Горение в ламинарном потоке.

Условием ста­билизации горения является прямая компенсация скорости пламени ско­ростью потока, т. е. W_ПОТ=U_Н

Вместе с тем, если бы даже удалось осуществить прямую компенсацию плоского фронта пламени, то такая горелка могла бы работать только на одном режиме, соответствующем ста­бильности фронта пламени. При уве­личении скорости потока она превос­ходила бы скорость распространения пламени (W_ПОТ>U_Н) и пламя отрыва­лось бы от горелки. В противополож­ном случае, когда W_ПОТ<U_Н пламя проскакивало бы внутрь горелки. В обоих случаях терялась бы устойчи­вость процесса горения. В действи­тельности поток смеси имеет неравно­мерное поле скоростей. В центральной части потока скорость максимальная, а у стенки равна нулю. Вследствие этого возникает косой фронт пламе­ни (величина U_Н компенсирует только нормальную составляющую скорости потока, а другая составляющая, на­правленная вдоль фронта, остается не­компенсированной, см.рис.). Состав­ляющая W_ПОТбудет сносить фронт пла­мени по поверхности конуса вверх, к его вершине.

Таким образом, косое пламя может устойчиво существовать только при непрерывном поджигании газовоз­душной смеси с периферии. Если под­жигание прекратить, то пламя пере­местится к вершине и погаснет. От­сюда следует, что условием, обеспечи­вающим устойчивость пламени, яв­ляется полная и прямая компенсация скорости потока встречной скоростью пламени. Компенсация только нор­мальной составляющей скорости пото­ка, которая наблюдается при косом пламени, не обеспечивает устойчивого горения. Исходя из этого газовая горелка должна иметь такие конструк­тивные элементы, в которых создаются благоприятные условия для возможно­сти прямой компенсации скорости по­тока скоростью пламени. Эти благо­приятные условия должны существо­вать во всем диапазоне нагрузок от минимальной до максимально до­пустимой.

При косом пламени оказывается возможным регулировать производи­тельность горелки, так как при измене­нии нагрузки будет изменяться не только скорость потока, но и угол φ между скоростью потока и нормалью к пламени, при этом нормальная состав­ляющая потока будет равна U_Н и при стабилизации корневой части приоб­ретает стабильность весь фронт пла­мени.

Газовоздушный поток движется ламинарно, и поле скоростей имеет парабо­лический характер. По мере удаления от устья горелки профиль скоростей деформируется, а скорости по величи­не уменьшаются. Пламя состоит из внутреннего / и внешнего (наружного) 2 конусов. Внутренний конус пред­ставляет собой поверхность останов­ленного фронта пламени, где выгорает часть горючего, обеспеченная первичным воздухом. Остановленный фронт пламени означает, что в каждой точке поверхности внутреннего конуса имеет место равенство между нормальной скоростью распространения пламени (она направлена внутрь конуса) и нор­мальной составляющей скорости пото­ка газовоздушной смеси. Математи­чески это выражается следующим уравнением:

U_Н= W_Пcos φ

где W_П— скорость потока смеси; φ — угол меж­ду скоростью потока и нормалью к фронту пламени.

Это соотношение носит название закона косинуса (закон Михельсона) и отражает основное условие стабили­зации фронта пламени на горелке. Внутренний конус пламени ярко очер­чен и имеет зеленовато-голубой цвет. Внешний конус представляет собой поверхность, где в результате диффу­зии окружающего воздуха выгорает оставшаяся часть газа. Наружный конус не имеет четкого контура, его границы размыты. Если считать внут­ренний конус геометрически правиль­ным, можно получить простое соотно­шение, связывающее высоту конуса с основными характеристиками процес­са горения. Такая зависимость позво­ляет провести качественный анализ влияния отдельных параметров на вы­соту пламени.

Где h – высота внутреннего пламени, R -внутренний радиус горелки

Подставляя это выражение в предыдущую формулу, получаем:

Где Q_см – расход газовоздушной смеси

 

 

Рис. Схема пла­мени на горелке Бунзе­на

а — пламя на горелке; б — упрошенная форма

внутреннего корпуса; в — поля скоростей по­тока при выходе из го­релки; г —стабилиза­ция ламинарного пла-мени на горелке; / — внутренний конус; 2 — наружный конус; 3— косой фронт пламени;

4— поперечный фронт пламени, поджигающий пояс; 5—стенка горел­ки