ΦΛΟΓΕΣ ΠΡΟΑΝΑΜΕΙΞΗΣ. Μ. Φούντη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών 2009

Transcript

1 ΦΛΟΓΕΣ ΠΡΟΑΝΑΜΕΙΞΗΣ Μ. Φούντη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών 2009

2 Στρωτές Φλόγες Προανάμιξης Στρωτή ταχύτητα Καύσης Δομή στρωτής φλόγας προανάμιξης Πάχος μετώπου στρωτής φλόγας Θερμοκρασία αυτανάφλεξης Ευστάθεια φλόγας

3 Διαφορές ανάμεσα σε φλόγες διάχυσης-προανάμιξης Φλόγα προανάμιξης Φλόγα διάχυσης αέρας αέρας Καύσιμο+αέρας Καύσιμο

4 Στρωτές φλόγες προανάμιξης Παρ. 1: Διάδοση φλόγας σε προαναμεμιγμένο μείγμα Παρ. 2: Στρωτή φλόγα προανάμιξης Bunsen Καυσ.+ αέρας Μέτωπο φλόγας s L καυσαέρια Στρωτή ταχύτητα καύσης s L Καυσαέρια (μετά την οξείδωση) Μέτωπο φλόγας Καυσ.+ αέρας

5 Καυστήρας Bunsen Παρέχει την ανάμιξη του μίγματος των αντιδρώντων σε στρωτές συνθήκες. Το καύσιμο εισάγεται χωριστά από τον αέρα στη βάση του καυστήρα και αναμιγνύεται με αυτόν μέσα στο σωλήνακαυστήρα Bunsen. Ηφλόγαείναικωνικής μορφής.

6 Καυστήρας Bunsen

7 Schlieren Στρωτή φλόγα προανάμιξης Αστάθεια αιχμής μετώπου φλόγας, λόγω ανωστικών δυνάμεων (f=10-15 Hz) Εξωτερικές δομές: διαχωρίζουν ζεστά προϊόντα από αέρα περιβάλλοντος Κωνική φλόγα μεθανίου/αέρα, πλούσια σε καύσιμο d = 2.54 cm Φ= 0.8 U f = m/s Κεντρικός κώνος: στρωτό μέτωπο φλόγας Ian Shepherd, LBNL's EETD

8 Στρωτή φλόγα προανάμιξης H καύση ελέγχεται αποκλειστικά από τη χημική αντίδραση μεταξύ του μίγματος των αντιδρώντων Λαμβάνει χώρα σε μία λεπτή ζώνη και διαδίδεται με αρκετά χαμηλή ταχύτητα. Παράδειγμα: Ταχύτητα διάδοσης της καύσης μεθανίου με οξειδωτικό αέρα είναι m/s, σε πίεση 1 atm και θερμοκρασία 298Κ. H πτώση της πίεσης κατά την καύση είναι πολύ μικρή (1 Pa) και η θερμοκρασία στην περιοχή της χημικής αντίδρασης είναι αρκετά υψηλή ( Κ).

9 Ταχύτητα Στρωτής καύσης/φλόγας Για κάθε τύπο μίγματος αντιδρώντων (καυσίμου και οξειδωτικού) υπάρχει μία χαρακτηριστική ταχύτητα καύσης (laminar burning velocity, S L ). Ορισμός στρωτής ταχύτητας καύσης: Ησχετική ταχύτητα διάδοσης της φλόγας ως προς την ταχύτητα του μίγματος των αντιδρώντων. Εξαρτάται από: τον τύπο του καυσίμου από τη σύσταση του μίγματος των αντιδρώντων (αν είναι υπέρ- ήυπό- ή στοιχειομετρικό) από την αρχική πίεση και θερμοκρασία.

10 Ταχύτητα Στρωτής Καύσης Ταχύτητα στρωτής φλόγας (Ταχύτητα στρωτής καύσης) s L s L α u Κινηματική ισορροπία Μέτρηση: Προσεγγιστικά μέσω της γωνίας α και της u Καυσ.+ αέρας s L u = sinα Η s L είναι σημαντικό μέγεθος για επιβεβαίωση υπολογισμών καθώς επίσης και για τις τυρβώδεις φλόγες

11 Μηχανισμός καύσης στρωτών φλογών Κατανομή θερμοκρασίας και συγκέντρωσης μονοδιάστατης αδιαβατικής φλόγας Μέτωπο φλόγας Καυσ.+ αέρας s L καυσαέρια Στρωτή ταχύτητα καύσης s L Ζώνη κρύων αντιδρώντων Ζώνη προθέρμανσης Ζώνη αντίδρασης Ζώνη προϊόντων

12 Ταχύτητα στρωτής καύσης: Επίδραση στοιχειομετρίας Η ταχύτητα στρωτής καύσης για έναν συγκεκριμένο τύπο καυσίμου μπορεί να διαφέρει ως και 3 φορές σε σχέση με τον λόγο ισοδυναμίας καυσίμου/οξειδωτικού, Φ. H θερμοκρασία καύσης είναι μέγιστη όταν ο λόγος καυσίμου/οξειδωτικού είναι κοντά στον στοιχειομετρικό Φ Φst και αρκετά χαμηλή όταν Φ<<Φst ήφ>>φst. Τα όρια έναυσης της καύσης στρωτής φλόγας προανάμιξης διαφέρουν για τα διάφορα αέρια καύσιμα. Το υδρογόνο έχει τη μεγαλύτερη ταχύτητα καύσης και τα μεγαλύτερα όρια έναυσης καύσης, ενώ το προπάνιο και το μεθάνιο έχουν τα μικρότερα. Γενικά, μεγάλες ταχύτητες καύσης συνδέονται με υψηλές θερμοκρασίες και συμβαίνουν σε λόγους καυσίμου/αέρα κοντά στους στοιχειομετρικούς.

13 Ταχύτητα στρωτής καύσης: επίδραση πίεσης μίγματος αντιδρώντων Η σχέση της ταχύτητας καύσης και της πίεσης μπορεί να εκφρασθεί με σχέση εκθετικού τύπου S L =αp β όπου p είναι η πίεση σε atm και α και β είναι συντελεστές. Για μίγματα που έχουν μικρές ταχύτητες καύσης (S L <0.6m/s), η ταχύτητα καύσης μειώνεται με την αύξηση της πίεσης. Για μίγματα όπου η ταχύτητα καύσης είναι σχετικά μεγάλη (S L >0.6m/s), αύξηση της πίεσης αυξάνει τη θερμοκρασία καύσης άρα και την ταχύτητα καύσης.

14 Ταχύτητα στρωτής καύσης: Επίδραση θερμοκρασίας Η ταχύτητα καύσης αυξάνεται με την αρχική θερμοκρασία αντίδρασης του μίγματος των αντιδρώντων με την προϋπόθεση ότι τα αντιδρώντα δεν αντιδρούν κατά την ανάμιξη τους μέσα στον καυστήρα. Για παράδειγμα η μέγιστη ταχύτητα καύσης για μίγμα προπανίου-αέρα μπορεί να μεταβληθεί από 4.0 ως 14.0 cm/s καθώς η αρχική θερμοκρασία αυξάνεται από 300Κ σε617κ. Η εξάρτηση της θερμοκρασίας με την ταχύτητα καύσης μπορεί να εκφρασθεί με εκθετικού τύπου σχέση: S L =a+b(t/t 0 ) n cm/s; T 0 =300K

15 Υπολογισμός ταχύτητας καύσης S L =a+b(t/t 0 ) n cm/s; T 0 =300K Συντελεστές a, b και n Καύσιμο a b n εύρος T (K) Mεθάνιο Προπάνιο Αιθυλένιο Bενζίνη n-επτάνιο Iσοοκτάνιο

16 Επίδραση της πίεσης και θερμοκρασίας αντίδρασης στη ταχ. στρωτής καύσης Εμπειρική σχέση S L =S 0 (T/298) a p b για T(K) και p(atm) Καύσιμο Φf=0.8 Φf=1.0 Φf=1.2 ο (cm/s) S L Μεθάνιο Προπάνιο Ισοοκτάνιο

17 Τυπικές τιμές στρωτής ταχύτητας φλόγας Εξαρτάται: s L (Φ) (Μεθάνιο-αέρας, 25 C, 1 bar) 0,50 0,40 sl[m/s] 0,30 0,20 0,10 0,00 Messung Μετρήσεις Rechnung υπολογισμοί 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 PHI s L (p) ~ p -0,5 s L (T 0 ) ~ T 0 2 Ασφάλεια: Υπάρχει κίνδυνος «επιστροφής» φλόγας Η ταχύτητα ροής πρέπει να είναι αρκετά μεγαλύτερη από την στρωτή ταχύτητα καύσης s L!

18 Τυπικές τιμές στρωτής ταχύτητας φλόγας Υδρογονάνθρακες: 40 cm/s

19 Τυπικές τιμές στρωτής ταχύτητας φλόγας Τυπικές τιμές: s L = 0,1-0,5 m/s πολλοί C x H y - αέρας (25 C, 1 bar) s L = 2-3,5 m/s H 2 - αέρας s L = μέχρι 1,6 m/s Ασετιλίνη - αέρας s L [cm/s] s L [cm/s] Vol.-% Καύσιμο Vol.-% Καύσιμο

20 Μηχανισμός καύσης στρωτών φλογών Κατανομή θερμοκρασίας και συγκέντρωσης μονοδιάστατης αδιαβατικής φλόγας Πάχος φλόγας Ζώνη κρύων αντιδρώντων Ζώνη προθέρμανσης Ζώνη αντίδρασης Ζώνη προϊόντων

21 Πάχος μετώπου στρωτής ταχύτητας προανάμιξης Στρωτό πάχος: δ L Διάφοροι ορισμοί, π.χ.: a) Πάχος Zeldovich: δ L zeld Υπολογίζεται θεωρητικά Συναντιέται στη παλιά βιβλιογ. zeld L δ = a s L α = λ /ρ c p b) Πάχος αύξησης θερμοκρασίας: δ L T Υπολογίζεται μέσω της κλίσης θερμοκρασίας από T-min σε T-max Χρήσιμη μέθοδος για πειραματικό προσδιορισμό T min T T max δ L T Προσοχή: δ L T = * δ L zeld Τυπικές Τιμές (CH 4 /αέρας, 25 C, 1bar) δ L zeld = 85 µm δ L T = 530 µm

22 θερμοκρασία αυτανάφλεξης H θερμοκρασία αντίδρασης πρέπει να είναι μικρότερη από τη θερμοκρασία αυτανάφλεξης. Η θερμοκρασία αυτανάφλεξης είναι η θερμοκρασία στην οποία το μίγμα καυσίμουοξειδωτικού αναφλέγεται αυτόματα. Σε μία φλόγα η θερμοκρασία έναυσης μπορεί να είναι διαφορετική από τη θερμοκρασία αυτανάφλεξης λόγω της διάχυσης μέρους ενεργών συστατικών από τη ζώνη αντίδρασης στη ζώνη προθέρμανσης. Η θερμοκρασία αυτανάφλεξης δίνει την ένδειξη της απαραίτητης θερμοκρασίας ώστε να δημιουργηθεί σταθερό μέτωπο για τη διάδοση φλόγας.

23 Θερμοκρασίες αυτανάφλεξης Θερμοκρασίες αυτανάφλεξης και μέγιστες ταχύτητες στρωτής καύσης για διάφορα καύσιμα σε αέρα (1atm) Kαύσιμο Θερμοκ. Αυτανάφ. Στρωτή ταχ. καύσης ( ο C) (cm/s) Mεθάνιο Προπάνιο n-εξάνιο Iσοοκτάνιο Μονοξείδιο άνθρακα Aκετυλένιο Υδρογόνο Mεθανόλη

24 Διάγραμμα σταθερότητας στρωτής φλόγας προανάμιξης

25 Ευστάθεια φλόγας προανάμιξης Όταν η ταχύτητα προσέγγισης (ταχύτητα ροής μίγματος αντιδρώντων στην έξοδο του καυστήρα) μειώνεται έως ότου η ταχύτητα καύσης να γίνει μεγαλύτερη από την ταχύτητα προσέγγισης, τότε η φλόγα αλλάζει κατεύθυνση και γυρνάει προς τα πίσω (προς τον καυστήρα, flashback ), Εάν η ταχύτητα προσέγγισης αυξηθεί και γίνει σε όλα τα σημεία του χώρου σημαντικά μεγαλύτερη από την ταχύτητα καύσης η φλόγα ή σβήνει τελείως blowoff ή σε περιπτώσεις πλουσίων σε καύσιμο μιγμάτων παρατηρείται ανάπτυξη φλόγας σε υψηλότερο επίπεδο από αυτό του καυστήρα και σταθεροποίηση της φλόγας σε αυτό lift. Αυτό είναι αποτέλεσμα της τυρβώδους ανάμιξης του καυσίμου με δευτερογενές ρεύμα αέρα. Ηκαμπύλησβέσης, blowout, αντιστοιχεί στην ταχύτητα που απαιτείται για να σβήσει μία φλόγα ανασηκωμένη με δεδομένη συγκέντρωση καυσίμου. Υπάρχει η δυνατότητα σε χαμηλές συγκεντρώσεις καυσίμου η ταχύτητα σβέσης μίας φλόγας που έχει σταθεροποιηθεί σε άλλο επίπεδο (σύμφωνα με την καμπύλη blowout ) να είναι μικρότερη από την ταχύτητα σβέσης της φλόγας στο επίπεδο του καυστήρα (καμπύλη blowoff ).

26 ΤυρβώδειςΦλόγεςΠροανάμιξης Επίδραση τύρβης στη ταχύτητα Καύσης Τυρβώδη μεγέθη - Κλίμακες τύρβης Τυρβώδης Re T και αριθμός Da Κατηγοριοποίηση - Διάγραμμα Borghi Εφαρμογές

27 Tυρβώδεις φλόγες προανάμιξης Καύσιμο και οξειδωτικό προ-αναμειγνύονται. Οι φτωχές φλόγες προανάμιξης χαρακτηρίζονται από: Χαμηλό θόρυβο Απουσία αιθάλης Πολύ μικρό επίπεδο εκπομπών No x (αεριοστρόβιλοι, μπλέ καυστήρες') Κίνδυνος για «επιστροφή» φλόγας (flashback)

28 Tυρβώδεις φλόγες προανάμιξης Πως επιδρά η τύρβη στο ρυθμό αντίδρασης? Δομή τυρβωδών φλογών Ταχύτητα τυρβώδους καύσης Το διάγραμμα του Borghi Η τύρβη αυξάνει την ταχύτητα διάδοσης της φλόγας ενώ δεν επηρεάζει τη χημεία της αντίδρασης

29 Tυρβώδεις φλόγες προανάμιξης Με τι ταχύτητα διαδίδεται το μέτωπο της φλόγας? Στρωτή φλόγα προανάμιξης s L 0,5 m/s Γιατί? Τυρβώδης φλόγα προανάμιξης s T 5 m/s Ποιοί μηχανισμοί? Ωστικό Κύμα ν 1000 m/s!

30 Tυρβώδεις φλόγες προανάμιξης Στρωτή φλόγα προανάμιξης Μετάδοση θερμότητας s L 0,5 m/s («αργή») (0,1-2 m/s) Θερμο-χημική διάδοση φλόγας Ασήμαντη αύξηση πίεσης Κρύα Καύσ./ Αέρας s L Θερμά προϊόντα Διάχυση Τυρβώδης φλόγα προανάμιξης Θερμο-χημική διάδοση φλόγας ενισχύεται από τις τυρβώδεις δομές s T 5 m/s (1-20 m/s) Διαμορφώνεται s T Κρύα Καύσ./ Αέρας Τύρβη u' s L u' Θερμά προϊόντα Ωστικό Κύμα Διάδοση φλόγας μέσω κύματος πίεσης που αυξάνει τη ταχύτητα σε «ηχητική» ν 1000 m/s! «Υπερ»-ηχητική ταχυτ. Ωστικό κύμα Θερμοκρασία.

31 Τυρβώδης φλόγα προανάμιξης σε αγωγό

32 Τυρβώδη μεγέθη Τυρβώδης ροή: Τρισδιάστατο φαινόμενο Χρονικά μεταβαλλόμενη διακύμανση ταχύτητας Τυρβώδεις δύνες χαοτική μη γραμμική κίνηση u ( t ) = u + u ( t ) u(t) an einem Ort x gemessen Διακύμανση ταχύτητας σε συγκεκριμένο σημείο Μέση τιμή t u( t) = u + u ( t) u ( t) = 0 u u = rms ( u ( t) ) 2 Μέση τετραγωνική απόκλιση ταχύτητας (= Root-Mean- Square Velocity- R.M.S) u Tu Ένταση τύρβης u

33 Ομογενής τύρβη πίσω από πλέγμα

34 Μεταφορά κατανομή ενέργειας μέσω δυνών Κατανομή ενέργειας μέσω δυνών διαφορετικών μεγεθών Energy cascade - Wirbelkaskade" Εμπόδιο -> μεγάλες δύνες -> Μικρότερες δύνες -> πολύ μικρές δύνες -> Μοριακή «Διάχυση»: μεταφορά θερμότητας (Μεταφορά Ενέργειας =Ρυθμός διάχυσης ενέργειας ε) «μεγάλες κλίμακες μήκους" L o "Kolmogorov-δύνες" (ή L k ) («μακρό-μέγεθος») («μικρό-μέγεθος»)

35 Τυρβώδη μεγέθη Αριθμός Reynolds Re = u D ν Re kr 2200 για ροή σε αγωγό Re kr για ελεύθερη δέσμη «Τυρβώδης Αριθμός Reynolds» Re t = u L ν o Βασίζεται σε χαρακτηριστικά τοπικά τυρβώδη μεγέθη Re t > 1 (μεγαλύτερος??) Προσοχή: ο Re t είναι περίπου φορές μικρότερος από τον Re

36 Τυρβώδη μεγέθη Χαρακτηριστικά μεγέθη τύρβης : (Πλήρως ανεπτυγμένη, ομογενής, ισοτροπική τύρβη) Τυρβώδης διακύμανση ταχύτητας u' = u rms Μεγάλες κλίμακες μήκους (Μάκρο-μήκος) L o Τυρβώδης αριθμός Reynolds Re t = u' L o / ν Μήκος Kolmogorov (Μικρό-μήκος) L K = L o /Re 3/4 t Οσο μεγαλύτερη τιμή έχει ο τυρβώδης αριθμός Reynolds, τόσο πιο ευρύ είναι το φάσμα της τύρβης μεγαλύτεοο εύρος κλιμάκων τύρβης Κλίμακα μήκουςtaylor l λ = 6,3 L x / Re t 1/2

37 Τυρβώδης φλόγα προανάμιξης TECFLAM Φλόγα Bunsen- (Heidelberg) D=80 mm 100 kw Τομή με Laser- (15x10 cm)

38 Τυρβώδης φλόγα προανάμιξης Στιγμιαία αποτύπωση Μέση χρονικά τιμή Μέτωπο φλόγας Ζώνη φλόγας (flame brush) Καυσ. + Αερας

39 Ταχύτητα τυρβώδους καύσης, S T Ποιο είναι το μήκος τυρβώδους φλόγας? Μπορεί να υπολογισθεί αν είναι γνωστές: -η ταχύτητα τυρβώδους καύσης' s T - η μέση ταχύτητα ροής του πεδίου U. U n : Ταχύτητα κάθετη προς το μέτωπο της φλόγας s T α U sinα = Un s T U Θεωρούμε κινηματική ισορροπία ανάμεσα σε s T και U n U

40 Ταχύτητα τυρβώδους καύσης, S T Ισχύει: s sinα = T U Όπου U ημέσηανάντιταχύτητακαι α η γωνία ανάμεσα στη U και το μέτωπο της φλόγας. Για φλόγα Bunsen (θεωρούμε ότι U = σταθερή) ισχύει ότι: H R s T α U sinα = Un s T U tanα = R H U Και μπορεί να υπολογισθεί η s T.

41 Ταχύτητα τυρβώδους καύσης, S T Τοπική συναγωγή, διάχυση, χημ. Αντίδραση είναι «παρόμοιες» με στρωτή φλόγα και η φλόγα διαδίδεται τοπικά με ταχύτητα s L Leading Edge Διάδοση μετώπου Τυρβώδεις διακυμάνσεις (u') ενισχύουν τη διάδοση της φλόγας Με αποτέλεσμα η διάδοση να γίνεται με ταχύτητα s T Κρύο s T u' Τύρβη s L u' Ζεστό Πρόταση Damköhler (1940): st = sl + u' s s T L =1+ u' s L

42 Ταχύτητα τυρβώδους καύσης, S T Ενδεικτικές βιβλιογραφικές τιμές: Τυρβώδης πλήρως αναδευμένος αντιδραστήρας (Bradley et al.): Σχέση του Gülder (1990) 0,5 s T u' = 1+ 0,62 ( Re ) 0, 25 t s L s Ισχύει για L u' s L? Liu et al. (1993) s s T L = u' + 0,435 s L 0,4 ( Re ) 0, 44 1 t Πολύ ψηλή τιμή st/sl Re t = 150 Damköhler Gülder Liu... Zimont (1995) (για u' > s L ), A u'/s L s s T L = A Pr 1 / 4 1/ 4 u' Ret sl 1/ 2 ισχύει για u' > s L?

43 Κλίμακες τύρβης Δύο είναι οι κατάλληλες παράμετροι: Η ένταση της τύρβης (Turbulence Intensity), u Η κλίμακα της τύρβης (turbulence-scale) που διακρίνεται σε κλίμακα μήκους και διάρκειας ζωής μιας χαρακτηριστικής δίνης πουμπορείναθεωρηθείωςη στατιστικά μεγαλύτερη σε μέγεθος και διάρκεια ζωής δίνη (integral length-scale, L o και eddy turnover time scale, τ o, αντιστοίχως) ή η στατιστικά μικρότερη σε μέγεθος και διάρκεια ζωής (Kolmogorov length-, L k και Kolmogorov time-scale, τ k, αντιστοίχως). Σε μία τυρβώδη ροή οι δίνες κατανέμονται κατά κλίμακες σε συνεχώς μικρότερες δίνες οι οποίες, λόγω διασποράς, υπάρχουν ολοένα και σε μικρότερα χρονικά διαστήματα.

44 Σχέση Kolmogorov Ο Kolmogorov (1942) συσχέτισε τις μικρότερες δίνες με τις χαρακτηριστικά μεγαλύτερες χρησιμοποιώντας την παρακάτω σχέση: L k = ν 3 L u' o 3 1/ 4 ν: κινηματική συνεκτικότητα

45 Διάγραμμα Borghi Da = τ ο / τ c O Borghi (1985), διέκρινε τις φλόγες σε τρεις κατηγορίες χρησιμοποιώντας ως αδιάστατες παραμέτρους: τον τυρβώδη αριθμό Reynolds, Re t τον αριθμό Damköhler, Da, και δημιούργησε ένα λογαριθμικό διάγραμμα.

46 Διάγραμμα Borghi - Peters (Borghi 1985, Peters 1986) 2 Τυρβώδη μεγέθη: u', L ο Συσχέτιση με στρωτά μεγέθη: s L, δ L Λογαριθμική κλίμακα Ενταση τύρβης (αδιαστατ. u log s L Re t = 10 4 Re t = 10 6 Re t = 100 Re t = u' L ο / ν Re t = 1 τυρβώδης ( ν a = s L δ L Zeld => Re t = y Borghi x Borghi στρωτή L x log δ L Μακτοκλίμακα (αδιαστατ.)

47 Tυρβώδεις φλόγες προανάμιξης Σύμφωνα με τον Borghi, οι τυρβώδεις φλόγες προανάμιξης κατηγοριοποιούνται σε: ασθενείς τυρβώδεις φλόγες (weakly turbulent flames) σε ψαθυρές ή ζαρωμένες (wrinkled reaction sheets) και σε παχιές φλόγες (distributed reaction sheets ή thick flames).

48 Tυρβώδεις φλόγες προανάμιξης Οι ασθενείς τυρβώδεις φλόγες είναι επέκταση των στρωτών φλογών προανάμιξης. Οι ζαρωμένες ή ψαθυρές φλόγες είναι λεπτές σε πάχος φλόγες οι οποίες αλληλεπιδρούν με τις μεγάλες δίνες και παραμορφώνονται. Στις παχιές φλόγες η ζώνη της φλόγας είναι παχιά ώστε τα μόρια των αντιδρώντων καίγονται σε προϊόντα ενώ ταξιδεύουν μέσα στη ζώνη. Παρατηρούνται σε φλόγες όπου η ένταση της τύρβης είναι μεγάλη όπως σε καυστήρες, αεριοστροβίλους και σε μηχανές εσωτερικής καύσης.

49 10 8 Ασθενείς τυρβώδεις Απλοποιημένο διάγραμμα Borghi φλόγες (1) V / S l = 10 2 Ζαρωμένες φλόγες (wrinkled flames) (2) 10 4 Da k =1 Da o 1 Παχιές ζαρωμένες φλόγες (thick wrinkled flames) (4) L o /δ=1 (3) Παχιές φλόγες 10-4 (distributed reactions) Re o 10 8

50 Aσθενείς τυρβώδεις φλόγες Η τυρβώδης ταχύτητα καύσης εξαρτάται από τη στρωτή ταχύτητα καύσης και από έναν παράγοντα ο οποίος είναι συνάρτηση της έντασης της τύρβης. Σε περιπτώσεις ασθενούς τύρβης όπου η χαρακτηριστική κλίμακα μήκους των δινών είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με το πάχος της φλόγας, η τυρβώδης ταχύτητα καύσης αυξάνεται ενώ ταυτόχρονα το μέτωπο της φλόγας είναι ομαλό. Αυτό σημαίνει ότι η αύξηση στη μεταφορά θερμότητας και διάχυσης οδηγεί στην αύξηση της τυρβώδους ταχύτητας καύσης.

51 Aσθενείς τυρβώδεις φλόγες Εφόσον ισχύουν τα παραπάνω ο λόγος της τυρβώδους προς τη στρωτή ταχύτητα καύσης δίνεται προσεγγιστικά απότησχέση: S S T L = ( α α t l 1/ 2 ) α t /α l : λόγος της τυρβώδους προς τη μοριακή διαχυτότητα. Σε υψηλές θερμοκρασίες η συνεκτικότητα είναι αρκετά υψηλή και οι μικρές στο μέγεθος δίνες (μικρότερες από το πάχος της φλόγας) διασπείρονται πολύ γρήγορα.

52 Ζαρωμένες φλόγες Σε φλόγες προανάμιξης με εντονότερη τύρβη (Re t ~ 4000) η περιοχή καύσης γίνεται μεγαλύτερη από ότι σε παρόμοια στρωτή φλόγα. Σεαυτέςτιςσυνθήκεςητυρβώδηςταχύτητακαύσηςείναι λιγότερο εξαρτημένη από τη στρωτή ταχύτητα καύσης άρα και από το είδος του καυσίμου και το λόγο καυσίμου/οξειδωτικού. Ηταχύτηταείναι3-5 φορές μεγαλύτερη από τη στρωτή ταχύτητα καύσης και η φλόγα έχει ψαθυρή μορφή. Παρατηρούνται πολλές φορές μικρές περιοχές φλόγας (φλογίδια-flamelets) όπου το σχήμα τους, το μέγεθος τους και ο χρόνος ζωής τους παρουσιάζει έντονες διακυμάνσεις. Η επιφάνεια της τυρβώδους καύσης αλλάζει συνεχώς κατά τη διάρκεια της καύσης.

53 Ζαρωμένες φλόγες Η τυρβώδης ταχύτητα καύσης προσεγγίζεται από τη στρωτή ταχύτητα καύσης και από το λόγο της επιφάνειας όπου λαμβάνει χώρα η τυρβώδης φλόγα σε σχέση με την αντίστοιχη επιφάνεια της στρωτής φλόγας Θεωρώντας μονοδιάστατη 1-d τυρβώδη φλόγα με ομαλή επιφάνεια Α s προκύπτει ότι: S A = T s S L A w

54 Ζαρωμένες φλόγες O λόγος δίνεται από την ακόλουθη εμπειρική ' σχέση: Aw Cu = 1 + As SL Aντικαθιστώντας προκύπτει: ST = SL + ' Cu όπου C είναι σταθερά με τιμές μεταξύ 1 και 2.

55 Παχιές φλόγες Η αύξηση της παραμόρφωσης του μετώπου της φλόγας μπορεί να προκαλέσει την είσοδο στο μέτωπο της φλόγας αντιδρώντων που περιέχονται σε μικρές δίνες. Η ενσωμάτωση επομένως των μικρών δινών μέσα στη φλόγα και η συνεχής παραμόρφωση της φλόγας από τις χαρακτηριστικά μεγάλες δίνες οδηγεί στην παρατήρηση ότι η τυρβώδης ταχύτητα καύσης εξαρτάται ασθενώς από τη στρωτή ταχύτητα καύσης. Ηφλόγαδενμπορείναθεωρηθείότιέχεισυμπαγήκαι ενιαία δομή αλλά είναι μία παχιά ζώνη όπου οι μικρές δίνες με αντιδρώντα εμπεριέχονται στα προϊόντα. Αύξηση στην κλίμακα μήκους των δινών προκαλεί μείωση στην ταχύτητα καύσης. Στην περίπτωση όπου και οι μεγάλες δίνες περιέχονται μέσα στη φλόγα τότε η παχιά φλόγα δεν έχει καθόλου δομή και αποτελείται από μία παχιά ζώνη όπου περιέχει όλες τις τυρβώδεις κλίμακας.

56 Εφαρμογές Οι προαναμιγμένες τυρβώδεις φλόγες χρησιμοποιούνται εκτενώς σε μηχανές εσωτερικής καύσης, σε αεριοστροβίλους και σε βιομηχανικούς καυστήρες αερίων καυσίμων. Στις μηχανές έναυσης με σπινθήρα σημαντικό ρόλο παίζει η διάρκειακαύσηςηοποίακαθορίζειτοκατώτεροόριο σταθερότητας λειτουργίας, τη θερμική απόδοση και την εκπομπή NOx. Στους αεριοστροβίλους υπάρχει μεγάλη ανάγκη να ελεγχθούν ταυτόχρονα οι εκπομπές αιθάλης, CO και NOx. Γι αυτό το λόγο σήμερα οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν διάφορες κλίμακες προανάμιξης σε αντίθεση με το παρελθόν όπου τα περισσότερα συστήματα χρησιμοποιούσαν φλόγες διάχυσης. Το πλεονέκτημα του ελέγχου εκπομπών NOx δημιουργεί μία σειρά προβλημάτων όπως είναι η σταθεροποίηση της φλόγας. Τέλος, προαναμιγμένες φλόγες χρησιμοποιούνται σε πολλές οικιακές συσκευές και σε βιομηχανικές εφαρμογές, όπως κατεργασία κεραμικών, τούβλων, πορσελάνης και επεξεργασία μετάλλων.

57 Διάγραμμα Borghi Ενταση τύρβης log u s L Γρήγορη ανάμειξη Da << 1 «Πλήρως αναδευμένος Αντιδραστήρας" Da = 1 ΜΕΚ Αεριοστροβι λοι Ka = 1 δ L «Παχιά φλόγα" «Ζαρωμένη φλόγα" Στρωτή log L o δ u' = s L Γρήγορη χημεία L Μακρόκλίμακα τύρβης «Ασθενής φλόγα"

58 Εισαγωγή στη «μοντελοποίηση»