Combustion modes of the lean methane-air mixture in a U-shaped burner.pdf Задача по сжиганию бедных газовых смесей является актуальной по нескольким причинам. Во-первых, существует проблема сокращения выбросов в атмосферу вредных газов и продуктов недогорания. Во-вторых, привлекает внимание задача полезной утилизации низкокалорийных топлив. Зажечь бедную метано-воздушную смесь трудно, так как на концентрационном пределе горение становится неустойчивым, а ниже этого предела - невозможным. В настоящее время продолжаются разработки методов, позволяющих стабилизировать процесс горения бедных смесей [1]. Например, в [1] предлагается метод беспламенного горения или горения в пористых матрицах. На устойчивость и эффективность работы горелочного устройства существенное влияние оказывает его конструкция [2]. Меняя форму горелочного устройства или добавляя в конструкцию различные теплообменные системы, можно изменить характер протекания процесса горения. Авторы [3] предлагают сжигать низкокалорийные топлива в реакторе с пористым фильтрационным слоем. Введение пористого слоя обеспечивает сжигание низкокалорийного топлива и дает возможность управлять процессом горения через изменение характеристик пористого слоя. В работе [4] была предложена модель проточного реактора с инертным внутренним телом. Присутствие инертного тела внутри горелочного устройства приводит к изменению процесса теплообмена внутри реактора и позволяет повлиять на режимы его работы. Теплообмен реакционной смеси с боковой поверхностью может приводить к затуханию пламени или, наоборот, способствовать стабилизации процесса горения для критических условий существования пламени. В работах [5-7] рассматривалось горение газа в узких трубках с диаметром меньше критического. В таких каналах теплопотери через боковую поверхность могут привести к затуханию пламени. В [5] предлагалось подогревать стенки канала на одном из участков. Неоднородный нагрев стенок позволяет стабилизировать фронт пламени в нагретой части канала. В [6] рассматривался противоточный теплообменник, состоящий из двух прилегающих друг к другу трубок, входящая смесь в нем подогревалась за счет взаимного теплообмена газов через перегородку. Было показано, что при интенсивном теплообмене между трубками теплообменника существует принципиальная возможность организации процесса горения бедных реакционных смесей в каналах с радиусом меньше критического. В [7] рассматривалось горение водоро-до-воздушной смеси в кольцеобразной микрогорелке. Реакционная смесь протекала в полости между двумя концентрическими трубками. Внутренняя трубка была заполнена азотом, а внешняя образовывала наружную поверхность горелочно-го устройства. Расчеты показали, что азот, заполняющий внутреннюю трубку, позволял стабилизировать фронт пламени, несмотря на большие теплопотери от смеси через внешнюю стенку. В настоящей работе на основе подходов [4, 6] ставится задача о зажигании и горении бедной метано-воздушной смеси в U-образной трубке, внешние стенки которой считаются холодными, а внутренняя стенка, представляющая собой аналог инертного тела из [4], инициирует процесс горения. На схеме (рис. 1) приведен внешний вид конструкции. Холодная реакционная смесь со скоростью v, температурой Tv, относительной концентрацией горючей компоненты av подается в устройство на границе x = 0 (область I на рис. 1, б). Смесь проходит через трубку и на границе x = L меняет направление своего движения, на границе x = 2L смесь вытекает через выходную трубку (область III, рис. 1, б). На рис. 1, а внутренняя стенка показана толстой черной линией на торце устройства, на рис. 1, б внутренней стенке соответствует область II, расположенная между входной и выходной трубками. Температура смеси на рис. 1, б обозначена Т, температура внутренней стенки - Т1, температура внешних стенок - TS, температура поверхности внутренней стенки - T1S. Внутренняя стенка обменивается теплом с реакционной смесью, as'Ts б a avTb 0 jD ■s III as'Ts Рис. 1. Поля: а - модель U-образного горелочного устройства; б - горелочного устройства. I - входная трубка, II - внутреннее тело, III - выходная трубка протекающей через входную и выходную части трубки. Реакционная газовая смесь обменивается теплом с внешней и внутренней стенками с коэффициентами теплообмена Os и ai соответственно. Полагается, что в трубке протекают экзотермические химические реакции с аррениусовской кинетикой первого порядка. При постановке задачи приняты следующие допущения: расход газовой смеси считается постоянным, учитывается распределение температуры смеси и выгорания горючей компоненты только вдоль трубок, температура внутренней стенки определяется только вдоль трубок и в поперечном направлении считается однородной. Для записи системы уравнений математической модели введем обобщенную координату х вдоль трубок горелочного устройства. Тогда общая длина трубок в этих координатах - 2L, длина внутренней стенки устройства - L. Газ, протекая вдоль трубок, обменивается теплом с поверхностью внутренней стенки, длина которой составляет 2L. Ввиду предположения об однородности температуры стенки в поперечном направлении для температуры поверхности внутренней стенки T1S выполняются равенства T1S(x) = Т1(х) при 0 < х< L и T1S(x) = TX(2L - х), при L < х < 2L. С учетом сделанных допущений математическая постановка задачи в безразмерных переменных имеет вид f+Af = f+^((It)-6)+IS(6s-6)+„expЩ, 022 (1) 61, S (I, t) = 61 (I, t), 0

Скачать электронную версию публикации