Лекция 11. Ламинарные диффузионные пламена Любые пламена требуют диффузионного переноса, поэтому термин диффузионные пламена не является термином, однозначно определяющим явление. Поэтому пламена предпочтительно подразделять на пламена предварительно перемешанной и предварительно не перемешанной смеси.

Горючее и окислитель диффундируют к фронту пламени благодаря градиентам концентраций, поддерживаемым химическими реакциями. Фронт пламени не может распространяться в сторону горючего без окислителя или в сторону окислителя без горючего. В результате фронт пламени локализован на границе раздела горючее-окислитель окислитель пламя горючее «Околостехиом етрическая» смесь

Физика явления: горючее и окислитель диффундируют в зону пламени, в которой химические реакции преобразуют их в продукты реакции, что сопровождается выделением энергии. Продукты реакции диффундируют, а энергия рассеивается из зоны реакции как в горючее, так и в окислитель. окислитель пламя горючее «Околостехиом етрическая» смесь

Использование на практике

Горение струи газа, вытекающего из длинной трубки малого диаметра в атмосферу воздуха Ламинарное пламя

Задача Бурке-Шумана – расчет высоты ламинарного диффузионного факела r R L y Горючий газ воздух Упрощающие предположения: 1)скорости газа и воздуха в области пламени постоянны; 2)коэффициент взаимной диффузии газов постоянен; 3)процесс диффузии происходит в радиальном направлении («вытянутое» пламя); 4)смешение двух газовых струй происходит только посредством диффузии (отсутствие конвективного перемешивания).

Задача Бурке-Шумана – расчет высоты ламинарного диффузионного факела r R L y Горючий газ воздух Горение происходит в зоне взаимной диффузии кислорода и горючего, имеющей малую толщину, поэтому может рассматриваться как некоторая геометрическая поверхность. Ее можно рассматривать как геометрическое место точек, где скорость диффузии горючего газа наружу и скорость диффузии кислорода внутрь находятся в соотношении, соответствующем стехиометрическому уравнению полного сгорания.

Задача Бурке-Шумана – расчет высоты ламинарного диффузионного факела Примем следующие обозначения: t время, v скорость газа или воздуха (принятая за постоянную), х расстояние по радиусу до зоны реакции или фронта пламени, D коэффициент диффузии, c 1 начальная концентрация горючего газа, c 2 начальная концентрация кислорода, c ry концентрация горючего газа в произвольной точке, i число молекул кислорода, требуемое для полного сгорания одной молекулы горючего. r R L y Горючий газ воздух

Задача Бурке-Шумана – расчет высоты ламинарного диффузионного факела Требуется решить уравнение диффузии для газа и для кислорода при определенных начальных и граничных условиях, дополненных условием, что во фронте пламени молекулы горючего и кислорода соединяются, образуя инертные продукты сгорания. Поскольку положение фронта пламени не определено, одно из граничных условий остается неопределенным. r R L y Горючий газ воздух

Задача Бурке-Шумана – расчет высоты ламинарного диффузионного факела Примем, что кислород – «отрицательный» горючий газ, который соединяясь с обычным горючим газом, образует инертные продукты горения. Поэтому концентрация с 2 кислорода будет эквивалентна концентрации горючего газа –с 2 / i. Далее будем рассматривать процесс как диффузию «положительного» газа в «отрицательный», в этом случае фронт пламени будет представлять поверхность, где концентрация горючего газа равна нулю. Таким образом, задача сводится к диффузии одного газа при определенном начальном распределении и определенных граничных условиях. r R L y Горючий газ воздух

Уравнение диффузии (в случае цилиндрической симметрии) имеет вид Так как рассматривается стационарный установившийся процесс, то время можно исключить исходя из того, что Где v=dy/dt – скорость газа (постоянная в рассматриваемой системе)

Граничные условия: При r = 0 и r = R Решение уравнения диффузии, удовлетворяющее заданным граничным условиям имеет вид: Где c 0 =c 1 +c 2 / i, - все положительные корни уравнения J 1 ( R)=0, J 1 и J 0 – функции Бесселя первого рода:

Уравнение поверхности фронта пламени может быть выражено из вышеприведенного выражения при c ry =0 и r = x : Это выражение устанавливает связь между x и y при c ry =0, т.е. определяет размер и форму поверхности пламени. Уравнение не позволяет получить связь в явном виде и разрешается графически. В случае избытка воздуха может быть использовано следующее упрощенное выражение, описывающее высоту факела (но не форму!), которое получается из соотношения времени диффузии кислорода в поток топлива и скорости потоков:

Форма пламени при недостатке кислорода (1) и при избытке кислорода (2).

«Чашечная» горелка Длина корпуса горелки 65 cм Диаметр чашечки -1.3 cм. Линейная скорость потока воздуха 8 см/с Температура 75 o C Топливо н-гептан

Условия гашения диффузионного пламени н- гептана в чашечной горелке

Схема установки для определения эффективности гашения турбулентного очага пламени при импульсном вводе гасящего компонента. Время инжекции пламегасителя - 1 сек. Скорость потока газа над горелкой м/сек топливо - C 3 H 8 40 см 3 /сек

Фотография установки

Зависимость гасящей концентрации CF 3 Br и (CF 3 CH 2 O) 3 P от температуры гасящей смеси (воздух+пламегаситель), определенная с помощью чашечной горелки

Диффузионные пламена на противотоках горючего и окислителя ОКИСЛИТЕЛЬ ГОРЮЧЕЕ

Горелка с встречными потоками ( горелка Поттера) syringe Syringe drive N2N2 PC O2O N2N2 CH 4 N2N Mass-flow controllers nebulizer Измерение strain rate на пределе гашения пламени добавками ФОС О 2 /N 2 =2:3 CH 4 /N 2 =1:4

Выражение для определения степени растяжения пламени: V - скорость, ρ – плотность газа, L – расстояние между соплами горелки. Типичные величины степени растяжения пламени сек -1. В экспериментах без добавки ингибитора -750 с -1. 1/

Профили концентраций CH 4, O 2 и CO 2 в пламени на встречных потоках горючего и окислителя. Символы – экспериментальные данные. Линии – моделирование.

Нормированная степень растяжения пламени при введении фосфорсодержащих ингибиторов в различной концентрации

Диффузионное горение в перемешанной горючей смеси. Сферические пламена (flame balls) 1984 г, эксперимент в башне с падающим лифтом (при отсутствие силы тяжести) ~ 1 см

Стационарное горение «шарика» пламени в покоящейся среде описывается уравнениями теплопроводности и диффузии, которые имеют вид Здесь r радиальная координата, отсчитываемая от центра шарика; коэффициенты диффузии D и теплопроводности предполагаются для простоты постоянными.

При любых числах Льюиса Le= C p Dρ/ существует подобие полей концентрации и температуры T + ρDQa = T 0 + ρDQa 0 = T b ; T b =T 0 + Le(Qa 0 /c), где Т о и а 0 температура и концентрация горючего на бесконечном удалении от поверхности шарика; Т' b температура внутри шарика, которая при Le = 1 отличается от термодинамической температуры горения исходной горючей смеси T b =T 0 +(Qa 0 /c). (*)(*)

Если Е >> RT, то зону превращения можно считать узкой по сравнению с шириной зоны подогрева и радиусом шарика. Тогда в областях 1 и 2 можно решать уравнения теплопроводности и диффузии без членов, учитывающих химическую реакцию. Стационарные распределения имеют вид: Т 0 1 =Т 0 + (Т b -Т 0 )r 0 /r, T 2 0 =T b а 0 1 = a o (1-(r o / r)),a 0 2 = 0 Величины в областях 1 и 2 здесь и ниже помечены индексами 1 и 2 соответственно, стационарные величины отмечены нулем сверху, r 0 -радиус шарика.

Балансовые соотношения на поверхности шарика имеют вид: r = r 0 Здесь М количество вещества, перерабатываемое химической реакцией на единице поверхности шарика в единицу времени. Интегрированием уравнений баланса могут быть определены М и радиус шарика r 0.

Рассмотрим структуру зоны реакции. Распределение температуры в ней описывается уравнением в котором можно пренебречь членом dT/dr (толщина зоны превращения намного меньше радиуса шарика), а функцию тепловыделения выразить при помощи уравнения (*) только через температуру. Проинтегрировав получившееся уравнение, найдем: Теперь с помощью уравнений балансовых соотношений на поверхности шарика и стационарного распределения концентрации для a 1 0 : Таким образом, в сферической задаче существует решение с распределением температуры и концентрации, не зависящим от времени.

Лекция 12. Образование вредных веществ при горении, методы уменьшения их выбросов

Окислы азота NO x (х = 1, х = 2), N 2 O. К загрязнителям, продуктам неполного сгорания, относятся окись углерода, сажа, летучие органические вещества (VOC), такие как алканы, алкены, алкилы, ароматические соединения и альдегиды, а также продукты, образующиеся из веществ, содержащихся в топливах – SO 2, NO x, тяжелые металлы, HCl, HF, аэрозоли и др. ВРЕДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ОБРАЗУЮЩИЕСЯ ПРИ ГОРЕНИИ

Образование NO при горении NO может образовываться из N 2 по четырем механизмам: 1) тепловой (thermal) механизм, 2) быстрый (prompt) механизм 3) N 2 O - механизм 4) механизм топливного азота Тепловой механизм (механизм Зельдовича)

Используя условие квазистационарноcти концентрации атомов азота

Быстрый (prompt) механизм Главные пути, ведущие к образованию быстрого NO

Механизм образования NO из топливного азота..

Механизм образования NO из N 2 O N 2 O образуется по реакции

Вклады разных механизмов в образование окиси азота в перемешанном ламинарном пламени метан-воздух в зависимости от стехиометрии смеси для двух расстояний от среза горелки 0,5 и 1 см.

Механизмы и методы уменьшения концентрации NO в продуктах горения. реакции дожигания

Механизм удаления NO вводом аммиака и (NH 2 ) 2 CO Главные пути реакций при удалении NO добавками NH 3 и (NH 2 ) 2 CO.

Основные каналы удаления NO

. Мольные доли NO, NH 3, N 2 O на выходе из реактора в зависимости от температуры в реакторе.