ΦΛΟΓΕΣ ΔΙΑΧΥΣΗΣ

Μ. Φούντη

Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών

ΕΜΠ, 2009

Ορισμοί

Δύο ρεύματα, καυσίμου καιοξειδωτικού, προσάγονται στο θάλαμοκαύσης ξεχωριστά έτσι ώστε η έκλυσηενέργειας να εξαρτάται αρχικώς απότο τρόπο και το ρυθμό ανάμιξη τους. Mιά ιδανική φλόγα διάχυσηςχαρακτηρίζεται από μία εξωθερμικήζώνη αντίδρασης, η οποία διαχωρίζειτο καύσιμο από το οξειδωτικό. Καύσιμο και οξειδωτικό διαχέονταιπρος την ζώνη αντίδρασης, εξαιτίαςτων μεταβολών των συγκεντρώσεων, που εξαρτώνται από την ροή και τηνανάμειξή τους.

Ορισμοί

Αναπτύσσονται ως περιπτώσειςκαύσης αερίων καυσίμων(ομογενή φαινόμενα), κατά τηνεξάτμιση υγρών καυσίμων καικατά την έκλυση πτητικών στηκαύση στερεών καυσίμων(ετερογενή φαινόμενα). Η πιο απλή περίπτωση είναι ηκαύση αερίου καυσίμου με αέρα.

Γενικά χαρακτηριστικάΚαύσιμο και οξειδωτικό συναντώνταιμέσω μοριακής και τυρβώδους διάχυσης, σε μία ζώνη αντίδρασης. Διακρίνεται εξώθερμη ζώνη αντίδρασης ηοποία χωρίζει το καύσιμο από τοοξειδωτικό και στα σύνορά της λαμβάνειχώρα η αντίδραση. Το καύσιμο και το οξειδωτικό διαχέονταιπρος τη ζώνη αντίδρασης εξαιτίαςμεταβολών των συγκεντρώσεων, οιοποίες αποκτούν τη χαμηλότερη τιμή τουςμέσα σε αυτή. Αυτό έχει ως συνέπεια τησυνεχή διάχυση των αντιδρώντων και τηναύξηση των συγκεντρώσεών τους πάνωαπό την τιμή ισορροπίας, ενώ στιγμιαίαγίνεται περαιτέρω χημική αντίδραση γιανα κρατηθούν οι συγκεντρώσεις σεεπίπεδα ισορροπίας. Χάρη στη μεγάλη ταχύτητα τηςαντίδρασης και στον αργό ρυθμόδιάχυσης το σύστημα παραμένει σεκατάσταση ισορροπίας

Μορφή φλόγας ανάλογα με την παροχή αέρα

Υπο-αεριζόμενηφλόγα

Κίτρινη φλόγα: Ακτινοβολίαπυρακτωμένων σωματιδίων(μέλαν σώμα)Φλόγες διάχυσης

Κόκκινο-κίτρινη φλόγα: Tχαμηλότερη από τις κίτρινεςφλόγες

Μπλε φλόγα: Εκπομπή λόγω ριζώνκαι C (Φωτοδιαύγεια π.χ. 430 nm)Φλόγες προανάμιξης

(Πράσινο, κόκκινο, κίτρινοχρώμα μπορεί να οφείλεταιστη παρουσία Cu, K, Na, ..κ.α. ιχνοστοιχεία)

Plancksches Strahlungsspektrum

0350 400 450 500 550 600 650 700 750

Wellenlänge (nm)

μπλε πράσινο κίτρινο κόκκινο

T = 6000 Kλευκή

2000 Kκίτρινη

1000 Kκόκκινη

Οπτικά χαρακτηριστικά φλογών διάχυσης

Φάσμα ακτινοβολίας - Plank

μήκος κύματος (nm)ένταση

ακτινοβολίας

Οπτικά χαρακτηριστικά φλογών διάχυσης

Τέλεια καύση - στοιχειομετρικήΜπλε κοντά στον εγχυτήρα / Κίτρινο-κωνικό σχήμα φλόγαςΜέγιστη θερμοκρασία –ελάχιστοςόγκος καυσαερίωνΠερίσσεια αέρα - υπερ-στοιχειομετρική - φτωχή καύσηΑνοικτό μπλε χρώμα –περισσότερο κωνικό σχήμαΣχετικά Χαμηλότερες θερμοκρασίεςΠερίσσεια καυσίμου – υπο-στοιχειομετρική – πλούσια καύσηΚυρίως κιτρινωπό χρώμα/ ΣχήμαακανόνιστοΧαμηλότερες θερμοκρασίες/Δημιουργία CO και ΟH σταπροϊόντα

Φλόγα μεθανίου – φυσικού αερίου

Δομή της φλόγας

ΑέριοΚαύσιμο

Αέρας

ΜεταφλογικέςΑντιδράσεις

ΕκροήΑντιδράσειςΠροκαύσεως Ανάμιξη

και Καύση

Διεργασίες κατά τη διάρκεια καύσης τύπου διάχυσης με αέριο καύσιμο

Δομή της φλόγας

Αντιδράσεις πρόκαυσης: Αντιδράσεις –χαμηλής θερμοκρασίας - μεταξύυδρογονανθράκων, παρόμοιες με τηνπυρόλυση, που λαμβάνουν χώρα στο ρεύματου καυσίμου εν απουσία ή με παρουσίαμικρής συγκέντρωσης οξυγόνου και πριν τηνανάμειξη των δύο αντιδρώντων συστατικών. Οι αντιδράσεις αυτές προκαλούνται λόγω τηςμεταφοράς θερμικής ενέργειας με ακτινοβολίααπό την ζώνη καύσης που ακολουθεί.

Δομή της φλόγας

Ανάμειξη και καύση. Είναι οι κυριότερεςδιεργασίες, όπου γίνεται ανάμειξη τουκαυσίμου και του οξειδωτικού μέσωμοριακής και τυρβώδους διάχυσης μεεπακόλουθη χημική αντίδραση και έκλυσηθερμικής ενέργειας. Δημιουργούνται διάφορα σωματίδια τα οποίαακτινοβολούν ενέργεια, μέρος της οποίαςκαταναλώνεται στη χαρακτηριστικήφωτεινότητα της φλόγας διάχυσης.

Δομή της φλόγας

Μεταφλογικές αντιδράσεις. Είναιαντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σταπαραγόμενα θερμά καυσαέρια τα οποίαπεριέχουν χημικές ενώσεις που συνεχίζουννα αντιδρούν καθώς αυτά εγκαταλείπουν τηνζώνη καύσης και ψύχονται. Παίζουν σημαντικό ρόλο στον σχηματισμότων χημικών συστατικών που εμφανίζονταιστα καυσαέρια (εκροή).

Μέθοδοι Μεταφοράς θερμότητας σε φλόγες διάχυσης

Combustion 4/9

Ακτινοβολία

Αγωγή

Συναγωγή

NASA

Παράγοντες που επηρεάζουν τη δομή

Βαρύτητα – ΆνωσηΠίεσηΠαροχή αέρα – Τύρβη – αριθμός Re

Επίδραση βαρύτητας σε φλόγες διάχυσης

Τα ψυχράαέριακατακάθονται

Τα θερμά αέριαανέρχονται.

NASA

Διάδοση σε στρωτές φλόγες -Άνωση

Η επίδραση της άνωσης είναι σημαντική στις φλόγεςδιάχυσης γιατί ελαττώνει το μήκος της φλόγαςεπειδή αυξάνει την ταχύτητα ροής του αέρα στηδέσμη, με αποτέλεσμα να ελαττώνεται η ακτίνα τηςδέσμης. Η άνωση εξαρτάται από τη βαρύτητα, και έχειδιαπιστωθεί πειραματικά και υπολογιστικά ότι σεσυνθήκες μηδενικής βαρύτητας τα ζεστά αέριαπροϊόντα συσσωρεύονται γύρω από τη φλόγα, ηοποία μεγεθύνεται και αποσταθεροποιείται.

Sounding Rockets 14/17

Κανονική βαρύτητα

Συνθήκες μικρο-βαρύτητας

NASA

Διάδοση φλόγας – Επίδραση βαρύτητας

Διάδοση φλόγας – Επίδραση βαρύτητας

NASA

Μέθοδος Schlieren

Μέθοδος Schlieren

Φλόγα διάχυσης προπανίου-αέρα

Uf, in = 2.5 m/s, U air, out = 2.0 m/s

Δύο ξεχωριστές ροές μεδιαφορετικά μεγέθη δυνών

Uf, in = 2.5 m/s, U air, out = 8.0 m/s

Διαταραχή της τάξης - Καλύτερηανάμειξη - Χαρακτηριστικές

τυρβώδεις δύνες

University of Tasmania, Copyright (C) 2001, Paavo Jumppanen

Στρωτές φλόγες διάχυσης - Φλόγα κεριού

Η ζώνη αντίδρασης έχειχρώμα μπλε και εκείπαρατηρείται η μέγιστηθερμοκρασίαΗ φωτεινή ζώνη είναι ηπεριοχή όπου καίγεται οάνθρακας και έχει χρώμακίτρινο. Σε μεγάλες φλόγες το κέντροτης φωτεινής ζώνης μπορείνα βρίσκεται σε θερμοκρασίαόπου η οξείδωση τωνσωματιδίων άνθρακα είναιαργή, οπότε τα σωματίδιαδιαφεύγουν σχηματίζονταςαιθάλη.

καύσιμο

Στοιχειομετρικήεπιφάνεια

Φωτεινή ζώνη(κίτρινη)

αέρας αέρας

• Καύσιμο και αέρας αναμειγνύονταιμέσω συναγωγής και διάχυσης

• Χημική αντίδραση έπεται.

Στρωτές φλόγες διάχυσης - Φλόγα κεριού

Schlieren – Φλόγα κεριού

Επίδραση πίεσης

Φλόγες μεθανίου σε υψηλές πιέσεις

Τυπική κατανομήΧωρίς Αντίδραση:Ανάμειξη μέσω διάχυσης

Δομή στρωτής φλόγας διάχυσης

YBr

x

YO

x

YBrYO

xy=y1

y=y2

x

λ=1φτωχό πλούσιο

Με αντίδραση:

YBr

x

YO

x

YBrYO

xy=y1

y=y2

x

Ζώνηαντίδρασης

φτωχό πλούσιο

YPr

T

λ=1

x

x

καύσιμο

Μέτωπο φλόγας λ = 1

αέρας

αέρας καύσιμο

y2

y1

y

Σημ.: • «Γρήγορη χημεία», Καυσ. + Oξ --> Προϊόντα• Σταθερές και ίσες τιμές συντελεστών διάχυσης (Le = a/D = 1)

YOx

ffst 10

YκYBr,0

YOx,0

ΧωρίςΑντίδραση

ΖώνηΑντίδρασης

ffst 10

YκYπ

T

YOx

Μεαντίδραση

‘Κλάσμα μείγματος' f : Μάζα καύσιμης ύλης προερχόμενη από το ρεύμα τουκαυσίμου αδιαστατοποιημένη με τη συνολική μάζα

Δομή σύμφωνα με ΣΑΧΑ

Στρωτή φλόγα προανάμιξης

ΣύνοψηΣτρωτή φλόγα διάχυσης

Προανάμιξη (αλλά διαχύση – μετ. Θερμότητας σημαντικές)

Μεταβλητό μέτωπο φλόγας

Μπλε φλόγα (CH, C2)

λ μεταβλητό --> Tmax μεταβλητή--> χαμηλό NOx

Διάχυση --> Ανάμιξη

Κλάσμα μείγματος, f

Κιτρινωπή φλόγα (αιθάλη)

λ ≈ 1

0max

0

TTTTc−−

=

Καυσ., Οξ.

x

Ακτιν.

Πρ.T

κρύο

sL

0,5mm

Καυσ.

x

Οξ.

Πρ.

T

fst

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 διάχυσηςεξαρτάται κυρίως από την παροχή του καυσίμου(γινόμενο ταχύτητας καυσίμου επί τη διατομή τουακροφυσίου). Όσο μεγαλύτερη τιμή έχει ο στοιχειομετρικός λόγοςκαυσίμου-οξειδωτικού, τόσο μικρότερο είναι τομήκος της φλόγας. Ελάττωση της περιεκτικότητας της ατμόσφαιρας σεοξυγόνο οδηγεί σε επιμήκυνση της φλόγας, διότι τοκαύσιμο πρέπει να προχωρήσει περισσότεροχωρικά για να βρει το απαιτούμενο για την καύσηοξυγόνο.

Ανάπτυξη στρωτής δέσμης χωρίςχημική αντίδραση

Στρωτή αξονοσυμμετρική φλόγα διάχυσης

Στρωτή αξονοσυμμετρική φλόγα διάχυσης

Διατήρηση της ορμής σε όλο το πεδίο τηςδέσμηςΜείωση της αξονικής ταχύτητας λόγωμεταφοράς ορμής προς το περιβάλλον, στακατάντι του πεδίουΑυξανόμενες ποσότητες αέρα εισρέουν προςτη δέσμη από το περιβάλλον προς τα κατάντιτου πεδίου

Διατήρηση της ορμής

J: Ορμή σε κάθε σημείο x τηςδέσμης

Je: Συνολική ορμή στο επίπεδοέγχυσης

Κλάσμα μείγματος

Χαρακτηριστικά στρωτής φλόγας

Ομοιότητα στις κατανομές αδιάστατηςταχύτητας και κλάσματος μείγματοςΤα μόρια του καυσίμου διαχέονται προς τηζώνη αντίδρασης με βάση το νόμο του FickΜείωση συγκέντρωσης καυσίμου κατά μήκοςτου άξονα συμμετρίας – αύξηση εύρουςπεριοχής καυσίμου προς τα κατάντι

Εξισώσεις διατήρησης – στρωτή δέσμη

Λύση συστήματος Δ.Ε.

Κατανομή ταχύτητας

Αλλά χαρακτηριστικά στρωτής δέσμης

Ημι-εύρος δέσμης, r1/2

Ρυθμός ανάπτυξηςδέσμης: r1/2 /xΓωνία διάχυσης, α

Αλλά χαρακτηριστικά στρωτής δέσμης

Κλάσμα μείγματος δέσμης

Γωνία διάχυσης , α

Ημι-εύρος δέσμης

Παροχή δέσμης

Μήκος δέσμης

Τυρβώδεις φλόγες διάχυσης

Οι φλόγες διάχυσης υδρογονανθράκων είναι γενικάπιο «φωτεινές» από τις αντίστοιχες προαναμιγμένεςγιατί κάποιο ποσοστό αιθάλης παρουσιάζεται στοεσωτερικό της φλόγας. Η φλόγα έχει χρώμα μπλε στη βάση της λόγω τηςεκεί απουσίας αιθάλης και η φωτεινότητά της είναιαρκετά μικρή. Όσο πιο μακριά από τη βάση της, ταποσοστά αιθάλης αυξάνονται και η φλόγα παίρνειένα έντονο κίτρινο χρώμα. Για καύσιμα με μικρότερη ποσότητα αιθάλης, όπωςτο μεθάνιο, το μήκος της μπλε περιοχής της φλόγαςείναι μεγαλύτερο και η φωτεινότητα της κίτρινηςπεριοχής είναι μικρότερη.

Χαρακτηριστικό μέγεθος: Μήκος φλόγας

Μεταβολή του μήκους φλόγας σαν συνάρτηση της ταχύτητας της δέσμης

Μετάβαση σε τυρβώδη φλόγα, ΟΗ-LIF

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

Αριθμός Reynolds:500 1000 2500 – ανύψωση

Χαρακτηριστικές δομές

www.ae.utexas.edu/.../FloImLab/ Images/heatf1.gif

Φλόγα: Μείγμα Υδρογόνου/Αζώτου –Μικρή επίδραση βαρύτητας - Απουσία μεγάλων δεινών - Λεπτή ζώνη

αντίδρασης

ΟΗ-LIF

Τυρβώδεις φλόγες με ανύψωση

Αριστερά: Σχηματική παράσταση

Κέντρο: Φλόγα μεθανίου – φωτισμός φλόγας με δέσμη πράσινου laser και έγχυσησωματιδίων 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.

Ξεχωριστή προσαγωγήκαυσίμου - οξειδωτικού

Η ανάμειξη ενισχύεται από τητύρβη

Ευρείς πρακτικές εφαρμογές

Σημαντικές για υγρά καιστερεά καύσιμα

Μειονέκτημα: μεγαλύτεροποσοστό αιθάλης και ΝΟx σεσχέση με φλόγεςπροανάμιξης

Σχηματική αποτύπωσητυρβώδους φλόγας

διάχυσης

Τυρβώδεις φλόγες διάχυσης

Παράδειγμα: Πεδίο ροής/φλόγα σε θάλαμο καύσης αεροπορικού κινητήρα

Τυρβώδεις φλόγες διάχυσης

(n. Görner)

Τυρβώδεις φλόγες διάχυσηςΠαράδειγμα: Φλόγα διάχυσης σε περιστρεφόμενο κλίβανο

τσιμεντοβιομηχανίας – Τροφοδοσία υλικού με αντιροή

Φλόγα υδρογόνου –αέραCoflow air can be increased to Mach 1.8.

Bluff Body Stabilized Flame - υπερηχητική

School of Mechanical & Aerospace Engineering Seoul National University

Φωτογραφίες

Φωτογραφίες

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

Bluff Body Stabilized Flame - υπερηχητική

Typical images of four stable modes of H2 diffusion flames with annulus blockage ratio of0.596 (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

Φωτογραφίες –Ειδικές φλόγες διάχυσης

Φλόγα προωθητικούσυστήματος

Εξατμίσεις αυτοκινήτων

Φωτογραφίες

Δέσμη βενζίνης (20% σπρέι)

Πυρκαγιές – φωτιές κτιρίων και δασών

Φωτογραφίες

Φωτογραφίες

Εκρήξεις