Процессы горения. Расчет процесса горения.

В химической технологии процессы горения имеют самые различные назначения. В частности, выделим два основных процесса:

Сжигание топлива с целью получения необходимого количества тепла для проведения химических процессов.

Cжигание продуктов с целью получения веществ, необходимых для дальнейшей переработки.

Иногда эти процессы протекают совместно. Интенсификация процессов горения является очень важной задачей, т.к. позволяет увеличить КПД и уменьшить размеры устройств для сжигания, сэкономить топливо, увеличить выход условного продукта.

Как известно, при горении происходят следующие основные процессы:

Прогрев частиц горючего вещества до начала испарения.

Испарение горючего вещества

Горение, связанное с транспортированием кислорода к горючему и окисление последнего.

Два первых процесса протекают в гетерогенной системе: газ - твердое вещество, газ - жидкость (кроме горения газа).

 

Третий процесс протекает в гомогенной газовой среде. Практически все три процесса протекают одновременно. Применение УЗ колебаний основано на турбулизации факела горения и прилегающей к нему области с помощью УЗК. При этом, возможно воздействие как на сами частицы, так и окружающую среду.

Возникновение высокочастотных турбулентных пульсаций в топочной камере под воздействием акустического поля связано с появлением поверхностных волн на плоском фронте пламени, представляющем собой своеобразную поверхность разрыва.

При горении нет предварительно подготовленной смеси, и струя горючего подается в топочную камеру, наполненную окислителем (воздухом). В этом случае отсутствует четко выраженный фронт горения, а воспламенение происходит в области соприкосновения потока горючего с окислителем. Скорость горения при этом зависит от скорости перемешивания горючего с окислителем.

Воздействие акустических колебаний резко меняет характер горения диффузионного факела. Во-первых, сильно сокращается длина «холодного» ядра, и зона воспламенения приближается к горелке; во-вторых, резко возрастает градиент температур в зоне горения; в-третьих, примерно в четыре раза увеличивается глубина выгорания топлива.

Изменение характера горения объясняется возникновением турбулентных вихрей в связи с сильным затуханием и рассеиванием акустических колебаний на границе раздела сред. Однако, для эффективного воздействия акустических колебаний на процесс горения необходимо подбирать частоту и интенсивность акустических колебаний.

Частоту акустических колебаний можно подбирать, исходя из того, что при движении струи газа воздействие акустических колебаний приводит к увеличению неустойчивости струи и появлению вихрей.

Механизм ускорения процессов заключается в том, что малые частицы колеблются в фазе и с амплитудой среды. Крупные отстают от колебаний среды и вокруг них образуются гидравлические потоки, т.е. сложные вихревые движения. Они и определяют интенсификацию процесса горения. Расчеты и опыты показывают, что для создания потоков вокруг частиц необходима интенсивность порядка 145 - 155 дБ.

УЗ устройства, вмонтированные в камеры сгорания, позволяют интенсифицировать процесс горения жидкого топлива до эффективности сжигания газообразного топлива.

УЗ аппараты и устройства для ускорения химических реакций, связанных с горением

Воздействие осуществляется либо в специальных резонансных камерах - топках, либо в топках с акустическими форсунками. Акустическая камера сгорания представляет собой емкость, в которую подается сжигаемый материал и одновременно создаются колебания. Источником УЗ колебаний служат свистки-сирены, монтируемые в стенках камеры. Воздух, питающий свистки, является одновременно и окислителем. Частота колебаний выбирается соответствующей резонансной частоте камеры.

Акустические форсунки представляют собой статические сирены, в которые одновременно с окислителем (воздухом) в область формирования УЗ колебаний через трубку подается топливо.