Объем информации о процессе горения в циклонной камере мал по сравнению с информацией о процессе в вихревых горелках. Основная причина этого состоит в том, что все реальные циклонные камеры сгорания используются исключительно для сжигания твердых топлив, а это затрудняет выполнение большей части аэродинамических и других измерений. В процессе сжигания твердого топлива, особенно угля, на стенках циклона образуется шлак, в который включены частицы угля; по этой причине время пребывания существенной доли частиц угля значительно увеличивается. Результатом является улучшенная полнота сгорания. Как указывалось ранее, подробные измерения поля течения в циклонных камерах выполнены в изотермических условиях и при горении [6, 73, 75]. Путем сравнения структур и цветов пламен с распределением индикаторного газа СО2 в изотермической модели циклонной камеры типа II было показано, что центральная подача топлива в осевом направлении далека от идеальной и приводит к плохому перемешиванию топлива и воздуха [72]. Для улучшения перемешивания и повышения полноты сгорания предпочтительнее подавать топливо тангенциально. Посредством изменения положения точек подвода воздуха вдоль стенки камеры можно получить или голубое пламя, или желтое, сильно излучающее пламя. Фотографии показывают, что положение фронта пламени внутри циклонной камеры также может изменяться при изменении скорости на входе и смещении точки подвода топлива. Иногда окончательное догорание топлива происходит на выходе в пламени, которое очень похоже на пламя вихревых горелок многих типов (72, 101]. Наибольшую полноту сгорания получают при подводе 2... 3 % воздуха по оси симметрии. Для увеличения времени пребывания и повышения полноты сгорания ис пользуется также двухступенчатое горение.
Одним из наиболее замечательных свойств циклонной камеры является возможность отделения золы в процессе горения [70, 71, 76, 86]. В работах [70, 71] показано, каким образом можно эффективно сжечь влажную кожуру грейпфрутов или шелуху семян хлопка и, используя циклонные свойства камеры, отделить остаточную взвешенную золу, которая используется далее как удобрение. В работе [72] показан способ, с помощью которого камера такой же конструкции может быть приспособлена для сжигания угля с высоким содержанием летучих вешеств или тяжелых жидких нефтяных топлив низкого качества.
Циклонная камера сгорания типа IV так сконструирована для сжигания нефтей с высоким содержанием серы, чтобы пламя не входило в контакт со стенками камеры; это необходимо для устранения проблемы коррозии, которая имеет место в конструкциях предшествующих типов [94, 95]. На рис. 5.22 [95] показаны богатые топливом области трех видов пламен, образующихся в циклоне типа IV, в котором используется направленный впрыск топлива, а также соответствующие распределения температуры. Как уже упоминалось ранее и также видно из рис. 5.22, в циклонах, в которых имеются богатая топливом область пламени в следе плохообтекаемого тела и область догорания в выходящем потоке, осуществляется двухступенчатый процесс горения.
Циклонные камеры сгорания типов I и II (рис. 5.12 и 5.13) часто используются для сжигания углей низкого качества [72, 86]. Обобщение результатов затруднительно, так как изменение расположения или размера тангенциальных каналов или формы выходного канала могут создать значительные изменения зон горения, интенсивности горения и полноты сгорания |76]. Тем не менее можно сделать следующие выводы:
- Следует использовать по меньшей мере два симметричных входных тангенциальных канала. Использование только одного тангенциального канала приводит к неоднородности зоны горения, особенно в длинных камерах, и к увеличению общих потерь давления [73, 74, 78, 81].
- При подаче угля в качестве топлива может образоваться несколько (до трех) бедных кислородом областей газификации, особенно в циклоне типа II, показанном на рис. 5.17 [76—81]. Это иллюстрируется на рис. 5.28, где показано пространственное распределение избыточного воздуха в циклонной камере, имеющей один тангенциальный подвод воздуха и угля и предназначенной для сжигания малозольного угля с высоким содержанием летучих веществ. Хорошо заметна асимметрия зоны горения. Можно различить три области, в которых коэффициент избытка воздуха α < 1 Наименьшие значения га обнаружены не сразу за входными каналами, а на некотором расстоянии от них, эта область несколько смещена вправо относительно оси циклона. Пристеночная область занимает узкую полосу на периферии циклона. Ее внутренняя граница расположена на расстоянии не более 10... 15 мм от стенки и характеризуется быстрым повышением α от 1 до 1,5. Третья бедная кислородом кольцевая область расположена вокруг выхлопной трубы. В большинстве циклонов догорание происходит обычно на выходе [72].
- Циклонные камеры сгорания типа II обычно используются для сжигания углей низкого качества повышенной зольности и содержащих большое количество летучих компонентов.
Рис. 5.28. Изолинии, характеризующие значения коэффициента избытка воздуха а в циклонной камере типа II при сжигании распыленного угля.
Характеристики сепарации золы в циклоне типа II лучше, чем в циклоне типа I.
Результаты подробных исследований аэродинамики течения в циклонной камере сгорания показывают, что структура течения в циклоне в изотермических условиях и при горении обладает определенным подобием [72—86], и, как правило, результаты, полученные в изотермических условиях, можно с достаточной точностью переносить на те случаи, когда имеет место горение топлива [97]. Основная причина этого положения заключается в том, что промесс горения занимает большую часть объема циклонной камеры, и поэтому не создаются сильные радиальные градиенты плотности и давления, которые обусловливают различие между изотермическими условиями и условиями мри горении топлива (в противоположность явлениям в вихревых горелках, см. гл. 4). Это также объясняет применимость изложенного в работе [87] метода расчета аэродинамического сопротивления циклонных камер как к изотермическим условиям, так и к условиям горения (включая некоторые типы вихревых горелок). Экспериментальные данные авторов работ по циклонным горелкам типа III показывают, что их аэродинамическое сопротивление можно рассчитать по эмпирическому соотношению работы [87], несмотря на различия в конфигурации. Параметр закрутки в большинстве циклонных камер без горения топлива очень велик (обычно S > 10). При горении момент количества движения при входе в циклонную камеру остается примерно постоянным. Тем не менее осевое количество движения выходящего потока существенно увеличивается из-за экзотермических реакций и ограничения потока газов стенками циклонной камеры Величина параметра закрутки уменьшается в соответствии с соотношением
S = S0(Tвх/Tвых), где Твх и Твых — средние температуры газов на входе и на выходе в кельвинах, S0 — параметр закрутки в изотермических условиях.
Этот вывод подтверждают также данные работ [6, 104], в которых установлено, что основное влияние горения в циклоне заключается в снижении параметра закрутки на выходе и, следовательно, в уменьшении размера внутренней зоны рециркуляции в области выхлопа. Тем не менее, внутренняя структура течения для значений r/r0 > 0,5 существенно не изменяется.
При сжигании в циклоне твердого топлива движение твердых частиц в основном определяется фактическим уровнем окружной скорости на входе и снижением окружной скорости при движении газа по циклону. Эти факторы определяют способность циклона «взвешивать» частицы в поле «искусственного тяготения» (увеличивая их время пребывания). Поэтому циклонные камеры сгорания (многорежимные или двухступенчатые) являются перспективными устройствами для сжигания низкокалорийных газов, сжигания плохо горящих твердых топлив и в тех случаях, когда существенное значение имеет сепарация золы.
