Атмосферные газовые горелки автономных теплогенераторов

Надежная и эффективная работа децентрализованной системы теплоснабжения здания в значительной степени зависит от теплотехнических и эксплуатационных характеристик автономного теплогенератора, обеспечиающего тепловой энергией системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. В качестве первичного энергоносителя в подавляющем большинстве случаев используется химическая энергия ископаемого топлива, а для коммунально-бытовых целей в значительных объемах применяется газообразное углеводородное топливо: природный газ и регазифицированный сжиженный газ (пропан-бутановые смеси). Совершенно очевидно, что используемое в теплогенераторе газогорелочное устройство (ГГУ), как основное топливоиспользующее оборудование, будет в значительной степени определять его теплотехнические, экологические и потребительские качества.

Процесс сжигания газа состоит из последовательно протекающих стадий:

а) образование гомогенной газовоздушной смеси (топлива и окислителя);

б) подогрев смеси до температуры воспламенения;

в) химическое реагирование - собственно реакция горения.

Стадия смесеобразования оказывает существенное влияние на горение и может осуществляться или как предварительная (подготовительная) стадия, или происходить параллельно с другими процессами. В теплогенераторах малой мощности (до 300-500 кВт), используемых в автономных системах теплоснабжения, применяются дутьевые или эжекционные (их называют еще "атмосферные") газовые горелки. Основным преимуществом атмосферных ГГУ является их эксплуатация без наддувных вентиляторов для принудительной подачи воздуха. Процесс смесеобразования в них осуществляется за счет кинетической энергии газовой струи, выходящей из дозирующего сопла горелки, которая и эжектирует воздух.

По степени завершения процесса предварительного смесеобразования газа с воздухом (перед воспламенением) атмосферные ГГУ подразделяются на следующие категории:

- диффузионные - без предварительного образования смеси газа и воздуха (иногда их обозначают "jet");

- кинетические - с полным предварительным смешением газа и всего воздуха, требуемого для горения ("premix");

- диффузионно-кинетические - с неполным предварительным смешением части воздуха, необходимого для полного сгорания (первичного воздуха), и газа.

Стадии смесеобразования в атмосферных ГГУ являются наиболее важными, т. к. стабилизация пламени, глубина регулирования, экологические показатели и надежность эксплуатации ГГУ в значительной мере определяются именно обеспечением стабильности условий образования газовоздушной смеси в различных режимах горения.

Режимы работы атмосферных ГГУ

Малая кинетической энергия струи природного газа низкого давления существенно ограничивает возможности эжектирования воздуха при смесеобразовании в атмосферных ГГУ, а также ограничивает глубину регулирования при сохранении соотношения газ-воздух в смеси.

При диффузионном сжигании газа процесс смесеобразования совмещен с процессом горения, развивающимся при достижении контакта газа с окислителем. Высокие температуры в топках котлов обуславливают высокие скорости химического реагирования, а время протекания процесса горения будет полностью определяться интенсивностью процесса смесеобразования. Поэтому для получения относительно короткого диффузионного факела используются приемы максимальной интенсификации смесеобразования:

- деление потоков газа и воздуха (уменьшение единичной мощности отдельных горелок в составе блока, образующего ГГУ);

- закручивание смесеобразующих потоков на выходе, у корня факелов ГГУ;

- искусственная турбулизация в зоне смесеобразования и горения и др.

Выгодной особенностью диффузионного горения (без предварительного смесеобразования) является принципиальная невозможность "проскока" пламени внутрь ГГУ. Однако условия стабилизации фронта пламени по "отрыву", из-за малой скорости распространения пламени, и сравнительно большие размеры диффузионного факела существенно ограничивают тепловые напряжения топочного объема и мощность ГГУ в режимах максимальных нагрузок теплогенератора.

При кинетическом сжигании газа удается сократить время горения (максимально увеличить скорость распространения пламени), т. к. из времени горения практически исключается самый длительный процесс - смесеобразование. Таким образом, скорость горения будет определяться интенсивностью прогрева смеси и кинетикой химического реагирования. Учитывая значительные объемы воздуха, которые должны эжектироваться газовой струей для реализации кинетического процесса горения, при разработке атмосферных ГГУ с полным предварительным смешением стремятся минимизировать аэродинамические сопротивления узла эжекции и смешения, а также головки горелки. Стабилизация процесса горения в ГГУ полного предварительного смешения осуществляется в диапазонах скоростей выхода газовоздушной смеси из отверстий головки горелки, исключающих "проскок" и "отрыв" фронта пламени. Графически зона стабильной работы атмосферного ГГУ полного предварительного смешения на природном газе иллюстрируется (рис. 1) областью между кривыми "проскока" и "отрыва" пламени для значений a>1.

Скорости "отрыва" и "проскока" пламени зависят от соотношения скорости выхода топливовоздушной смеси и скорости распространения пламени (т. е. от состава газа и коэффициента избытка первичного воздуха a’) и от условий стабилизации горения у корня каждого горящего факела ГГУ. Как следует из рис. 1, зона устойчивого горения ГГУ полного предварительного смешения ( a’>1) весьма узкая. Так, при a=1,2 (для приведенной в качестве примера горелки на рис. 1) соотношение скоростей на выходе: wот/ w пр = 1,45/0,73=2, т. е. диапазон устойчивого горения, соответствует глубине регулирования мощности горелки от 50 до 100 %.

Отдельную группу атмосферных ГГУ полного предварительного смешения представляют "беспламенные" инфракрасные горелки, в которых кинетическое сжигание топливовоздушной смеси осуществляется внутри пористой огнеупорной насадки или системы большого количества мелких каналов, изготовленных в виде блоков из огнеупорной керамики. Высокотемпературная насадка обеспечивает быстрый прогрев и воспламенение топливовоздушной смеси, короткопламенное сгорание которой практически полностью завершается внутри огнеупорной насадки. Высокотемпературная часть инфракрасных горелок может изготавливаться в виде плоских, цилиндрических, полусферических (или иных конфигураций) блоков, рационально размещаемых в топке теплогенератора соответствующей формы, что обеспечивает эффективный радиационный теплообмен. Однако стабильное горение в инфракрасных ГГУ имеет очень узкую область теплового режима работы высокотемпературной насадки (которая изготавливается с каналами меньше критического диаметра для природного или сжиженного газа) и по условиям беспламенного сжигания газа.

Расширить диапазон устойчивой работы ГГУ можно обогащая первичную смесь (уменьшая коэффициент избытка первичного воздуха a’ (рис. 1)), что уменьшает вероятность "проскока" пламени вплоть до исключения его по условиям воспламенения ( a’<0,65 для природного газа). Вместе с тем увеличивается и скорость отрыва пламени за счет лучшей диффузии топлива из "богатой" смеси в основании факелов горелки, где вместе со вторичным воздухом формируется стабилизирующий очаг горения. Поэтому диффузионно-кинетические горелки с неполным предварительным смешением обладают большей глубиной регулирования и сравнительно лучшей стабилизацией пламени. Учитывая особенности работы атмосферных ГГУ, наибольшее распространение получили горелки неполного предварительного смешения с различными значениями коэффициента избытка первичного воздуха a’=0,45-0,85. Подача на горение вторичного воздуха осуществляется за счет разрежения в топке, создаваемого дымовой трубой или дымососом. Естественная тяга дымовой трубы зависит от температуры наружного воздуха, поэтому для стабилизации условий подачи вторичного воздуха часто применяется тягопрерыватель. Дымосос, используемый рядом производителей проточных настенных котлов с закрытой топкой, позволяет работать практически с постоянным разрежением в топке, незначительно зависящим от самотяги дымовой трубы. Вместе с тем модулирование мощности ГГУ, осуществляемое путем изменения давления газа перед газовыми соплами, неизбежно приводит к изменению соотношения первичного и вторичного воздуха, а также, соответственно, к изменению результирующего значения коэффициента избытка воздуха горелки. Количество вторичного воздуха, поступающего в топку, в малой степени зависит от режима работы ГГУ, поэтому при малых нагрузках происходит заметное разбавление продуктов сгорания избыточным воздухом. Изменяются условия теплообмена в поверхностях нагрева и эффективность работы котла в целом.