Моделирование фронта пламени предварительно подготовленной смеси газа и воздуха

Строительство и архитектура/5. Теплогазоснабжение и вентиляция

Д.т.н. А.И. Еремкин

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Моделирование фронта пламени предварительно подготовленной смеси газа и воздуха

Природный газ для России является основным топливом: его доля в потреблении первичных энергоносителей составляет более половины. Среди развитых стран такой высокой доли газа в топливном балансе не имеет ни одна. По мировым меркам это очень много: Россия ежегодно потребляет более 400 млрд м³ газа, уступая в этом только США. Поэтому проблема повышения эффективности сжигания природного газа, что в РФ, прежде всего, касается жилищно-коммунального сектора, энергетики и промышленности, всегда остается в числе жизненно важных. В целом важность и актуальность этой области исследований в Европе, как и в планетарном масштабе, определяется тем, что в настоящее время около 90% всей потребляемой нашей цивилизацией энергии обеспечивается за счет сжигания топлива.

Реакцию горения какого-либо химического соединения, состоящего из m атомов углерода C, n атомов водорода H и p атомов кислорода O, можно описать стехиометрическим уравнением, которое качественно и количественно характеризует исходные и образующиеся вещества:

. (1)

Здесь Q – тепловой эффект реакции.

В то же время процесс горения имеет радикально-цепной механизм и в зависимости от условий может проходить через тот или иной набор элементарных стадий – быстрых реакций между активными центрами, которыми служат радикалы и атомы горючих компонентов и кислорода. С помощью топочных и горелочных устройств необходимо создать условия, в которых набор радикальных реакций успевал бы завершаться стадией полного окисления с образованием конечных продуктов реакции (1). Из отвечающих за полноту окисления условий основными являются достаточность окислителя, температуры и времени пребывания компонентов в зоне горения.

Вместе с тем пламя как зона, содержащая реагирующие компоненты, может самопроизвольно распространяться в газовоздушной смеси только при определенных соотношениях топлива и окислителя, выражаемых обычно через нижние L_l и верхние L_u концентрационные пределы воспламенения. Если их значения известны, то несложно найти отвечающие им коэффициенты избытка воздуха α. Приняв для метана L_u = 15% (об.) и L_l = 5% (об.) и найдя по (1) теоретическую потребность в воздухе V_т = 9,52 м³/м³, можно получить на верхнем пределе α_u = 0,59 и на нижнем пределе α_l = 1,98. Они соответствуют минимальной и максимальной доле газа в смеси, при которой пламя после воспламенения еще распространяется самопроизвольно за счет выделяемой реагирующими компонентами теплоты Q, не нуждаясь в притоке тепла извне.

В ряде технологических процессов необходимо организовывать сжигание газа вне концентрационных пределов с поддержанием в смеси α_l >> 1,98. При этом температура самовоспламенения как минимум, обеспечивающий самопроизвольное распространение реагирующей зоны, в целом по смеси уже выдерживаться не будет. В таких условиях эксплуатация газоиспользующих устройств невозможна без искусственной стабилизации фронта горения.

Устойчивость пламени зависит от условий смешивания горючего и окислителя, и от гидравлического режима истечения из горелки потоков газа и/или воздуха, или их смеси. Фронт горения предварительно перемешанного газа и воздуха (кинетический принцип сжигания) менее устойчив, чем диффузионное пламя, создаваемое при раздельной подаче газа и воздуха в зону горения. Устойчивость ламинарного кинетического пламени на горелке, конструкция которой не имеет специальных стабилизаторов, будет непосредственно зависеть от соотношения скорости распространения пламени и скорости истечения потока из устья горелочного устройства. Если скорость распространения пламени такого типа в кольцевой периферийной зоне у стенок огневых отверстий горелки превысит скорость потока, пламя проскочит внутрь смесителя. С увеличением подачи газовоздушной смеси ширина периферийной зоны пламени, представляющей зажигающий поясок, начинает уменьшаться. Когда выделяемой ею энергии станет недостаточно для поджигания основного потока, начнется процесс отрыва фронта пламени от устья. Хотя это и не всегда приводит к его срыву и погасанию горелки, любая нестабильность работы горелочных устройств небезопасна из-за возможности накопления взрывоопасных и/или токсичных продуктов незавершенного горения.

С целью повышения эффективности и безопасности использования газового топлива был проведен анализ работы таких дутьевых газогорелочных устройств, конструкциями которых предусматривается предварительное смешение газа и воздуха до пламенной зоны. В итоге рассмотрения конструктивных особенностей ряда горелок этого типа за аналоги для дальнейших исследований по совершенствованию процессов сжигания топлива отобраны двухпроводная горелка для паяльных работ по [1], горелка ГТПЦ ЦНИИТМаша и горелка с пилотным кольцевым стабилизатором по [2]. Их конструкции приняты за основу при разработке математической модели для численных исследований горелки дутьевого типа с предварительным смешением газа и воздуха и кольцевым стабилизатором.

Проведены предварительные постановочные исследования по повышению эффективности работы горелки с пилотным стабилизатором при избытке воздуха α, значительно превосходящем α_l. Решалась задача нахождения исходных соотношений параметров потока и граничных условий, обеспечивающих сходимость вычислений, и получения общей картины течения потока через основное огневое отверстие и кольцевую щель стабилизатора.

Расчеты проводились на основе методов Computational Fluid Dynamics (CFD) с математическим моделированием посредством RANS, т.е. рейнольдсова усреднения скорости и перепадов давлений, как основных для решаемой задачи параметров движения турбулентного потока. Система уравнений движения замыкалась k-уравнением турбулентной энергии и ε-уравнением ее диссипации.

В ходе численного эксперимента были получены линии тока и изотахи, характеризующие движение потока при различных скоростях и расходах на выходе из основного огневого отверстия. Расчеты движения потока выполнялись в диапазоне скорости потока от 0,25 м/с до 1,5 м/с. Полученные данные позволяют сделать предварительную оценку характерных особенностей работы исследуемой конструкции горелки. Так, результаты расчетов показывают, что при среднерасходной скорости менее 0,5 м/с поток смеси проходит кольцевую щель с более высокой скоростью, чем при скорости 0,75 м/с и выше. Одной из причин здесь служит увеличение кратности инжекции смеси из зоны перед кольцевой щелью потоком, проходящим через основное огневое отверстие, за счет увеличения его скорости.

Проведенные исследования позволили отработать схему устойчивых расчетов движения потока смеси в горелке с кольцевым стабилизатором. Необходимо продолжение исследований в направлении оптимизации соотношений аэродинамических параметров потока и размеров основных элементов горелочного устройства и стабилизатора.

Литература

1. Стаскевич, Н.Л. Справочник по газоснабжению и использованию газа / Н.Л. Стаскевич, Г.Н. Северинец, Д.Я. Вигдорчик. – Л.: Недра, 1990. – 762 с.

2. Зиганшин, М.Г., Белов, А.В., Александров, Ю.Б. Горелочное устройство. Патент РФ на изобретение № 2216689, 2003.