Требования, предъявляемые к газовым горелкам.

Газогорелочные устройства должны, прежде всего, обеспечить качественное проведение соответствующего технологического процесса в газоиспользующей установке. В соответствии с этим требованием выбирают метод сжигания газа, мощность единичной горелки, количество горелок и место их установки. В топочном пространстве горелка должна обеспечивать требуемый температурный режим.

Второе основное требование - надежность и безопасность работы. Горелка должна работать устойчиво, без отрыва и проскока пламени в заданном интервале изменения нагрузки. Она должна работать длительное время без выхода из строя; при сжигании газа должна обеспечиваться сохранность всего оборудования. Локальный перегрев поверхностей нагрева и футеровки, не защищенной экраном, должен быть исключен.

Третьим основным требованием является экономичность работы, т.е. газоиспользующие установки должны работать с минимальными тепловыми потерями. Можно практически полностью ликвидировать потери тепла от химической неполноты сгорания газа, поэтому главной задачей его экономного сжигания является, как правило, уменьшение потерь тепла с уходящими газами, что зависит от объемов газов и их температуры.

Снижение температуры уходящих газов зависит от качества работы самого агрегата, от величины и размещения поверхностей нагрева, их чистоты и условий их омывания продуктами горения. Возможность же снижения объемов уходящих газов зависит как от качества работы агрегата (ликвидация присосов воздуха), так и от работы горелок.

Наименьший объем продуктов сгорания при полном сжигании газа должен обеспечиваться при минимальных количествах воздуха. С этой точки зрения для промышленных установок наилучшими являются газовые горелки полного предварительного завершенного смешения, обеспечивающие полное сжигание газа при α = 1,05.

Говоря об экономии, следует иметь в виду также капитальные и эксплуатационные затраты (помимо стоимости газа). Капитальные затраты на сами горелки сравнительно невелики. Значительно больше затраты на тяго-дутьевые устройства и средства автоматики, поэтому при прочих равных условиях предпочтение следует отдавать эжекционным горелкам. Помимо экономии на капитальных затратах, их применение обеспечивает значительную экономию электроэнергии на собственные нужды.

У горелок с принудительной подачей воздуха уменьшение расхода электроэнергии на собственные нужды связано с созданием возможно меньшего сопротивления воздушного тракта. Для уменьшения эксплуатационных расходов конструкция и устройство горелок должны обусловливать минимальный расход средств на обслуживание, ремонт и ревизию.

Экономия в масштабах системы газоснабжения в целом требует в отдельных случаях быстрого перевода газоиспользующего агрегата на резервное топливо, в качестве которого наиболее часто используется мазут. Перевод на резервное топливо может быть реализован установкой комбинированных и резервных горелок.

Четвертое основное требование - сохранение чистоты воздушного бассейна и предотвращение загрязнения его вредными составляющими продуктов сгорания. Для промышленных горелок главным является сохранение чистоты воздушного бассейна городов и населенных мест, а для горелок бытовых приборов - сохранение чистоты воздуха в газифицированных квартирах.

К основным требованиям, предъявляемым к газовым горелкам, добавляются еще в каждом конкретном случае и дополнительные. Так горелки, установленные на агрегатах в закрытом помещении, должны работать по возможности бесшумно. Горелки, устанавливаемые на печах прямого нагрева с безокислительной атмосферой, могут сжигать газ не полностью, но должны обеспечивать отсутствие кислорода в продуктах сгорания и т.д.

Четкое формулирование требований к газогорелочному устройству позволяет целенаправленно произвести выбор или расчет и конструирование данной горелки.

Основным свойством горелки является осуществляемый ею метод сжигания газа, который в значительной степени зависит от степени подготовленности горючей смеси, выходящей из головной части горелки. Именно этот признак следует рассматривать как основной и использовать для классификации горелок.

По методу сжигания газа горелки можно разделить на четыре группы:

1) Горелки полного предварительного смешения газа с воздухом, работающие по кинетическому принципу.

При кинетическом методе сжигания (см. рис. 13.1, в) к месту горения подается заранее подготовленная внутри горелки однородная смесь газа с количеством первичного воздуха, несколько превышающим теоретически необходимое (α_г = 1,02÷1,05). Сгорание такой смеси происходит быстро, в коротком прозрачном факеле, без видимого образования продуктов термического распада углеводородов.

Достоинствами этого метода сжигания являются высокая теплопроизводительность, малая вероятность, химического недожога и небольшая длина пламени, а недостатком - необходимость стабилизации пламени.

2) Горелки предварительного смешения газа с частью воздуха, необходимого для горения (атмосферные горелки).

При смешанном методе сжигания (см. рис. 13.1, б) часть воздуха в виде первичного подмешивается к газу за счет эжекции в самой горелке (0 < α_г < 1), а остальной воздух, необходимый для завершения полного сгорания газа, в качестве вторичного диффундирует в зону горения из внешней среды. Факел получается более коротким и менее светящимся, чем при диффузионном горении. Светящаяся оболочка зоны первичного горения газа 2 при количестве первичного воздуха более 40-50% от теоретически необходимого становится весьма тонкой, чем и объясняется небольшая светимость факела в этом случае. Эжекционные горелки, сжигающие газ по смешанному методу, часто называют горелками неполного или частичного предварительного смешения. Частный

Рис. 13.1. Схема строения газового пламени:

а - диффузионное; б - смешанное; в - кинетическое;

1 - внутренний конус; 2 - зона первичного горения; 3 - зона основного горения; 4 - продукты сгорания; 5 - первичный воздух; 6 - вторичный воздух

случай смешанного метода имеет место при незавершенности перемешивания газа с полным количеством воздуха в горелке. Продолжение смесеобразования в объеме факела после выхода смеси из горелки увеличивает его длину по сравнению с длиной факела при кинетическом сжигании.

3) Горелки без предварительного смешения газа с воздухом, работающие по диффузионному принципу.

При диффузионном методе сжигания (см. рис. 13.1, а) к месту горения из горелки поступает только газ (α_г = 0), а весь необходимый. для его горения воздух поступает из внешней среды за счет, молекулярной, а при большой скорости истечения газа и за счет турбулентной диффузии. В этом случае к струе холодного газа 1 от периферии диффундирует воздух, а из струи газа к периферии - газ. В результате вблизи струи газа создается газовоздушная смесь горючей концентрации, горение которой образует зону первичного горения газа 2. В зоне 3 происходит горение основной части газа, в зоне 4 движутся продукты сгорания. Взаимная диффузия газа и воздуха, осложняемая выделением продуктов сгорания, протекает медленно, с образованием вследствие термического разложения углеводородов сажистых частиц. Поэтому характерными особенностями диффузионного метода сжигания являются светимость и значительная длина пламени.

К преимуществам такого метода сжигания можно отнести: высокую устойчивость пламени в широком диапазоне изменения тепловых нагрузок, невозможность проскока, относительную равномерность температуры по длине пламени. Недостатками этого метода являются: низкая интенсивность горения, неизбежность термического распада углеводородов, потребность в больших топочных объемах, обеспечивающих развитие пламени без соприкосновения с теплообменными поверхностями, вероятность химического недожога даже при значительном коэффициенте расхода воздуха.

4) Горелки с незавершенным предварительным смешением газа с воздухом, которые осуществляют диффузионно-кинетический принцип сжигания газа.

Кроме основной классификации горелки можно различать по способу подачи воздуха и давлению газа.

По способу подачи воздуха горелки подразделяются на:

1) эжекционные, в которых воздух засасывается энергией газовой струи;

2) бездутьевые, у которых воздух поступает в топку вследствие разряжения;

3) дутьевые, с подачей воздуха в топку с помощью вентилятора.

По давлению газа горелки подразделяются на горелки низкого давления (до 5 кПа) и горелки среднего давления (5-300 кПа). Горелки с более высоким давлением широкого применения не имеют.

ЛЕКЦИЯ 14

Горелки предварительного смешения газа с частью воздуха,

необходимого для горения (атмосферные горелки)

Эжекционные атмосферные горелки (рис. 14.2) применяются в установках низкого давления (до 3 кПа) малой и средней производительности с теплотой сгорания > 30000 кДж/м³, в бытовых приборах, различных промышленных печах, котлах малой производительности.

Рис. 14.2. Схема эжекционной атмосферной горелки:

1 - сопло; 2 - конфузор; 3 - горловина; 4 - диффузор; 5 - кратер; 6 - насадок (головная часть); 7 - отверстия для выхода газовоздушной смеси

Первичный воздух засасывается струей газа в эжектор, где протекает процесс смесеобразования. Из головной части 6 газовоздушная смесь выходит через отверстия 7 со скоростью, обеспечивающей устойчивое горение.Следует отметить, что головная часть горелки может иметь самую разнообразную форму, но обычно это коллектор с большим числом выходных отверстий. Конструкция головной части определяется тем огневым устройством (газовая плита, емкостной или проточный водонагреватель и т.д.), для которого она предназначена. Эжекционные смесители относятся к эжекторам с малой скоростью эжекции, т.к. скорость входа воздуха в коллектор мала и газовая струя эжектирует практически неподвижный воздух.

Перейдем к изложению основы расчета атмосферных горелок..