燃气燃烧技术与设备 Chap5.doc

燃气燃烧技术与设备_Chap5第五章燃气燃烧方法第一节扩散式燃烧二、层流扩散火焰的结构将管口喷出的燃气点燃进行燃烧,如果燃气中不含氧化剂(即)则燃烧所需的氧气将依靠扩散作用从周围大气获得。这种燃烧方式称为扩散式燃烧。图5-1层流扩散火焰的结构1-外侧混合区(燃烧产物+空气);2-内侧混合区(燃烧产物+燃气);Cg—p—燃烧产物浓度;CO2—氧气浓度图5-2层流扩散火焰的相似(5-1)式中D——扩散系数;F——垂直于扩散方向两股气流的接触面积;——径向浓度梯度。对于上述两种相似情况,扩散率之比为: (5-2) (5-3) (5-4)或者=常数(5-5)图5-3气流速度增加时扩散火焰长度和燃烧工况的变化1—火焰长度终端曲线;2—层流火焰终端曲线三、层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡(5-6)式中——距出口的轴向距离;——紊流结构系数;——射流喷口的半径。或(5-7) (5-8)四、扩散火焰中的多相过程图5-5在层流扩散火焰中气体浓度与温度的变化图5-4不同压力下乙炔在空气中的扩散火焰1—扩散火焰;2—光焰区(5-9)式中——反应速度;——试验系数,取决于气相组成、固相表面积等因素;E——活化能;R——气体常数;T——绝对温度。(5-10)式中——扩散系数;——接触表面积;——浓度梯度。五、燃气火焰的辐射图5-7加入重油或焦油对辐射率的影响焦油—a100%、b57%、c33%;重油—a’100%、b’67%、c’33%;d—气体燃料100%图5-6加入重油对辐射率的影响A—重油100%;B—重油40%;C—重油20%;D—重油10%;E—重油0%;第二节部分预混式燃烧一、部分预混层流火焰图5-9蓝色锥体表面上的速度分析图5-8本生燃烧器示意图在燃烧器出口的周边上,存在一个稳定的水平焰面,它是空气-燃气混合物的点火源,又称点火环。二、部分预混层流火焰的确定如果燃烧强度不断加大,由于的点更加靠近管口,点火环就逐渐变窄。最后点火环消失,火焰脱离燃烧器出口,在一定距离以外燃烧,称为离焰。若气流速度再增大,火焰就被吹熄,称为脱火。如果进入燃烧器的燃气流量不断减小,即气流速度不断减少,蓝色锥体越来越低,最后由于气流速度小于火焰传播速度,火焰将缩进燃烧器,称为回火。对于某一定组成的燃气-空气混合物,在燃烧时必定存在一个火焰稳定的上限,气流速度达到此上限值便产生脱火现象,该上限称为脱火极限;另一方面,燃气-空气混合物还存在一个火焰稳定的下限,气流速度低于下限值便产生回火现象,该下限称为回火极限。图5-10天然气和空气的稳定燃烧范围1—黄焰曲线;2—脱火曲线;3—回火曲线;4—黄焰区;5—脱火区;6—回火区图5-11回火与脱火的图解(a)燃烧器出口以内的情况;(b)燃烧器出口以上的情况;(c)焰面位置;1—回火;2—回火极限;3—火焰稳定;4—脱火极限;5—脱火;A、B、C—当焰面在A、B、C三个位置时的燃烧速度曲线;(一)周边速度梯度理论(5-11)式中——某点距管中心的距离;——管子半径。或(5-12) (5-13)(二)火焰拉伸理论(5-14)无因次数K称为卡洛维兹(Karlovitz)拉伸系数。(5-15)(5-16)(5-17) (5-18)或(5-19)式中——系数。无外焰时,取零;有外焰时,取l。三、部分预混紊流火焰图5-14紊流火焰的结构(5-20)式中——火焰的总长度;——沿气流轴线方向紊流火焰的厚度;——冷核的长度;——沿气流轴线方向燃尽区的厚度。(5-21)式中——混合物的流动速度;——除去边界层的出流半径;——紊流火焰传播速度。(5-22)式中K——常数。四、紊流预混火焰的稳定前面研究了层流中预混式燃烧的稳定性,我们知道其火焰是稳定的,混合气流速度在一定范围内波动时燃烧器不会发生回火和脱火。对于预混紊流火焰情况就不同了,工作的稳定区可能全部消失,或者变得很窄,要使燃烧器正常工作只有采用人工的稳焰方法。通常,为了使火焰稳定,应当在局部地区保持气流速度和火焰传播速度之间的平衡。如果从改变气流速度着手,可用流体动力学方法进行稳焰;如果从改变火焰传播速度着手,可以用热力学和化学方法进行稳焰。为了防止脱火,最常用的方法是在燃烧器出口处设置一个点火源。点火源可以是连续作用的人工点火装置,如炽热物体或一个稳定的辅助火焰。另外,也可以使炽热的燃烧产物流回火焰根部而形成点火源。燃气空气混合物图5-15用辅助火焰做点火源1—燃烧器火孔;2—小孔;3—环形缝隙图5-16各种形状的钝体稳焰器图5-18用图5-16中1,3和7钝体时,丙烷空气火焰的稳定界限(上游气流温度为290K)图5-17城市燃气和空气的混合气体用两种不同温度钝体时的火焰稳定极限图5-19钝体稳焰的物理模型dw——回流区直径;lw——回流区长度;T0——初温;T——离开回流