Влияние процесса горения на характеристики ПВЯ рассмотрено в предыдущем разделе. В данной же части речь пойдет о влиянии горения на аэродинамику потока с сильной закруткой.
Вихревые горелки: общие характеристики факела
и аэродинамика потока
Общий вид распределений температуры в пламени вихревой горелки (изображенной на рис. 4.2) представлен на рис. 4.43а и 4.43б.
Рис. 4.43а. Радиальное распределение температуры в факеле вихревой горелки.
Рис. 4.43б. Изменение максимальной температуры вдоль оси горелки.
Распределение температуры по радиусу показано на рис. 4.43а. 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 43б распределение максимальной температуры вдоль потока показывает, что максимум медленно нарастает к выходному сечению горелки, а за этим сечением наблюдается резкий спад, соответствующий выгоранию топлива. Такая картина наблюдается в большинстве вихревых горелок. Например, аналогичные распределения приведены в работах [78, 88], где рассмотрены горелки различных конфигураций с разными способами подачи топлива и коэффициентами избытка воздуха.
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 пульсаций давления [62—64], 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 S>0,5), ПВЯ не является определяющим элементом течения, и эффективный максимум турбулентных пульсаций в некоторых горелках уменьшается [58[, что и позволяет использовать методы, основанные на измерении пульсаций давления [63, 64]. Спектральный анализ пульсаций давления в вихревых горелках показывает [52, 58], что осцилляции носят более случайный характер, чем в изотермическом потоке, а следовательно, при горении изменяется и природа процесса смешении. В изотермическом потоке доминируют пульсации скорости, имеющие довольно регулярный характер, а при горении имеющие случайный, турбулентный характер.
В работе [25] с помощью лазерного доплеровского измерителя скорости исследовался факел за вихревой горелкой эймёйденского типа (схема горелки показана на рис. 4.58, а типы факелов — на рис. 4.59), которая работает при малых значениях параметра закрутки (S ≈ 0,3) с состоянием потока, близким к режиму распада вихря. Показано, что уровень турбулентных пульсаций при горении возрастает. В работе [56] аналогичные измерения проведены в потоке за вихревой горелкой с диффузором на выходе (S = 0,5). Показано, что высокий уровень локальной интенсивности турбулентности наблюдается вблизи границы зоны обратных токов (около 112 %) и на оси симметрии (приблизительно 75 %).
Вполне вероятно, что большой уровень интенсивности турбулентности был обусловлен не 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 зона только зарождается. Впоследствии в работе [61] те же авторы использовали кольцевой лопаточный завихритель
(S=0,52) с цилиндрической выходной частью, поток истекал в большую топку (Af/Ab= 29,7), а в качестве топлива использовался природный газ. В этой работе с помощью лазерного доплеровского измерителя скорости были проведены весьма подробные измерения в закрученных стесненных потоках с горением и без горения. Исследования проводились в Имперском колледже и в натуральных условиях на топках в Харуэлле. Измерялись три компоненты средней скорости и соответствующие интенсивности пульсаций скорости в поле течения и на границах. Исследования проводились с целью проверки и уточнения методов расчета турбулентных течений и по этой причине, безусловно, потребовали большей точности и детальности измерений, чем аналогичные исследования, выполненные ранее на промышленных установках в Дельфте, Эймёйдене и Карлсруэ. Результаты показывают, в частности, что в реагирующих потоках в рециркуляционных областях течение существенно неизотропно. При горении интеграл от пульсаций 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 [65, 66], 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 пульсаций продольной составляющей скорости везде, за исключением области вблизи выходного сечения горелки, при горении уменьшалась. Высокий уровень пульсаций продольной скорости наблюдался вблизи границы рециркуляционной зоны, здесь же проявлялась существенная анизотропия пульсаций. Вообще, существенная разница интенсивностей пульсаций продольной и окружной скоростей в потоках с горением и без горения наблюдается в большей части поля течения.
Большая работа по измерению турбулентности с помощью лазерного доплеровского измерителя скорости в закрученных потоках с горением осуществлена в Объединенном центре технологических исследований (UTRC) в Ист-Хартфорде, шт. Коннектикут [59]. Проведены детальные измерения структуры потока с горением за кольцевым лопаточным завихрителем, истекающего в длинную узкую цилиндрическую топку. В этом потоке формируются кольцевые зоны обратных токов, которые сходны с обнаруженными в работе [52] зонами, но возникают при значительно меньших параметрах закрутки (от 0,3 до 0,6 вместо 1). 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 пульсаций скорости, распределение плотности вероятности показывают, что осредненные и нестационарные характеристики поля течения существенно изменяются при вариации давления на выходе нз камеры сгорания и закрутки воздуха на входе. Эти изменения заметно влияют на выбросы загрязняющих веществ. Обнаружен существенный вклад крупномасштабных пульсаций в суммарное среднеквадратичное значение турбулентных пульсаций скорости. Влияние крупномасштабных пульсаций 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 дополнение к указанным данным в работе [59] приведены типичные профили осредненных по времени продольной и окружной скоростей в различных сечениях во всем диапазоне изменения параметра закрутки потока и давления на выходе из камеры сгорания.
В настоящее время для потоков с горением, особенно для стесненных потоков, имеется значительное количество, данных о зависимости величины потока массы, вовлеченной в рециркуляционное движение, от параметра закрутки. Некоторые данные приведены в табл. 4.4. Рассмотрим вначале свободные течения за вихревой горелкой. Сравнивая результаты, полученные в условиях с горением и без него (см. рис. 4.12), 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.
Таблица 4.4. Характеристики факелов за вихревыми горелками открытого типа
Рис. 4.44. Граница зоны обратных токов при α= 1,63 и при вариации параметра закрутки [65]:
а — кольцевой лопаточный завихрители предварительно перемешанные топливо и воздух (при угле установки лопаток завихрители φ= 30о обратных токов нет); б — лопаточный завихритель без втулки, предварительно перемешанные топливо и воздух
Помимо этого рециркуляционная зона в потоке с горением (рис. 4.44) короче и шире, чем в холодном потоке (ср. с рис. 4.13а—4.13в, 4.14а, 4.14б). Начало распада вихря и зарождение рециркуляции происходят при несколько больших значениях параметра закрутки [53]. В потоке с горением максимальное значение продольной скорости сначала примерно вдвое больше максимальной скорости в изотермическом потоке. Начиная с удалений в один диаметр выходного сечения дальнейшее падение скорости в обоих случаях аналогично [88]. В результате изменения плотности при горении ширина струи растет быстрее, чем в случае соответствующего изотермического течения.
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 [10, 53], и потому такие завихрители обычно не применяются. За кольцевым лопаточным завихрителем зона обратных токов при тех же пара метрах 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 [52, 55].
Размер зоны обратных токов и величина потока массы, вовлеченной в рециркуляционное движение (Mr), зависят от коэффициента избытка воздуха и способа подачи топлива (табл. 4.4 и рис. 4.45) [52]. При аксиальной подаче топлива в горелку, показанную на рис. 4.3, при а = 13,8 величина Мr на 80 % больше, чем в изотермическом потоке [12]. Влияние способа подачи топлива на форму зоны обратных токов показано на рис. 4.45 [12, 52].
Рис. 4.45. Изменение формы зоны обратных токов при вариации способа подачи топлива [52]:
I — тангенциальная подача топлива (природный газ),
а = I, цилиндрическая выходная часть горелки; 2 — аксиальная подача топлива (природный газ), а = I, цилиндрическая выходная часть горелки; 3 - аксиально радиальная подача топлива (природный газ), а *· 1, цилиндрическая выходная часть горелки; 4 — аксиальная подача топлива (природный газ), а = I, сужающаяся-расширяющаяся выходная часть горелки; 5 — аксиальная подача топлива (светильный газ. 50 % Н2), а — 13.8; точечная кривая — изотермический поток.
При стехиометрическом соотношении горючего и окислителя длина зоны обратных токов при любом способе подачи топлива меняется в пределах 10%. Наибольшие отличия наблюдаются при аксиально-радиальной подаче, при которой максимальный диаметр зоны обратных токов уменьшается на 40%. При горении предварительно перемешанных компонент максимальны изменения формы зоны обратных токов (ср. рис. 4.44,а и рис. 4 45).
Рис. 4.46. Распределение вдоль топки потока массы, вовлеченной в рециркуляционное движение, при различных коэффициентах избытка воздуха. Кольцевой лопаточный завихритель, 5 = 1,247, расход воздуха 335 кг/ч, Af/Ab = 4,93.
Видно, что при меньших параметрах закрутки (S = 1,5 в экспериментах с предварительно перемешанными компонентами по сравнению с 1,87 в экспериментах, результаты которых приведены на рис. 4.45) в потоке с горением предварительно перемешанных компонент максимальный диаметр зоны обратных токов на 70 % больше практически при той же длине зоны. Этот результат согласуется с отмеченным ранее явлением нестабильности ПВЯ. Анализ данных на рис. 4.45 показывает, что в случае аксиальной подачи топлива происходит сложная перестройка рециркуляционной зоны при изменении коэффициента избытка воздуха. Трансформация рециркуляционной зоны вызвана здесь вырождением ПВЯ при больших коэффициентах избытка воздуха.
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. Данные работ [12, 26, 54, 65, 66], приведенные в табл. 4.5, показывают, что размеры рециркуляционной зоны определяются главным образом диаметром топки, а не горелки. При истечении в ограниченное пространство между закрученным потоком и стенками формируется периферийная рециркуляционная зона, наличие которой осложняет зависимость характеристик закрученного потока от параметров камеры. В работах [26, 27] показано, что 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.
Таблица 4.5. Характеристики стесненных факелов за вихревыми горелками
Рис 4.47. Зависимость от параметра закрутки максимального и среднего потоков массы, вовлеченной в рециркуляционное движение, при а = 1,34 и расходе воздуха 335 кг/ч. Линии проведены по экспериментальным точкам: кружки— максимальные значения М, треугольники — средние значения.
Данные, приведенные в табл. 4.5, показывают, что форма рециркуляционной зоны и поток массы, вовлеченной в рециркуляционное движение, весьма сложным образом зависят от коэффициента избытка воздуха и способа подачи топлива. Эти данные позволяют сделать вывод, что расстояние до точки попадания факела на стенку составляет величину, равную 0,2 ... 0,7 Df при изменении S, Df/De и α в диапазонах 0,7 < S < 1,3; 3 < Df/De< 5; 0,9 < α < 2,3.
Подробные измерения потока массы, вовлеченной в рециркуляционное движение, при вариации коэффициента избытка воздуха и параметра закрутки выполнены в работе (68). Поток из кольцевого лопаточного завихрители истекал в топку с отношением площадей сечений топки и горелки Af/Ab = 4,93; в качестве топлива использовался керосин. На рис. 4.46 показано распределение вдоль топки потока массы, вовлеченной в рециркуляционное движение, при S = 1,247. Изменение коэффициента избытка воздуха в пределах от 1,15 до 1,89 приводило к возрастанию максимального значения Мr/M0 от 0,12 до 0,21. Зависимость максимального и среднего значений потока массы, вовлеченной в рециркуляционное движение от параметра закрутки (при α= 1,34), показана на рис. 4.47. Зависимости оказываются линейными, что согласуется с результатами работы [10]. Определенно можно сделать вывод, что аэродинамика потока и закономерности изменения потока массы, вовлеченной в рециркуляционное движение, при горении как жидких, так и газообразных топлив одинаковы. Следует, однако, помнить, что в рассмотренных экспериментах исследовались топки без поджатая выходного сечения в отличие от того, как это обычно бывает в промышленных устройствах, и, следовательно, при экстраполяции полученных результатов на топки с другой выходной частью следует проявлять осторожность.
Типичные профили температур в системе, состоящей из вихревой горелки и топки [68], представлены на рис. 4.48. В работе [69] изучено влияние закрутки потока с горением предварительно перемешанных воздуха и метана на поля осредненных по времени температур и среднеквадратичных значений пульсаций температуры.
Рис. 4.48 Профили температуры в поперечных сечениях топки в потоке за работающей на нефти вихревой горелкой с расходом воздуха 355 кг/ч при а = 1.34 [68]: a-S=1,98; b-S=0,721.
Показано, что в закрученном факеле смешение происходит быстрее, чем в незакрученном, несмотря на большой поток массы. Распределения температуры по радиусу в первом случае более равномерны, а вдоль оси температура нарастает до больших значений, причем рост температуры в закрученном потоке начинается раньше, чем в незакрученном — на расстояние одного На рис. 4.49 показано распре закрученного (S = 0,56) и незакрученного потоков при коэффициенте избытка воздуха а = 1.43.
В топках с вихревой горелкой можно сжигать газовые отходы, обладающие очень низкой теплотой сгорания, для этого необходимо топку облицевать огнеупорным материалом и хорошо теплоизолировать. На рис. 4.50 показаны полученные в работе [68] поля температуры при сжигании отбросных газов сажевого производства (состав: 50 % паров воды. 6.... 8 % воды,
6 ... 8% СО. 34 ... 36% N2), теплота сгорания которых равна 1,63 МДж/м3.
Рис. 4.49. Распределение температуры вдоль оси закрученного (S = 0.56; кривая 1) и незакрученного (2) факелов при горении предварительно перемешанных метана и воздуха при а = 1,43 [69].
Рис. 4.50. Профили температуры в поперечных сечениях топки при сжигании низкокалорийных отбросных газов.
Схема топочно-горелочного устройства представлена на рис 4-69. Вихревая горелка с цилиндрической выходной частью, DeID0= 0,5, Df /D0=0,29, S = 0,85. Отбросный газ: расход 1,15 кг/с, теплота сгорания 1,64 МДж/М3. Расход воздуха 0,76 кг/с. Тепловая мощность 2,3С МВт.
Полного диаметра за стабилизатором, падения температуры вдоль оси выгорания топлива можно достичь, поддерживая температуру фронта пламени на уровне 900°С. В данной ситуации полное выгорание топлива происходит внутри топки, и потому такая система часто используется как устройство для уничтожения отходов.
Рис. 4.51. Профили температуры в потоке за вихревой горелкой с цилиндром из огнеупора на выходе [69, 71].
Схеме топочно-горелочного устройства представлена на рис. 4 69; длина огнеупорного цилиндра L/Dn — 1,5. Топливо — отбросный газ. расход 0.302 кг/с. теплота сгорания 2.06 МДж/м. Расход воздуха 0,183 кг/с. избыток воздуха 9.5 %. Стабилизация пламени за Счет закрутки потока (S — 1,14) и отражения теплового излучения; добавка высококалорийного топлива не требовалась
Простое устройство для сжигания газовых отходов можно сконструировать, присоединив к выходу вихревой горелки длинный цилиндр из огнеупорного материала; при этом стабилизация пламени обеспечивается двумя процессами: аэродинамическим— в рециркуляционной зоне закрученного потока, и тепловым — за счет излучения от стенок цилиндрической камеры.
В таких устройствах перед горелкой для газовых отходов необходимо установить горелку, работающую на высококалорийном топливе, для поддержания постоянного потока, поскольку теплота сгорания газовых отходов колеблется в широких пределах (от 0 до 2 МДж/м3 для типичных промышленных выбросов). На рис. 4.51 показаны поля температуры внутри и за огнеупорной цилиндрической камерой (S — 1,14). Для топлива с теплотой сгорания 2,06 МДж/м3 максимальная температура фронта пламени составляет величину порядка 1000 оС. Если устранить цилиндр из огнеупора на выходе из вихревой горелки, и, то поддерживать процесс горения можно только при добавке природного газа. В работах [72, 73] показано, что газы с теплотой сгорания, меньшей 3,5 МДж/м3, можно успешно сжигать в вихревых горелках эймейденского типа при условии, что воздух подается через сопло аксиально.
