Горение жидкого топлива

Топливовоздушная смесь поступает в топку в виде прямоточных или закрученных струй. Для воспламенения распыленного жидкого топлива необходимо испарить некоторую его часть и подогреть смесь паров топлива с окислителем до температуры горения. В начальный период (при розжиге горелки) теплота подводится от специального газового запальника (при отсутствии газового топлива – от автономных источников теплоты). Запальник отключается после достижения стабильного процесса горения. В дальнейшем воспламенение вновь поступающих порций топлива и устойчивое их горение происходит за счет двух источников теплоты: теплового излучения из ядра факела и от стен топочной камеры и, в большей степени, конвективного нагрева при перемешивании свежей топливовоздушной смеси с горячими топочными газами.

Прямоточная струя имеет небольшой угол раскрытия и вялое перемешивание капель топлива с потоком воздуха. Образовавшаяся топливовоздушная смесь нагревается высокотемпературными продуктами сгорания, рециркулирующими от наружной образующей горячего факела к устью горелки. Воспламенение в мазутном прямоточном факеле происходит с внешней границы струи свежей топливовоздушной смеси и распространяется вглубь струи.

Закрученная струя имеет больший угол раскрытия и большую интенсивность перемешивания капель топлива с окислителем, а также большую эжектирующую способность. Рециркуляция раскаленных продуктов горения к свежей топливовоздушной смеси (к корню факела) происходит как с наружной образующей горящего факела, так и внутри факела, в зоне обратных токов.

Воздух

Рис. 1. Условие стабильного положения фронта воспламенения

На рис. 2. показана структура развития диффузионного факела. Он условно делит факел на зоны. В зоне I осуществляется подвод турбулизированного потока воздуха к распыленному потоку мазута. В зоне II происходит активное перемешивание капель топлива с воздухом, подогрев основной массы капель топлива до температуры испарения, частичное испарение наиболее мелких капель. Именно в этой зоне происходит распределение топлива по сечению факела. Границей зоны II является та часть факела, где прекращается действие сил инерции капель топлива, определяемых их массой и той скоростью, которую они имели на выходе из форсунки. Дальнейшее движение капель происходит вследствие воздействия на них движущегося потока смеси газов и воздуха. В зоне III полностью испаряются мелкие капли топлива, частично – более крупные; смесь паров топлива и окислителя воспламеняется и сгорает в кинетической области. При этом практически мгновенно выделяется до 50….70 % тепловой энергии топлива.

Воздух

Мазут

II

III

IV

V

VI

VII

I

Рис. 2. Структура диффузионного факела: 1 – воздухозакручивающий аппарат; 2 – форсунка; I….VII – условные зоны факела [33]

Протяженность области кинетического горения определяется тонкостью распыливания и равномерностью распределения капель по сечению факела. Количество выделяющейся теплоты и развивающаяся при этом температура определяют скорость испарения и время подогрева топливовоздушной смеси до воспламенения в зонах II, III и последующих. В зоне IV происходит окончательное испарение всех капель и одновременное горение паров топлива, причем пары горят вокруг каждой отдельной капли. Горение в этой зоне переходит в диффузионную область .

Перемешивание в зоне IV достаточно интенсивно: крупномасштабная турбулентность, значение которой зависит от энергии воздушного потока на выходе из воздухонаправляющего устройства, имеет еще высокий уровень. В этой зоне горящий факел расчленяется на отдельные очаги горения. Происходит это в результате возникновения в турбулентном потоке объемов с большей концентрацией топлива и с отсутствием топлива. Такая структура факела приводит к неполному сгоранию топлива. Основное влияние на выравнивание соотношения топливо–воздух по сечению факела оказывают крупномасштабные пульсации – взаимодействия между горящими и негорящими вихревыми образованиями факела. В зоне V продолжается взаимодействие вихревых образований и выгорания топлива. Горят пары топлива, не сгоревшие в предыдущей зоне, а также тяжелых углеводородов, сажа и коксовые частицы, образовавшиеся в зонах III и IV в результате перегрева капель при испарении. Горение глубоко диффузионное.

Существенную роль при таком горении играет как крупномасштабная, так и мелкомасштабная турбулентность потока. Перемешивание крупных объемов и массообмен во всем сечении факела обеспечивается крупномасштабной турбулентностью. Степень выгорания топлива в этой зоне определяется равномерностью распределения топлива по сечению факела, достигнутой в зоне II. Протяженность зоны V (в конце ее выгорает 98...99% топлива) зависит также от структуры турбулентности в этой зоне и от коэффициента избытка воздуха в зоне I. Увеличение последнего ускоряет процесс диффузионного выгорания. В зоне VI происходит диффузионное дожигание твердой фазы. Полное дожигание твердых частиц затруднено по двум причинам: низкая температура в конце факела (1000...1200°С) и отсутствие мелкомасштабной турбулентности. Поэтому абсолютно полное сгорание жидкого топлива в факеле практически недостижимо; неполнота горения (механическая) для конкретных топливосжигающих установок нормируется.