CC BY
49
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 70 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1950 г/'
ПЛАМЯ ВОДЯНОГО ГАЗА* Н. Н. НОРКИН
I. Введение
В литературе очень мало освещены вопросы горения водяного газа; наше исследование, выполненное применительно к условиям промышленных методов сжигания газообразного топлива, представляет собою комплексное освещение основных форм горения водяного газа при постоянном давлении.
Интерес к исследованию пламени водяного газа обусловлен следующими обстоятельствами: во-первых, тем, что водяной газ представляет собою физически однородную газовую смесь, состоящую в основном из окиси углерода, водорода, незначительного количества метана и негорючих примесей углекислого газа и водяного пара, между тем как термокинетические свойства горючих составных частей (пределы воспламеняемости, скорости распространения пламени и др.) резко различны; поэтому выяснение возможного влияния в пламени отдельных горючих составных частей является актуальным, так как до сих пор существуют различные точки зрения в вопросе о преимущественном выгорании тех или иных составляющих в смеси. Во-вторых, не подлежит сомнению, что основные формы горения газов, как-то: диффузионное горение, горение частично подготовленных горючих смесей (бунзеновское горение) и каталитическое поверхностное (беспламенное) горение,—взаимно превращаемы. Поэтому комплексное исследование горения водяного газа представляет собою значительный интерес, так как позволяет выявить общие свойства горения водяного газа и характерные отличия, присущие отдельным способам сжигания. В-третьих, наконец, пламя водяного газа как источник тепла при том пли ином температурном уровне используется во многих случаях производственной деятельности, как-то: в сварочных горелках, в атмосферных горолках при огневой обработке деталей (например, на электроламповых заводах), в лабораториях и др. Поэтому количественные данные исследования представляют непосредственный производственный интерес и могут быть использованы при проектировании и регулировании газосожи-гательных устройств. *
Автором выполнены следующие исследования:
1. Состав водяного газа, получаемого в производственных газогенераторах при газификации полуантрацитовых углей. Установлено влияние насыщенного и перегретого водяного пара на состав и теплотворную способность газа, а также влияние производственного режима газификации.
Ъ Структура пламени водяного га-*а. Путем разделения двухко1усного пламени, получаемого в частично подготовленных смесях, исследован состав межконусных газов. При сжигании горючих смесей в горелка-х типа Бунзена, Меккера, в капиллярных фарфоровой и платиновой трубках уста-
* Результаты исследования доложены автором на секции па сжиганию газообразного топлива ВНИТОЭ, Москва, *4/Х1, 1У49 г.
новлен порядок выгорания составных частей газа, распределение кислорода первичного воздуха между составными частями газа и влияние катализаторов.
3. Факел пламени водяного газа в частично подготовленных горючих смесях. Исследовано влияние состава горючих смесей, диаметра горелок и режима истечения на длину факела и на распределение температуры и теплонапряженности в факеле.
4. Диффузионное пламя водяного газа. Исследовано диффузионное горение водяного газа в плоскощелевых атмосферных горелках и в экранированной топочной камере, а также в промышленной ванной стекловаренной печи, построенной на одном заводе по проекту автора. Установлено влияние скорости истечения на длину диффузионного плоскощелевого факела при одинаковых и неодинаковых скоростях истечения газа и воздуха, распределение температуры по длине факела и теплоотдачи в закрытой топочной камере.
5. Поверхностное (беспламенное) горение водяного газа. Наряду с развитием общей идеи об условиях превращения факельного горения в беспламенное, вследствие деформации нормального конического фронта пламени под влиянием гидродинамических и термокинетических факторов, выполнено экспериментальное исследование условий образования и устойчивого развития беспламенного поверхностного горения водяного газа в зернистом слое и каналовой горелке.
Исследование выполнено в лаборатории тепловой аппаратуры Томского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института. В разное время к выполнению работы привлекались научные и технические сотрудники лаборатории: Г. Д. Спецци, А. А. Стариков, Н. Д. Вылегжа-нин, Т. Я. Ваганова. !
II. Состав водяного газа
Топливом служит каменный уголь Араличевского месторождения (Кузбасс); уголь тощий, частично полуантрацитовый, не спекается.
Средний состав угля: Wp = 9,0°/0; Ас - 16,0%; S°o6m =0,8%; Сг = 88,1%;. Нг — 4,0%; Nr — 1,7%; Ог = 5,3%; содержание летучих в среднем Vr= 12,0%.
Технологический режим газификации характеризуется следующими данными: период воздушного (горячего) дутья от 2 до 3 мин., период парового (холодного) дутья от 3 до 4 мин. Период парового дутья (газование) составляет в среднем 64°/0 от времени полного цикла, и отношение времени газования ко времени воздушного дутья составляет в среднем 1,76. Уголь перед загрузкой просеивается через сито 25 мм; мелочь меньше 25 мм сжигается в топке парового котла, крупный уголь больше 25 мм загружается в газогенератор; загружаемый в газогенератор уголь по гранулометрическому составу неоднороден. Загрузка угля производится большими порциями весом, приблизительно, в 300—500 кг. Напряженность газификации в среднем 150 кг/м2час. Количество золы и шлака (выгреб) составляет в среднем 18% от загружаемого угля; газы воздушного дутья не используются, выбрасываются в атмосферу.
•
Водяной газ, получаемый в период парового дутья, имеет температуру при выходе из газогенератора около 900°С.
До ноября 1947 года в период парового дутья применялся насыщенный водяной пар давления 4 ama. ,
Средний состав водяного газа, получавшегося при взаимодействии на-• сышенного водяного пара, был следующий: СО —37,13%; С02 — 4,57%; 02-0,19%; Н2—52,3%; Н20—2,3°/0; N2—3,21%. Теплотворная способность водяного газа указанного состава
Q« = 2470 ккал\мг.
С ноября 1947 года стали применять для парового дутья перегретый водяной пар с давлением 4 ama и с температурой 325°С. В результате применения перегретого водяного пара значительно изменился состав и теплотворная способность водяного газа. В табл. 1 приведен состав водяного газа, получаемого при применении перегретого водяного пара.
Таблица 1
Состав и теплотворная способность водяного газа, получаемого при применении перегретого пара
Наименование Среднее % Минимум % Максимум И
Химический СО, 4,8 3,8 6,4
состав су- 02 0,4 0,1 0,6
хого водя- СО 29,0 24,1 36,0
ного газа Но 52,2 42,2 57,5
в % объемных сн4 6,2 2,5 8,6
N2 7,3 1,3 10,2
Теплотворная способность ккал м3 2760 2535 2930
Анализы газа производились с помощью газоанализатора ВТИ, снабженного платиновым капилляром для дожигания. Содержание С02 определялось поглощением щелочью, содержание кислорода 02—щелочным раствором пирогаллола, тяжелых углеводородов СтНп—бромной водой, окиси углерода СО—аммиачным раствором полухлористой меди и содержание метана СН4 и водорода путем сжигания в капилляре с последующим поглощением С02 и 02,
Сравнивая состав водяного газа, получаемого при взаимодействии топлива с насыщенным водяным паром и с перегретым водяным паром того же давления, заключаем, что теплотворная способность водяного газа повышается при изменении перегретого пара- от 2470 ккал/м3 до 2760 ккал\мг (в среднем) за счет увеличения содержания метана СН4 в газе.
Содержание влаги в водяном газе определялось пропусканием газа через 2 последовательно соединенные и-образные трубки, заполненные СаС12. По увеличению веса этих трубок при пропускании через них определенного количества газа определяется содержание водяного пара. В среднем содержание водяного пара в газе равно 5,2 г\мъ или 6,92 г/яг, что приблизительно соответствует температуре насыщения водяного газа равной 45°С; в действительности же температура водяного газа не пре-
вышала 18—20°С, следовательно, влага в водяном газе находится как в виде пара, так и в виде тонко-дисперсного тумана.
Содержание сероводорода Н25 в водяном газе определялось методом осаждения уксусно-кйслым кадмием; осадок сернистого кадмия титровался 0,1 N раствором иода с последующим оттитрованием избытка иода гипосульфитом в присутствии крахмала. Для этой дели использованы склянки Дрекселя, последовательно соединенные с газовыми часами. Обнаружено, что содержание сероводорода (в пересчете на серу) изменяется в значительных пределах, а именно: минимальное содержание серы 0Л2 г/ж5*, максимальное содержание серы 1,15 г/ж3 и наиболее часто встречающееся содержание серы 0,45 г/ж3. Следует заметить, что на заводе, производящем водяной газ, общей очистки газа от сероводорода не имеется, но в некоторых точках потребления устроены местное установки очистки газа от сероводорода с помощью болотной руды. При надлежащем уходе за установками местной очистки содержание сероводорода в очищенном газе понижалось до 0,08 г/>и3.
Содержание смолы в водяном газе определялось путем пропускания одяного газа через две последовательно соединенные и-образные стек-янные трубки, заполненные хлопчатобумажной ватой. Так как вместе \ со смолой вата поглощает также и водяные пары, находящиеся в газе, то после пропускания определенного количества газа (от 100 до 1000 литров) через поглотительные трубки последние нагревались в течение 1,5—2 часов в электрическом сушильном шкафе при температуре 105°С и затем взвешивались. Постоянство веса трубок после нагревания служило признаком удаления влаги из ваты. Содержание смолы в газе зависит от места отбора проб газа и режима газования. Так, в пробах, взятых непосредственно при выходе из газогенератора, содержание смолы изменяется от 0,1 г/ж3 до 0,56 г/ж3 в зависимости от времени газования. Минимальное содержание смолы соответствует периоду газования перед загрузкой свежей порции угля в газогенератор, когда в генераторе находится почти чистый кокс; максимальное содержание смолы соответствует периоду газования сразу же после загрузки свежей порции топлива, когда происходит наиболее интенсивное выделение летучих из топлива.
В пробах, взятых после очистки газа в скруббере, орошаемом водой* обнаружено содержание смолы от 0,05 г/ж3 до 0,19 г/ж3 в зависимости от времени газования. В пробах, взятых из газопровода химической лаборатории завода и в лаборатории института, т. е. после прохождения газа через довольно длинную и разветвленную сеть газопроводов, содержание смолы в водяном газе более или менее постоянное, не зависящее от времени газования, оно равно в среднем 0,04 г/ж3. Смола представляет собою-очень вязкую массу темнобурого цвета. Удельный вес её, определенный пикнометром при 20°С, равен 1,24 г\смг. Содержание свободного углерода в смоле в среднем 11, 8%; содержание влаги в смоле около 30%*. Фракционной перегонкой установлен следующий групповой состав смолы: 'первая фракция до 180°С составляет 36%, в том числе: вода 32,7%, легкое масло 3,3%; вторая фракция в интервале 230—3009С—тяжелое масло 2,6%; третья фракция в интервале 300— 320°С—первая антраценовая фракция 3,7% и четвертая фракция в интервале 320—345°С—вторая антраценовая фракция—9,2% и, наконец, пек в количестве 48,5%. Значительный выход циклических соединений (антраценовая фракция) и большой остаток пека служат указанием на то, ч^о смола является вторичной, высокотемпературной.
Несмотря на то, что количество смолы в водяном газе, поступающем в горелки, незначительное, в среднем 0,04 г/ж3, очистка водяного газа от смолы является актуально необходимой, так как атмосферные горелки с малым диаметром отверстий (около 1 мм и меньше) через короткое
время забиваются смолой, наблюдается явление „убегания" огней, т. е-явление резкого сокращения длины пламени и, наконец, полного затухания газовой горелки. Однако очистка газа от смолы не производится» кроме предварительной скрубберной обработки водой горячего газа.
III. Структура пламени водяного газа
При сжигании частично подготовленных горючих смесей, содержащих: воздух в количестве недостаточном для полного горения, образуется двухконусный факел пламени, два фронта горения. На поверхности внутреннего конуса сгорает такое количество газа, которое обеспечено наличием кислорода первичного воздуха, на поверхности внешнего конуса сгорает остальная часть газа'за счет диффузии кислорода из окружающей среды (рис, 1).
Высоты внутреннего и внешнего конусов горения зависят от первоначального состава горючей смеси, скорости и режима истечения и от диаметра отверстия горелки.
Целью нашего исследования являлось—выяснить влияние количества: первичного воздуха на структуру пламени водяного газа, что имеет важ-
Внешний конус; горение за cv&/77 кислорода, ди¿рсрундарующего из атмосерерного ёоздуха.
ßн утр емии й /со и ус; гор ей и е ser счет /с и ел ор ода /7 9р 6 и <-//-<■ о г о
духа
/Ърмэиоя слг&сб J
Рис. 1. Двухконусный факел пламени.
ное практическое значение при решении вопроса об организации факела пламени с помощью атмосферных горелок.
Исследование структуры пламени водяного газа производилось при? разделении двухконусного пламени; химическим анализом определялся состав водяного газа, газовоздушной смеси, подаваемой в горелку, и межконусных газов. Были исследованы:
1. Пламя бунзеновской горелки с эжекцией первичного воздуха из окружающей атмосферы и с принудительной подачей газа и воздуха а горелку.
2. Пламя меккеровской горелки с платиновой сеткой.
3. Сжигание газо-воздушной смеси в фарфоровой и платиновой капиллярных трубках.
Метод исследования, описание опытной установки и полученные при исследовании материалы по каждой серии опытов опубликованы в специальной статье [3].
В настоящей статье приводятся обобщенные результаты и выводы,, представленные в виде табл. 2 и на рис. 2.
Показателем относительной „горючести" любого газа, например водорода, может служить величина отношения
^_относительное содержание водорода в горючей смеси _
* относительное содержание водорода в продуктах горения
_ ?г.см ' , 1 (1)
^пр гор
ЯТЗ 13 ■по»
о о
а а» а
П> "О
а я и
-) Т> )я
05 Я п
X ь Еа •ч О)
о я тз к о> о
» я ® я К о
со о
То
э
■о
О
О +
о п:
п
ь »
о о
— Со 00 "-<1 Сл
" О К? О
юо^
Сл О Сл
—
— го 00
— сл о 0о оэ
—
— 4*» " СО
N3 1,05
в 1,53
со СЛ 1,62
4^ О
СО О
СО
—4
кз 4*. СП
4*. 00 0,59
и—
(О -<1
кз оо 0,65
—
СО 00
N3 СО 0,55
о ю
СО О Со 4^
1,66
о 0,98
2 о О эс п О М» Д М О О
со
Со
Сл Ю
•и.
Сл
СО
Сл
а>
05
СО
Сл О
СП
Сл
00
О
о
КЗ
СО
о:
ю —д
СС 00
оо 00
СО
ю
N5
Сл
СО
О СП
4^
СО № а> —
ю — кз ю
оо
со
'(О о
о
ъ
ю
кз
00
кз о
Сл
10
Сл
оо
Сл — — N3
СТ) СО
N3
сл
ю ф-
КЗ Ь-
о ■ —
(■О
Сл
о
N3
СЛ --1
4-
05
ст> "сл
Сл
со
со
(О
4*. 00
о
СО
оо
СО
о
СО
.ь. от
ю кз
Сп —
Сл
.00
сл
СО О!
.йь
СО СО
Сл N3
о
ъ>
ю —
СО
кз кэ
--о
N3 — 4^. 4^. >—
00
аз
N3 О
о
кз
о
КЗ
(О — 00 «— 05 -
4— КЭ
4^
00
■о
00 00
о
Сл
ст. "кз
КЗ
«о
N3
(О —
СС • -4 КЗ
СО
N3
СЛ
00 Сл
00
ОО
Химический состав в] процентах объемн. Доля первичного воздуха в горючей смеси Условия сжигания водяного газа
Горючая смесь о
со 4^ СЛ
'Продук. горения н •о
Горючая смесь О о» 45 05 4 05
Продук. горения -<1 СЛ "■я -1 О ТЗ
Горючая смесь О я 05
Продук. горения Сл 00 О
Горючая смесь о
Продук. горения Сл оо О
Горючая смесь о о •о л> Ьа Я 65
Продук. горения 05 КЗ о а Ь< 05
Горючая смесь о а а о ш о
Продук. горения 00 оо аг . о п> н я о я«
Горючая смесь о СО ст>
Продук. горения
Горючая смесь о Сл со •е 05 -е- <-< О смэ Я о оз а 05 а
Продук. горения
Горючая смесь Продук. горения о СО СО о» 3 а ь н в •о-а ^ 5 я ? 09
Как видно из табл. 2, для трубчатой горелки при увеличении доли первичного воздуха в горючей смеси от «1 = 0,345 до а3 = 0,580 величина
1,28 , „г _1149_ , „ 1,53 1,05
7 уменьшается:
0,88
1,45; Ь
1,42 и
13
1,62
0,95.
Из этого следует, что когда в горючей смеси количество первичного
воздуха меньше — от теоретически не обхЬдимого, тогда водород „выго-2
рает* преимущественно по сравнению с СО и СН4; когда же доля первичного воздуха больше —, тогда преимущественная „горючесть" водо-
2
рода не сохраняется и уступает место СО и СН4. Если горючую смесь сжигать на платиновой сетке, то с увеличением доли первичного воздуха относительная „горючесть" водорода увеличивается.
Сравнивая показатели „горючести" водорода при сжигании горючих смесей приблизительно одинакового состава в фарфоровой трубке и труб-
£ поисутстбии катализатора
16езЛнотолизаторя
Рис 2
ит.чосигхе.ънзз
0.5 <26 0.1 О.в интенсивность горения Н?_ и СО
'оС
£(/чм^го воз еЬ/*о б ео -рю<т/ с#еа;
чатой горелке без платиновой сетки, приходим к выводу, что „горючесть" водорода в обоих случаях почти одинаковая и) следовательно, незаметно влияние фарфора, как катализатора на избирательное горение. Сравнивая показатели „горючести" при сжигании горючих смесей приблизительно одинакового состава (<*!=: 0,345 и а2 = 0,39) в платиновой трубке и в обычной трубчатой горелке, приходим к выводу, что относительная „горючесть" водорода в присутствии платины повышается и при малой доле первичного воздуха.
Наше исследование также показывает, что в горючих смесях, содержащих Н2, СО и СН4 горение составляющих происходит не избирательно последовательно, а одновременно, но с различной интенсивностью. Если бы горение происходило избирательно последовательно, то при горении
смесей, содержащих первичный воздух в количестве большем — от тео-
2
ретически необходимого, в составе продуктов горения должен был бы отсутствовать водород, а при горении смесей с меньшей долей первичного воздуха должны бы оставаться без изменения СО и СН4, так как
количество воздуха, необходимого для полного выгорания Н2, соответствует а — —.
Показателем интенсивности горения Н2 по сравнению с СО может служить отношение
I ) в горючей смеси
0 ---- — а (2)
н.
со
в продуктах горения
На рис. 2 изображены кривые 8 = /(а) на основании результатов, приведенных в табл. 2. Кривая 1 показывает изменение 8—/(а) в отсутствии платинового катализатора и кривая 2 показывает изменение 8=/(а) в присутствии платинового катализатора.
По характеру кривой 1 усматриваем, что в горючих смесях состава
а<С_ ~ интенсивность горения Н2 приблизительно в 1,5 раза больше
интенсивности горения СО; при увеличении а интенсивности горения Н2 и СО почти одинаковы (8— 0,98), следовательно „химическое сродство" кислорода к Н2 и СО в условиях стационарного фронта пламени почти одинаковое. Подтверждением этому может служить сравнение величин свободной энергии образования СП2 из СО и Н20 из Н2: (Л К)Со, = — — 61400 ккал\молъ и (Д, V) н2о ~ — 54507 ккал\молъ.
Кривая 2 показывает, что в присутствии платинового катализатора интенсивность горения Н2 превышает таковую же для СО в 1,9 н-3,3 раза по мере увеличения доли первичного воздуха в горючей смеси.
IV. Пламя водяного газа в частично подготовленных горючих
смесях (атмосферные горелки)
Сжигание газообразного топлива в горелках с частично подготовленными горючими смесями является довольно распространенным в различных областях техники. Например, в горелках, применяющихся при огневой обработке деталей и сборке электрических ламп, в паяльных и сварочных горелках, в инжекционных газовых горелках, в бытовой газовой аппаратуре, в лабораторной практике и др. Во всех этих случаях в горелки подается или с их помощью образуется в той или иной степени подготовленная горючая смесь, состоящая из горючего газа и воздуха. Обычно в горючей смеси воздух содержится в меньшем количестве, чем это требуется для полного горения газа по стехиометрическим расчетам процесса горения, т. е. в горючих смесях коэффициент избытка воздуха меньше 1. Воздух в горючей смеси является первичным. Недостающее количество воздуха для полного горения или диффундирует из окружающей атмосферы, как это имеет место в атмосферных горелках, или до* полнительно в качестве вторичного подается в газосожигательную камеру.
На поверхности фронта, точнее говоря, на некоторой очень незначительной (доли мм) глубине фронта пламени совершается химический акт горения; во внутреннем фронте сгорает газ € первичным воздухом, количество сгоревшего газа зависит от количества первичного воздуха. Во внешнем фронте пламени догорает несгоревший газ с воздухом, диффундирующим из окружающей среды.
В настоящей работе исследован всесторонне вопрос о влиянии на длину внутреннего и внешнего конусов пламени диаметра горелки, скорости истечения, режима движения, состава горючих смесей. Одновре-
менно сделана попытка установить некоторые представления о нормальной (фундаментальной) скорости распространения пламени водяного газа путем измерения высоты (длины) конуса и последующих расчетов; при этом принято, что поверхность фронта пламени имеет правильную коническую форму.
В опытах по исследованию длины пламени и распределения температуры количество газа и воздуха определялось с помощью газометров (рис. 3). Оба газометра одинаковой конструкции, с рабочей емкостью по 17 литров каждый. Устроен каждый из них следующим образом: нижний сосуд „А" герметичен, он может быть совершенно отключен от атмосферы., Диаметр сосуда 280 мм, высота 500 мм. Внизу он имеет тубус за-
С'хёма устамо&ка дли и* дл и к 6/ <рсгАел<? ггламъми
Рис. 3
винчивающийся плотно крышкой с прокладкой, который служит, для выпуска из сосуда воды. В верхней части сосуда имеется краник „Св для выпуска из него набранного газа или воздуха. Сосуд снабжен водомерным стеклом „я* со шкалой и отводом для присоединения маномет-
ра„ На крышке сосуда „Л" на четырех ножках (трубках) прикреплен верхний напорный сосуд. Диаметр этого сосуда такой же, как и у нижнего, высота 870 мм.
Нижний сосуд сообщается с верхним при помощи крана „Ьи, установленного в центральной трубке, и крана „а", установленного в одной из боковых трубок, нижний конец которой опущен почти до самого дна нижнего сосуда.
Для того чтобы поддерживать во время каждого опыта давление газа и воздуха постоянным, было выполнено вспомогательное указывающее устройство, состоящее из цилиндрического поплавка и вертикально-то легкого стержня щта с двумя стрелками.
Приоткрытом кране паи (и ьеи) во время опыта приток воды в верхний напорный сосуд регулировался таким образом, ятобы разница уровней воды в верхнем и нижнем сосудах оставалась постоянной, причем обе стрелки должны были совпадать с водными менисками в двух водомерных стеклах (верхнем и нижнем), давление таким образом поддерживалось постоянным, о чем можно было судить и по показаниям манометров.
Перед началом опыта оба газометра заполнялись: один—газом, второй-воздухом, первыми открывались краны „а" и пс" газового газометра. Газ •поступал через сопло стеклянного инжектора „/" смесителя к горелке „/* и поджигался, затем открывались соответствующие краны воздушного газометра. ,
Регулировка количеств вытекающих газа и воздуха производилась кранами или зажимами на резиновых трубках у смесителя.
После того как получалось пламя желаемого вида, начинался опыт. Одновремено замечались уровни воды по водомерным стеклам обоих газометров и пускались два секундомера, для определения и контроля времени опыта. Затем производились измерения температуры факела пламе-
1 &
/ * -а= 3
Камера дли изнереыия длинб* <раАела пломеы».
Рис. 4
ни и высоты его. Температура измерялась с помощью —Р1Щ1 термопары в нескольких точках факела: в вершине внутреннего конуса, в трех точках, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга по высоте боковой поверхности внутреннего конуса, и в трех точках по высоте внешнего конуса (по оси его).
Измерение длины факела пламени производилось с помощью специального ^ устройства, состоящего из двух зеркал 1—1, расположенных под углом 45° друг к другу, помещенных в металлическую камеру 2 с затемненными стенками (рис. 4).
/
Благодаря затемнению, изображение пламени получалось более ясным:; кроме того, стенки камеры, защищая пламя от влияния колебаний воздуха, помогали производить более точные отсчеты.
К горелке (3) была прикреплена металлическая шкала. В зеркале, расположенном против отверстия камеры, наблюдалось изображение шкалы и, на фоне ее, пламени. БлагоДаря этому можно было легко делать отсчет,, не принимая во внимание искажение размеров изображения.
Опыты проводились с горелками различного диаметра при различных скоростях истечения и составах смеси. Количество вытекающей горючей смеси определялось по объёмам газа и воздуха, вытекающим из газометров за время опыта, отмеченное секундомером.
Скорость истечения смеси из устья горелки, коэффициент избытка воздуха, скорость распространения пламени определялись затем расчетным путем.
Состав горючих смесей изменялся от 15,8% до 73,2% водяного газа в горючей смеси; что соответствует коэффициенту избытка воздуха от а = 2,13 до а = 0,И. Скорости( истечения горючих смесей изменялись от 1,58 м/сек до 123,3 Шеек и числа Ке—от 738 до 9260. Сжигание горючих смесей производилось с помощью трубчатых горелок диаметром 0,8— — 1,25—2,9—3,7—5,0—8,0 мм без поджигающего запального пояса и диаметром 1,18—1,54 мм с поджигающим запальным поясом. Такая горелка изображена на рис. 5.
Количество горючей смеси, проходящей через запальный пояс, составляет 12% от всей горючей смеси. С горелками без поджигающего пояса выполнено 57 опытов и с горелками с поджигающим поясом—29 опытов.
На основании данных по измерению высоты внутреннего конуса пламени по общеизвестному динамическому методу В. А. Михельсона [1] рассчитаны скорости распространения пламени; в зависимости от состава горю чих смесей, скорости и режима истечения величина скорости распространения пламени изменялась от 0,19 м'сек для горючих смесей верхнего предельного состава при а = 0,14 до 2,27 м/сек для горючих смесей состава а — 0,98.
На рис. 6 построены прямые вида
изображающие зависимость между высотой внутреннего конуса /г, скоростью истечения то и скоростью распространения пламени, и для 4 горелок диаметром 1,18—1,54—2,9—3,7 мм. Для горелки любого данного диаметра высота внутреннего конуса к увеличивается пропорционально ОТВО-
да
шению — и коэффициент пропорциональности равен радиусу Горелик
ки т, т. е.
Ряс. 5. Горелка с поджиганием
(3)
!г — г
т
(4).
\
Уравнения прямых соответствуют общеизвестному уравнению В. А. Ми-
хельсона
h
-V-
1гГ
1,
в котором вследствие больших значений
/
f опытах величина
(fj
(тГ
(5)
отброшена — 1. В наших
изменялась от 360 до 4900.
На рис. 7 построены кривые вида
h=f («).
для 4 вышеуказанных горелок, изображающие изменение высоты внутреннего конуса в зависимости , от состава горючих смесей. Эти кривые не имеют плавных переходов между отдельными экспериментальными точ-
02
48
М-
4о
Jâ
S2
¿f
AS
/О
i h
MM
h^^nst(^)
Coasts €* ?/ Constu-0
COnstm - /5 -ConstГу 18$ =
A J? POptAkU "m.
Для гсрелки. da 2$ нм.
Для горелки d* iS м
Для горелки 37 мт.
о Г го /5 го 25Г 30 Jif i/o Ы 30 ДГ €0 70 JÇ
Рисб. изменение длинЬ/ Внутреннего конуса при изменении скорости истечения v скоросгпх/ распространения^
ла оме ни .и" для горелок разного диаметра
ками и взаимно пересекаются. Такой неопределенный характер кривых указывает на то, что высота внутреннего конуса зависит одновременно от a, w> Re и d. Для установления более четкой зависимости между высотой внутреннего конуса и указанными факторами в системе координат h °
— m и а построены на рис. 8 по экспериментальным данным кривые вида w
JLm = f{a)d. (7)
w
В этом уравнении m
2320
, причем для ламинарного режима истече-
ния m 94
1, для переходного режима, когда 5000 > Re > 2320 величина
Рис. 8. Обобщенные кривые изменения высоты внутреннего конуса.
Re
/я—-— и для устойчивого турбулентного режима, когда /?е>5000,
2320 '
величина т
2320
Из этого следует, что при ламинарном режиме h не зависит от численного значения Re, при переходном режиме h обратно пропорциональна
1&20 И Усто^чивом турбулентном режиме h обратно пропорциональна
2з£о~ постРоении КРИВ0Й для турбулентного режима по соображениям масштаба величина т увеличена в 10 раз).
При любом режиме истечения h прямо пропорциональна mud. Наименьшая высота внутреннего конуса получается для горючих смесей состава от а = 0,9 до а =0,7 при прочих равных условиях. При увеличении и при уменьшении а <0,7 высота внутреннего конуса увеличивается. На основании экспериментального материала и последующей графоаналитической обработки установлены следующие обобщенные математические зависимости, позволяющие рассчитывать высоту внутреннего конуса для горючих смесей одного и того же состава при изменении d,to и Re, используя для этой цели экспериментальные данные, полученные для какого-либо режима, а именно: для случая, если режим истечения
ламинарный ^переходный
—— Re = const, (8)
wd
для случая, если режим истечения
ламинарный ^ турбулентный
Г №0'5 "
турбл
35,6 —) (9)
I тР* Лаж. 1 '
Изложенное иллюстрируем примерами.
Определить высоту внутреннего конуса пламени к и скорость распространения пламени и в горючей смеси водяной газ-воздух состава 41,7% газа и 58,3° о первичного воздуха (а = 0,55) при истечении из горелки диаметром 1,18 мм со скоростью 89,2 м'сек.
Найти также, как изменится к для горелок диаметром 1,54 мм—2,9 ¡мм и 3,7 мм, если состав горючих смесей во всех случаях одинаковый, но изменяется скорость и режим истечения.
1. Для горелки £¿1 = 1,18 мм прА.^ ='89,2 м\сек число /?<?! = 6850.
По кривой 1 на рис. 8 по оси ординат для а = 0,55 находим
кл ОТ! = 0,1.
Wi
Так как режим истечения турбулентный, то
mt — }L Re*- = 0,0356. 2320
< Следовательно, высота внутреннего конуса для горелки ¿=1,18 мм
и Л 1 п 1 89>2 ос: '
=0,1 -— = 0,1 -— - = 25 мм.
10 тг 0,356
Проверка: по кривой 1 на рис. 7 1гх — 25 жж. Скорость распространения пламени д находим по уравнению (4) или па кривой на рис. 6. Для горелки йх = 1,18 мм при кг =25 л/ж
42,2,
щ
отсюда
89,2 010 , иг — —— = —— — 2,12 м сек.
42,2 42,2
2. Для горелки — 1,54 мм задаем скорость истечения = 48,8 м\секу. тогда /?£2 = 4500; так как режим истечения переходный, то при расчете по экспериментальным данным, полученным для турбулентного режима, следует использовать уравнение (8),
, чюЛЯех пе 48,8.1,54.6850 тогда Л2 = Л1 —2 -1 = 25-1-- 27 мм.
1 т^Це^ 89,2.1,18.4500
Скорость распространения пламени и2 находим по уравнению (4) или по кривой 2 на рис. 6
оп л 48,8 , с
2 32,4; щ — — ' = 1,5 м/сек.
и2 32,4 32,4
Проверка: по кривой 2 на рис. 8
¿2
т2 = 0,94,
2
но по расчету
пг2 —- .---— 1,1
А2 27 4500
48,8 2320 По кривой (2) на рис. 7 величина Л2 = 25;
„ К ,
расхождение значении —— и К в результате неточности опытов со-27_25
ставляет---.100 = 8%.
25 ;
3., Дтя горелки ¿3= 2,9 мм задаем скорость истечения 22,4 м\сек\ тогда — 4100; так как режим истечения переходный, то при расчете А3 по экспериментальным данным, полученным для турбулентного режима, следует использовать уравнение (8), тогда
= = 25 22,4.2,9.6850 ^
т^ез 89,2.1,18.4100 Скорость распространения пламени по кривой (3) на рис. 6
1 -7 Г> 2254 0 ,
_„_ — 17 2; и, = —— = - — 1.13 м-сек .
и з 17,2 17,2
Проверка: по кривой (3) на рис. 7 Л3 = 25 мм и по кривой (3) на рис. 8
т3= 1,99;
w з
по расчету
A, m 25,8.4100 -
-m3 =------= 2,01,
wz 22,4.2320
расхождение незначительное.
4. Для горелки dA — 3,7 лсдс задаем скорость истечения 11,2 л/сек» тора = 2240; так как режим истечения ламинарный, то при расчете А* по экспериментальным данным, полученным для турбулентного режима, следует использовать уравнение (9), тогда
= к Y£ 25 15,2
' 35,6.®, \ d, ) 35,6.89,2 \ 1,18 /
/
Скорость распространения пламени по кривой (4) на рис. 6
v Щ о ч П.2 , <VT /
4 — 8,1 ; и4= —— = 1,37 м\сек.
мм.
и4 8,1
Проверка: по кривой (4) на рис. 7
А* = 15,0 мм и по кривой (4) на рис. 8
По расчету
Jh!_ л,4 = 13,1.
я>4
11,2
расхождение незначительное.
Существенно важной характеристикой факела пламени частично подготовленных горючих смесей является соотношение между высотой внутреннего конуса А и полной длиной факела На рис. 9 изображены кривые вида
^ =- <р(а) (11)
для горелок диаметром 1,18 мм—1,54 мм—2,9 мм—3,7 лм*. Как видно т рисунка, кривые составляют две группы: одна группа—кривые (1) и (2). для горелок диаметром 1,18 и 1,54 мм и вторая группа-—кривые 2 и 4 для горелок диаметром ^2,9 и 3,7 мм. Первая группа кривых—для турбулентного или близкого к нему режима истечения, вторая группа—для ламинарного режима. Обе группы кривых имеют
характерный перегиб с минимальным значением — при а~0,5. Про-
I
А , 10
следим за изменением отношения — для горелок диаметром 1,18 мм и
1,54 мм. При малых значениях а длина факела наибольшая и высота внутреннего конуса составляет около половины длины факела; при увеличении а длина факела £ сокрашается, но еще быстрее сокращается высота внутреннее конуса, достигая при а~0,5 минимального значения
—; при дальнейшем увеличении а происходит дальнейшее сокращение
7. Изв. ТПИ, т. 70. в. I.
97
£ и Л, но К уменьшаетсямедленнее, чем I, вследствие чего отношений — увеличивается. Когда а приближается к 1, то внутренний и внешний
конусы сливаются. Аналогично изменяется — и для горелок диаметром
2,9 мм и 3,7 лш. Таким образом можно сделать вывод, что при турбулентном режиме истечения в горючих смесях водяной газ-воздух общая
0 55 0 50 0 45 О 40 0 35 0.30
^ N
0 25 § | 0 20 Ъ * 015
О /О 005
_ 7--- ----- • , ..
11 (?)
------- ....... V. -------- —- (?Г ® ®
) --- т -
---- / *
/1 / V
У
—
(7) У» //8 мм ф </= / 54 мм ® с/= 29 мм ф с/ = 3.7 мм
а/
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
/.О
---
} Хоэфициент из&ытна воэЭуха
¡рас В, Зависимость между высотой внутреннего конуса А мм, дяити ' факела Имм , составом горючих смесей и Эиометром гяреяах
длина факела в 2—2,5 раза больше высоты внутреннего конуса, а при ламинарном режиме истечения общая длина факьла в 5,5—6,5 раза больше высоты внутреннего конуса.
Опытами по сжиганию газокислородных смесей установлено, что относительная высота внутреннего конуса резко сокращается по сравнению с газовоздушными смесями;* так, для газокислородных горючих смесей
состава а~0,5 величина —при турбулентной! режиме истечения.
Это объясняется тем, что в газокислородных смесях скорость распространения пламени значительно больше, чем в' газовоздушных, вследствие чего к значительно уменьшается.
При горении воздушных смесей естественного газа, содержащего СН4
больше 87%, величина—сильно увеличивается и составляет приблизи-
Ь, /
тельно 0,8—0,9; вследствие малой скорости распространения пламени метана высота внутреннего конуса к сильно увеличивается.
Пирометрические характеристики факела пламени в частично подготовленных горючих смесях
Те п л о ва я плот н о ст ь горения. Тепловая плотность горения есть количество тепла, выделяющегося при горении в единицу времени на единице поверхности внутреннего конусу,т. е.
ккал
Я ——
760 720 680
360 320 280
150 /20 80 40
1 ? — t t ! "1 r- , i ; ! 1 1.....J ---- LL" J
1 \ 0 i
j -Jj_ r©
— 0 i ^y/o £0 —
—
ооЛ V > S s
о —о------- к
»
1 " " 1 0 I
/ с о/ >
— fO о > — — —
9
f
i î •
f > —
! •
■ «
t i ■ .....
a/ V.2 03 04 OS Oâ 0.7 OS OS Ю и /.2 /3 L4 /.S 1,6 /7 tô /3 20 2/ ¿2
/fo3p<sque*m ¿/з0б//т?яо ооэдуха Pi/c Ю Зависимость между тепловой ллотностью горения
f&^r , cxopocmœ распространения л/гамени ¿/¿¿fr и С0Сл?а#ол7 aopsowx смесей,
На рис. 10 йзображена кривая вида
* и
показывающая зависимость между тепловой плотностью горения q, скоростью распространения пламени ti и составом горючих смесей ос для горелок диаметром 1,18 мм—1,54 мм—2,9 мм—3,7 лиг.--При исследовании
. гл ккал факела пламени этих горелок величина q изменялась от 59 —- до
мЧек
ir<r ккал ^ q
1515-. Однако отношение — не зависит от диаметра горелки и
мЧек . и
режима истечения, а зависит только ог состава горючих смесей. В самом деле, согласно определению
q= У'газ Q « (13)
F *
где V'taz мъ1сек— количество газа, сгоревшего на поверхности внутреннего конуса, Fm2—поверхность внутреннего конуса и QpH — теплотворная способность газа.
В горючих смесях с недостатком первичного воздуха количество сгоревшего газа на поверхности внутреннего конуса определяется количе* ством первичного воздуха, т.е.
Fr _ Увозд __ A У теор 1^газ _ тт
газ — ~r ~ — — а У газ •
У теор Утеор
Здесь Увозд мъ\сек— количество первичного воздуха; Vmeop---теоретики*
чески необходимое количество воздуха; Угаз мг\сек—количество газа в горючей смеси. Но в соответствии с методом определения
и Уем _ У газ У возд _ У газ "Ь А У теор У газ _ У газ{ 1 а У теор)
~F~ F ~ F ~ F
здесь Уем м9/сек—количество горючей смеси. Следовательно;
q а У газ Q^ txQP QPH
______ _ _ _ . (15)
И УгазО + ® У теор) 1 а У теор 1 \ тг
— Г У теор
ОС
В горючих смесях с избытком первичного воздуха образуется одно-конусный факел пламени и на поверхности его сгорает весь подводимый в горелку газ, следовательно,
Я = Угаэ = Угаз 0.<>н __ _ (1
и Уем У газ 1 +а У теор 1 + а У теор
Таким образом, для горючих смесей обоих типов согласно уравнениям
XI5) и (16) величина не зависит от диаметра горелки и режима истече-
а
ния, а является функцией а.
Температура факела.пламени. Температура поверхности внутреннего и внешнего конусов пламени измерялась в нескольких точках —РЩк термопарами. Результаты измерения обработаны графически в виде кривых
-1- =/(«)• (17)
дт
Как видно из рис. 11, как в области малых значений а (от ОД4 до 0,6), так и в области больших значений (а>1,2) температура факела
зависит от величины—— и от диаметра горелки. Но в области значе-
и
ний а от 0,6 до 1,2, т. е. в наиболее практически важной, на температуру -факела диаметр горелки оказывает малое влияние; в этой области значений а температура факела зависит от величины ——, т.е. в ковеч-
и
ном счете от состава горючих смесей. Математически эта зависимость, выражается, как видно из рис. 11, эмпирическим уравнением
* =1.75-5-1,9
или приближенно в среднем
д\и
1,82,
т. е.
I — 1,82 —-—. (18>
и
Температура на поверхности внешнего конуса пламени меньше температуры на новерхности внутреннего конуса на 50 —80 °С, чем меньше а, тем больше эта разность; при а~1 разность температур равна нулю.
В дополнение к ранее приведенным примерам, иллюстриро вавшим возможность расчетов длины факела по выведенным нами соотно шениям,, определим пирометрические характеристики факела.
Для условий 1 примера, т.е. для горелки ¿/¡=1,18 мм.
По рис. 10 для а,= 0,55
Ях = 650 и 650 и, = 650.2,12 = 1360 ККаЛ
иг м сек
По рис. 11 для ах = 0,55
-^- = 2,24 и ¿, = 2,24 —^—=2,24.650= 1460 С, Ч\\их щ
По рис. 9 для ^ =0,55
Нх 0,425; 1Х=--=--25_ = 59 мм.
Ьг 0,425 0,425
Для условий 2 примерз, т. е. для горелки ¿3 = 1,54 мм по рис. 10, 11, 9 для а2 = 0,57
——— = 650; = 650; щ = 650.1,5 = 975
и2 м-сек
Ьг — 2; ¿2 = 2 —= 2.650 = 1300°С;
Нг г ¿а 27
0,425; ¿2=—1- = ----= 64 мм.
0,425 0,425
/fajpuyvexm избытка воздуха. . Рис. /А Зов a сим ос та между /7? ел?лея спорой факела t *С , т&лловои плотностью еojoехил 9 * распространения ялафено • составом
iopjouyjt CMeçeà wC # &(/aAtemp$$f 8ор*Л9#
Для условий 3 примера, т. е. для горелки — 2,9 мм
= 630= 630 и, = 630.1,3 = 820 ккал
из мгсек
= 2,11^8 = 630.2,11 = 1320°С;
4
ЧгШ з
_П 01. г _ 25
0,31;13 = —— = — 80 мм. 1% 0,31 0,31
я условий 4 примера, т. е. для горелки жж
^ -680; <74 = 680.1,41 - 960 кнал-
и% м2сек
и
1,90; ^ = 680.1,90= 1300°С;
= 0,26; Ьк = = = 56 жж.
¿4 0,26 0,26
Установлевные экспериментальные зависимости позволяют предполагать и надеяться, что полученные результаты и обобщенные зависимости могут быть использованы при проектировании и регулировании газовых горелок факельного горения.
Как указывалось -выше, пламя водяного газа частично подготовленных горючих смесей используется для огневой обработки в процессе производства электрических ламп накаливания на некоторых заводах. Для изу чения режима настройки огней, нами было выполнено исследование в про-изводственных условиях на Томском электроламповом заводе. В качестве объекта исследования был взят восьмигнездовой полуавтомат для сборки ножек электроламп. На рис. 12 представлен фотоснимок полуавтомата.
Процессы обработки ножки на отдельных позициях состоят в следующем: на первой позиции в мягком пламени горелок, установленных с двух сторон, стеклянные детали ножки нагреваются при вращательном движении клещей; на второй позиции стекло разогревается докрасна от пламени горелок, также расположенных с двух сторон; на третьей позиции размягчаются лопаточка, штабик и штенгель также под влиянием двухсто роннего нагревания. Во время перехода клещей с третьей позиции на четвертую производится штамповка лопаточки ножки. На четвертой позиции через штенгель ножки вдувается сжатый подогретый воздух, струя воздуха разрывает размягченное стекло, образуется отверстие, через которое впоследствии будет выкачиваться воздух из вакуумной лампы. На пятой позиции оплавляется пробитое отверстие и прогревается шейка и лопаточка ножки, на шестой —производится частичное охлаждение ножки в атмосфере слабого пламени; на седьмой—готовая ножка извлекается из клешей и на восьмой позиции производится очередная загрузка полуфабрикатов. Подробное описание процессов сборки электроламп изложено в книге Л. Г. Ульмишека [7].
Испытанный нами полуавтомат обрудован инжекционными газовыми горелками, аналогичными описанным выше. Горелки собираются в группы из трех, образуя скрещивающиеся огни. Общий вид горелок со скрещивающимися огнями представлен на рйс. 13.
При исследованиях производились измерения следующих величин: температуры в вершине внутреннего конуса факела пламени, температуры
Рис. 12- Восьмигнездовой полуавтомат для Рис. 13
сборки ножек электроламп.
в месте скрещивания огней, длины внутреннего конуса, анализа горючей смеси и давления газа, воздуха и горючей смеси.
Схема измерений изображена на рис. 14. '
В таблице 3 приведены сводные результаты исследования для горелки-диаметром 1,2 мм.
Сравним полученные в производственных условиях результаты исследования с таковыми же, полученными в лабораторных условиях для горелки диаметром 1,18 мм. Температура факела пламени в производственных условиях значительно ниже, чем в лабораторных условиях для горючих смесей одинаковою состава. Так, для горелки диаметром 1,18 мм, испытанной в лабораторных условиях, при составе горючей смеси: 35-^-37% газа и 65.-5-63% воздуха (а = 0,37-^0,67), температура факела приблизительно 1500°С, между тем как для горелки диаметром 1,2 мм9 испытанной в производственных условиях при том же, приблизительно, составе горючей смеси, температура факела не превышает 1260°С. Такая резкая разница в температуре обусловлена большим различием в скоростях истечения горючих смесей: в лабораторной горелке скорость истечения приблизительно равна 80 м\секл а в производственной горелке скорость истечения изменялась в пределах 25—43 м\сек. Так же влиянием пониженной скорости истечения в производственных условиях следует объяснить и меньшую высоту внутреннего конуса факела: для горелки в производственных условиях высота внутреннего конуса изменялась от 12,6 мм до 22,8, а для лабораторной горелки—24 мм.
/17очЬт -у fi исполЬ. jotwbmtê /г**fArvè для *т9Ьрт смеси для
Ф МША U3 9.
Рис. 14. Схема измерений£н& ножечном полуавтомате,
jQaS> ujArepeMvù <Гбгле £б/5ран& пазиу v», stoca е Aomopeù г*роил~ , £фдип?ся U/mOAfnoS^C.
то л ¿А:о одма no3c/c(ugif £б/&р<7"ноя уля ааме/хнии
Таблица 3
\ Показатели испытания инжекционной горелки диаметром 1,2 мм
на сборочном полуавтомате
е « Давление горючей смеси перед горелкой мм в. с. Скорость истечения мм ¡сек • Состав горючей смеси „ Высота внутреннего конуса мм Температура °С
iras % воздух % а в вершине внутренне-^ го конуса ! в месте 1 скрещивания огней
1 141 62,0 38,0 0,23 14,8 1130 1080
2 164 36,8 62,0 38,0 0,23 20,0 1130 1100
3 150 . 35,0 51,2 48,8 0..Î6 18,3 1065 1090
4 - ■ 157 36,0 51.2 48,8 0,,-ifi 21,0 1155 1130
'5 ; 153 35,2 46,1 5^,9 0,45 23,4 1130 1105
6 159 36,0 40,5 59,5 0.56 20,0 1175 ИЗО
7 159 35,9 38,0 е2,0 0,Ь2 18,9, ÎO'JO ИЗО
8 142 34,0 , 34,2 65,8 0,7,} 22,8 1058 1065
9 2С6 41,0 34,2 65,8 0,73 16,8 1145 1114
10 90 25,0 33,3 66,7 0,76 12,6 1100 790
11 95 27,8 33,3 66,7 0,76 12,8 1100 800
12 107 29,6 33,3 66,7 0,76 13,Q 1140 940
13 124 32,0 33,3 66,7 0,76 14,2 1220 1000
14 144 33,0 33,3 66,7 0,76 15,2 1240 1080
¡5 226 43,0 33,3 66,7 0,76 18,8 1260 1170
16 264 46,5 32, Ь 67,4 0,79 ) 9,8 1260 1170
17 187 . 39,0 31,7 68,3 0,82 16,2: . 1200 1170
18 174 . 38,0 31,7 68,3 0,82 15,7 1205 1070
Затем также в производственных условиях была испытана горелка диаметром 1,5 мм на полуавтомате для сборки ножек. Результаты исследования представлены в табл. 4.
Таблица 4
Показатели испытания инжекционной горелки диаметром 1,5 мм
на сборочном полуавтомате
Давление го- Скорость
рючей смеси истече-
С перед горел- нии
2 кой мм в. с. м}сек
1
2
3
4 ,г) 6
7
8 9
10 11
Состав горючей с,меси
газ Я>
воздух »
470 462
452 620 452 600 600 432 428 590 580
62,0 61,5 61,0 71,0 61,0 70,0 70,0 59,0 58,8 69,3 69,2
65,0 54,0 52,0 52,0 50,5
50.5 48,0
47.6 44,3 41,6 40.0
35,0 46,00 48,0 18,0 49,5 49,5 52,0 52,4 55,7 58,4 60,0
0,2 0,33 0,35 0,35 0,37 0,57 0,41 0,42 0,47 0,53 0,57
Высота внутреннего конуса Мм
Температура °С
в вершине внутреннего конуса
в месте скрещивания огней
48.1
47.8
34.9 47,6
34.2
46.5 41,2 .49,1 29,0, 39,0
33.6
1160 1100 1170 12<0 1220 1255 1265 1160 12^0 1285 1290
1275
1276 12У0 1290 1280 1305 1305 1300 1275 1310 1310
Сравнивая полученные в производственных условиях результаты исследования с таковыми же, полученными в лабораторных условиях для горелки диаметром 1,54 мм, констатируем, что в обоих случаях температуры в факеле пламени получены одного и того же порядка для горючих смесей, приблизительно, одинакового состава, но высота внутреннего конуса факела для горелки в производственных условиях несколько большая, чем для горелки в лабораторных условиях. Приблизительное совпадение температуры в обоих случаях и небольшое расхождение в высотах внутреннего конуса объясняется тем, что скорости истечения горючей смеси в производственных горелках имеют несколько большее значение.
V. Поверхностное беспламенное горение водяного газа
Одной из форм горения газов является поверхностное каталитическое беспламенное горение; это горение характеризуется следующим: 1) газ и воздух перед поступлением их в горелку предварительно тщательно смешиваются до состояния однородной смеси; 2) горюча^ 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.
Условия взаимного превращения различных форм горения газов сформулированы автором [2].
При поверхностном горении фронт пламени значительно деформируется под влиянием гидродинамических, тепловых, каталитических и других явлений. Причины, влияющие на деформацию нормального конического фронта пламени, следующие: а) вследствие увеличения скорости истечения горючей смеси параболическая эпюра распределения скоростей по сечению
потока спрямляется, вследствие чего конический фронт пламени становится илвским; б) поверхность фронта пламени, при переходе от факельного горения к беспламенному, уменьшается, вследствие чего тепловыделение при горении сосредоточивается на меньшей поверхности; в) при поверхностном горении скорость распространения пламени увеличивается в десятки и сотни раз по сравнению с таковыми же при факельном горении.
Исследование поверхностного беспламенного горения водяного газа производилось следующими способами: 1) сжиганием в кварцевой трубке, заполненной огнеупорными зернами; 2) сжиганием в опытной печи с зернистым слоем и 3) сжиганием в каналовой горелке. Опыты по сжиганию водяного газа в кварцевой трубке и в опытной печи с зернистым слоем описаны в опубликованной работе автора [2], а также частично приведены в монографии проф. М. Б. Равича [6]. Что же касается сжигания водяного газа в каналовой горелке, то об этом сообщается в настоящей работе.
Каналоваягорелка—огнеупорный блок сделана из высокоглиноземистого огнеупорного шамотного материала. Размеры блока: наружный диаметр 195ми, толщина 100 мм. В блоке 48 отверстий диаметром 3/55 мм. Чертеж горелки приведен на рис. 15.
Скорость прохождения горючей смеси через узкие отверстия диаметром 3 мм составила 20 м/сек и через широкие отверстия диаметром 15 мм— —0,8 м/сек. Расход газа в горелке 7 мг\час и воздуха 18 м3/час, состав горючей смеси соответствует коэффициенту избытка воздуха а =1,02.
Давление в смесителе 50 мм вод. ст. При таком гидравлическом режиме проскоков пламени в подводящую камеру и в смеситель не наблюдалось. Накал на поверхности и внутри блока равномерный, температура, измеренная оптическим пирометром, около 1500°С.
Поверхностная тепловая напряженность горения, т. е. количество выделяющегося тепла, отнесенное к излучающей поверхности горелки, составила в среднем 650 00J ккал!мЧас.
Объемная тепловая напряженность горения, т. е. количество выделяющегося тепла, *отнесенное к объему каналов в блоке, составила 37, 106 ккал/мНас.
VI. Заключение
Автором выполнено комплексное исследование горения водяного газа. Это исследование подтверждает положение автора о взаимной превращаемости основных типичных форм горения газов и выявляет специфические для каждой формы условия устойчивого развития горения.
Исследование горения водяного газа производилось в лабораторных
Р" 50мм ¡с. £ = !ш'с
Рис ¡5.
каиаловая горели а веспламенного
горения.
условиях, в обстановке, приближающейся к производственным условиям, и в промышленных тепловых установках. ' ■ ^
- Так, в лабораторных условиях выполнено исследование структуры пламени водяного газа путем разделения двухконусного пламени, влияние платины как катализатора на процесс горения, влияние состава горючих смесей, диаметра горелок и режима истечения на длину факела и распределение температуры и теплонапряженность в факеле; диффузионной горение водяного газа в плоскошеле^ых атмосферных горелках; поверхностное^ беспламенное горение водяного газа и влияние гранулометрического состава зернистого слоя на устойчивость и тепловую напряженность.
Исследование: диффузионного горения в экранированной топочной камере проведено в обстановке по масштабам и условиям, приближающимся к производственным. Подробное описание исследования диффузионного го^ рения водяного газа освещено в статье автора [5]. Работа и конструкция промышленной ванной стекловаренной печи, построенной по проекту автора на одном государственном союзном зароде, производящем электрические лампы накаливания, описана автором в статье [4].
Объектом исследования являлся водяной газ, производимый при газификации тощих каменных углей.
Наиболее существенными результатами комплексного исследования горения водяного газа являются следующие.
1. При исследовании структуры пламени водяного газа методом двухконусного раздельного горения в горелках Бунзена, Меккера, с платиновой сеткой, а также в фарфоровой и платиновой трубках установлена последовательность выгорания отдельных составляющих водяного газа и влияние доли первичного воздуха и платины на последовательность выгорания.
2. При исследовании пламени водяного газа в частично подготовленных горючих смесях с помощью горелок разного диаметра и конструкции установлена зависимость между длиною факела, скоростью истечения, характером движения, диаметром горелок, составом горючих смесей и распределением температуры в факеле. Есть все основания считать, что полученный фактический материал и математические зависимости могут быть положены в основу при проектировании атмосферных горелок и при регулировании огневого режима в промышленных установках в процессе эксплоатации.
3. При исследовании диффузионного пламени водяного газа плоско-щелевой атмосферной горелки и в экранированной топочной камере показано, что несмотря на ряд затруднений, возникающих при практическом пользовании математическим аппаратом физической теории диффузии, несмотря на . неизбежность вводить те или иные упрощающие допущения, все же возможен и необходим предварительный расчет диффузионного факела, так как аействительно наблюдаемые в опытах величины являются довольно близкими к расчетным. Кроме того предлагается метод расчета диффузионного факела при неодинаковых скоростях истечения газа и воздуха с помощью эквивалентной толщины диффузионного слоя.
4. По проекту автора построена ванная стекловаренная печь на водяном газе с подогревом воздуха в регенераторах. Эта печь находится в эксплоатации на одном электроламповом заводе с 1944 года. Отличительная особенность печи автора—малые габаритные размеры; удачное же проектирование малогабаритных ванных печей, как известно, является затруднительным, а опытных данных в распоряжении автора не было.
5. При исследовании поверхностного горения водяного газа в зернистом слое и в каналовой горелке выявлены условия устойчивости этого процесса, влияние диаметра и удельного веса зерен, составляющих слой, и достигнут пирометрический коэффициент горения 0,85. Результаты этого
исследования могут быть положены в основу проектирования высокотемпературных муфельных (тигельных) печей, работающих на холодной горючей смеси.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. В. А. Михельсон. Собрание сочинений, т. 1, 1930.
2. Н. Н. Норкин. Изв. Томского политехнического института, т. 64, 1948.
3. Н. Н. Норкин и Г. Д. Спецци. Изв. Томского политехнического института, т. 66> 3, 1948.
4. Н. Н. Норкин. Изв. Томского политехнического института т. 64, 1948. •5- Н. Н. Норкин. Изв. Томского политехнического института, т. 70, 1950.
6. М. Б. Равич. Поверхностное беспламенное горение. Изд. АН СССР, 1949,
7. Л. Г. Ульмишек. Производство электрических ламп накаливания, 1949.
ч
