Экспериментальное исследование диффузионных пламён при различных диаметрах воздушных отверстий в перегородочной пластине

Почему маленькие отверстия в горелках имеют значение

От бытовых обогревателей до электростанций и судовых двигателей — во многих устройствах сжигают газ для получения тепла. В этом исследовании рассматривается на удивление простая деталь, которая может сильно влиять на чистоту и эффективность горения: диаметр небольших воздушных отверстий в металлической пластине внутри горелки, называемой перегородочной пластиной. Меняя только эти диаметры при одинаковой подаче топлива, исследователи показали, как форма пламени, температура, выбросы и эффективность изменяются — выводы, которые могут помочь проектировать более безопасные и экономичные газовые приборы.

Ближе к обычному газовому пламени

Команда сосредоточилась на «диффузионных пламёнах» — типе пламени, где топливо и воздух встречаются и смешиваются в процессе горения, а не полностью перемешаны заранее. Диффузионные пламёна популярны в промышленности благодаря своей стабильности и надёжности, но обычно они хуже используют топливо и дают больше загрязнений по сравнению с хорошо смешанными пламёнами. В качестве топлива использовали сжиженный нефтяной газ (СПГ) — распространённую смесь бутана и пропана. Исследователи изготовили металлическую испытательную камеру — простую цилиндрическую камеру сгорания — и поместили плоскую перегородочную пластину с восемью круглыми воздушными отверстиями непосредственно вверх по потоку от места впрыска газа. Испытывая пять различных диаметров отверстий от 8 до 15 миллиметров и четыре соотношения воздух–топливо, они в контролируемых условиях проследили, как эта одна геометрическая особенность меняет поведение пламени в целом.

Как проводился эксперимент

Воздух нагнетался в камеру вентилятором и тщательно дозировался; СПГ подавался из баллона под давлением через центральное сопло. Общий расход топлива поддерживали постоянным, чтобы тепловая мощность оставалась на уровне 32 киловатт — сопоставимом со среднеразмерной промышленной горелкой — в то время как расход воздуха регулировали для достижения разных соотношений воздух–топливо. Команда измеряла устойчивость пламени — насколько легко пламя зажигается и срывается — а также карты температур внутри камеры, пиковые температуры пламени, длину пламени и концентрации кислорода, углекислого газа, угарного газа и оксида азота в выпускных газах. Они также отслеживали, куда уходит тепло: в охлаждающую воду, с горячими газами или теряется через металлические стенки, чтобы можно было вычислить общую эффективность сгорания.

Как изменение диаметра отверстий влияет на пламя

Диаметр отверстий оказался мощным регулирующим параметром. Большие отверстия снижали скорость входящих воздушных струй и расширяли диапазон условий, при которых можно было поддерживать стабильное пламя, давая более широкое «окно стабильности». Однако те же большие отверстия сдвигали область максимальной температуры ближе к перегородочной пластине и уменьшали как пиковые температуры пламени, так и видимую длину пламени. Меньшие отверстия создавали более быстрые воздушные струи, которые интенсивнее смешивали топливо и воздух в центре камеры, повышая максимальную температуру пламени и удлиняя пламя вниз по потоку, но ценой более узкого безопасного диапазона работы. Исследователи описали эти тенденции в простой формуле, предсказывающей длину пламени по соотношению воздух–топливо и диаметру отверстия, которая согласуется с их измерениями примерно в пределах 2,5 процента.

Компромиссы между выбросами и эффективностью

Газы в отработавших газах показали аналогичные компромиссы. Большие отверстия, которые охлаждали пламя, как правило, снижали количество оксида азота (NO) — температурозависимого загрязнителя, способствующего образованию смога, — но при этом увеличивали уровни углекислого и угарного газов вдоль длины пламени. Меньшие отверстия с более горячими, интенсивными пламенами давали больше NO, но позволяли более полно сжигать угарный газ. Когда команда объединила все тепловые потоки в единое значение эффективности сгорания, они обнаружили, что эффективность заметно падает с увеличением диаметра отверстия. Например, увеличение диаметра отверстия с 10 до 15 миллиметров снижало эффективность примерно на 10–11 процентов в некоторых режимах воздух–топливо, в основном потому, что больше тепла уносилось или терялось через стенки, а не полезно извлекалось.

Что это означает для реальных горелок

Для неспециалиста главный вывод таков: невеликіе дизайнерские решения внутри горелок — такие как диаметр воздушных отверстий в простой металлической пластине — могут смещать баланс между устойчивостью, эффективностью и уровнем загрязнений. Меньшие отверстия позволяют извлечь больше полезного тепла из того же объёма СПГ, но требуют более точного управления, чтобы избежать проблем с пламенем, и могут повысить некоторые виды загрязнений; большие отверстия делают пламя более снисходительным к условиям работы, но приводят к большим потерям топлива и тепла. Детальные измерения и простое эмпирическое правило, разработанные в этой работе, дают инженерам практическое руководство по настройке конструкции горелки под конкретные цели — максимальную эффективность, снижение выбросов или надёжную работу в компактных системах отопления и генерации энергии.

Цитирование: Mohammed, E.S., Gad, H.M., Ibrahim, I.A. et al. Experimental investigation of diffusion flames with different baffle-plate air-hole diameters. Sci Rep 16, 7479 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38141-2

Ключевые слова: сгорание СПГ, диффузионные пламёна, перегородочная пластина, эффективность горелки, устойчивость пламени