Структура потока в вихревой топке с тангенциальным вводом топливо-воздушной смеси

В этой конструкции топочная камера непосредственно участвует в формировании структуры течения топочных газов. В результате аэродинамического взаимодействия потоков от отдельных угловых горелок (тангенциально ориентированных) в приосевой части топки создается вращательное движение в горизонтальной плоскости всего восходящего потока топочных газов. Аэродинамическая структура общего вихревого потока состоит из пристенного вихревого слоя вторичного воздуха и внутреннего вихревого потока обогащенной топливо-воздушной смеси, которые осуществляют воспламенения топливо-воздушных потоков от отдельных горелок и стабилизацию факела. Вращательно-поступательное движение монолитного факела приводит к смещению основной массы газов к периферии топки, где складывается область с повышенными скоростями, динамическими напорами, уровнем температуры. Наряду с этим центральным вихрем, охватывающим основную часть сечения топки, в углах призматической топки вследствие эжектирующего действия прямоточных струй возникают индивидуальные вихревые течения, определяющие воспламенение этих струй до их включения в общий вихревой поток.

Центральный вихрь пространственно разделяет два участка факела:

• — зона начального развития индивидуальных прямоточных струй с замедленным смесеобразованием — здесь происходит конверсия связанного азота топлива в молекулярный азот; в этой зоне на уровне горелочного пояса замедлено тепловыделение, что снижает температуру факела;
• — зона интенсивного завершения смесеобразования и догорание топливо-воздушной смеси — компенсирует затягивание этих процессов в начальном участке факела.

Аэродинамическая структура потоков в топочной камере с тангенциальной установкой горелок неоднородна. Спиральный восходящий поток топочных газов сохраняет интенсивное вращательное движение примерно до половины высоты топки [1]. На участке развития центрального вихря формируется в пристенной зоне опускное движение газов к плоскости установки горелок. Затем центральная малопроточная зона с вялым хаотичным движением (практически полезно неиспользуемая) замыкается за счет расширения и размывания вихря. Выше этой отметки по всей высоте топки наблюдается восходящий поток, в котором, однако, сохраняется неравномерное распределение массы топочных газов по сечению. В призматической топке прямоугольного сечения при отсутствии разделительного двухсветного экрана формируется два независимых вихря в каждой полутопке (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Структура потоков в топочной камере с тангенциальной установкой горелок.

Таким образом, не все топочное пространство эффективно заполняется факелом, приосевая область по существу является холостым объемом. Однако за счет интенсификации процессов в периферийной зоне, увеличения времени пребывания реагентов в реакционной зоне, увеличения роли конвективной составляющей радиационноконвективного теплообмена и роста тепловосприятия экранов в итоге складываются благоприятные условия для сжигания топлива с учетом экологических ограничений [2].

Естественным развитием тангенциальных топочно-горелочных систем является создание кольцевой топки со спиральным восходящим потоком топочных газов в кольцевом канале. Для топки с тангенциальным вводом топливовоздушной смеси характерно слабое использование обширной центральной цилиндрической зоны топочного объема, располагаемой внутри охватывающего единого вихревого потока топочных газов. Логична идея изъять эту холостую зону из топочного пространства, установив внутреннюю кольцевую стенку с тепловоспринимающими экранными поверхностями.