Исследование интенсивности теплообмена прямого и обращенного пламени на продольном стабилизаторе

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время процесс сжигания различных видов топлива, включая природный газ, является основным источником энергии. Особое внимание уделяется исследованию характеристик прямого, обращенного и опрокинутого пламени на газовых горелках, так как эти режимы горения оказывают влияние на эффективность работы оборудования и уровень выбросов загрязняющих веществ; необходимы дополнительные исследования структуры пламени и параметров, определяющих его устойчивость.

В статье [1] показано, что стабилизация пламени происходит только в определенном диапазоне скоростей потока. В работе [2] авторы изучали устойчивость и структуру пламени конической формы при сжигании метановоздушной смеси. В исследовании [3] описаны эксперименты, которые позволили оценить теплопотери в обращенном пламени, стабилизированном на срезе тонкого стержня. Авторами работы [4] выявлено, что гидродинамические характеристики обращенного пламени, полученного на продольном стабилизаторе, приводят к возникновению вихрей около фронта пламени и влияют на процессы тепло- и массообмена в камере сгорания. Изучение механизма стабилизации пламени газовой горелки на перфорированной пластине представлено в работе [5]. Результаты исследования особенностей горения газов и теплопереноса в цилиндрической камере сгорания описаны авторами в исследовании [6]. В статье [7] изложена методика определения динамических характеристик температурных и структурных параметров пламени.

В работах [8][9][10][11] определялись такие физические параметры: скорость фронта пламени, концентрация газов, входящих в состав горючей смеси, и распределение температур. Газовоздушное пламя благодаря своей высокой устойчивости в широком диапазоне режимов горения находит применение в различных областях, таких как энергетические установки, газовые горелки и экологические системы сжигания [12][13][14][15].

Целью данного исследования является выполнение экспериментальных исследований и количественный анализ характеристик теплообмена в условиях обращения и инверсии пламени в потоке пропано-воздушной смеси на продольном стабилизаторе.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для проведения экспериментов исследования пламени и последующего анализа влияния режимов течения была разработана экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 1. Цилиндрический калориметр с камерой сгорания являлся основным элементом установки; внутри камеры происходила стабилизация фронта пламени (2), которая способствовала равномерному горению и точному определению тепловых параметров. Различные по форме пламена моделировали с помощью стабилизатора в виде тонкого стержня диаметром 2 мм (3), расположенного вдоль оси сопла (4) с круглым сечением и диаметром 4,8 мм. Часть металлического стержня находилась внутри полости сопла для обеспечения необходимого режима стабилизации пламени. 

Температурные параметры жидкости измерялись с помощью термопары (5), установленной в центральной области калориметра, а также регистрировались с помощью мультиметра (6). Экспериментальные серии проводились на стехиометрической смеси пропана и воздуха, подготовленной в газометре вытеснения (7). Расходомер газа (8) позволял контролировать скорость подачи пропановоздушной смеси на уровне 2,4 л/мин с помощью газового крана (9) экспериментальной установки. Такой расход обеспечивал устойчивое горение как прямого, так и обращенного пламени на стабилизаторе.

Камера сгорания калориметра, изображенная на рис. 2, состояла из двух полых металлических цилиндров, расположенных в пространстве на одной оси (1, 2). Пространство между внутренней поверхностью внешнего цилиндра и наружной поверхностью внутреннего цилиндра (3) заполнялось изопропиловым спиртом, который использовался в качестве нагреваемой жидкости для измерения тепловых потоков, а его температуру измеряли термопарой (4). Общая высота калориметра составляла 175 мм, внутренний диаметр конструкции – 65 мм, а толщина стенки – 0,1 мм. Для минимизации тепловых потерь калориметр был дополнительно теплоизолирован с внешней стороны (5).

Исследование влияния положения стабилизированного фронта пламени относительно направления силы тяжести на интенсивность теплообмена проводилось путем поворота камеры сгорания, сочетаемой с соплом и стабилизатором, на 180° вокруг горизонтальной оси. Такой поворот обеспечивал возможность наблюдения за опрокинутыми формами прямого и обращенного пламени.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В данной работе под обращенным пламенем понимается конфигурация фронта горения предварительно перемешанной газовоздушной смеси, устойчивого на осевом или поперечном стабилизаторе, в условиях дозвукового потока, при которой фронт формирует инвертированный конус (для осевого стержня) (рис. 3 посередине) или V-образную структуру (для поперечного стабилизатора). Такая конфигурация пламени обеспечивается замедлением потока в пограничном слое у поверхности стабилизатора, локальным балансом скорости горения и скорости потока, а для поперечных тел – зонами рециркуляции и вихревыми структурами, отклоняющими фронт вверх по течению. Это явление принципиально отличается от классического прямого конуса пламени, стабилизированного на срезе горелки, где фронт ориентирован по направлению потока (рис. 3 слева). Обращенные пламена актуальны для систем с экстремальными параметрами (высокоскоростные потоки, бедные смеси), где требуется повышенная устойчивость горения. 

На рис. 3 справа показана фотография «опрокинутого» обращенного пламени. При «опрокидывании» фронт, сохраняя положение и форму конуса против направления потока, стабилизируется в условиях, когда поток смеси направлен по ускорению свободного падения (например, подача смеси сверху вниз). Этот случай отличается от классических случаев, где смесь обычно подается против силы тяжести, что создает дополнительные физические эффекты: горячие продукты сгорания, обладающие меньшей плотностью, под действием архимедовой силы стремятся двигаться вверх, навстречу потоку газовой смеси, усиливая тенденцию к срыву пламени. При опрокидывании фронта пламени в экспериментах наблюдалось самопроизвольное возникновение вихревых структур в камере сгорания в области фронта пламени (рис. 4).  

Для визуализации турбулентных потоков в пламени применялся метод светящихся частиц: в газовоздушную смесь вводились частицы окиси магния, поступавшие из контейнера, закрепленного на газовой трубке установки. Эти частицы освещались плоским лазерным лучом, что позволяло осуществлять наблюдение за формированием вихрей, их геометрией и расположением. Формирующиеся турбулентные структуры приводили к усилению теплообмена между областью горения и стенками камеры сгорания, оказывая значительное влияние на процессы теплообмена и протекание химических реакций во фронте пламени.

Одним из критериев подобия, используемых для количественной оценки теплообмена между газовым потоком и твердой поверхностью, является безразмерное число Нуссельта (Nu), которое определяется по следующей формуле:

,(1)

где α – коэффициент теплоотдачи, L – характерный размер исследуемой области, а λ – коэффициент теплопроводности среды.

Для сравнения интенсивности процессов теплообмена в двух случаях можно воспользоваться отношением Nu₁/Nu₂. Скорость роста температуры поверхности dT_s/dt определяется тепловым потоком q и теплоемкостью материала:

,(2)

где ρ – плотность материала поверхности, c_p – удельная теплоемкость, δ – характерная толщина прогрева. Тепловой поток q выражается через α и разность температур:

 ,(3)

T_g – температура газа, T_s – температура поверхности.

Подставляя q из уравнения (3) в уравнение (2) и выражая коэффициент теплоотдачи α через число Нуссельта Nu (1), получаем:

 ,(4)

Для двух разных условий отношение Nu₁/Nu₂ пропорционально отношению скоростей роста температуры:

,(5)

Если геометрия и свойства материалов поверхностей и газов одинаковы, а разности температур сопоставимы, то согласно (4) и (5): 

,(6)

Таким образом, для сравнения интенсивностей процессов теплообмена можно использовать отношение скоростей нагрева поверхностей теплообмена (6). Анализ временных зависимостей изменения температуры в калориметре, представленных на рис. 5, позволил оценить скорости нагрева жидкости в калориметре для различных типов пламени.  

После анализа экспериментальных данных установлено, что интенсивность теплообмена возрастает в диапазоне 2,81–3,94 раза при стабилизации фронта горения на продольном стержне в условиях, отличающихся от прямого пламени. При инверсии пламени наблюдается рост скорости нагрева жидкости в калориметре в 4,92–5,23 раза. Обнаружено, что при опрокидывании пламени зафиксировано увеличение скорости нагрева в 6,43–8,42 раза по сравнению с режимом прямого конусообразного пламени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эксперименты показали, что опрокидывание фронта пламени приводит к возникновению вихревых структур, которые значительно усиливают теплообмен и интенсифицируют процессы сгорания, что подтверждается увеличением скорости нагрева жидкости в калориметре. Эти результаты подчеркивают важность изучения нестандартных конфигураций пламени для оптимизации процессов сгорания и повышения эффективности теплопередачи в энергетических системах. Полученные результаты могут применяться в технологиях, ориентированных на снижение экологических выбросов и повышение эффективности работы газовых устройств.