Вихревые горелки

закручивающих устройств.

1. Закручивающее устройство с осевой и тангенциальной по¬дачей наиболее эффективно при малых интенсивностях закрут¬ки, но малоэффективно при больших интенсивностях закрутки. Например, при S=1 его эффективность ε=40%. Столь низ¬кая эффективность связана главным образом с большой пло¬щадью внутренней поверхности внутренней трубы горелки, осо¬бенно вверх по потоку от отверстия тангенциальной подачи.

2. Закручивающее устройство с адаптивным блоком имеет относительно низкую эффективность при низкой и средней интенсивности закрутки (ε=58% при S=0,4), но его эффективность остается неизменной и может даже повышаться при более высокой интенсивности закрутки.

3. Закручивающий аппарат с радиальной подачей потока имеет относительно высокую эффективность (ε=75% при S=1).

4. Закручивающий аппарат с осевой подачей имеет относительно низкую эффективность (ε=30% при S=1).

Эффективность закрутки представляет собой меру создания конкретной интенсивности закрутки S; это вовсе не мера эффективности создания определенного типа поля течения; это означает, что при одинаковой интенсивности закрутки различными типами закручивающих устройств (с различными профилями скорости на выходе) создаются разные поля течения вниз по потоку.

3. ТОПКИ, ГОРЕЛКИ И ЦИКЛОНЫ

На рис.1.30 приведен эскиз экспериментальной топки Меж¬дународной организации исследования горения (IFRF) с пе¬ременным отводом тепла, использованной для подробного экс¬периментального исследования гидродинамики и теплообмена. Топка имеет длину примерно 6,3 м и поперечное сечение 2Х2 м. Она состоит из 17 поперечных охлаждаемых водой секций. Горелка и труба расположены в центре торцевых по¬верхностей. Во время испытаний серии М-3 использовались две высокоскоростные туннельные горелки для природного газа, показанные на рис.1.31, в которых достигается полное сгора¬ние на выходе из горелки. Продукты сгорания по¬ступают в топку без закрутки и горизонтально или под углом 25° к горизонту. В предыдущих испытаниях в IFRF были исследованы пламе¬ни распыленной нефти и измельченного в порошок угля с за¬круткой.

Рис.1.30. Экспериментальная топка IFRF для исследования теплообмена в се¬рии испытаний М-3.

Существует много различных типов топок - топка котла электростанции отличается, например, от топок в металлургической и обрабатывающей промышленностях. Топки играют важнейшую роль в современном обществе, и их эффективность и характеристики загрязнения среды могут привести к далеко идущим последствиям. Однако во всех случаях особенно важ¬ной является возможность управления пламенем с целью со¬здания заданных распределений лучистого и конвективного теплообмена, полного сгорания, предотвращения шума, пульса¬ции и чувствительности к изменениям свойств топлива. В боль¬шинстве топок пламени придается некоторая закрутка с целью повышения устойчивости, тогда как в некоторых других случаях, например в котлах с тангенциальной подачей топли¬ва, потоки на входе направляются тангенциально к огневому ядру, образующемуся в центре камеры.

Рис.1.31. Конструкции высокоскоростных туннельных горелок: а - горизонтальная; б - наклонная.

Тогда в камере с закруткой возникает слабый эффект циклонного типа или в ре¬зультате получается циклонная камера с движением закру¬ченного потока относительно геометрической оси оборудования. Важными конечными характеристиками процесса являются температура, распределение тепловых потоков на стенках и эффективность сгорания, и они непосредственно связаны с об¬разованием загрязняющих веществ, таких, как сажа и оксиды азота. Конструктору и оператору необходимо знать, как эти параметры зависят от количества движения и угла подачи струй топлива, температуры предварительно подогретого возду¬ха и формы камеры. Ясно, что проблема моделирования очень сложна, она включает взаимодействие турбулентного горения многих химических компонент с многофазными процессами (частицы жидкого или твердого топлива и углерода в поле те¬чения) и с лучистым теплопереносом. Как указывается в лите¬ратуре, моделирование в той или иной степени включает рас¬пределение по размерам частиц (рассчитанное в диапазонах конечных размеров во всех точках области), потоковые или. зонные характеристики лучистого теплопереноса и данные о рас¬пределении сажи (сажа образуется в результате термического разложения углеводородов и ликвидируется окислением; оба процесса представляют собой сложную задачу химической ки¬нетики).

В случае турбулентных диффузионных пламен процесс сгорания определяется структу¬рой потока и смешением. В обзоре обсуждаются методы рас¬чета, основанные на законах подобия турбулентных струй, тео¬рии потока в гомогенном реакторе и на полных уравнениях в частных производных для турбулентного течения. При сгора¬нии капель и частиц необходимо учитывать скорости гетероген¬ных реакций и требуется знать распределения частиц по раз¬мерам и в пространстве. Эмиссия загрязняющих веществ, та¬ких, как углеводороды, сажа и оксиды азота, может быть уменьшена соответствующим управлением закономерностями изменения температуры и концентрации в области сгорания. В обзоре представлены также методы расчета лучистого пото¬ка тепла от пламени к тепловым стокам в порядке возрастаю¬щей сложности: модель с хорошим перемешиванием, модель длинной топки, многопотоковая модель и зонный метод анали¬за.

Рассмотрим теперь некоторые применения закрученных те¬чений: в горелках, вихревых устройствах и циклонах.

Особый случай представляют тороидальные горелки (рис.1.36), которые конструируются специально для достиже¬ния высокой интенсивности тепловыделения при высокой тем¬пературе в результате сжигания жидкого или газообразного топлива с непосредственным использованием кислорода. Про¬дукты сгорания с высокой степенью диссоциации обеспечивают очень большие конвективные потоки тепла при рекомбинации на более холодных поверхностях; примеры их применения включают процессы рафинирования стали и меди при их про¬изводстве электродуговым методом или в мартеновских печах. В этих горелках иногда возникает неустойчивость, аналогичная встречающейся в ракетных двигателях. Для ракетных двигателей характерны три основных типа неустойчивости: неустойчи¬вость в камере сгорания, неустойчивость системы и собствен¬ная неустойчивость. К первой категории от¬носятся явления гидродинамической неустойчивости, возникаю¬щие во многих системах сгорания, но особенно в камерах сго¬рания твердотопливных и гибридных ракетных двигателей. Пример приведен на рис.1.37, где в определенной конструкции камеры сгорания, аналогичной тороидальной горелке, возникает гидродинамическая неустойчивость. Вблизи форсунки образу¬ется тороидальный вихрь. Он захватывает горячие газообраз¬ные продукты сгорания, поступающий из форсунки окислитель, газообразное горючее из области поверхности горючего, сопри¬касающейся с вихрем. При критических условиях смесь этих газов воспламеняется и сгорает, создавая местное повышение давления, распространяющееся вниз по потоку. Этот процесс периодически повторяется.

Во многих других типах циклонных пылевых газоочистите¬лей, циклонных сепараторов, пылеосадителей с вращающимся потоком и форсунок для распыления жидкого топлива исполь¬зуются свойства закрученного и вихревого течений. На¬пример, в циклонных сепараторах (рис.1.38) крупные части¬цы отбрасываются к стенкам под действием центробежных сил (или вследствие недостаточной величины центростремительных сил) в сильно закрученном потоке. Они опускаются вме¬сте 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 противополож¬ного конца.

Центробежные эффекты также проявляются в на¬гревателях типа бака с перемешиванием, когда бак с жидкостью нагревается от окружающей паровой рубашки. Переме¬шивание жидкости с помощью колеса с лопатками и установ¬ленные на стенке перегородки увеличивают турбулентность и интенсифицируют теплоперенос.

4. ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ

В топливосжигающих устройствах наряду с другими воз¬можностями воздействия на характеристики пламени часто ис¬пользуется закрутка . Закрутка воздуха, впрыскиваемого топлива или того и другого весьма благоприятно сказывается на структуре течения, что в свою очередь способствует дости¬жению проектных характеристик устройств. Для того чтобы придать потоку вращение, используются лопаточные завихрители, закручивающие устройства с аксиаль¬но-тангенциальным подводом, а также непосредственный тан¬генциальный вдув в камеру сгорания. Интенсивность закрут¬ки обычно характеризуется безразмерным параметром S, кото¬рый представляет собой отношение потока момента количества движения к потоку осевого импульса, умноженному на эквива¬лентный радиус сопла. Согласно экспериментальным данным закрутка влияет на крупномасштабную структуру потока и пропорциональ¬но своей интенсивности изменяет ширину струи, скорость эжекции, темп вырождения неравномерности (в химически инерт¬ных потоках), размер, форму и устойчивость факела и интен¬сивность процесса горения (в потоках с химическими реакция¬ми). В сильнозакрученных потоках (где S > 0,6) имеются значительные осевые и радиальные градиенты давления, кото¬рые приводят к образованию ЦТВЗ, отсутствующей при мень¬ших значениях параметра закрутки. Наличие этой зоны с ин¬тенсивной завихренностью способствует выполнению ряда тре¬бований, предъявляемых к камерам сгорания, а именно позволяет:

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