низких числах Рейнольдса, довольно
широкие. По- видимому ПВЯ вызывает появление локальных зон в области
горения, в которых реализуется благоприятное соотношение горючего и воздуха
даже при большом избытке воздуха в общем потоке. Обнаруживается некоторое
изменение интенсивности пульсаций при изменении коэффициента избытка
воздуха, но основное воздействие обусловлено изменением числа Рейнольдса.
Устойчивость рассмотренных течений с закруткой, содержащих большое
ПВЯ, можно охарактеризовать с помощью критерия Рэлея и модифицированного
числа Ричардсона.
Условия устойчивости потока по Рэлею:
. поток устойчив, если pwr растет с ростом r ( вращение газа, как целого)
. поток нейтрально устойчив, если pwr не зависит от r (вращение по закону
свободного вихря)
. поток неустойчив, если pwr уменьшается с ростом r
Сразу за ПВЯ в диапазоне r/re=0.43….0.52 (при изменении от 0 до 40)
pwr уменьшается сростом r и, следовательно, ПВЯ в этой области нестабильно.
В тоже время при изменении от 320 до 0 в диапазоне значений r/re=
0.45…0.55 величина pwr фактически постоянна по радиусу, и поэтому поток в
этой области нейтрально устойчив.
При аксиальной и тангенциальной подаче топлива пламя намного
равномернее, а процесс горения менее интенсивен, чем при предварительном
перемешивании воздуха и топлива. Горение происходит в некотором удалении от
стенок.
В целом интенсивность пульсаций монотонно растет с ростом числа
Рейнольдса, пока не выходит на постоянное значение; такое «плато» в
зависимости отвечает аналогичной зависимости частоты от Re. В потоке с
горением предварительно перемешанных компонент, где имеется мощное ПВЯ,
потери полного давления при данном числе Рейнольдса максимальны. Видно,
что в зависимости от коэффициента избытка воздуха потери изменяются всего в
пределах 10…15 %. Уменьшение потерь при изменении способа подачи топлива
указывают на ослабление прецессионного движения вихревого ядра. При
аксиальной подаче топлива потери полного давления даже меньше, чем в
изотермическом потоке. По-видимому, это обусловлено тем обстоятельством,
что область наиболее интенсивного процесса горения расположена вне горелки.
В целом можно сделать вывод, что амплитуды и частоты пульсации при
наличии ПВЯ увеличиваются в потоке с горением предварительно перемешанных
компонент. В диффузионном факеле ПВЯ вырождается при соотношении расходов
топлива и воздуха, близком к стехиометрическому, причем пульсации ПВЯ
уменьшаются на два порядка величины.[pic].
8.ГОРЕНИЕ В ЗАКРУЧЕННОМ ПОТОКЕ
Общий вид распределений температуры в пламени вихревой горелки
представлен на рис. 4.43 а и 4.436. Распределение температуры по радиусу
показано на рис. 4.43а
[pic]
Рис.4.43а.Радиальное распределение температуры в факеле вихревой
горелки.
[pic]
Рис. 4.436. Изменение максимальной температуры вдоль оси горелки.
Максимум температуры расположен вблизи выходного сечения,
непосредственно за границей зоны обратных токов. Распределение температуры
в зоне обратных токов практически равномерное, что свидетельствует о
реализации в этой области «реактора интенсивного смешения». Вблизи зоны
реакции в пламени обнаруживаются пики в распределении температуры и ее
градиента. Представленное на рис. 4.436 распределение максимальной
температуры вдоль потока показывает, что максимум медленно нарастает к
выходному сечению горелки, а за этим сечением наблюдается резкий спад,
соответствующий выгоранию топлива. Проблема измерения параметров потока в
вихревых горелках весьма сложна, и только в последнее время удалось
выяснить возможности проведения измерений скорости, давления и
интенсивности турбулентности в этих устройствах. Выполненные ранее с
помощью термоанемометра и насадка полного давления измерения в
изотермических потоках указывают на высокий уровень турбулентности. На
основании этого считалось, что нельзя для определения характеристик
турбулентности использовать методы, основанные на измерении пульсации
давления, которые применимы только в слаботурбулизованных потоках (с
интенсивностью турбулентности менее 30%). Однако, поскольку горение
подавляет амплитуды возмущений в виде прецессии вихревого ядра на два
порядка (в особенности при 5>0,5), ПВЯ не является определяющим элементом
течения, и эффективный максимум турбулентных пульсации в некоторых горелках
уменьшаетсяо и позволяет использовать методы, основанные на измерении
пульсации давления . Спектральный анализ пульсации давления в вихревых
горелках показывает, что осцилляции носят более случайный характер, чем в
изотермическом потоке, а следовательно, при горении изменяется и природа
процесса смешения. В изотермическом потоке доминируют пульсации скорости,
имеющие довольно регулярный характера а при горении имеющие случайный,
турбулентный характер только закруткой, но также и наличием диффузора с
полууглом раскрытия 35°. Действительно, если выходная часть имеет
цилиндрическую форму, то при такой интенсивности закрутки распад вихря
только начинается и рециркуляционная зон только зарождается. Результаты
показывают, в частности, что в реагирующих потоках в рециркуляционных
областях течение существенно неизотропно. При горении интеграл от пульсации
скорости, взятый по всему полю течения, значительно больше, чем в
изотермическом потоке, что в определенном смысле подтверждает гипотезу о
генерации турбулентности при наличии пламени.
Как показывают эти исследования, характеристики потоков с горением и
без горения значительно различаются, в особенности это касается
распределения продольной скорости, формы. поперечного размера и
протяженности зоны обратных токов. В отличие от результатов, полученных в
работах, здесь при горении протяженность и поперечный размер зоны обратных
токов значительно возрастали, зона обратных токов простиралась вниз по
потоку по крайней мере на расстояние, равное двум диаметрам выходного
сечения. Интенсивность пульсации продольной составляющей скорости везде, за
исключением области вблизи выходного сечения горелки, при горении
уменьшалась. Высокий уровень пульсации продольной скорости наблюдался
вблизи границы рециркуляционной зоны. здесь же проявлялась существенная
анизотропия пульсации. Вообще, существенная разница интенсивностей
пульсации продольной и окружной скоростей в потоках с горением и без
горения наблюдается в большей части поля течения.
Измерения показывают, что имеется сильная перемежаемость внутри и
вокруг рециркуляционной зоны, что свидетельствует о ее нестационарном
характере. Проведены также измерения в слое смешения стесненного
турбулентного диффузионного факела. Распределения продольной и окружной
осредненных по времени скоростей, среднеквадратичных значений пульсации
скорости, распределение плотности вероятности показывают, что осредненные и
нестационарные характеристики поля течения существенно изменяются при
вариации давления на выходе из камеры сгорания и закрутки воздуха на входе.
Эти изменения заметно влияют на выбросы загрязняющих веществ. Обнаружен
существенный вклад крупномасштабных пульсации в суммарное
среднеквадратичное значение турбулентных пульсации скорости. Влияние
крупномасштабных пульсации приводит к отличию случайного процесса от
гауссова и к существенной анизотропии турбулентности в большей части
начального участка. Отмеченное обстоятельство показывает, что модели
турбулентности, основанные на гипотезе о локальном равновесии, неадекватно
описывают физические процессы в потоке с горением
В настоящее время для потоков с горением, особенно для стесненных
потоков, имеется значительное количество данных о зависимости величины
потока массы, вовлеченной в рецирку-ляционное движение, от параметра
закрутки.Рассмотрим вначале свободные течения за вихревой горелкой.
Сравнивая результаты, полученные в условиях с горением и без него, можно
заметить, что горение приводит к значительному уменьшению величины потока
массы, вовлеченной в рециркуляционное движение, особенно при соотношении
расходов топлива и воздуха, близких к стехиометрическому, и при
предварительном перемешивании компонент. Помимо этого рециркуляционная зона
в потоке с горением короче и шире, чем в холодном потоке. Начало распада
вихря и зарождение рециркуляции происходят при
Сравнение границ зоны обратных токов при различных значениях параметра
закрутки в потоке с горением предварительно перемешанных компонент
приведено на рис. 4.4. При увеличении параметра закрутки от 0,7 до 1,25
увеличиваются как ширина, так и длина зоны. То же самое должно наблюдаться
и в изотермическом потоке, т. е. с ростом параметра закрутки длина зоны
обратных токов должна увеличиваться. Следует заметить, что за лопаточным
завихрителем без втулки: зоны обратных токов длинные и узкие, и потому
такие завихрители обычно не применяются. За кольцевым лопаточным
завихрителем зона обратных токов при тех же параметрах закрутки значительно
шире и короче. Для стабилизации пламени весьма желательно, чтобы зона
обратных токов была короткой и компактной, поскольку в длинной зоне
рециркуляция холодных продуктов сгорания приводит к уменьшению полноты
сгорания и сужению пределов срыва пламени. На характеристики течения за
вихревой горелкой, так же как на характеристики изотермического течения,
влияет степень стеснения потока, причем определяющими здесь являются такие
параметры, как отношение диаметра горелки к диаметру топки, коэффициент
избытка воздуха и выходной диаметр топки. При достаточно высоких
интенсивностях закрутки в потоке с горением, так же как и изотермическом
потоке, образуется пристенная веерная струя, периферийная рециркуляционная
зона исчезает и пламя прилипает к лицевой стенке камеры. Этот эффект должен
иметь место при параметрах закрутки
S > 1.5, в то время как при S=1.25 еще существует периферийная
рециркуляционная зона.
В топках с вихревой горелкой можно сжигать газовые отходы
обладающие очень низкой теплотой сгорания: для этого необходимо топку
облицевать огнеупорным материалом и хорошо теплоизолировать.
9.ПРЕДЕЛЫ СРЫВА И УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАМЕНИ
В промышленных горелках, работающих на различных газообразных и жидких
топливах, типичное значение параметра закрутки лежит в диапазоне 0.8<S<1.5.
Одна из причин ухудшения характеристик вихревых горелок при более высокой
интенсивности закрутки состоит в том, что при больших S зона обратных токов
оказывается длиннее, чем 3De, вследствие чего горение заканчивается на
расстояниях, меньших длины зоны, часть холодных продукгов вовлекается в
рециркуляционное движение и таким образом полнота сгорания уменьшается.
Влияние перечисленных факторов можно ослабить используя аксиально-
радиальную подачу топлива и диффузор на выходе, за счет чего удается
получить высокую степень закрутки и соответствующее улучшение
характеристик, например расширение пределов срыва пламени, увеличение
интенсивности процессов горения.
Одно из основных преимуществ стабилизации пламени с помощью закрутки
по сравнению с другими способами состоит в значительном расширении пределов
срыва пламени. Роль закрутки факела с отношением воздух/топливо, близким к
стехиометрическому, состоит в перемешивании топлива и воздуха. В факеле без
закрутки характеристика срыва на богатом пределе вблизи значений
эквивалентного отношения, , очень крутая. По этой причине незначительные
изменения коэффициента избытка воздуха или состава топлива могут привести к
срыву пламени. Закрутка приводит к смещению срыва на богатом пределе в
область меньших коэффициентов избытка воздуха и обеспечивает
нечувствительность к случайным флуктуациям состава топлива и коэффициента
избытка воздуха.
Срывные характеристики зависят от вида горения. При горении
предварительно перемешанных компонент пределы срыва сужаются. В длинной
тонкой рециркуляционной зоне, образующейся за лопаточным завихрителем без
втулки, в рециркуляционное движение вовлекаются холодные продукты сгорания,
что значительно понижает отношение (объем воздуха/объем топлива) для срыва
на бедном пределе даже при незначительных расходах топлива. Характеристики
срыва на бедном пределе в потоке с завихрителем с углами установки лопаток
30 и 45 (S=0.39 и 0.72 соответственно) существенно лучше, чем в потоке за
завихрителем с лопатками, расположенными под углом 60 (S=1.6), где
образуется очень длинная тонкая рециркуляционная зона. Также обнаружено,
что при формировании более короткой рециркуляционной зоны получается
довольно неплохая характеристика срыва на бедном пределе с диапазоном
изменения коэффициента избытка воздуха от 6 (при малых Re) до 2.5 (при
больших Re). Существует связь между характеристикой срыва на бедном
пределе, температурой на границе рециркуляционной зоны в области,
примыкающей к завихрителю, и средним значением модуля скорости в выходном
сечении завихрителя.
10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ ГОРЕЛОК
Из изложенных выше материалов ясно, что пока невозможно сформулировать
общие методы проектирования вихревых горелок различного назначения. Можно,
однако, сформулировать следующие рекомендации в помощь проектировщикам:
1. Для создания потока с параметром закрутки S < 0,7 достаточно
эффективен кольцевой плосколопаточный завихритель, который имеет простую
конструкцию и позволяет получить удовлетворительное распределение
параметров.
2. Для закрутки потоков до интенсивности, характеризующейся значениями
параметра S от 0,7 до 0,8, плосколопаточный завихритель является
значительно менее эффективным устройством, поскольку большой угол атаки или
наклона лопаток приводит к отрыву потока. Длинная тонкая рециркуляционная
зона может оказаться менее пригодной для стабилизации пламени, чем
рециркуляционные зоны за закручивающими устройствами других типов.
3. Для создания потока с параметром закрутки S > 0,8 рекомендуется
использовать закручивающее устройство с тангенциальным подводом или
завихритель с профилированными лопатками (изогнутыми для того, чтобы
уменьшить потери на отрыв). В системе с аксиальным подводом желаемую
степень закрутки можно получить, пропуская необходимое количество газа
через лопаточный завихритель. Если же используется тангенциальный подвод,
то для получения симметричного течения необходимо выпустить поток через ряд
отверстий (по меньшей мере через четыре). В закручивающем устройстве с
тангенциальным подводом диаметр горловины должен равняться половине
внешнего диаметра, т.е. De/Do = 0,5, что позволяет свести к минимуму потери
полного давления.
4. На горелку необходимо устанавливать диффузорную надставку из
огнеупора, при этом следует руководствоваться правилом:
S > 0,5: полуугол раскрытия диффузора от 20° до 35°;
S < 0,5: полуугол раскрытия диффузора от 20° до 25°;
длина надставки (для получения факела типа II) Lдифф = 0,5Dе.
Диффузор на выходе существенно увеличивает размеры приосевой
рециркуляционной зоны при всех интенсивностях закрутки.
5. Для получения факела типа I в горелке с диффузорной надставкой с
полууглом раскрытия от 20° до 35° в целях обеспечения хорошей устойчивости
пламени необходимо подавать газообразное топливо со скоростью, примерно
втрое превышающей скорость воздуха. Тепловая нагрузка может быть
значительно увеличена за счет удлинения диффузорной надставки до длины
Lдифф = 1,5De. Следует придерживаться рекомендации 3, но для получения
факела типа I лучше не использовать лопаточные завихрители, поскольку в
этом случае газовая струя горящего топлива не сможет пробить
рециркуляционную зону.
6. Следует проявлять осторожность при использовании вихревых горелок с
диффузорной надставкой в топках с большим стеснением факела или в
ситуациях, когда горелки расположены близко друг к другу. Экспериментальные
данные позволяют предположить, что приосевая рециркуляционная зона
пропадает при Af / Ab > 4 (S ? 1). Таким образом, в указанных ситуациях
предпочтительнее горелки с цилиндрической выгодной частью, за которыми
образуются рециркуляционные зоны с интенсивным движением в них.
7. Горелки с тангенциальным подводом не годятся для сжигания
предварительно перемешанных газообразного топлива и воздуха, поскольку в
них пламя может легко распространяться вверх по потоку от мест подвода
(исключения составляют газообразные топлива с низкой теплотой сгорания -
менее 3 ... 4 МДж/м3). Предварительно перемешанные газообразное топливо и
воздух можно сжигать в горелках с лопаточными завихрителями.
Влияние вида топлива (уголь, нефть, синтетическое топливо) на
характеристики вихревой горелки опять-таки трудно параметризовать, но можно
указать следующую основную закономерность: длина факела возрастает при
последовательном переходе от газообразных топлив к легким жидким топливам
(бензин), от них к тяжелым жидким топливам (мазут, некоторые синтетические
топлива) и, наконец, к распыленному углю. Такая последовательность отражает
уменьшение испаряемости топлива. При сжигании распыленного угля обычно
необходимо использовать в качестве носителя около 20 % подаваемого воздуха.
При сжигании мазута необходимо для стабилизации пламени добавлять к
форсунке дисковый стабилизатор.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Парогенераторы промышленных предприятий.
Л. Н. Сидельковский, В. Н. Юренев.
2. Теория горения и топочные устройстваю
Д. М. Хазмалян, Я. А. Каган.
3. Закрученные потоки.
А. Гупта, Д. Лилли, Н. Сайред.
