Вихревые горелки (стр. 4 из 7)

Во многих других типах циклонных пылевых газоочистителей, циклонных сепараторов, пылеосадителей с вращающимся потоком и форсунок для распыления жидкого топлива используются свойства закрученного и вихревого течений. Например, в циклонных сепараторах (рис.1.38) крупные частицы отбрасываются к стенкам под действием центробежных сил (или вследствие недостаточной величины центростремительных сил) в сильно закрученном потоке. Они опускаются вместе со вторичным течением и собираются в нижней части, в то время как относительно свободный от пыли воздух продолжает движение в центральном ядре и выходит у противоположного конца.

Центробежные эффекты также проявляются в нагревателях типа бака с перемешиванием, когда бак с жидкостью нагревается от окружающей паровой рубашки. Перемешивание жидкости с помощью колеса с лопатками и установленные на стенке перегородки увеличивают турбулентность и интенсифицируют теплоперенос.

4. ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ

В топливосжигающих устройствах наряду с другими возможностями воздействия на характеристики пламени часто используется закрутка . Закрутка воздуха, впрыскиваемого топлива или того и другого весьма благоприятно сказывается на структуре течения, что в свою очередь способствует достижению проектных характеристик устройств. Для того чтобы придать потоку вращение, используются лопаточные завихрители, закручивающие устройства с аксиально-тангенциальным подводом, а также непосредственный тангенциальный вдув в камеру сгорания. Интенсивность закрутки обычно характеризуется безразмерным параметром S, который представляет собой отношение потока момента количества движения к потоку осевого импульса, умноженному на эквивалентный радиус сопла. Согласно экспериментальным данным закрутка влияет на крупномасштабную структуру потока и пропорционально своей интенсивности изменяет ширину струи, скорость эжекции, темп вырождения неравномерности (в химически инертных потоках), размер, форму и устойчивость факела и интенсивность процесса горения (в потоках с химическими реакциями). В сильнозакрученных потоках (где S > 0,6) имеются значительные осевые и радиальные градиенты давления, которые приводят к образованию ЦТВЗ, отсутствующей при меньших значениях параметра закрутки. Наличие этой зоны с интенсивной завихренностью способствует выполнению ряда требований, предъявляемых к камерам сгорания, а именно позволяет:

1. Уменьшить длину факела за счет повышения скорости эжекции воздуха из окружающей среды и увеличения интенсивности перемешивания вблизи среза сопла и границ рециркуляционной зоны.

2. Повысить устойчивость факела благодаря вовлечению горячих продуктов сгорания в рециркуляционную зону.

3. Увеличить время жизни оборудования и уменьшить потребность в его ремонте, поскольку стабилизация осуществляется аэродинамическими средствами, и потому воздействие пламени на твердые поверхности (воздействие, приводящее к перегреву и образованию нагара) минимально.

Кроме ЦТВЗ, появляющейся при значениях параметра закрутки, превышающих некоторую критическую величину, в канале с внезапным расширением может возникать угловая рециркуляционная зона. О существовании этой зоны и о ее влиянии на характеристики пламени хорошо известно специалистам по горению, которые стараются использовать рециркуляцию горячих продуктов сгорания и плохообтекаемую форму зоны как средство повышения эффективности процесса горения. В сложных турбулентных реагирующих потоках взаимное влияние распыления топлива, закрутки, больших сдвиговых напряжений и рециркуляционных зон сильно осложняет исследование устойчивости пламени, его осредненных и пульсационных характеристик.

Как уже отмечалось, даже основные свойства течения количественно определены с недостаточной степенью точности; это относится, например, к угловой и приосевой рециркуляционным зонам, существование, форма и размер которых зависят в основном от следующих факторов:

1. Интенсивность закрутки; характеризуется параметром закрутки S или углом установки лопаток завихрителя φ.

2. Способ создания закрутки - с помощью лопаточного завихрителя или закручивающего устройства с тангенциальным подводом, а в зависимости от типа устройства реализуется вращение по закону свободного вихря, по закону вращения как целого или поток с равномерным распределением окружной скорости.

3. Наличие втулки (отношение d/d_h).

4. Степень диффузорности камеры сгорания (отношение D/d).

5. Наличие на выходе вихревой горелки диффузорной надставки (из огнеупора) или камеры с внезапным расширением.

Форма надставки, угол наклона торцевой стенки камеры с внезапным расширением α.

6. Процесс горения.

7. Поджатие выходного сечения камеры сгорания.

8. Форма лопаток завихрителя - плоские или профилированные.

9. Форма лопаток завихрителя - радиальные или пространственные.

Рис. 4.1. Схема вихревой горелки с аксиально-тангенциальным подводом:

1 - трубка для впрыска топлива; 2 — аксиальная подача воздуха; J — тангенциальная подача воздуха; 4 — направляющие устройства; 5 — четыре прямоугольных отверстия размером 20 X 100 мм для тангенциальной подачи воздуха.

На практике наиболее распространены два типа топливосжигающих устройств, в которых используется закрутка:

Рис.4.2. Схема камеры сгорания циклонного типа с распределенной подачей топлива и воздуха (конструкция ЭНИН). Камера относится к типу IV.

1) вихревая горелка (рис.4.1), из которой поток истекает в атмосферу, в топку или замкнутую полость. Горение происходит главным образом за сечением выхода вне горелки. Набор таких горелок можно использовать для поддержания огня в топке или в замкнутом объеме.

2) камера сгорания циклонного типа, в которой подвод воздуха осуществляется тангенциально, а выхлоп производится через отверстие в центре торцевой поверхности (рис. 4.2). Горение происходит главным образом внутри циклона, а его стенки часто служат теплообменником.

При достаточно больших значениях числа Рейнольдса и большой величине параметра закрутки (Re > 1,8∙10⁴ и S > 0,6) в обоих системах образуется ЦТВЗ и генерируется высокий уровень турбулентности. Циклоны обычно используются для сжигания плохо горящих материалов, таких, как бурый уголь, уголь с большой зольностью или органические отходы. Течения с сильной закруткой, приводящей к образованию рециркуляционных зон, можно создать различными способами:

· тангенциальным подводом (закручивающее устройство с аксиально-тангенциальным подводом)

· непосредственным вращением (вращающаяся труба);

· спиральным закручивающим устройством;

· эймёйденским закручивающим устройством с адаптивными блоками (более подробное описание дано ниже.

При создании лопаточных завихрителей в настоящее время используются профилированные пространственные лопатки, которые более эффективно закручивают поток. У таких лопаток передняя кромка располагается навстречу набегающему потоку, и потому отрывная зона минимальна, а в результате получается более равномерный поток на выходе. Важной характеристикой таких лопаток является угол установки задней кромки.

Помимо параметра закрутки поток, в котором наблюдается явление распада вихря, характеризуется также числом Рейнольдса, определяющимся параметрами на выходе из сопла и его диаметром:

где Ucp — среднее значение осевой составляющей скорости,. v—кинематическая вязкость, зависящая от температуры на выходе из сопла.

При наличии в закрученном потоке прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ) необходимо, согласно учитывать еще несколько параметров:

—- приведенный момент количества движения; — поток момента количества движения;

- приведенная интенсивность пульсации давления.

5. Изменение структуры потока с увеличением закрутки

С точки зрения организации процесса горения одно из наиболее существенных и полезных явлений в закрученных струйных течениях — это образование приосевой рециркуляционной зоны при сверхкритических значениях параметра закрутки. Путем осреднения по большому интервалу времени границу рециркуляционной зоны и зон обратных токов можно определить довольно точно. Мгновенное же положение границ и точек торможения претерпевает значительные колебания в пространстве, поскольку обычно в таких потоках уровень турбулентных сдвиговых напряжений и интенсивности турбулентности очень высок. Линии тока в кольцевой закрученной свободной струе, определенные по измеренным распределениям осредненной по времени скорости. Рециркуляционная зона играет важную роль в стабилизации пламени, поскольку обеспечивает рециркуляцию горячих продуктов сгорания и сокращает размер области, в которой скорость потока сравнивается со скоростью распространения фронта пламени. Существенно укорачиваются длина факела и расстояние от горелки, на котором происходит стабилизация пламени.