Предварительно приготовленное пламя

редактировать

Различные типы пламени горелки Бунзена зависят от подачи кислорода. Слева от богатой топливной смеси без предварительно смешанного кислорода образуется желтое сажевое диффузионное пламя, а справа от бедного полностью кислородного предварительно смешанного пламени не образуется сажи, и цвет пламени определяется молекулярный радикал полоса излучения.

A пламя предварительной смеси представляет собой пламя, образующееся при определенных условиях во время горения предварительно смешанной загрузки (также называемой предварительной смесью) топлива и окислитель. Поскольку топливо и окислитель - ключевые химические реагенты горения - доступны в гомогенной стехиометрической смеси, начатый процесс горения поддерживается за счет собственного выделения тепла. Большая часть химического превращения в таком процессе горения происходит в основном в тонкой межфазной области, которая разделяет несгоревший и сгоревший газы. Граница раздела предварительно перемешанного пламени распространяется через смесь до тех пор, пока не будет исчерпан весь заряд. Скорость распространения предварительно смешанного пламени известна как скорость пламени (или скорость горения), которая зависит от баланса конвекции-диффузии-реакции в пламени, то есть от его внутренней химической структуры. Пламя предварительной смеси характеризуется как ламинарное или турбулентное в зависимости от распределения скорости в несгоревшей предварительной смеси (которая обеспечивает среду распространения пламени).

Содержание

1 Распространение смешанного пламени
- 1.1 Ламинарное
  - 1.1.1 Скорость ламинарного горения
- 1.2 Турбулентное
2 Конфигурация предварительно смешанного пламени
- 2.1 Пламя Бунзена
- 2.2 Застойное пламя
- 2.3 Сферическое пламя
3 Применение
4 См. Также
5 Ссылки

Распространение пламени с предварительным смешиванием

Ламинарное

В контролируемых условиях (обычно в лаборатории) a ламинарное пламя может быть образовано в одной из нескольких возможных конфигураций пламени. Внутренняя структура ламинарного пламени с предварительным смешиванием состоит из слоев, на которых происходит разложение, реакция и полное окисление топлива. Эти химические процессы намного быстрее, чем физические процессы, такие как вихревое движение в потоке, и, следовательно, внутренняя структура ламинарного пламени остается неизменной в большинстве случаев. Составляющие слои внутренней структуры соответствуют определенным интервалам, в течение которых температура увеличивается от указанной несгоревшей смеси до такой высокой, как адиабатическая температура пламени (AFT). При наличии объемной теплопередачи и / или аэродинамического растяжения или при развитии внутренней нестабильности пламени степень реакции и, следовательно, температура, достигаемая поперек пламени, может отличаться от AFT.

Скорость ламинарного горения

Для одношаговой необратимой химии, т.е. $ν FF + ν OO 2 → P roducts {\ displaystyle \ nu _ {F} {\ rm { {F} + \ nu _ {O} {\ rm {{O} _ {2} \ rightarrow {\ rm {Products}}}}}}$ ${\ displaystyle \ nu _ {F} {\ rm {{F} + \ nu _ {O} {\ rm {{O} _ {2} \ rightarrow {\ rm {Продукты} }}}}}}$ , плоское адиабатическое пламя имеет явное выражение для скорости горения, полученной из асимптотики энергии активации, когда число Зельдовича $β ≫ 1. {\ displaystyle \ beta \ gg 1.}$ ${\ displaystyle \ beta \ gg 1.}$ Скорость реакции $ω {\ displaystyle \ omega}$ $\ omega$ (количество молей топлива, израсходованных на единицу объема в единицу времени) принята равной форме Аррениуса,

ω = B (ρ YFWF) m (ρ YO 2 WO 2) ne - E a / RT, {\ displaystyle \ omega = B \ left ({\ frac {\ rho Y_ {F}} {W_ {F}}} \ right) ^ { m} \ left ({\ frac {\ rho Y_ {O_ {2}}} {W_ {O_ {2}}}} \ right) ^ {n} e ^ {- E_ {a} / RT},}

{\ displaystyle \ omega = B \ left ({\ frac {\ rho Y_ {F}} {W_ {F }}} \ right) ^ {m} \ left ({\ frac {\ rho Y_ {O_ {2}}} {W_ {O_ {2}}}} \ right) ^ {n} e ^ {- E_ { a} / RT},}

, где $B {\ displaystyle B}$ $B$ - предэкспоненциальный множитель, $ρ {\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ - плотность, $YF {\ displaystyle Y_ {F}}$ ${\ displaystyle Y_ {F}}$ - топливо, м фракция задницы, $YO 2 {\ displaystyle Y_ {O_ {2}}}$ ${\ displaystyle Y_ {O_ {2} }}$ - массовая доля окислителя , $E a {\ displaystyle E_ { a}}$ $E_{a}$ - энергия активации, $R {\ displaystyle R}$ $R$ - универсальная газовая постоянная, $T {\ displaystyle T}$ $T$ - температура, $WF WO 2 {\ displaystyle W_ {F} \ \ \ W_ {O_ {2}}}$ ${\ displaystyle W_ {F} \ \ \ W_ {O_ {2}}}$ - молекулярная масса топлива и окислителя, соответственно, и $m n {\ displaystyle m \ \ \ n}$ ${\ displaystyle m \ \ \ n}$ - порядки реакции. Обозначим состояние несгоревшего газа далеко перед пламенем индексом $u {\ displaystyle u}$ $u$ , а условия сгоревшего газа - $b {\ displaystyle b}$ $b$ , тогда мы можем определить коэффициент эквивалентности $ϕ {\ displaystyle \ phi}$ $\ phi$ для несгоревшей смеси как

ϕ = ν O 2 WO 2 ν FWFYF, u YO 2, u {\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ nu _ {O_ {2}} W_ {O_ {2}}} {\ nu _ {F} W_ {F}}} {\ frac {Y_ { F, u}} {Y_ {O_ {2}, u}}}}

{\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ nu _ {O_ {2}} W_ {O_ {2}}} {\ nu _ {F} W_ { F}}} {\ frac {Y_ {F, u}} {Y_ {O_ {2}, u}}}}

Тогда плоская ламинарная скорость горения для богатой топливом смеси ( $ϕ>1 {\ displaystyle \ phi>1}$ $\phi>1$ ) предоставляется

SL = {2 B λ b ρ bm + n ν F m YO 2, um + n - 1 G (n, m, a) cp, b ρ u 2 ν O 2 WO 2 m + n - 1 β м + N + 1 L е О 2 - N L е F - m} 1/2 е - E a / 2 RT b + O (β - 1), {\ Displaystyle S_ {L} = \ left \ {{\ гидроразрыв {2B \ lambda _ {b} \ rho _ {b} ^ {m + n} \ nu _ {F} ^ {m} Y_ {O_ {2}, u} ^ {m + n-1 } G (n, m, a)} {c_ {p, b} \ rho _ {u} ^ {2} \ nu _ {O_ {2}} W_ {O_ {2}} ^ {m + n-1 } \ beta ^ {m + n + 1} \ mathrm {Le} _ {O_ {2}} ^ {- n} \ mathrm {Le} _ {F} ^ {- m}}} ​​\ right \} ^ { 1/2} e ^ {- E_ {a} / 2RT_ {b}} + O (\ beta ^ {- 1}),}

{\ displaystyle S_ {L} = \ left \ {{ \ frac {2B \ lambda _ {b} \ rho _ {b} ^ {m + n} \ nu _ {F} ^ {m} Y_ {O_ {2}, u} ^ {m + n-1} G (n, m, a)} {c_ {p, b} \ rho _ {u} ^ {2} \ nu _ {O_ {2}} W_ {O_ {2}} ^ {m + n-1} \ бета ^ {m + n + 1} \ mathrm {Le} _ {O_ {2}} ^ {- n} \ mathrm {Le} _ {F} ^ {- m}}} ​​\ right \} ^ {1 / 2} e ^ {- E_ {a} / 2RT_ {b}} + O (\ beta ^ {- 1}),}

где

G (n, m, a) = ∫ 0 ∞ yn (y + a) mdy {\ displaystyle G (n, m, a) = \ int _ {0} ^ {\ infty} y ^ {n} (y + a) ^ {m} \ dy}

{\ displaystyle G (n, m, a) = \ int _ {0} ^ {\ infty} y ^ {n} (y + a) ^ {m} \ dy}

и $a = β (ϕ - 1) / L e F {\ displaystyle a = \ beta (\ phi -1) / \ mathrm {Le} _ {F}}$ ${\ displaystyle a = \ beta (\ phi -1) / \ mathrm {Le} _ {F}}$ . Здесь $λ {\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ - это теплопроводность, $cp {\ displaystyle c_ {p}}$ $c_{p}$ - удельная теплоемкость при постоянном давлении, а $L e {\ displaystyle \ mathrm {Le}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {Le}}$ - это число Льюиса. Аналогично можно написать формулу для обедненных $ϕ < 1 {\displaystyle \phi <1}$ ${\ displaystyle \ phi <1}$ смесей. Этот результат впервые был получен Т. Митани в 1980 году. Поправки второго порядка к этой формуле с более сложными транспортными свойствами были получены Форманом А. Уильямсом и его сотрудниками в 80-х годах. Вариации локальной скорости распространения ламинарного пламени возникают из-за того, что называется растяжением пламени. Растяжение пламени может произойти из-за напряжения внешним полем скорости потока или кривизны пламени; разница в скорости распространения от соответствующей ламинарной скорости является функцией этих эффектов и может быть записана как:

UL = SL - SLM c δ L κ + M a δ L n ⋅ ∇ n ⋅ n {\ displaystyle U_ {L} = S_ {L} -S_ {L} {\ mathcal {M}} _ {c} \ delta _ {L} \ kappa + {\ mathcal {M}} _ {a} \ delta _ {L} \ mathbf {n} \ cdot \ nabla \ mathbf {n} \ cdot \ mathbf {n}}

{\ displaystyle U_ {L} = S_ {L} -S_ {L} {\ mathcal {M}} _ {c} \ delta _ {L} \ kappa + {\ mathcal {M}} _ {a} \ delta _ {L } \ mathbf {n} \ cdot \ nabla \ mathbf {n} \ cdot \ mathbf {n}}

где $δ L {\ displaystyle \ delta _ {L}}$ ${\ displaystyle \ delta _ {L}}$ - ламинарный толщина пламени, $κ {\ displaystyle \ kappa}$ $\ kappa$ - кривизна пламени, $n {\ displaystyle \ mathbf {n}}$ $\ mathbf {n}$ - нормаль на пламени. поверхность, направленная в сторону несгоревшего газа, $v {\ displaystyle \ mathbf {v}}$ $\ mathbf {v}$ - скорость потока, а $M c M a {\ displaystyle {\ mathcal {M}} _ {c} \ \ \ {\ mathcal {M}} _ {a}}$ ${\ displaystyle {\ mathcal {M}} _ {c} \ \ \ {\ mathcal {M}} _ {a }}$ - соответствующие числа Маркштейна кривизны и деформации.

Турбулентность

В практических сценариях турбулентность неизбежна, и в умеренных условиях турбулентность способствует процессу горения предварительно приготовленной смеси, поскольку она улучшает процесс смешивания топлива и окислителя. Если предварительно смешанная загрузка газов не смешивается однородно, вариации эквивалентного отношения могут повлиять на скорость распространения пламени. В некоторых случаях это желательно, например, при послойном сжигании смешанных топлив.

Можно предположить, что турбулентное пламя предварительно перемешанной смеси распространяется как поверхность, состоящая из ансамбля ламинарных пламен, при условии, что процессы, определяющие внутреннюю структуру пламени, не затронуты. В таких условиях поверхность пламени сморщивается из-за турбулентного движения предварительно смешанных газов, увеличивая площадь поверхности пламени. Процесс сморщивания увеличивает скорость горения турбулентного предварительно перемешанного пламени по сравнению с его ламинарным аналогом.

Распространение такого предварительно перемешанного пламени можно проанализировать с использованием уравнения поля, называемого уравнением G для скаляра $G {\ displaystyle G}$ $G$ как:

∂ G ∂ t + v ⋅ ∇ G = UL | ∇ G | {\ displaystyle {\ frac {\ partial G} {\ partial t}} + \ mathbf {v} \ cdot \ nabla G = U_ {L} | \ nabla G |}

{\ displaystyle {\ frac {\ partial G} {\ partial t}} + \ mathbf { v} \ cdot \ nabla G = U_ {L} | \ nabla G |}

, который определяется таким образом, что уровень- наборы G представляют различные границы раздела в предварительно перемешанном пламени, распространяющемся с локальной скоростью $UL {\ displaystyle U_ {L}}$ $U_ {L}$ . Это, однако, обычно не так, поскольку скорость распространения границы раздела (от резекции до несгоревшей смеси) изменяется от точки к точке из-за аэродинамического растяжения, вызванного градиентами в поле скорости.

В противоположных условиях, однако, внутренняя структура предварительно смешанного пламени может быть полностью нарушена, вызывая гашение пламени либо локально (известное как местное угасание), либо глобально (известное как глобальное угасание или сдувание). Такие противоположные случаи регулируют работу практических устройств внутреннего сгорания, таких как двигатели SI, а также форсажные камеры авиационных двигателей. Предсказание степени влияния турбулентного потока на внутреннюю структуру пламени является предметом обширных исследований.

Конфигурация предварительно смешанного пламени

Конфигурация потока предварительно смешанных газов влияет на характеристики стабилизации и горения

пламени Бунзена

В пламени Бунзена устойчивый Обеспечивается скорость потока, соответствующая скорости пламени, для стабилизации пламени. Если скорость потока ниже скорости пламени, пламя будет двигаться вверх по потоку до тех пор, пока топливо не израсходуется или пока не встретит стабилизатор пламени. Если скорость потока равна скорости пламени, можно ожидать неподвижного плоского фронта пламени, перпендикулярного направлению потока. Если скорость потока превышает скорость пламени, фронт пламени станет коническим, так что составляющая вектора скорости, нормальная к фронту пламени, равна скорости пламени.

Застойное пламя

Здесь предварительно смешанные газы текут таким образом, чтобы образовать область застоя (нулевую скорость), где пламя может быть стабилизировано.

Сферическое пламя

В этой конфигурации пламя обычно инициируется за счет искры в гомогенной предварительной смеси. Последующее распространение развитого пламени предварительно перемешанной смеси происходит по сферическому фронту до тех пор, пока смесь не преобразуется полностью или не будут достигнуты стенки камеры сгорания.

Области применения

Так как степень эквивалентности предварительно смешанных газов можно регулировать, предварительно смешанное сжигание предлагает средства для достижения низких температур и, таким образом, уменьшения NOx выбросов. Благодаря улучшенному перемешиванию по сравнению с диффузионным пламенем, также уменьшается образование сажи. Поэтому в последнее время большое значение приобрело сжигание с предварительным смешиванием. Используются газовые турбины с предварительной смесью и предварительным испарением (LPP) и двигатели SI.

См. Также

Ссылки