ΦΛΟΓΕΣ ΔΙΑΧΥΣΗΣ Μ. Φούντη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών ΕΜΠ, 2009
Ορισμοί Δύο ρεύματα, καυσίμου και οξειδωτικού, προσάγονται στο θάλαμο καύσης ξεχωριστά έτσι ώστε η έκλυση ενέργειας να εξαρτάται αρχικώς από το τρόπο και το ρυθμό ανάμιξη τους. Mιά ιδανική φλόγα διάχυσης χαρακτηρίζεται από μία εξωθερμική ζώνη αντίδρασης, η οποία διαχωρίζει το καύσιμο από το οξειδωτικό. Καύσιμο και οξειδωτικό διαχέονται προς την ζώνη αντίδρασης, εξαιτίας των μεταβολών των συγκεντρώσεων, που εξαρτώνται από την ροή και την ανάμειξή τους.
Ορισμοί Αναπτύσσονται ως περιπτώσεις καύσης αερίων καυσίμων (ομογενή φαινόμενα), κατά την εξάτμιση υγρών καυσίμων και κατά την έκλυση πτητικών στη καύση στερεών καυσίμων (ετερογενή φαινόμενα). Η πιο απλή περίπτωση είναι η καύση αερίου καυσίμου με αέρα.
Γενικά χαρακτηριστικά Υποαεριζόμενη φλόγα Μορφή φλόγας ανάλογα με την παροχή αέρα Καύσιμο και οξειδωτικό συναντώνται μέσω μοριακής και τυρβώδους διάχυσης, σε μία ζώνη αντίδρασης. Διακρίνεται εξώθερμη ζώνη αντίδρασης η οποία χωρίζει το καύσιμο από το οξειδωτικό και στα σύνορά της λαμβάνει χώρα η αντίδραση. Το καύσιμο και το οξειδωτικό διαχέονται προς τη ζώνη αντίδρασης εξαιτίας μεταβολών των συγκεντρώσεων, οι οποίες αποκτούν τη χαμηλότερη τιμή τους μέσα σε αυτή. Αυτό έχει ως συνέπεια τη συνεχή διάχυση των αντιδρώντων και την αύξηση των συγκεντρώσεών τους πάνω από την τιμή ισορροπίας, ενώ στιγμιαία γίνεται περαιτέρω χημική αντίδραση για να κρατηθούν οι συγκεντρώσεις σε επίπεδα ισορροπίας. Χάρηστημεγάληταχύτητατης αντίδρασης και στον αργό ρυθμό διάχυσης το σύστημα παραμένει σε κατάσταση ισορροπίας
Οπτικά χαρακτηριστικά φλογών διάχυσης Κίτρινη φλόγα: Ακτινοβολία πυρακτωμένων σωματιδίων (μέλαν σώμα) Φλόγες διάχυσης Κόκκινο-κίτρινη φλόγα: T χαμηλότερη από τις κίτρινες φλόγες Μπλε φλόγα: Εκπομπή λόγω ριζών και C(Φωτοδιαύγεια π.χ. 430 nm) Φλόγες προανάμιξης (Πράσινο, κόκκινο, κίτρινο χρώμα μπορεί να οφείλεται στη παρουσία Cu, K, Na,..κ.α. ιχνοστοιχεία) ένταση ακτινοβολίας Φάσμα ακτινοβολίας - Plank Plancksches Strahlungsspektrum T = 6000 K λευκή 0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Wellenlänge (nm) μήκος κύματος (nm) 2000 K κίτρινη 1000 K κόκκινη μπλε πράσινο κίτρινο κόκκινο
Οπτικά χαρακτηριστικά φλογών διάχυσης Φλόγα μεθανίου φυσικού αερίου Τέλεια καύση - στοιχειομετρική Μπλε κοντά στον εγχυτήρα / Κίτρινο-κωνικό σχήμα φλόγας Μέγιστη θερμοκρασία ελάχιστος όγκος καυσαερίων Περίσσεια αέρα - υπερστοιχειομετρική - φτωχή καύση Ανοικτό μπλε χρώμα περισσότερο κωνικό σχήμα Σχετικά Χαμηλότερες θερμοκρασίες Περίσσεια καυσίμου υποστοιχειομετρική πλούσια καύση Κυρίως κιτρινωπό χρώμα/ Σχήμα ακανόνιστο Χαμηλότερες θερμοκρασίες /Δημιουργία CO και ΟH στα προϊόντα
Δομή της φλόγας Αέριο Καύσιμο Αντιδράσεις Προκαύσεως Ανάμιξη και Καύση Μεταφλογικές Αντιδράσεις Εκροή Αέρας Διεργασίες κατά τη διάρκεια καύσης τύπου διάχυσης με αέριο καύσιμο
Δομή της φλόγας Αντιδράσεις πρόκαυσης: Αντιδράσεις χαμηλής θερμοκρασίας - μεταξύ υδρογονανθράκων, παρόμοιες με την πυρόλυση, που λαμβάνουν χώρα στο ρεύμα του καυσίμου εν απουσία ή με παρουσία μικρής συγκέντρωσης οξυγόνου και πριν την ανάμειξη των δύο αντιδρώντων συστατικών. Οι αντιδράσεις αυτές προκαλούνται λόγω της μεταφοράς θερμικής ενέργειας με ακτινοβολία από την ζώνη καύσης που ακολουθεί.
Δομή της φλόγας Ανάμειξη και καύση. Είναιοικυριότερες διεργασίες, όπου γίνεται ανάμειξη του καυσίμου και του οξειδωτικού μέσω μοριακής και τυρβώδους διάχυσης με επακόλουθη χημική αντίδραση και έκλυση θερμικής ενέργειας. Δημιουργούνται διάφορα σωματίδια τα οποία ακτινοβολούν ενέργεια, μέρος της οποίας καταναλώνεται στη χαρακτηριστική φωτεινότητα της φλόγας διάχυσης.
Δομή της φλόγας Μεταφλογικές αντιδράσεις. Είναι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στα παραγόμενα θερμά καυσαέρια τα οποία περιέχουν χημικές ενώσεις που συνεχίζουν να αντιδρούν καθώς αυτά εγκαταλείπουν την ζώνη καύσης και ψύχονται. Παίζουν σημαντικό ρόλο στον σχηματισμό των χημικών συστατικών που εμφανίζονται στα καυσαέρια (εκροή).
Μέθοδοι Μεταφοράς θερμότητας σε φλόγες διάχυσης Συναγωγή Ακτινοβολία Αγωγή Combustion 4/9 NASA
Παράγοντες που επηρεάζουν τη δομή Βαρύτητα Άνωση Πίεση Παροχή αέρα Τύρβη αριθμός Re
Επίδραση βαρύτητας σε φλόγες διάχυσης Τα ψυχρά αέρια κατακάθονται Τα θερμά αέρια ανέρχονται. NASA
Διάδοση σε στρωτές φλόγες -Άνωση Η επίδραση της άνωσης είναι σημαντική στις φλόγες διάχυσης γιατί ελαττώνει το μήκος της φλόγας επειδή αυξάνει την ταχύτητα ροής του αέρα στη δέσμη, με αποτέλεσμα να ελαττώνεται η ακτίνα της δέσμης. Η άνωση εξαρτάται από τη βαρύτητα, και έχει διαπιστωθεί πειραματικά και υπολογιστικά ότι σε συνθήκες μηδενικής βαρύτητας τα ζεστά αέρια προϊόντα συσσωρεύονται γύρω από τη φλόγα, η οποία μεγεθύνεται και αποσταθεροποιείται.
Διάδοση φλόγας Επίδραση βαρύτητας Κανονική βαρύτητα Συνθήκες μικροβαρύτητας Sounding Rockets 14/17 NASA
Διάδοση φλόγας Επίδραση βαρύτητας NASA
Μέθοδος Schlieren
Μέθοδος Schlieren
Φλόγα διάχυσης προπανίου-αέρα U f, in = 2.5 m/s, U air, out = 2.0 m/s Δύο ξεχωριστές ροές με διαφορετικά μεγέθη δυνών U f, in = 2.5 m/s, U air, out = 8.0 m/s Διαταραχή της τάξης - Καλύτερη ανάμειξη - Χαρακτηριστικές τυρβώδεις δύνες University of Tasmania, Copyright (C) 2001, Paavo Jumppanen
Στρωτέςφλόγεςδιάχυσης- Φλόγα κεριού Η ζώνη αντίδρασης έχει χρώμα μπλε και εκεί παρατηρείται η μέγιστη θερμοκρασία Η φωτεινή ζώνη είναι η περιοχή όπου καίγεται ο άνθρακας και έχει χρώμα κίτρινο. Σε μεγάλες φλόγες το κέντρο της φωτεινής ζώνης μπορεί να βρίσκεται σε θερμοκρασία όπου η οξείδωση των σωματιδίων άνθρακα είναι αργή, οπότε τα σωματίδια διαφεύγουν σχηματίζοντας αιθάλη.
Στρωτέςφλόγεςδιάχυσης- Φλόγα κεριού Φωτεινή ζώνη (κίτρινη) Στοιχειομετρική επιφάνεια Καύσιμο και αέρας αναμειγνύονται μέσω συναγωγής και διάχυσης Χημική αντίδραση έπεται. καύσιμο αέρας αέρας
Schlieren Φλόγα κεριού
Επίδραση πίεσης Φλόγες μεθανίου σε υψηλές πιέσεις
Δομή στρωτής φλόγας διάχυσης y Μέτωπο φλόγας λ = 1 Τυπική κατανομή Χωρίς Αντίδραση: Ανάμειξη μέσω διάχυσης y 2 y 1 αέρας καύσιμο x x Με αντίδραση: Y O Y Br αέρας καύσιμο Y O T Y Br y=y 2 x y=y x 2 Y Pr x x y=y 1 Y O x Y Br y=y Y O x Ζώνη αντίδρασης Y Br 1 x x φτωχό λ=1 πλούσιο φτωχό λ=1 πλούσιο
Δομή σύμφωνα με ΣΑΧΑ Σημ.: «Γρήγορη χημεία», Καυσ. + Oξ --> Προϊόντα Σταθερές και ίσες τιμές συντελεστών διάχυσης (Le = a/d = 1) Χωρίς Αντίδραση Y κ Y Br,0 Ζώνη Αντίδρασης Y π T Με αντίδραση Y κ Y Ox,0 0 Y O x f st f 1 Y O x 0 f st f 1 Κλάσμα μείγματος' f : Μάζα καύσιμης ύλης προερχόμενη από το ρεύμα του καυσίμου αδιαστατοποιημένη με τη συνολική μάζα
Σύνοψη Στρωτή φλόγα προανάμιξης Στρωτή φλόγα διάχυσης s L Καυσ., Οξ. T Πρ. Οξ. T Καυσ. κρύο Ακτιν. Πρ. 0,5mm x f st x Προανάμιξη (αλλά διαχύση μετ. Θερμότητας σημαντικές) c Μεταβλητό μέτωπο φλόγας = T T max T0 T 0 Διάχυση --> Ανάμιξη Κλάσμα μείγματος, f Μπλε φλόγα (CH, C 2 ) Κιτρινωπή φλόγα (αιθάλη) λ μεταβλητό --> T max μεταβλητή --> χαμηλό NO x λ 1
Δομή φλόγας-πειραματικά αποτελέσματα
Δομή φλόγας-πειραματικά αποτελέσματα
Στρωτές φλόγες: Μήκος φλόγας Μεταβολή του μήκους φλόγας σαν συνάρτηση της ταχύτητας της δέσμης
Χαρακτηριστικά μεγέθη - Στρωτές φλόγες Το μήκος της στρωτής φλόγας διάχυσης εξαρτάται κυρίως από την παροχή του καυσίμου (γινόμενο ταχύτητας καυσίμου επί τη διατομή του ακροφυσίου). Όσο μεγαλύτερη τιμή έχει ο στοιχειομετρικός λόγος καυσίμου-οξειδωτικού, τόσο μικρότερο είναι το μήκος της φλόγας. Ελάττωση της περιεκτικότητας της ατμόσφαιρας σε οξυγόνο οδηγεί σε επιμήκυνση της φλόγας, διότι το καύσιμο πρέπει να προχωρήσει περισσότερο χωρικά για να βρει το απαιτούμενο για την καύση οξυγόνο.
Ανάπτυξη στρωτής δέσμης χωρίς χημική αντίδραση
Στρωτή αξονοσυμμετρική φλόγα διάχυσης
Στρωτή αξονοσυμμετρική φλόγα διάχυσης Διατήρηση της ορμής σε όλο το πεδίο της δέσμης Μείωση της αξονικής ταχύτητας λόγω μεταφοράς ορμής προς το περιβάλλον, στα κατάντι του πεδίου Αυξανόμενες ποσότητες αέρα εισρέουν προς τη δέσμη από το περιβάλλον προς τα κατάντι του πεδίου
Διατήρηση της ορμής J: Ορμή σε κάθε σημείο x της δέσμης J e : Συνολική ορμή στο επίπεδο έγχυσης Κλάσμα μείγματος
Χαρακτηριστικά στρωτής φλόγας Ομοιότητα στις κατανομές αδιάστατης ταχύτητας και κλάσματος μείγματος Τα μόρια του καυσίμου διαχέονται προς τη ζώνη αντίδρασης με βάση το νόμο του Fick Μείωση συγκέντρωσης καυσίμου κατά μήκος του άξονα συμμετρίας αύξηση εύρους περιοχής καυσίμου προς τα κατάντι
Εξισώσεις διατήρησης στρωτή δέσμη
Λύση συστήματος Δ.Ε.
Κατανομή ταχύτητας
Αλλά χαρακτηριστικά στρωτής δέσμης Ημι-εύρος δέσμης, r 1/2 Ρυθμός ανάπτυξης δέσμης: r 1/2 /x Γωνία διάχυσης, α
Αλλά χαρακτηριστικά στρωτής δέσμης Ημι-εύρος δέσμης Γωνία διάχυσης, α Κλάσμα μείγματος δέσμης Παροχή δέσμης Μήκος δέσμης
Τυρβώδεις φλόγες διάχυσης Οι φλόγες διάχυσης υδρογονανθράκων είναι γενικά πιο «φωτεινές» από τις αντίστοιχες προαναμιγμένες γιατί κάποιο ποσοστό αιθάλης παρουσιάζεται στο εσωτερικό της φλόγας. Η φλόγα έχει χρώμα μπλε στη βάση της λόγω της εκεί απουσίας αιθάλης και η φωτεινότητά της είναι αρκετά μικρή. Όσο πιο μακριά από τη βάση της, τα ποσοστά αιθάλης αυξάνονται και η φλόγα παίρνει ένα έντονο κίτρινο χρώμα. Για καύσιμα με μικρότερη ποσότητα αιθάλης, όπως το μεθάνιο, το μήκος της μπλε περιοχής της φλόγας είναι μεγαλύτερο και η φωτεινότητα της κίτρινης περιοχής είναι μικρότερη.
Χαρακτηριστικό μέγεθος: Μήκος φλόγας Μεταβολή του μήκους φλόγας σαν συνάρτηση της ταχύτητας της δέσμης
Μετάβαση σε τυρβώδη φλόγα, ΟΗ-LIF Αριθμός Reynolds: 500 1000 2500 ανύψωση Φλόγα: Μείγμα 40/60 Υδρογόνου/Ηλίου Σημαντική επίδραση βαρύτητας Διαταραχή και καταστροφή μεγάλων δεινών με αυξανόμενο Re www.ae.utexas.edu/.../floimlab/ Images/heatf1.gif
Χαρακτηριστικές δομές ΟΗ-LIF Φλόγα: Μείγμα Υδρογόνου/Αζώτου Μικρή επίδραση βαρύτητας- Απουσία μεγάλων δεινών - Λεπτή ζώνη αντίδρασης www.ae.utexas.edu/.../floimlab/ Images/heatf1.gif
Τυρβώδειςφλόγεςμεανύψωση Αριστερά: Σχηματική παράσταση Κέντρο: Φλόγα μεθανίου φωτισμός φλόγας με δέσμη πράσινου laser και έγχυση σωματιδίων οξειδίου αλουμινίου (μπλε χρώμα λόγω φωτοδιαύγειας-luminescence) Δεξιά: Φλόγα αιθυλενίου - μπλε χρώμα λόγω χημικής φωτοδιαύγειας (chemiluminescence) πορτοκαλί χρώμα λόγω αιθάλης Muniz & Mungal, \Instantaneous flame-stabilization velocities in lifted-jet diusion flames", Combustion and Flame, vol. 111, 1997.
Τυρβώδεις φλόγες διάχυσης Ξεχωριστή προσαγωγή καυσίμου - οξειδωτικού Η ανάμειξη ενισχύεται από τη τύρβη Ευρείς πρακτικές εφαρμογές Σημαντικές για υγρά και στερεά καύσιμα Μειονέκτημα: μεγαλύτερο ποσοστό αιθάλης και ΝΟx σε σχέση με φλόγες προανάμιξης Σχηματική αποτύπωση τυρβώδους φλόγας διάχυσης
Τυρβώδεις φλόγες διάχυσης Παράδειγμα: Πεδίο ροής/φλόγα σε θάλαμο καύσης αεροπορικού κινητήρα
Τυρβώδεις φλόγες διάχυσης Παράδειγμα: Φλόγα διάχυσης σε περιστρεφόμενο κλίβανο τσιμεντοβιομηχανίας Τροφοδοσία υλικού με αντιροή (n. Görner)
Φωτογραφίες Bluff Body Stabilized Flame - υπερηχητική Φλόγα υδρογόνου αέρα Coflow air can be increased to Mach 1.8. School of Mechanical & Aerospace Engineering Seoul National University
Φωτογραφίες Bluff Body Stabilized Flame - υπερηχητική Fig3.(a) Effect of coflow air on the length of hydrogen diffusion flames. For all cases I ~IIIb, is fixed to 620m/s. Fig.3(b) Normalized flame length with Um,A fixed as a function of fuel mass weighted velocity (Um,F) School of Mechanical & Aerospace Engineering Seoul National University
Φωτογραφίες Typical images of four stable modes of H2 diffusion flames with annulus blockage ratio of 0.596 (top, exposure time = 1msec), direct photographs (bottom, exposure time = 0.5 sec); (a) jet like flame (γ=0.0) (b) central-jet dominated flame (γ=0.068) (c) recirculation zone flame jet with open-tip (γ=0.306) (d) recirculation zone flame jet with closed-tip (γg=0.613). OH PLIF Images of H2 diffusion flames with different coflow air velocities School of Mechanical & Aerospace Engineering Seoul National University
Φωτογραφίες Near-field images of flame with M =1.8 coflow air (case IIIb). Scattering images for non-reacting flows are obtained by sheet beam of laser when only fuel is seeded: (a) instantaneous image by Nd:Yag Laser, (b) long time exposure image by Ar-ion Laser, and (c) schematic of supersonic flame structure, which is based on the OH PLIF images, scattering images and mixing simulations. School of Mechanical & Aerospace Engineering Seoul National University
Φωτογραφίες Ειδικέςφλόγεςδιάχυσης Φλόγα προωθητικού συστήματος Εξατμίσεις αυτοκινήτων
Φωτογραφίες Δέσμη βενζίνης (20% σπρέι)
Φωτογραφίες Πυρκαγιές φωτιές κτιρίων και δασών
Φωτογραφίες Εκρήξεις