CC BY
75
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 64 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА ]Ш г.
ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ УСТОЙЧИВОГО ПРОЦЕССА ПОВЕРХНОСТНОГО БЕСПЛАМЕННОГО ГОРЕНИЯ ГАЗОВ
НОРКИН н. н. I. Введение
Существуют различные взгляды и теории, пытающиеся объяснить механизм беспламенного горения*), однако в этих теориях отсутствует, по нашему мнению, попытка взаимной увязки беспламенного горения с другими формами горения газов. Между тек*, не подлежит сомнению, что различные формы горения взаимно превращаемы, так, например, обычное пламенное горение при соответствующих условиях может быть превращено в диффузионное или беспламенное, последнее же при нарушении устойчивости переходит или в форму взрыва или в форму обычного горения **).
В связи с этим возникает мысль о необходимости исследования вопроса о физических и химических условиях, способствующих превращению нормального конического фронта пламени в такую форму, котора** сливается с поверхностью каталитического материала. Кроме того, как известно, беспламенное горение чрезвычайно чувствительно к изменению физических условий при регулировании его—резкое изменение влечет за собою срыв устойчивости процесса, пределы устойчивости крайне огра-' ничены. Поэтому возникает необходимость исследовать вопрос о влиянии внутренних и внешних воздействий на пределы устойчивости беспламенного горения.
Настоящая теоретико-экспериментальная работа является попыткой осветить поставленные вопросы, не претендуя на полноту физико-химического анализа, но лишь в той степени, в какой это может быть использовано в инженерно-производственной практике.
И. Основные формы горения газов при постоянном давлении й условия их взаимных превращений
Основными формами горения газов при постоянном давлении являются следующие три: 1), Факельное ламинарно-диффузионное горение; 2). Факельное турбулентно-диффузионное горение (обычное пламенное горение) и 3) поверхностное каталитическое (беспламенное) горение.
Факельное ламинарно-диффузионное горение может быть организовано при соблюдении следующих условий:
а) истечение газа и воздуха из горелки должно происходить плоскопараллельными или концентрическими потоками без предварительного смеше-
*) В монографии профессора- М. Б. Равича [1] дан краткий анализ теорий беспламенного горения и с исчерпывающей полнотой приведена библиография по данному вопросу.
**). Интереснол отметит*», что в дискуссии, развернувшейся на Парижской термической конференции я 1937 г. по докладам Гуффе и Кассэна [2], ставилось пол сомнение-самое понятие „беспламенное" горение.
ния их в горелке; смешение газового и воздушного потоков происходит в рабочем пространстве тепловой устаневки (в топке, в печи), вследствие молекулярной диффузии компонентов газа и воздуха;
б) скорости истечения газового и воздушного потоков из горелки должны быть одинаковыми и должны находиться в пределах ламинарного' режима. Эти условия протекания процесса диффузионного горения довольно точно могут быть заранее рассчитаны с помощью следующих уравнений:
Ур-ние диффузии Фика
*£- (1)
дх2 w
wra3. = х^возд = idem (2)
Re = ^L<2m. (3)
В уравнениях-'обозначены: р—парциальное давление диффундирующего компонента; т — время диффузии, которое при равномерном движении может быть выражено как отношение длины диффузионной зоны ^ отождествляемой с длиной факела, к скорости равномерного движения факела шф
__в ,
- • '
К—коэффициент диффузии, компонента смеси;
х — текущая линейная координата, имеющая в данном случае смысл толщины диффузионного слоя; *и/газ. — скорость истечения газа; ■г^возд. — тоже воздуха;
¿/ — диаметр круглой горелки или приведенный Диаметр гглоскощеле-вой или иной формы горелкА; р—плотность потока; р.— вязкость потока.
Выполненные автором исследования по сжиганию светильного и водяного газов в условиях открытых атмосфер-ных горелок щелевых и концентрических, а также в экранированной топочной камере, показали, что действительно достигаемая длина факела диффузионного пламени составляет 0,75-^0.85 от рассчитанной, вследствие искривления прямолинейного пути факела благодаря влиянию температурного поля [3].
Регулирование длины факела диффузионного горения в большей степени зависит от толщины диффузионных газовых и воздушных потоков, определимой геометрическими размерами горелки, и в меньшей, и даже очень малой степени,—от начальной скорости истечения потоков. Влияние состава горючего газа на длину и температуру факела пламени сказывается через коэффициенты диффузии компонентов, входящих в газовую смесь. Чем больше в газе водорода, тем короче факел; чем больше в газе метана, тем длиннее факел. При сжигании газа, содержащего значительные количества углеводородов (например, светильный*), коксовый газы), диффузионный факел обладает большой светимостью вследствие термического разложения углеводородов с выделением углерода в тонкодис-
*) Автором выполнено экспериментальное исследование влияния подогрева газа и воздуха и изменения угла встречи газового и воздушного потоков на длину факела и распределение температуры по длине факела, а также выявлены условия, при которых факел отрывается от устья горелки и устойчиво горит на некотором расстоянии от нее [11]
персном состоянии; степень черноты пламени довольно высокая, порядка 0,4—0,45 от степени черноты абсолютно черного излучения. Область практического применения диффузионного горения и преимущества его довольно подробно описаны в статье Хепборна [4].
Второй формой сжигания газов является факельное турбулентно-диффузионное горение, наиболее распространенное в практике. При организации этого вида сжигания смешение газа и воздуха производится частично « горелке (первичный воздух), частично в рабочем пространстве топки, печи. Факторами, влияющими на степень смешения и длину факела, являются; а) неодинаковые скорости истечения потоков; б) направление потоков под большим или меньшим углом; в) применение искусственных турбулизаторов. Длина факела пламени и распределение температуры в ■факеле не поддаются точному предварительному расчету, хотя довольно успешные попытки в этом направлении имеются [5, 6, 7, 8, 9, 10].
Третьей формой горения газов является поверхностное каталитическое беспламенное горение; это горение характеризуется следующим: а) газ и воздух перед поступлением их в горелку предварительно тщательно смешиваются до состояния однородной смеси; б) горючая смесь сжигается на поверхности огнеупорного материала горелки, имеющего высокую температуру и оказывающего каталитическое воздействие на процесс горения.
Внешними признаками поверхностного горения является полное или почти полное отсутствие видимого фронта пламени. Фронт пламени совмещается с поверхностью каталитически активных огнеупорных материалов или находится в порах зернистого слоя. Вследствие высокой тепловой плотности горения поверхность горелки или слоя обладает интенсивным тепловым излучением.
Указанные три формы горения газов могут переходить одна в другую при наличии соответствующих условий; для того чтобы проследить за превращением одних форм горения в другие, примем в качестве исходной формы факельное турбулентно-диффузионное горение, осуществив его в простой инжекционной горелке, например, в горелке Бунзена. Пусть через такую горелку подается однородная горючая смесь с количеством воздуха меньшим, чем требуется по стехиометрическим соотношениям, тогда воздух в горячей смеси будет играть роль первичного, а остальное количество воздуха, необходимое для полного горения газа (вторичного), подводится к факелу из окружающей среды. При этих условиях обра-» зуется двухконусный факел пламени (позиция 1, рис. 1).
Если газ и первичный воздух достаточно хорошо перемешаны, то внутренний, т. н. „синий" конус имеет строго очерченный контур, поверхность его является первым, внутренним фронтом пламени. В этом фронте сгорает большая или меньшая часть газа, в зависимости от количества первичного воздуха. Внешний конус не имеет строго очерченного контура, поверхность его является вторым фронтом пламени, в котором сгорает остальная часть газа за счет диффузии вторичного воздуха из окружающей среды.
Если увеличивать скорость" истечения горючей смеси путем увеличения расхода ее при том же составе, то увеличивается высота внутреннего ^синего" конуса, изменяются также высота и очертание внешнего конуса (позиция 2, рис. 1).
Если будем уменьшать количество первичного воздуха в горючей смеси, оставив расход газа прежним, как и в позиции 1-й, то высоты конусов будут увеличиваться, пламя вытягивается (позиция 3, рис. 1). Это происходит вследствие уменьшения скорости распространения пламени. Уменьшение же скорости распространения пламени объясняется обеднением горючей смеси кислородом воздуха, что находится в соответствии с эк-
сп-ериментальными данными Ле-Шателье [12] и Михельсона [13], исследовавшими скорость распространения пламени в зависимости от состава горючей смеси. Если прекратить доступ в горелку первичного воздуха, сохранив турбулентный режим истечения газа, тогда внутренний конус
I
ш
У бел ицибается
Уменьшается
-расход горючей колииестбо пер
смеси бишюеи боздуха
Позиция 4 Позиция В Позиция 3 Позиция А.
варение с теоретически неодхади^Ь/м
к о л и и ост б ом боздуха *
Фронт пламени деформируется Позиция & Позиция 6 //озиция 7
^Поберхпостное беспламенное еорение Позииия $
Рис. 1. Схема превращения факельного горения в поверхностное беспламенное горение
исчезнет, а внешний конус будет иметь наибольшую длину при данной средней скорости истечения (позиция 4, рис* 1).
Будем увеличивать количество воздуха в горючей смеси по сравнению* с позицией 1 и доведем до теоретически необходимого для полного горения, тогда двухконусный факел превратится в одноконусный (позиция 5), Так как скорость распространения пламени является наибольшей при стехиометрическом соотношении между горючим газом и воздухом, то высота конуса при данной средней скорости истечения будет минимальной. Дальнейшее увеличение расхода горючей смеси с теоретически необхо-
димым количеством воздуха влечет за собой деформацию конического фронта пламени в эллиптический вследствие изменения эпюры скоростей при значительных числах Re (позиция 6). Турбулентное пламя отличается от ламинарного тем, что в отличие от ламинарного слышен громкий свист, фронт пламени не является остроочерченным, а расплывчатым, и иногда верхняя чзсть пламени значительно шире, чем основание [14]. Если теперь в трубку горелки вставить решетку (металлическую или огнеупорную), то бывший ранее одиночный конус пламени разбивается на ряд элементарных конусов над каждым отверстием решетки горелки (позиция 7). Регулированием скорости истечения можно достигнуть проникновения пламени внутрь решетки и тогда горение становится поверхностный беспламенным), которое осуществляется преимущественно с помощью ка-наловых огнеупорных или слоевых зернистых огнеупорных горелок (гю-
-зиция 8). •
III. Деформация нормального фронта пламени в процессе поверхностного горения
При поверхностном горении фронт пламени, в отличие от факельного процесса, значительно деформируется под влиянием гидродинамических, тепловых, каталитических и др. явлений. Как известно, устойчивость конического фронта пламени при факельном горении определяется по Ми-
хельсону [13] уравнениями:
и
cos а =--(4)
wm
(5>
В этих уравнениях обозначены: а— угол между образующей конуса и радиусом основания; и—скорость распространения пламени; wm — средняя по сечению скорость истечения горючей смеси, равная секундному расходу ^горючей смеси, деленному на площадь поперечного сечения трубки (горелки); /г—высота конуса; г — радиус трубки (горелки) (рис. 2).
Уравнения (4) и (5) действительны
File. 2. Схема нормального конического ПРИ ламинарного истечения,
Фронта пламени когда имеет место параболическая эпю-
ра скоростей по сечению, а также при образовании фронта пламени правильной крнической формы. При этих условиях экспериментально определяется «—скорость распространения пламени путем измерения угла а или высота конуса по методу, известному под ' названием „динамический' м¿тод" [13, 15, 16].
Для нормального конического фронта пламени характерно отношение
= const—cosa (4')
По сечению горелки скорость истечения изменяется от то = О до
— ах, достигая максимума на оси трубы;, следовательно, в таком же
iU^COJU
Горючоя смесЬ
Яг
*
соотношении изменяется и величина и, угол же а остается неизменным. Но даже при ламинарном режиме истечения происходит некоторое искажение правильной геометрической формы фронта пламени, поэтому правильнее производить измерения угла а не по всей поверхности конуса, а в такой точке, где действительная скорость истечения равна средней скорости; эта точка может быть определена из следующих соображений: по Гаген-Пуазейлю расход при ламинарном истечении определяется из уравнения
■ (б)
8;1 Д/
средняя скорость по сечению
V Ьр г* '
кгг Д/ 8 р. скорость в любой точке эпюры скоростей
= (8) ,4»А М
Сравнивая (7) и (8) уравнения и решая относительно х, найдем
ЧУт ==
л = -— = 0.707г, * (9)
1/2
т. е. скорость потока в точке'х, находящейся на расстоянии 0.707 г от оси, равна средне й скорости истечения.
В вышеприведенных уравнениях обозначены: V — секундный расход Дя
горючей смеси; ---градиент давления; р.— вязкость потока; х — перемен-
Д/
ный радиус трубки (горелки).
В соответствии с уравнениями (4) и (5) при большой скорости распространения пламени высота конуса, угол наклона образующей и поверхность конуса уменьшаются, что влечет за собою сгорание смеси в меньшем объеме. Увеличение скорости распространения пламени достигается увеличением температуры процесса горения, предварительным нагреванием горючей смеси и каталитическим воздействием поверхности горелки, В этом заключается одна из причин, влияющих на деформацию нормального фронта пламени при переходе от обычного пламенного горения к поверхностному беспламенному горению. ^
Во избежание нарушения устойчивости процесса горения необходимо увеличивать скорость истечения горючей смеси, так как в пределе при чют = гь будет прострел пламени, но увеличение скорости истечения влечет за собой переход от ламинарного режима к турбулентному. При турбулентном же режиме с увеличением числа Не эпюра скоростей изменяет параболическую форму на другую, более плоскую, с менее выраженным максимумом по оси трубы; так, по опытным данным [17], при значении числа Не — 50000 скорость струи на расстоянии 0.9 г от оси трубы составляет 0.72 <тт при числе /<£ = 200000 скорость струи на том же расстоянии составляет 0.75 чют и при числе Не — 800000 скорость струи— 0,8 10т, в то время как при ламинарном движении скорость струи на том же расстоянии от оси трубы составляет всего лишь 0.22 Ч9)т. В связи с изменением эпюры скоростей при больших числах Не происходит сплющивание (деформация) конического фронта пламени.
Следует отметить, что вследствие, выравнивания эпюры скоростей па сечению потока происходит также выравнивание скорости распространения пламени по фронту пламени.
В практике поверхностное беспламенное горение осуществляется с помощью каналовых горелок с каналами малого диаметра, в зернистом слое, в пористых плитках, диафрагмах и т. д.; над отверстием каждой поры, канала-и т. п. образуется элементарный конус горения. Не лишена интереса такая постановка вопроса: как изменится суммарная боковая поверхность всех элементарных конусов горения по сравнению с поверхностью одиночного конуса, если в обоих случаях радиус горелки и скорости истечения одинаковы ? Поверхность 5 одиночного конуса над отверстием
горелки радиуса г, высотою 1г будет
1
5 = (10)
Выразив высоту конуса ¡г через радиус отверстия в горелке г, среднюю скорость истечения тт и скорость распространения пламени а^ согласно уравнению (5), получим другое уравнение для определения поверхности одиночного конуса 5
^ 5 — 3.14. г2----. (11
Если в отверстие горелки вставить решетку или заполнить зернистым слоем из зерен диаметром d, то число коуусов горения А/, равное числу элементарных отверстий или пор, определится из уравнения
N=*~j¡. ■ (12)
Здесь r¡—относительное живое сечение. зернистого слоя или решетки, /—площадь сечения элементарной поры.
Для зернистого слоя по Слихтеру [18] относительное живое сечение зернистого слоя r¡ и площадь сечения элементарной поры приближенно могут быть определены из уравнений
71 = 1~Г^ТГ (13>
4 sin 9
/=0.0369^. (14)
-Здесь 0—угол между линиями, проведенными через центры смежных зерен, принимаемых за шары. При наиболее плотном расположении зерен-(шаров) (-) — 60°, тогда
r¡ = l----= 0.0921.
4 sin 60°
Подставив значение r¡ и / в уравнение (12), получим
N =-—— . 0.0921 = 7.85 —. (15)
0.0369¿2 Ф У f
Допустив приближенно сечение поры круглым, определим радиус поры г'
r'=|/Z=1/0»l=o,o85¿ 06)
и поверхность s' элементарного кануса высотою /г'
' s' = 7zr' I/А'2 + г7».
Тогда боковая поверхность 5' всех элементарных конусов горения радиусами г' и высотою К будет равна
= Ш = 7.85^ .т. г' |/Аг* + гЧ Подставив значение г' из (36), будем иметь
5' = 2.67 ^У /г'* •+0.01175 Ф " (17)
Высота элементарного #едеформированного конуса по уравнению (5)
У и'* 1 Подставив к' и гг в уравнение (17), получим
5'= 0.29 г® . (18)
и'
Сравнивая величину суммарной боковой поверхности элементарных конусов, образовавшихся в слое горелки радиуса г, с боковой поверхностью одиночного конуса в той же горелке, и приняв во внимание, что для устойчивого процесса горения в обоих случаях должны быть одинаковыми отношения
•1&т Ют
ПОЛУЧИМ
5'
0.29г2 -
5 0 48) м
3.14г2 — и
г. 0.092. (19)
Из этого следует, что деформация поверхности горения влечет за собою сосредоточение тепловыделения на меньшей поверхности, хотя расход горючей смеси через слой, несомненно, должен быть большим, так как значительно увеличивается скорость распространения пламени в слое, что должно вызвать также и значительное увеличение средней расходной скорости горючей смеси. Затем, поверхность фронта пламени имеет определенную толщину; по одну сторону поверхности фронта, обращенную по направлению к устью горелки, располагается невоспламененная горючая смесь и по другую сторону—нагретые до высокой температуры продукты горения. Поверхность горения представляет собой зону химической реакции, внутри которой и совершается процесс горения. Эта толщина поверхности горения, насколько известно, экспериментально не определялась, но можно рассчитать ее, исходя из кинетических уравнений скорости реакции горения. Например, при горении водорода в смеси с воздухом толщина поверхности горения составляет 0.11 мм [19]; при горении водорода в воздухе толщина поверхности горения составляет 0.16 мм и при горении окиси углерода в воздухе—0.3 мм [20]. Если скорость движения горючей смеси через фронт пламени будет порядка 10 м/сек, то время собственно реакции горения будет определяться величиной порядка 0.5'10-5 1.5* 10~5 сек. Протяженность реакционной зоны, или, что то же самое, толщина поверхности горения зависит от скорости химической реакции, т. е. от химического Состава горючей смеси, от температуры и других кинетических
12* Изв. ТПИ, том 64 . 177
факторов, среди которых немаловажную роль играет каталитическое действие поверхности огнеупора горелки. При поверхностном беспламенном горении имеются налицо все кинетические факторы, повышающие скорость реакции горения, как-то: интенсивное нагревание горючей смеси под влиянием раскаленной поверхности огнеупора горелки, каталитическое действие ее. Вследствие этого поверхность синего конуса становится ис-чезающе малой. Это является также одной из причин, вызывающих деформацию нормального фронта пламени.
IV* Увеличение скорости распространения пламени при поверхностном беспламенном горении
Строго говоря, понятие о скорости распространения пламени не является вполне определенным, так как методика определения величины этой скорости довольно разнообразна и результаты, получаемые при определении, не всегда согласуются между собою.
В данной работе понятие о скорости распространения пламени применяется в том смысле, как об этом трактуют В. А. Михельсон [13], Н. Н. Семенов [21], [20] [22], [,3].
Для того, чтобы составить приблизительное представление о влиянии основных кинетических факторов на скорость распространения пламени в условиях поверхностного горения, ниже обсуждаются некоторые количественные зависимости. Влияние температуры подогрева горючей смеси на скорость распространения пламени может быть выявлено из анализа формулы Зельдовича и Франк-Каменецкого [21]
Здесь
Г|, см
и--скорость распространения пламени при постоянном давлении;
сек
I ---теплотворная способность горючей смеси;
г
г
— удельный вес исходной смеси;
см3 кал
см сек г
коэффициент теплопроводности продуктов реакций при Г2;
^ кал
Ср-----------теплоемкость продуктов горения;
г град
Т0°К — начальная температура горючей смеси; Т2°К—теоретическая температура горения;
п0—число молей исходного вещества по стехиометрическому
ур-нию реакции; п2 — тоже продуктов реакции; '
см2
-----— коэффициент диффузии реагирующего вещества в продук-
сек
тах реакции;
л кал
----газовая постоянная;
моль
Е—. — энергия актиэации химической реакции, .моль
Объединив все физические постоянные для горючей смеси данного состава в одну величину ^ и не учитывая для простоты изменяемость их от начальной температуры, перепишем уравнение (20) в форме, дающей возможность установить непосредственную зависимость между начальной температурой Т0 и'скоростью распространения пламени:
To\(RT2
<21)
При изменении начальной температуры горючей смеси до То и, следовательно, Т'2 скорость распространения пламени будет и! и соотношение между// и и' может быть выражено
и' /То' Т2\ /7У\3/> *
* V 7Y Т0 \Т,
*/ Е , 1 1 \
у eifi^-ypj (22)
В качестве примера возьмем горючую смесь окись углерода—воздух,
при Т0 = 273-Н 15 = 288°К; теоретическая температура горения будет
7г = 2500 +273 = 2773°К. При подогоеве горючей смеси 500°С— Т0'—
= 773°К и 7У= 3173°К. Взяв значение газовой постоянной /? = 1.985
к кал г? о л ллл к кал
и энергию активации £ = 34000- и подставив их в уравне-
моль моль
ние (22), получим отношение скбростей распространения пламени:
и' ( 773 2773 \ /3173 \®'з \ i ч
1Г = [Ш • \ 2773 / У I'M™ " 3173 ) = 2'9'
т. е. скорость распространения пламени в предварительно подогретой до -500°С горючей смеси увеличивается приблизительно в 3 раза, по сравнению с таковой при начальной температуре 15°С. Исследуем уравнение(20) на влияние уменьчгения энергии активации вследствие каталитического действия раскаленной поверхности огнеупорного материала на скорость распространения пламени. При различных значениях Е и прочих равных условиях соотношение между скоростями распространения пламени выразится в виде
f = е^"** (23)
Не располагая экспериментальным материалом по определению Е при воздействии раскаленной огнеупорной поверхности, предположим, что энергия активации уменьшается в 2 раза, что, вероятно, вполне допустимо, если учесть, что температура воспламенения юрючей смеси значительно снижается. Тогда для предыдущего примера, т. е. для горючей смеси окись углерода—воздух, отношение скоростей распространения пламени будет
J4000 / T9^W-(34000- 17u0t>)=7 7 а 17000 « 1Лвв1И ' '
т. е. скорость распространения пламени увеличивается приблизительно в -в раз под влиянием каталитического действия раскаленной поверхности горелки.
При беспламенном горении необходимы высокие скорости истечения горючей смеси. Но при больших скоростях истечения и сильной турбу-ленции скорость распространения пламени значительно увеличивается по сравнению с таковой же при ламинарном истечении. Экспериментально определено [14], что при турбулентном режиме истечения скорость рас-
пространения пламени увеличивается приблизительно пропорционально ]/", например, при = 4000 —
итурб. и лам.
и при Яе = 23300 — это отношение составляет
«турб. =5_95_ и лам.
Если принять значение = 23300, т. е. величину сравнительно небольшую, и в соответствии с этим повышение скорости распространения пламени вследствие влияния турбуленции оценить величиною порядка 6, то общее увеличение скорости распространения пламени в условиях поверхностного горения выразится величинами порядка: а) без учета каталитического влияния раскаленной поверхности огнеупорного материала горелки 3"6 = 18 раз; б) с учетом каталитического влияния раскаленной поверхности огнеупорного материала горелки 3*8*6=144 раза.
«. Применительно к горючей смеси окись углерода—воздух, для которой при обычных условиях факельного горения скорость распространения пламени оценивается величиной 0.6 м|сёк, в условиях поверхностного (беспламенного) горения эта величина увеличивается до
0.6 • 18 — 10.8—-----
сек
или
0.6 • 144 — 86.4 ———
сек
Однако, из вышеизложенного не вытекает необходимость делать вывод, что при сравнительно малых скоростях истечения горючей смеси и соответственно малых давлениях невозможно достигнуть устойчивого процесса поверхностного горения. В исследованиях М. Б. Равича [1J давление горючей смеси находилось в пределах 50—100 мм. в. с. и поверхностное горение было устойчивым в течение длительного времени. В опытах Сигова [25] давление горючей смеси также не превышало 150 мм в. с. В опытах автора, результаты которых приводятся ниже, давление горючей смеси светильный газ воздух не превышало 100 мм в. е., и при сжигании горючей смеси водяной газ—воздух давление было порядка 100— 150 мм в. с. Соответствующим подбором длины каналов в каналовых ' орелках и толщины слоя в зернистых горелках можно достигнуть устойчивого поверхностного горения и при малых давлениях горючей смеси.
При поверхностном (беспламенном) горении гзза выделяется в единице объема в единицу времени огромное количества тепла, по сравнению с тепловыделением при обычном факельном горении. По опытным данным М. Б. Ра-нича [1], при сжигании московского городского газа в опытной печи, установленной в Энергетическом институте АН СССР, оборудованной каналовыми го-
-лл к кал
релками, достигнута тепловая напряженность порядка 700'10°--, вме-
м^час
его обычно достигаемой при факельном горении тепловой напряженности
к кал
в 300000—1000000-^^-. Можно считать, что при подборе соответствую-м3час
тих условий (катализаторы, температура) практические пределы теплона-пряжения неограничены. Вследствие высокой тепловой напряженности, поверхность горелки нагревается до высокой температуры и становится интенсивным тепловым радиатором.
V. Условия устойчивости поверхностного горения
Для того, чтобы процесс поверхностного горения был устойчивым, необходимо соблюсти следующие условия: постоянство состава горючей смеси, постоянство температурного режима, постоянство формы и размеров сечений каналов и пор в горелке.
При соблюдении этих условий достигнутое поверхностное горение будет характеризоваться определенными значениями тепловой напряженности и тепловой плотности горения и расходом горючего.
Поддерживать состав горючей смеси постоянным необходимо потому, что при изменении состава изменяется величина скорости распространения пламени, вследствие этого может произойти перераспределение зон по длине канала горелки или по толщине зернистого слоя, влекущее за собою изменение температурного режима.
Требование соблюдения температурного режима в горелке постоянным влечет за собою: а) необходимость динамического равновесия между процессом материального обмена и процессом химического превращения (горения); б) необходимость динамического равновесия между процессом теплового обмена и процессом выделения тепла при горении.
Динамическое равновесие между процессом материального обмена н процессом химического превращения (горения) может быть выражено равенством скорости превращения ип и обмена £/0 /■
ип = и0 (24)
дс
«ли
— IИъ (чюпс) + (DgradC) (25)
0 дс тг моль
Здесь —= ип---—скорость превращения, т. е. количество пре-
м3 сек
вращающегося вещества в единице реакционного объема в единицу времени;
, г моль ^
и0----скорость обмена, т. е. количество смеси,
м3 сек
доставляемой путем поточного и диффузионного переноса в единицу времени в единицу реакционного объема;
— —*---нормальная к фронту пламени составляющая
сек
средней линейной скорости переноса;
^ моль
С--------концентрация горючего в смеси;
м3 м2
I) —---------------коэффициент диффузии.
сек
Отнесем члены уравнения (25) к единице поверхности, так как характерной геометрической величиной при беспламенном горении является поверхность фронта пламени; затем примем, что диффузионный перенос в условиях поверхностного горения имеет небольшое значение по сравнению с поточным переносом; исключим влияние изменения концентрации горючего на скорость превращения смеси определенного состава, что является допустимым, так как горючая смесь постоянно берется в эквимолекулярных количествах и необратимо превращается в продукты горения,
тогда величина иа приобретает смысл скорости распространения пламени?
/_—?!-\ а величина и0 становится нормальной к фронту пламени состав-
\ м2сек /
ляющей средней скорости движения горючей смеси через фронт пламени.
Таким образом, условием динамического равновесия процессов превращения и материального обмена является равенство скоростей распространения пламени и и нормальной составляющей средней скорости движение горючей смеси тп
и = япп (26)
Это условие является специфичным для поверхностного (беспламенного) горения, так как при других формах горения, в особенности при факельном ламинарном горении, диффузионный перенос имеет преимущественное значение. <
Динамическое равновесие между процессом теплового обмена и процессом выделения тепла при горении может быть выражено уравнением
Из этого уравнения следует, что изменение теплосодержания системы
О /
(субстанциональная производная —- (Ср р9) зависит от тепловыделения ^ ах
в процессе превращения (+ д&п) и теплообмена <30. Но
— — йю (Ср рЩ — (НУ (— А. ёгай 8) + г (28)
Здесь <Ию(Ср рЬт) — поточный перенос тепла в единице объема, р —плотность, 6 — температура; да — скорость потока; йЬо (—\grad®) — кондук-тивный перенос тепла в единице объема; X — коэффициент теплопроводности; Z — радиационный перенос тепла в единице объема. Так как
(Ср рв) = ~ (Ср Р0)^ (Ср р0) ат о* дх
и для стационарного процесса
д
(СР р8) = 0,
дх тогда
w —— (Ср рб) = div (Ср р дх
qUn = — div (— X grad 9) -f Z (29)"
При постоянном составе горючей смеси и при соблюдении постоянных реакционно-кинетических условий
qUn = const. (30V
Т. к. qUn—есть тепловая напряженность горения, то условие (30) означает, 'что устойчивое поверхностное горение сопровождается постоянным тепловым напряжением объема реакционного пространства. Из (29) и (30) следует, что
— div(— к grad 0) + Z = const. (31 >
Это условие может быть выполнено при 0 = const, т. е. должен быть постоянным температурный режим. Выясним обстоятельства, от которызс
зависит соблюдение постоянного температурного режима в различных зонах горелки поверхностного (беспламенного) горения. В горелке (любой конструкции), предназначенной для беспламенного сжигания газа, можно выделить три зоны: 1) предпламенную подготовительную зону, в которой температура горючей смеси повышается от начальной ¿0 до температуры воспламенения ¿2; 2) реакционную пламенную зону, где температура продуктов горения повышается от температуры воспламенения йочти до теоретической температурьт горения ¿теор.; 3) послепламенную зону, в которой температура горения снижается до температуры уходящих газов ¿ух. г
Для анализа температурного режима в подготовительной предпламен-ной зоне примем допущения: а) что в этой зоне, вследствие ничтожно малой скорости химической реакции—дЦп = 0; б) что передача тепла от фронта пламени непосредственно к горючей смеси имеет малое значение по сравнению с теплопередачей от нагретых поверхностей канала или зерен слоя. Это допущение вполне уместно, оно вытекает из факта сравнения обычного факельного процесса с'поверхностным горением.
При этих допущениях тепловое состояние системы в подготовительной зоне, выполненной в виде цилиндрического канала диаметром йи и длиною /, может быть выражено уравнением
т — (Срр в) ^-х = а(4п-3- — 1)Ыийх. (32)
дх 4
По этому уравнению теплосодержание горючей смеси в подготовитель-
2
ной зоне объемом----йх изменяется вследствие теплопередачи от по-
4
верхности тгограничивающей данный объем; температура горючей, смеси изменяется от ¿0 tгy температура поверхности ¿„ов. имеет среднее значение; коэффициент теплоотдачи а имеет значение суммарного коэффициента
а = СХК ОСизлуч.»
т. е. и вследствие конвекции ак, и вследствие излучения—£хИЗЛуч. Интегрируя уравнение (32) в пределах и х\<} при средних значениях физических констант и скорости, получим
^__Ср р ^^ ¿пов. ¿0
4. (33>
' пов. Ьг
Если рассчитанное по уравнению (33) значение I меньше действительной длины канала горелки, то воспламенение горючей смеси произойдет внутри канала, если I равна действительной длине канала, то воспламенение будет у выходного устья канала горелки.
# Для горелки, выполненной в виде зернистого слоя, характерными ве-
личинами являются удельная поверхность зернистого слоя а —)и высо-
* \ мъ)
та слоя /г; в этом случае тепловое состояние системы в ¡юдготовитель-ной зоне может быть выражено уравнением
но ~ (СррЬ) = «(¿нов. — Ф (34)
о/г
После интегрирования в пределах ¿¡¿*г и /г/0ь получим высоту слоя в подготовительной зоне—
^_ ¿поверхн. ^-Ср. р ^ ^поверхн. (35)*
¿повержн. — ^г
В соответствии с уравнениями (33) и (35) длина или высота предпла-менной подготовительной зоны должна быть вполне определенной; кроме того, разность температур
^пов. ¿г
должна быть положительной, т. е. ¿Пов.
В пламенной реакционной зоне изменение теплосодержания горючей смеси и продуктов горения происходит вследствие тепловыделения в процессе химической реакции горения и теплоотвода путем поточного п-ереноса, кондукции и излучения« Значение теплоотвода путем кондук-ции и излучения можно учесть, введя понятие о пирометрическом коэффициенте горения г]пИр , показывающем отношение действительной температуры пламени к теоретической
_ ^плам.
Г(еор-
Благодаря кондукции и, главным образом, радиации в момент выделения тепла, ¿илам. <С^геор. И КОЭффИЦИеНТ *1пир. <С **
Тепловое состояние в пламенной реакционной зоне может быть выражено уравнением
* ^--(срр^е)(36)
ах
Но ип = Кое^кг/(сл.св....).
Здесь Ко — предэкспоненциальный множитель, зависящий от химической природы реагирующих веществ и от механизма реакции; /(Сл Св..,...)— функция концентрации реагирующих веществ, зависящая от механизма реакции.
Для постоянного состава реагирующей горючей смеси в условиях необратимого процесса
тогда уравнение (36) примет вид
дКе-тг = А (СРм О) (37)
ах
Интегрируя это уравнение в пределах от температуры воспламенения tz до температуры пламени ^¿теор- по _длине реакционной зоны при средних значениях физических констант Ср, р и средней скорости движения получим
А = — С~? ~Ё {т^с Рхеор^^) (38)
Точный количественный расчет протяженности /г реакционной зоны трудно выполнить по этому уравнению, вследствие того что значительное число переменных величин принято при интегрировании за средние постоянные, но можно сделать качественные выводы, полезные при обсуждении вопроса об условиях устойчивости реакционной зоны.
Если сравнить первый член в скобке со вторым, то по абсолютной величине первый приблизительно в 105 раз больше второго; из этого приближенно можно сделать заключение, что на положение реакционной зоны мало влияет теоретическая температура горения и пирометрический коэффициент горения. На устойчивое положение реакционной зоны исключи-
Е ч
тельно большое влияние оказывает отношение-. В условиях поверх-
Т г
ностного горения величина Е имеет стремление к уменьшению и тем большему, чем активнее катализатор; вследствие этого уменьшается й--протяженность реакционной зоны.
Таким образом, устойчивость реакционной зоны обусловлена каталитическим действием поверхности материала горелки, так как именно от этого действия зависит величина Е и температура воспламенения Тг горючей смеси.
В лослепламенной зоне температура продуктов горения понижается от Tq/теор до tyx., вследствие теплоотдачи на поверхность материала горелки; количество тепла, отдаваемого продуктами горения в послепламенной зоне, зависит от аккумуляции его материалом горелки, от кондуктивной тепло отдачи материала горелки в пред-пламенную зону и от излучения открытой поверхностью горелки в рабочее пространство топки, печи и т.д. При установившемся режиме тепло аккумуляции равно нулю; тепло, передаваемое в предпламенную зону, сравни: тельно невелико, так как количество его определяется затратой на нагревание горючей смеси от начальной температуры t0 до температуры воспламенениг tz- Следовательно, преимущео венное влияние на изменени! теплосодержания продуктов горения в послепламенной зоне оказывает излучение открытой поверхности горелки; устой-вость процесса горения, зависящая от температурного режима, в послепламенной зонеопреи-мущественно будет определяться величиной открытой поверхности горелки.
Изложенные выше соображения относительно влияния* температурного режима на устойчивость поверхностного горения иллюстрированы кривыми на „схеме температурного режима в пределах устойчивого поверхностного горения* (рис. 3).
Кривые, отмеченные 1, относятся к случаю наиболее устойчивого режима, когда реакционная зона находится внутри канала или слоя горелки; кривые, отмеченные 2, относятся к случаю неустойчивого горения, т. к. небольшие колебания в режиме могут вызвать переход поверхностного горения во взрывное горение в смесителе; кривые, отмеченные 3, относятся к другому случаю неустойчивого горения, т. к. небольшие колебания в режиме могут вызвать переход поверхностного горения в факельное, вне горелки.
Прямая, параллельная оси абсцисс, характеризует условно постоянную температуру воспламенения. Кривые, относящиеся к случаю наиболее устойчивого режима, характеризуют следующие явления: сплошная кривая 7 показывает изменение температуры горючей смеси от начальной при
- 6г
К
НОСА епломенюд
----f
----4
/иреллс/ г зерниспЬ/^ с ас ел*
Рис 3. Схема температурного режима в пределах устойчивого поверхностного горения.
Условные обозначения:
- температура горючей смеси,
. — . — температура слоя, --- температура воспламенения.
входе в горелку до конечной ¿ух. г.( при выходе из горелки. Участок горелки в интервале — предпламенная зона. В этой зоне, вследствие теплоотдачи от поверхности канала или слоя горелки, горючая смесь нагревается до температуры воспламенения, В точке пересечения кривой температуры горючей смеси с прямой I воспламенения происходит почти мгновенно реакция горения.
В реакционной пламенной зоне кривая ¿0 горючей смеси резко переходит в кривую температуры пламени ^¿теор. В послепламенной зоне температура продуктов горения понижается от ^¿Теор. до £ух... вследствие теплоотдачи поверхности канала или слоя горелки. Колебания в температурном режиме вблизи кривых устойчивости, т.е. кривых, отмеченных 1у хотя и могу г вызвать смещение реакционной зоны в ту или иную сторону и изменить таким образом соотношение между остальными зонами, но поверхностное горение не нарушится. Однако, значительные колебания в температурном режиме могут вызвать смещение реакционной зоны к границам неустойчивого горения 2 или 3, вследствие чего поверхностное горение нарушится и перейдет в иную форму. К причинам, которые могут вызвать нарушение устойчивости поверхностного горения, относятся следующие:
а) изменение соотношения между количеством газа и воздуха в горючей смеси;
б) изменение живого сечения горелки, вызванное засорением каналов и пор в горелке, оплавлением и пр., что Ьгвлечет за собою увеличение сопротивления, уменьшение скорости истечения горючей смеси и смещение реакционной зоны к границам неустойчивых режимов;
в),.резкое изменение тепловой нагрузки горелки. При резком увеличении тепловой нагрузки, а следовательно, и расхода горючей смеси, произойдет удлинение предпламенной зоны, смещение зоны горения к открытой поверхности горелки и превращение поверхностного горения в факельное.
При резком уменьшении расхода реакционная зона сместится к поверхности входа в горелку и тогда горение может перейти во взрывное в смесителе.
Резюмируя обсуждение вопроса об условиях устойчивости поверхностного горения, можно сказать, что поверхностное горение, являясь наиболее совершенным способом сжигания газа, в то же время требует высокой автоматизации контроля и управления за процессом горения.
VI. Экспериментальные исследования условий образования и
устойчивого развития поверхностного (беспламенного) горения светильного и водяного газов
Опытное исследование условий образования и устойчивого развития поверхностного (беспламенного) горения проводится автором в лаборатории тепловой аппаратуры Томского политехнического института, *) Были поставлены следующие серии опытов: а) поверхностное сжигание светильного газа в зерненом слое в горелке с открытой поверхностью; 6) поверхностное сжигание светильного газа в зерненом слое в горелке с водоподогревателем; в) поверхностное сжигание светильного газа в пористых плитках; г) сжигание водяного газа в кварцевых трубках; д) сжигание водяного газа в печи с зерненым слоем.
*) В развое время в работе принимали участие работники лаборатории: Г. Д. Спецци, П. Г. Федотов, В. В. Сигова, А. А. Стариков, Н.Д. Вылегжанйн, В. В. Пиотух, Пахтусова.
В опытах применялся для сжигания светильный газ ретортных печей газового завода института. Средний состав газа
С02—4.4%; Оа—1.4 96; СН4—34.05%; N2—13.10 96.
С,Н,-1.0»/о; СО—9.0°/0; Н,-35.64°/0;
Теплотворная способность по калориметру Юнкерса в среднем 4254 ккал/и3. Водяной газ поступал с завода № 660; его состав
СО-38%; С02—5°/0
02 н.-
-0.20/0; . -53.5°/0;
N,-3.3%.
Теплотворная способность—2470 ккал/му.
Расходы газа и воздуха измерялись тарированными острыми диафрагмами, изготовленными в лаборатории и поставленными в газопроводе и воздухопроводе, с соблюдением соответствующих правил. Газ подавался в опытные установки или непосредственно из сети, или предварительно проходил через газодувку, вследствие чего повышалось давление. Воздух подавался в установки с помощью вентилятора или типа „Сирокко*, или типа »Шиле".
А. Поверхностное (беспламенное) сжигание светильного газа в зерне-
ном слое с открытой поверхностью
Схема экспериментальной установки изображена на рис.4. Светильный газ с помощью газодувки (производительность до 2,8 м3/час, мощность* мотора 1 и число оборотов « = 1440 об/мин.) подавался по газопроводу диаметром ^ = 11 мм через острую диафрагму ¿^бмм в смесив
и. ДиОфпашмЬг ю ГолЬоонон*тр.
Л ТЪрмОпарб/
8. Горелка д/смгиеамия из£еаза г. Коллектор для смеси 6. МаслЯмЬ/й сииотитФ^Ь.
£ Гсиоду в ко.
4/. 8оздуходу6к<ж 3 воуяноя рубаиик' я. Зерненб.-Ь сло^л 1. Опб/гяная еор
" Рс'с. 4 Схемаустансбки для ис след о Сония по 6ер жноет но »о еор*мь/я сбетилЬ— ного г ъэо о зерне ном ал о 9.___
тель. Давление в газопроводе не превышало 100 мм в. с. При регулировании расхода газа избыточный газ сжигался в атмосферной горелке типа Бунзена. Воздух вентилятором подавался в смеситель по трубопроводу диаметром /)2 = 50 мм через острую диафрагму й-> — 27 мм. Смеситель-трубчатый с коническим насадком. После смесителя горючая смесь проходила по трубопроводу диаметром Ц, = 25 мм, через острую диафрагму йг — 12 мм. Горючая смесь вводилась в опытную камеру через коллектор,
снабженный 9 патрубками. Камера поверхностного горения имела прямоугольную форму 300 на 330 мм и состояла из 2 частей:
1) нижняя часть камеры для равномерного распределения горючей смеси по сечению; она снабжена водяной рубашкой с непрерывной циркуляцией воды;
2) верхняя часть камеры с сетчатым дном. Общая поверхность дна 0.099 м~, живое сечение сетки 0.021 м2. Верхняя часть камеры заполнялась слоем из зерен шамотного огнеупорного материала различной высоты слоя и диаметра зерен.
В боковых стенках верхней камеры вставлялись 6 термопар на 3 высотах: 80 мм3 40 мм и 20 мч от уровня поверхности сетки.
Гидравлическое сопротивление слЬя шамотовых зерен определялось по формуле
а
Здесь / — высота слоя (м);
4 — диаметр зерен (м);
7 — удельный вес газа (кг/м3);
т — скорость движения газа (м/сек); при этом скорость рассчитывается как частное от деления секундного расхода воздуха на живое сечение
яоверхности зерненого слоя, т. е.
V/ мз
1Ю ~ —I-
/ \ сек м:
Ар — падение давления (мм. в. е.);
I — коэффициент сопротивления.
Величина этого коэффициента найдена опытным путем для слоя из зерен диаметром 3—5 мм
5 = 29.2.
При обработке результатов исследования необходимо знать скорость прохождения горючей смеси через зерненый слой. Скорость прохождения горючей смеси через слой рассчитывалась как отношение секундного объема горючей смеси к живому сечению зерненого слоя. Живое сечение
где Г м2 — открытая поверхность зерненого слоя; в нашем случае
= • 0.33 = 0.099 м*.
•щ — коэффициент поверхностей пористости; величина его определялась по Слихтеру (уравнение 13).
При наиболее плотном расположении шаров зерен —0.0921, следовательно, живое сечение зерненого слоя в опытной газосожигательной камере составляло
/0.099 • 0.0921 =0.00911 м^.
Проведение серии опытов по сжиганию светильного газа в зерненом слое с. открытой поверхностью имело целью: а) визуальное наблюдение за превращением факельного горения в поверхностное (беспламенное); б) изучение вопроса об оптимальной высоте и гранулометрическом составе слоя ¡в условиях устойчивого процесса горения; в) изучение вопроса о распределении температуры в слое, тепловой напряженности и тепловой плотности горения.
Наблюдения за превращением факельного горения в поверхностное производились следующим образом: в газосжигательную камеру с насыпан-
ным в нее слоем шамотовых зерен (диаметр зерен 3-г5 мм, высота слоя 85 мм) сначала подавался только один газ, затем понемногу добавлялся воздух через смеситель.
При недостатке воздуха для полного горения над слоем образуется колеблющееся пламя неопределенной формы. По мере добавления воздуха внутри пламени появляется внутренний „синий" конус, который как бы „садится" на поверхность слоя, затем разбивается на ряд элементарных „синих" конусов. При достижении в горючей смеси теоретически необходимого количества воздуха элементарные „синие" конуса „пропадают"; акустически это сопровождается легким треском. Вскоре после того, как элементарные конуса „пропали", поверхность слоя сильно накаливается. Вставленные в слое термопары позволяют судить о том месте в слое, где развивается наиболее высокая температура, х
Плавное, постепенное увеличение или уменьшение расхода горючей смеси вызывало смещение зоны высоких температур по высоте слоя; при резком изменении расхода смеси обычно происходили хлопки, взрыв горючей смеси в нижней части камеры сжигания, сопровождавшийся выбросом зерненого слоя. Иногда взрывы распространялись до смесителя.
По этой причине применявшийся сначала смеситель в виде металлического баллона был заменён трубчатым, инжекторным.
Также было установлено, что водяная рубашка в нижней часта газо-ежигательной камеры не имеет заметного влияния на предотвращение хлопков, поэтому при дальнейших исследованиях вода в рубашку не пода- у валась:
При изучении вопроса об оптимальной высоте и гранулометрическом* составе слоя в качестве критериев для оценки были выбраны следующие: а) равномерный накал поверхности зерненого слоя без видимых „синих* конусов; б) сжигание газа с теоретически необходимым количеством воздуха и в) отсутствие хлопков и местных очагов горения в слое. Характеристика исследованных слоев приведена в табл. 1.
Таблица!
Высота и гранулометрический состав зервеного шамотного слоя в открытой горелке
№ слоя Размер | Высота зерен мм слоя мм Условия горения
I 1-3 ; 13 3—4 25 4—5 5 5—6 10 6—7 ' 12 7—10 15 Накал поверхности неравномерный, частые взрывы. Поверхностное горение неустойчивое.
80 1
II 1-3 3—4 4—5 5—6 6—7 7—10 8 4 5 6 7 10 Местные оч (Ги горения в слое, накал пс^верхвости неравномерный, частые взрывы.
"1 40 I 1 .1
Продолжение табл. I
№ слоя Размер зерен мм Высота ( 1 слоя мм Условия горения
III 1 1-Я 3-4 4-5 7 1 8 ] 5 | То же, но в большей степени, чем во 11 слое.
.1 1 20 |
IV | 1 7 — 10 80 1 При изменении расхода горючей смеси—частые хлопки.
V | 1 7—10 40 • То же
VI 6—5 80 | брявнигельно равномерный накал поверхности.
VII 6— 5 40 | ! То же.
VIII 5-4 1 80 | Равномерный накал поверхности, усгойчивоебеспламенноегорение.
IX . 5—4 1 40 1 То же.
* 4-3 40 ] 1 То же.
XI 4-3 80 Равномерный нзка* поверхности, регулирование расхода горючей смеси в широких пределах не нарушает >стоЙчивости беспламенного горения.
XII 2-3 | 80 То же, но менее равномерный накал.
хш 3-1 '80 Неравномерный накал ЛОВерХ- НОСШ.
Из исследованных 13 слоев наиболее подходящим оказался слой № XI, высотой 80 мм с зернами диаметром 3—4 мм. Дальнейшая работа производилась с этим слоем.
Скорость прохождения горючей смеси через слой
т0 =0.15 н-0.32 м/сек.
Порозность слоя, как отношение суммы объемов пор ко всему объему слоя, по Слихтеру [18]
т = 1---_- --(40)
6(1 — сове)У 1 Ч-гсоэв
При наиболее плотном расположении шаров—зерен 6=60° и тогда т = 0.2295.
Удельная поверхность зерненого слоя о, как отношение суммы поверхностей всех шаров-зерен к объему слоя,—
м*
а= 1321 — м3
При изучении вопроса о распределении температуры в зерненом слое, тепловой напряженности и тепловой плотности горения изменялся расход газа и воздуха с соблюдением коэффициента избытка воздуха, приблизительно равным единице. Температура измерялась термоэлементами {Pt — Р1Шг термопары), поставленными на высоте 20, 40, 80 мм от уровня поверхности сетки, поддерживающей зерненый слой. Результаты измерений приведены в таблице 2.
Таблица 2
Распределение температуры в зерненом слое, высотой 80 мм из шамоювых .^ерен <1 =3—4 мм
Количество Коэффициент Распределение температуры
избытка 20 мм 40 мм. 80 мм.
Газ м3/пас. Воздух м31час. воздуха
0.775 3.673 1.065 20°С 1000С 690°С
0.950 4.645 1.01)5 20°С 1С8°С 7504:
1.097 5.625 1.150 20УС 210°С 8 0"С
1.344 6 560 1.090 20°С 27о°С 835*С
3.550 7.580 1.1 40'С 750°С
1.731 8.400 1.09 40«С 7*С«С 875°С
1.731 8.500 1.1 60°С 950°С 880®^
При расходе газа от 0.775 м3/час до 1.344 м3/час горение происходит вблизи наружной открытой поверхности. Если при этом расходе газа считать приближенно высоту зоны горения равной высоте верхней половины слоя, т. е. 40 мм, то тепловая напряженность зоны горения, отнесенная к объему пор, будет
Уц
<г5
ш Ух
здесь Кгаз" часовой расход газа от 0.775 м3/час. до 1.344 м3час.; т—пороз-ность слоя, равная 0.2295; (2н— теплотворная способность газа, равная
объем слоя, равный 0.3*0.33-0.040 = 0.00396 м3;
м3
0.775-4254 »¿т. ккал- 1.334"4254
— — = о. о*Шь-
0.2295 0.00396 м^ час
4254
тогда <7
до
0.2295-0.00198
6.2-Ю6
ккзл
м* час.
При расходе газа от 1.550 м3/час до 1.731 м3/час горение происходило в середине слоя. Если при этом расходе газа считать приближенно высоту зоны горения равной 2/3 высоты слоя, т. е. 53 мм, то тепловая напряженность зоны горения, отнесенная к объему пор, будет от 5.5е 10*
К КЗ 1
ккал/м8час до 6.2'Ю6-—г|
м3 час
Основным видом теплоотдачи при поверхностном горении является? излучение от нагретой поверхности слоя. Расчет теплоотдачи посреаст-излучения произведен по уравнению
\ 100,
вом
(? = С
(-4
[юо]
и
ккал
м2час
Здесь С
приведенный коэффициент излучения; С = С слоя = 3.72;
Тп — температура открытой поверхности слоя; Г0 — температура окружающей среды; Р—открытая поверхность слоя.
Теплоотдача от поверхности зерненого слоя
Таблица 3
Количество
Газ • Воздух *А'час ! м3/час
Прод. горен., м3/час
О Ю
С О
О. О О/
5 *
£ о- .
£ *> о
Н 03 ^
Теплов. плотя, горен. ККйЛ М^/чйС
Теплота горения ккал час
<5
Теплоотдача излуч. ккал
час
— 7 —
Теплосодержание продуктов горен, ккал-час
Доля тепла на излу чение
0.775 3.673 4.030 690 33-1О3 3300 2350 950 0.7 (
0.950 4.645 4.9-10 750 40.5-К>3 4050 2779 1271 0.68
1.097 5.625 . 5.700 800 46.7*103 4670 3088 1582 0.66
1.341 4. о60 6.980 835 57.2403 5720 3675 2045 0.64
1.550 7.580 8.070 850 6 , • 103 6600 4195 2405 0.64
1.731 8.400 9.010 875 78.8*10« 7880 5142 2738 0.65
1 731 8.500 9.62£ 880 78,8-10^ 7880 4820 2960 0,62
Результаты расчетов приведены в таблице 3- Там же приведена тепловая плотность гор,ения ккал/м2час, условно отнесенная к открытой поверхности слоя, а также теплосодержание продуктов горения, покидающих слой.
Итак, серией опытов по сжиганию светильного газа в зерненом слое с открытой поверхностью доказано:
а) возможность устойчивого поверхностного горения при малых скоростях истечения и малых давлениях;
б) горение концентрируется в порах зерненого слоя высотою меньше 80 мм;
в) тепловая напряженность горения порядка от 3 • 106 до 6 • 10е ккал/м:' час.;
г) теплоотдача путем излучения поверхности зерненого слоя составляет в среднем 0.66 от всего, выделившегося при горении, тепла.
Этот способ поверхностного беспламенного горения может быть с успехом применен для муфельных и тигельных печей.
Б. Поверхностное (беспламенное) горение светильного газа в зерненом слое с водоподогревателем над слоем
Схема экспериментальной установки изображена на рис. 5.
Над круглой горелкой диаметром 130 мм устроена цилиндрическая камера из огнеупорного материала, ейабженная вверху металлической коробкой, через которую непрерывно протекала вода. Зерненый слой высотою 80 мм состоял из шамотовых зерен диаметром 3—4 мм.
При исследовании устойчивого процесса горения производились следующие измерения: а) расход светильного газа по перепаДу давления в острой диафрагме; б) тоже воздуха; в) температура поверхности слоя;
Рис. 5. Схема установки поверхноствого сжигания газа в зерненом слое с водоподогревателем.
1 -футерованный корпус горелки; 2—зерненый слой; 3—смеситель; 4—воздуходувка; 5—водоподогреватель; 6 - водяное охлаждение; 7—диафрагма в газопроводе; 8—диафрагма в воздухопроводе; 9-дифференциальные манометры; 10—термопара; 11 и »2—ртутные термометры.
г) температура воды при входе в водоподогреватель и при выходе из него; д) анализ отходящих продуктов горения.
Результаты измерений представлены в таблице 4.
Таблица 4
Расход газа, воздуха и воды в горелке с зерненым слоем, с водоподогревателем над слоем.
Количество Коэф. избытка воздуха Колич. пропущ. воды кг!час 1 Повыш. ' темпер, воды Темпер.. поверхн. слоя Состав продуктов горения
Газ м31час Воздух м3!час со2 СО О.2
0.32 1.54 1.08 4.2 18° 6500 9.45 0.3 о.он
0.33 1.56 1.06 18.79 54° 710° 9.40 0.4 0.0«
0.42 2.02 1.08 9.40 70.8° 654« 9.50 0.1 о.ои
0.45 2.20 1.10 5.65 76.2е 7950 9.48 0.2 0.0W
0.50 2.42 1.09 18.48 49.2е 7830 9.46 0.2 0.0%
0.52 2.43 1.05 3.42 73.7° 8480 9.40 0.35 О.ОО,0
0.63 3.00 1.07 4.20 80.0° 9450 9.50 0.05 0.0%
0.65 2.90 1.00 18.23 46.9° 8110 9.50 0.06 0.00'0
0.66 3.18 1.08 7.42 90.30 657° 9.48 0.15 0.0°[0
0.67 3.06 1.03 15.70 79.50 812и 9.44 0.32 0.0010
0.90 4.40 1.10 14.08 25.70 9600 9.42 0.36 0.0%
1.28 6.05 1.06 8.20 74.50 7280 9.50 0.1 0.0%
Результаты измерений, помещенные в таблице 4, позволяют сделать следующие выводы:
а) тепловая напряженность горения, отнесенная к объему пор в зерненом слое, составила величину от 5.6' 106 до 22.4е 106 ккал/м3 час.
1 чч
УЛ* Изв, ТПИ, том 64
б) тепловая плотность горения, условно отнесенная к открытой поверхности зерненого слоя, диаметром 130 мм, составила величину от 103' 103 до 408 4 О3 ккал/м2 час.
в) тепло, воспринятое водяным экраном, составляет следующую долю от всего тепла, выделившегося при горении (таблица 5).
Таблица 5
Распределение тепла, выделившегося при горении
Количество выделившегося тепла Угаз.С}£ ккал1час Количество тепла, воспринятое водяным экраном, Оводы^Л. ккал,час 1 Доля тепла, воспринятого тепловым экраном.
0.32-4254= 1360 15-54-5 0.75
0.33-4254—1400 18.79-54 0.72
0.42-4254=1730 18.40-70.8 0.73
0.45^4254=1910 19.3076,2 0.77
0.50-4254=2127 21.50-69.2 0.70
0.52'4254--2210 21.20-73.7 0.71
0.634254=2680 25.20-80 0.74
0.65-4254—2760 43.23 46.9 0.73
0.66-4254=2800 21.42 90.3 0.69
0.67'4254—2850 25.10-79.6 0.70
0.90 • 4254—3820 30.40-85.7 0.68 .
1.28-4254^5450 55.50-74.5 0.76
Таким образом, доля тепла, воспринятого водяным экраном, составила в среднем величину 0,72; остальное тепло—0,28—потери с уходящими продуктами горения, тепловые потери в окружающую среду.
Следовательно, опытами серии Б доказана возможность устойчивого поверхностного (беспламенного) горения в зерненом слое при наличии теплоотдачи к поверхности нагрева. Этот способ может быть использован в различных тепловых аппаратах, применяемых в химической промышленности.
В. Поверхностное (беспламенное) горение светильного газа в огнеупорных каналовых и пористых плитках
Схема экспериментальной установки изображена на рис. 6.
Стальная цилиндрическая горелка. В кожухе цилиндра по высоте вырезаны 2 прямоугольных „окна", закрытые слюдой, для наблюдения за проскоком пламени. В верху цилиндра устанавливается стальное кольцо, в котором закрепляется каналовая огнеупорная плитка диаметрсм, равным диаметру цилиндра. Плитки изготовлялись из огнеупорной' глины (15 образцов), из огнеупорной массы состава: 65% корунда и 35°/о глины (11 образцов) и из обожженного магнезита (3 образца). Диаметр всех плиток одинаковый и равнялся 50 мм. Толщина плиток была различной: от 7 до 50 мм. Каналы в плитках были различного диаметра: от 1 до 4,2 мм. Число каналов р плитках от 52 до 495. Кроме плиток с каналами определенного диаметра, были изготовлены пористые плитки путем впрессовывания древесных опилок и последующ,его выжигания их.
Во' время испытаний производились следующие измерения: 1) количество газа и воздуха; 2)'температура наружной поверхности плитки; 3) температура внутри цилиндра горелки.
"йьЖ,
9/¡иафрснмЬ у, ГалЬ&<шом*тр. < 7>рг*опора. у См<есител1 4 8озду*одуоЬ4 3 Огнеупорная плитка л Сл*с$ь*ое окно. I Корпус шорелки__
Ри1 € Схема устанобки для исел»до6а .нояпоб9ржносгпно«а«ор9нии ебегпилбном роэо 5 каналоЬЫл ипсристЪм плитках.
Результаты измерений представлены в таблице 6, в которую внесены измерения ке для всех опытов, а лишь для части опытов, характеризовавшихся длительным процессом устойчивого поверхностного горения.
Та бл и ца 6
Характеристика огнеупорной каналовой плитки
Количество
Материалы Диаметр плитки мм Толщ, плитки мм Диам. каналов мм Число каналов Газ мЗ Возд. м3 Коэф. избытка возд. н сх о . й я О 5 « ° з & и V 5 рн да 'Л
час час
Смесь ..... 65% корунд . . . 35% глина .... 50 50 50 30 20 30 1.5 203 2.5 89 2.5 ; 89 0.541 2.41 0.56 2.50 0.56) 2.49 1.03 1.05 1.04 840 760 920
Огнеупорная . . | 50 глина ...... 50 1 50 30 33 50 1.5] 209 1 0.46| 2.051 1.01 2.5 1 89 ! 0.56 2.50 1.00 4.2 ! 52 ! 0.46! 2.Об! 1.01 810 950 890
Обожженный . . магнезит ..... 50 1 40 50 20 1 2.0 2.0 120 120 0.64 0.64 2.85 2.90 1.0 1.04 , 840 780
Пористая масса . из огнеупорной . глины ...... 50 | 30 Пористость не определялась 0.63 2.801 1.00 860
Пористая масса из| 65% корунда и 35% 50 глины......1 30 Пористость не определялась 1.30 5.9 1.04 870
Пористая масса из 93°|0 магнезита и 7°10глины. . . . 50 ! 30 ; Пористость не определялась 0.65 2.9 | 1.02 1 790
Как указано выше, в таблицу 6 включены лишь те опыты, при которых было достигнуто устойчивое, легко регулируемое в течение длительного времени, поверхностное горение при равномерном накале поверхности.
На основании данных таблицы 6 скорость прохождения горючей смеси ч^)ез каналы плиток составила от 1 м/сек. до 2,58 м/сек.
Тепловая напряженность горения, условно отнесенная к объему каналов, составила от 65* 106 ккал/м8 час. до 235* 106 ккал/м3 час.
Тепловая плотность горения, условно отнесенная к наружной поверхности плитки, от 1106 ккал/м2 час. до ЗЧО6 ккзл/м2 час.
Непосредственные наблюдения за процессом поверхностного горения с помощью каналовых и пористых плиток дают возможность сделать следующие выводы: а) при одном и том же диаметре каналов в плитках тем более устойчив процесс, чем толще плитка. Наиболее подходящими оказались плитки толщиною 30—40 мм; б) наиболее легко регулируемый процесс горения достигается в пористых плитках.
Опыты, при которых поверхностное горение не было устойчивым, характеризуются следующими данными: а) в плитках толщиною от 7 до 10 мм, с каналами диаметром в 1 мм и числом их 495, не удалось достигнуть устойчивого горения; б) в плитках той же толщины, но с каналами диаметром от 2,5 до 4,2 мм и числом их от 89 до 52, также не удалось достигнуть устойчивого поверхностного горения.
Таким образом, опытами серии В доказана возможность устойчивого поверхностного (беспламенного) горения с помощью каналовых и пористых плиток и выявлены оптимальные соотношения между геометрическими размерами их. Подобного рода метод поверхностного горения может быть применен в ванных промышленных печах, для нагревания зеркала ванны излучением от поверхности плиток.
Г. Опыты по сжиганию водяного газа в кварцевой трубке
Как известно, скорость распространения пламени водяного газа значительно больше, чем скорость распространения пламени углеводородных газов, например, коксового или светильного. Так, скорость распространения пламени светильного и коксового выражается величиной 1,6 м/сек., скорость же распространения водяного газа равна 2,8 м/сек. Вследствие этого предварительные опыты по сжиганию водяного газа в зернистом слое сопровождались частыми проскоками пламени в смеситель.
Применявшийся для опытов водяной генераторный газ получается на соседнем с институтом электроламповом заводе № 660 в генераторах системы Пинч из Аралического тощего каменного угля типа полуантрацитов.
Состав влажного, насыщенного при 20°С газа: СО — 37,13%; С02—4,87%> С2 — 0,19о/0; Н2 — 52,3%; Н20-2,3°/0; N,-3,210/0.
Теплотворная способность газа, расчитанная для этого состава и неоднократно определявшаяся в калориметре Юнкерса как в. лаборатории кафедры, так и в лаборатории на заводе № 660
ккал
Рн= 2470-—
м3
Удельный вес газа "(о — 0,669 кг/м3.
Для сжигания э^того газа с теоретически необходимым количеством требуется воздуха 2,12 м/3м3. Количество образующихся, при этом продуктов горения 2,67 м3/м3.
Калориметрическая температура горения водяного газа (жаропроизво-дительная способность) при сжигании с теоретически необходимым количеством воздуха в холодном состоянии (температура газа и воздуха около 15—20°С), I калор. = 2050°С.
Расход газа определялся с помощью нормальной острой диафрагмы, поставленной в газопроводе. Газопровод имеет внутренний диаметр £)=15 мм; диафрагма имеет внутренний диаметр ¿ = 7,5 мм.
Расход воздуха определялся с помощью нормальной диафрагмы, поставленной в воздухопровод. Внутренний диаметр воздухопровода О — — 25 мм; внутренний диаметр диафрагмы й = 12.5 мм.
В опытах применялась кварцевая трубка внутреннего диаметра 15 мм, длиной 1100 мм. Поперечное сечение трубки
/ = = 0,785. (0,015)- — 0,000175м2.
Б одной серии опытов исследование проводилось с помощью стеклянного инжектора. Водяной газ подавался из сети под давлением, а воздух инжектировался из окружающей атмосферы.
Схема опытов установки изображена на рис. 7.
Газ подавался в инжектор под давлением 218 мм. в. с. в количестве 0,55 м3/час. Расход воздуха не измерялся, во всяком случае он был меньше
('Воздух
г.........¡----¿OSO------------f ) ' С ' ёаз -
1_________i______________—:. " ^¿ЕГУ
1--------{W" : — tó*
Рис. 7, Сжигание водяного газа в кварцевой трубке
теоретически необходимого для горения т. е. меньше 0.55*2.12 м3/час ; значит, количество горючей смеси было меньше 1.72 м8/час, в соответствии с чем и скорость прохождения горючей смеси по трубке была меньше, чем
1.72-4 . _ .
-=2.7 м/сек.
3600 * 3.14'(0,015)2
При этих условиях в пустой кварцевой трубке при пропускании горючей смеси происходил прострел пламени от открытого конца трубки до сопла инжектора. Затем в трубку помещались спирали из медной проволоки на различном расстоянии от конца трубки. Спирали были изготовлены размерами: а) длина 125 мм, диаметр 14 мм, число витков 5; б) длина 70 мм, число витков 20 и в) длина 30 мм, число витков 10.
При помещении проволоки на расстоянии 510 мм от выходного конца трубки (позиция А) пламя простреливает до А и затухает; удержать пламя в позиции А не удалось. При помещении проволоки ближе к выходному концу, на расстоянии 370 мм (позиция В), наблюдалось то же явление т. е. прострел пламени до позиции В и затухание; но при помещении проволоки на расстоянии 220 мм (позиция С) пламя при поджигании простреливает до С и горит устойчиво; происходит локализация пламени в позиции С. Температура наружной поверхности трубки на участке, занятом проволокой длиной 25 мм, повышается до 800—850°С.
При уменьшении давления в сети до 60 мм в. с. спирали на всех позициях простреливались пламенем, и лакализовать пламя в трубке не удалось,
Затем были проведены опыты с Металлическими сетками, вместо спирали. Сетка (вольфрамовая) закреплялась в обойме в 3 ряда и обойма вставлялась в кварцевую трубку (рис. 8).
При давлении газа в сети 100 мм в. с. и при тех же условиях инжекции воздуха не удалось задержать пламени ни в одной позиции по всей длине кварцевой трубки.
Если у открытого выходного конца трубки постоянно держать поджигающую горелку, то получается переодически повторяющийся прострел пламени. Периодичность прострела 70 раз в минуту. Повидимому, периодичность прострелов следует объяснить длительностью распространения пламени по трубке. Приближенно длительность распространения пламени выра-
жается в-= 0,85 сек., следовательно, скорость распространения пла-
70
мени при этих условиях приближенно .будет равна:
1.08 100 , ——= 1 28 м сек. 0.85
При исследовании сжигания водяного газа в кварцевой трубке с принудительной подачей газа и воздуха в смеситель (в отличие от предыдущих опытов, когда воздух инжектировался из атмосферы) было обнаружено, что локализация пламени на металлической сетке происходит при следующем режиме: расход газа 0,935 м3/час; расход воздуха от 1 2.94 м3/час до 3.14 м3/час; скорость горючей смеси в трубке от 6.15 до
6. 45 м/сек
При этом следует отметить, что локализация пламени на сетке получалась не сразу, некоторое время происходили периодические прострелы
пламени до сетки. Заподозрив, что причиной периодических прострелов является охлаждающее действие стенок кварцевой трубки и тем большее, чем длиннее расстояние до сетки, в последующих опытах при том же расходе газа сетка была перемещена к выходному концу трубки на расстояние 350— 370 мм; при этом число прострелов до локализации пламени значительно сократилось, горение на сетке устанавливалось быстрее. В дальнейшем, чтобы устранить охлаждающее влияние стенок трубки последняя изолировалась асбестовыми цилиндриками, надеваемыми на трубку. При такой изоляции стенок кварцевой трубки локализация пламени при вышеуказанном расходе горючей смеси происходила на сетке на любом расстоянии от выходного конца трубки в любой позиции обоймы с сетками и при
Рис. 8. Вольфрамовая том сРазУ же0 без предварительных периодических обойма прострелов. Вставленная в изоляцию термопара дала
возможность замерять температуру изолированной поверхности кварцевой трубки, эта температура изменялась в пределах от 950 до 1200°С.
При увеличении расхода газа до 1.08 м3/час и воздуха до 3.84 м3/час> а, следовательно, и скорости горючей смеси в трубке—до 8 м/сек. для локализации пламени на сетке уже не потребовалась изоляция стенок трубки;; изолирующие асбестовые цилиндрики были с трубки сняты, и удержание пламени на сетке происходило сразу же в любой позиции по длине кварцевой трубки.
Затем были повторены опыты по сжиганию газа в пустой кварцевой трубке без сетки и без металлических спиралей, но при увеличенном расходе горючей смеси. При расходе газа 2,7 м3/час и воздуха 7 м3/час и при скорости горючей смеси 15,4 м/сек., пламя задерживалось в трубе на расстоянии 400 мм от выходного конца трубки. При уменьшении или увеличении скорости и расхода локализация пламени происходила на более близком или более далеком расстоянии от выходного конца трубки.
При сжигании водяного газа в кварцевой трубке, заполненной шамотовыми зернами, было обнаружено (трубка заполнялась шамотовыми зернами вплотную, диаметром 3—4 мм, слоем длиной 600 мм, считая от входного конца трубки) (рис. 9):
при расходе газа 0,864 м3/час и воздуха 2.22м3/час (коэффициент, избытка воздуха 1.2 и скорость смеси 5 м/сек) пламя, подожженное у выт
ходного конца, останавливалось на короткое время в позиции А, затем простреливало до В, некоторое время задерживалось в В, снова простреливало до С и локализовалось на длительное время. Проскоков пламени в смеситель не наблюдалось. Затем при том же расходе опыт был повторен, но слой шамотных зерен сокращен до 170 мм и перемешен на 300 км
'а в с
Рис. 9. Сжигание водяного газа в кварцевой трубке с огнеупорными зернами
от входного конца трубки. В этом случае явление повторялось, то есть пламя задерживалось на короткое время в позиции А, затем проскакивало до В, и здесь горение было устойчивым в течение неопределенно долгого времени.
Д. Беспламенное сжигание водяного газа в нечи малой модели
Печь малой модели имела размеры: внутренний диаметр цилиндра 547 мм, внутренняя высота цилиндра 115 мм, внутренний объем цилиндра
т d '-h 4 14-
= (0.047)2 = 0.00173 мз
4 4'
На огнеупорной решетке слоем высотой 10 мм располагались кварцевые зерна, диаметром 3 мм, затем высотой 105 мм магнезитовые зерна, диаметром 3—4 мм. В слоях были помешены пироскопы: внизу—№ 16 (температура плавления 1460°С); в середине № 13 (1380°С) и вверху—№ 12 . (1350°С). Расходы газа и воздуха были: газа от 1,7 м3 до 1,95 м3 и воздуха от 3.14 м3/час до 3.52 м3/час (коэффициент избытка воздуха от 0.80 до 0.84). Во время опытов было обнаружено:
а) нижний слой кварцевых зерен был вынесен потоком на поверхность, на поверхности кварцевые зерна находились в подвижном состоянии;
б) пироскопы так же были вытеснены на поверхность;
в) по истечение 1 часа 15 мин. конус № 12 (1350°Q оплавился. Принимая среднее живое сечение слоя равным 0.22, получим: скорость прохождения горючей смеси (в холодном состоянии)—от 3.5 м/сек до 4 м/сек.
Скорость прохождения продуктов горения при измеренной температуре 1350°С составила—19.2 м/сек. до 21 м/сек.
Тепловая напряженность единицы объема (относительно всего объема цилиндра) приблизительно—20.10е ккал/м3 час.
Затем были приведены' опыты с зерненым* слоем из более крупных зерен.
В печь малой модели помещались магнезитовые зерна, диаметром 6—9 мм, в количестве 250 штук (по счету). Объем зерен составил— 0. 0С00670 м3,
объемная пористость слоя
0.0001955—0.0000670 л „
---— 0.66
0.0001955
Расход газа—1.22 м3/час.; расход воздуха—2.72 м3/час. Коэффициент избытка воздуха—1.04.
В слое были заложены пироскопы: внизу—№ 34'(1750°С); № 35 (1770°С); в середине—№ 28 (1630°С); вверху—.№ 27 (1610°С).
Опыт длился около 8 часов. После охлаждения печи оказалось, что конусы № 27 и 28 расплавились, № 34—оглазуровался и № 35—остался без видимых изменений. Следовательно, температура в зернистом слое была порядка 1630°—1700°С.
Тепловая напряженность слоя (отнесенная ко всему объему цилинд-
ч 1А(, к кал
ра) — Iо. 10° —......—
м3 час.
Тепловая напряженность, отнесенная к объему пор составила
ккал
23.5* 10е-
м3 час.
Принимая среднее .живое сечение равным 0.22, получим: скорость прЪхождения горючей смеси (в холодном состоянии) через слой—2.9 м/сек.
Скорость прохождения через слой продуктов горения, при измеренной
1630+1700 л I
температуре------=166оС, будет —14,2 м/сек.
2
Как было указано выше, опыт длился 8 часов, при этом выноса зерен из слоя не наблюдалось, зерна находились в слое в спокойном состоянии, т. к. кинетическая энергия потока, соответствующая скорости 14.2 м/сек., недостаточна, чтобы преодолеть вес частицы, что подтверждается так же следующим расчетом. Общепринято считать, что в результате взаимодействия силы тяжести и силы сопротивления, по Стоксу, скорость потока, при которой увлекается твердая частица, может быть найдена из уравнения (по Проккату):
= 3.15 л[ М (41)
у 12 V сек ]
здесь й— диаметр частицы (м), в нашем случае = 0.008 м;
7м— удельный (объемный) вес материала, в нашем случае для магнезита 7 = 2600 кг'м3, 72 — удельный вес газа; в нашем случае, при температуре 1665°С,Та = 0.184; тогда 2~33.6 м/сек, то есть при скорости потока, большей 33.6 м/сек, должен наблюдаться вынос частицы из слоя; так как при описываемых опытах скорость продуктов горения была 20.6 м/сек. и при.том не наблюдалось хлопков или взрывов, то и выноса частиц также не происходило.
Затем опыт был повторен, причем магнезитовые зерна были взяты еще больших размеров, а именно—10 мм. Количество зерен (по счету)— 250 штук.
Объем зерен составлял 0.00013 м3.
При общем объеме печи, равном 0.0001955, объемная пористость составила
0.000*1955 — 0.00013
0.0001955
0.34.
Примечание: если рассчитать объемную пористость слоя по Слихтеру
т —
6(1— С05в)]/1+2С0$6
то объемной пористости 0.34 соответствует угол расположения шаров-зерен 9 = 65°.
Удельная поверхность зернистого слоя, как отношение поверхности всех шаровых зерен к объему слоя, выразится
0_ 6(1 — т)
Nr,dÀ d
C(1—m)
6 (1—0.34) 9(
a = —-----—— — = 384 M2/M3.
0.01
В этом опыте расход газа составил 1 му/час; расход воздуха—2.33 м3/час; коэффициент избытка воздуха—1.08.
В слое были заложены пироскопы: внизу № 34 (1750°С), в середине слоя № 28 (1630°С) и вверху № 27 (1610°С); опыт длился около 3 часов, затем был прекращен, ввиду того, что беспламенное горение со всеми характерными признаками было устойчивым. Все конусы оплавились, следовательно, температура в слое была не ниже 1750°С.
Тепловая напряженность слоя (отнесенная ко всему объему цилиндра
12.6.10й ккал
м3час.
т i
епловая напряженность, отнесенная к ооъему пор, составила
37.2-10^^-м3час.
Тепловая напряженность, отнесенная к поверхности зерен (плотность
горения), — 32,8 * 103 ^^
м2час
При среднем живом сечении, равном 0.22, скорость прохождения горючей смеси (в холодном состоянии) через слой—2.45 м/сек.
Скорость прохождения продуктов горения через слой, при измеренной температуре 1750°С.—15.3 м/сек.
При этом беспламенное горение было устойчивым, выноса зерен не наблюдалось.
Пирометрический коэффициент горения, как отношение измеренной температуры к калориметрической температуре горения, составил величину
1^=0.85. 2050
Е. Беспламенное сжигание водяного газа в печи увеличенной моделя
Печь увеличенной модели имеет размеры: внутренний диаметр цилиндра 90 мм, внутренняя высота слоя зерен 155 мм,.внутренний объем цилиндра
. (0 09)2 . 0.155 — 0.001255 м3. 4 4 '
Корпус печи выточен из круглой чугунной болванки, толщина стен 10 мм; чугунные стенки изнутри покрыты асбестовой изоляцией, толщиной 8 мм, и магнезитовой огнеупорной замазкой, толщиной 20 мы. Снаружи чугунные стенки цилиндра покрыты асбестовой изоляцией, толщиной 30 мм. Зернистый слой располагается на огнеупорной решетке, толщиной 15 мм, с отверстиями диаметром 3 мм, число отверстий в решетке—35, следовательно, живое сечение решетки
^^ п = 0.000264м.2 4
Решетка располагается над горелкой на высоте 50 мм, так что между выходным отверстием из горелки и решеткой образуется свободный объем 0.00032 м3.
Горелка, инжекциопного типа: в сопло горелки подавался водяной газ из сети под давлением 500 мм в. е., воздух в горелку нагнетался вентилятором alma под давлением 200 мм в. с. Измерение расхода газа и воздуха производится по перепаду давления в острых диафрагмах. Температура пнутри слоя измеряется пироскопами и Pt—PtRh термопарой, а на открытой поверхности зерен—радиационным пирометром типа „Ардометр". В зерненый слой помещался графитовый тигель, заполнявшийся шихтой для варки стекла. Зерненый слой был из магнезитовых зерен, диаметром 9—10 мм. Схема установки изображена иа рис. 10.
Печь разжигается обычным путем, т. е. сначала пускается один газ и снаружи слоя поджигается. Затем постепенно добавляется воздух, пламя „садится" на поверхность слоя и проникает на некоторую глубину внутри слоя. По мере разогревания слоя количество воздуха увеличивается
'J
£
плотен HO&O «срвниЧ
у и v <>ы с и ftn д
J
и доводится до теоретически необходимого или с небольшим избытком. По истечении 1 час. 30 мин. после пуска газа горение становится с внешней стороны беспламенным—весь зернистый слой раскален, пламя отсутствует. Обычно опыты по расплавлению шихты длились 2—3 часа. В течение всего времени беспламенное горение было совершенно устойчивым, без каких бы то ни было нарушений. Расход газа составлял от 2.76 м3/час до 2.86 м3/час, расход воздуха- от 6.5 м3/час до 7 м3/час, коэффициент избытка воздуха от 1.09 до 1.14. Внизу слоя над решеткой были заложены пироскопы № 19 (1520°С), в месте установки тигля—термопара. Достигнутая при работе температура: внизу не менее 1500°С (пироском расплавился), в месте установки тигля—1480°С, по показаниям термопары, температура на поверхности слоя—1440°С (по показаниям пирометра). В тиг-
ле шихта, состоящая 80% ЭЮз и 20% N82003, расплавилась, и образовалось стекло.
Тепловая напряженность слоя, отнесенная ко всему объему печи,
2470-2.76 1лг ,
ох —---= 5.45* 10ь ккал час м{
0.001255
2470*2.86 Г(го ,
д0------- =о.83'10!г ккал час м\
0.001255
Средняя тепловая напряженность слоя, за вычетом объема зерен и; тигля (объемная пористость слоя 0.34, объем тигля 0.00008 м3),—
2470*2.82 0, 1АГ
-= 20.10° ккал м(>час.
0.001255-0.34-0.00008
Скорость прохождения горючей смеси (в холодном состоянии) через слой, при живом сечении слоя 0.22, составила в среднем
,2.82 + 6.75
3600-0.00635-0.22
1.9 м сек.
Скорость прохождения продуктов горения через слой при измеренной температуре 1520°С—10.2 м/сек.
В самом узком месте слоя, там, где был помещен тигель, диаметром 50 мм, при температуре 1480°С скорость продуктов горения была 15.1 м/сек. Выноса зерен из слоя не наблюдалось.
Скорость прохождения горючей смеси через отверстия в решетке, отделяющей зернистый слой от горелки, была
2.82 + 6.75
---= 10 м/сек.
3600-0.000264
Выводы и заключение
1. В работе сделана попытка—описать механизм поверхностного беспламенного горения газов, исх©дя из отшего представления о горении газов и взаимной превращаемости одних форм горения' газов в другие. Изменяя соответствующим образом физические и химические условия, можно достигнуть превращения пламенного горения газов в устойчивый беспламенный поверхностный процесс; наоборот, при нарушении условий устойчивости, беспламенный процесс превращается в факельное' пламенное горение.
2. При переходе пламенного факельного горения в беспламенное поверхностное нормальный фронт пламени значительно деформируется; на деформацию нормального фронта пламени оказывают влияние гидродинамические факторы (увеличенная скорость истечения, изменение эпюры скоростей и др.) и физико-химические условия (скорость распространения пламени, каталитическое влияние поверхности, температура и др.).
3. Неизбежное при беспламенном горении увеличение скорости распространения пламени влечет за собою также необходимость увеличения скорости истечения горючей смеси через горелку той или иной конструкции (зерненый слой, поры, каналы и пр.); вследствие этого беспламенное горение концентрируется в малых топочных объемах, создавая этим значи-*
^ » /ккал \ тельные величины тепловой напряженности - ___и тепловой ллотиости*
\м;!час/
/ккал \ горения ^
4. Устойчивость беспламенного поверхностного процесса горения определяется условиями термокинетическогв равновесия в зонах: предпла-менной, реакционной и послепламенной, а также соотношением между зонами. Выявлены математические зависимости, позволяющие определять влияние основных физических и химических факторов на размеры отдельных зон в пределах устойчивого беспламенного горения. Также указаны причины, вследствие которых нарушается устойчивость беспламенного процесса горения.
5. В экспериментальной части исследования выполнены в лаборатории шесть серий опытов; в первых трех сериях опытов применялся светильный газ (серии А, Б. В) и в последних трех сериях опытов применялся водяной газ (серии. Г, Д, Е).
При сжигании светильного газа беспламенным путем была поставлена цель—организовать устойчивое беспламенное горение нри низком давлении газа и воздуха в различных условиях беспламенного сжигания, как-то: сжигание в зернистом слое с открытой поверхностью слоя, сжигание в зернистом слое с водоподогреванием над слоем и сжигание в огнеупорных каналовых и пористых плитках. Поставленная цель достигнута; кроме того выявлены: оптимальная структура зернистого слоя, минимальные размерыvканаловых плиток (диаметр каналов, длина их).
При сжигании водяного газа беспламенным путем была поставлена цель—повышение пирометрического коэффициента горения.
В опытах с водяным газом пирометрический коэффициент горения достигал величины 0.85. Одновременно с этим выявлено, что существенным критерием для оценки структуры зернистого слоя является произведение диаметра зерна на удельный вес его. Во избежание нарушения устойчивости беспламенного процесса это произведение должно быть больше критического, иначе вследствие выноса или колебания зерен в слое беспламенный процесс нарушается.
Попутно высказана мысль (лишь предварительно опробованная) о том, что в отличие от существующих методов определения скорости распространения пламени (статического и динамического) может быть предложен метод- непрерывных пульсаций; но это предложение является темой специального дополнительного исследования.
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. М. Б. Р а в и ч,—Поверхностное горение, изд. Ан СССР, 1946.
2. Chaleur et Jndustrie '213, 185-190, 1938.
3. H. H о p к и к. Диффузионное горение газов. Отчет; реферат опубликован в бюллетене Всесоюзного Химического общества им. Д. И. Менделеева JV» 4Д v*41.
. 4. W. H u p b u г п —Diffusion combustion heating reduces shaling loss of steel. Steel 10,25-27, 12,21—'¿3, 1932.
5. Д. H. JI я x о в с к и й и С. Н. С ы р к и н—Аэродинамика элементарного факела. .Журн. техн. физики 5,505—>511, 1937.
М. А. Кузьмин.—К вопросу о расчете пламенных печей. Металлург 9, 46—58,
1934.
7. Д. Н. Ляховский, С. Н. С ы р к и н—Турбулентная диффузия в факеле. Советское котлотурбостроение. 9,5—8, 1936.
■8. Б. А. Шваб.—Связь между температурными и скоростными полями газового факела. Журн. техн. физики 5, ¿31-442, 1941.
9. В. Хей л и re н ш те д т.-—Теплотехнические расчеты для конструкции печей и их эксплоатации. Перевод с немецкого 1937.
10. К. В, В и р о з у б,—Методика расчета температуры пламени коксовых печей при обогреве доменным газом. Кокс и химия 6,19—21, 1939.
1!. H. H о р к и н.—Отчет о научно-исследоватечьской работе (не опубликован), находится в научно-технической библиотеке ТПИ.
12. Е. Mall а г d -et ie Chatelier. Ann- min. 8, 18^3.
iï. В. A. Михельсон. О нормальной скорости воспламенения гремучих газовых -смесей. Собрание сочинения, юм 1, )930.
14. G. D а m. к ö h 1 e r—Der Bnfluss der Turbulenz auf die Fiarnmengeschwindigkeit inGasgemischen, Ztschr. f. Electroch. u. angew. Physik. Chemie. Б. 46, № 11, 1940.
15. G о u y.—Recherches photometriques sur la Hammes colorees. Ann. de „Chem. et Phys. том 5, js& 18, £тр. 1—101, 1879.
16. Ubbelohde и Anwandten J. f.—Gasbeleuchtung. 225, 191T.
17. N i к u r a d z е.—Цитировано по Гребер4 и Эрк. Основы учения о теплообмене, Перевод с немецкого, 1936.
18. S1 i с h t е г.—Цитировано по Лейбензону. Нефтепромысловая механика, ч. П ОНТИ 1934. **
19. Nusselt.-ZVDJ 59, 1918.
20. Ribaud—.Chaleur et Jndustrie 213, 1938.
21. H. H. С ем e н о в.—Тепловая теория горения и взрывов. Успехи физических наук, ХХШ вып. 3, стр. 251—292, 1940.
22. W. Вопе а. Т о w n е n d.~Flame а. combustion in gases. London. 1927.
23. W. Payman.—Jnd. a Eng. Chem. 20, 10. \Ш.
24. E. Б. Зельдович, H. H. Семенов.-ЖЭТФ, 9-10. 1940.
25. К. А. С и г о в.—Сборник научно-исследовательских работ Уральского отделения 6ТИ, вып. 4. 1939.
ф
