Горелки отопительных и промышленных устройств

7.2.4.1. Инжекционные горелки

Среди горелок отопительного и промышленного назначения наиболее простую конструкцию имеют инжекционные горелки низкого давления продольной формы, которые появились как дешевый и простой способ перевода котлов малой мощности с твердого топлива на газ (рис. 7.3). Форма горелок соответствовала сохранению равномерного тепловосприятия поверхностями нагрева котла по всей длине топки. При точных расчетах горелка может быть изготовлена даже в условиях мастерских. Сжигание газа в таких горелках очень похоже на процесс, происходящий в горелках бытовых газовых плит.

Рис. 7.3. Конструкция щелевых инжекционных горелок: a — однорядная горелка; б — двухрядная горелка; в — устройство щели на колосниковой решетке

Эти горелки называются также щелевыми, поскольку при переводе котлов на газ размещались в щелях из огнеупорного кирпича, выкладываемых на колосниковой решетке, служившей раньше для сжигания твердого топлива. Раскаленные стенки щелей успешно выполняют функцию стабилизирующего туннеля. Горелка работает с коэффициентом избытка первичного воздуха = 0,5…0,6, а через отверстия в решетке, за счет разрежение в топке, в зону горения поступает вторичный воздух (рис. 7.3, в).

Инжекционные горелки среднего давления (рис. 7.4) используются в разнообразных теплотехнических устройствах. Они предназначены преимущественно для работы с полным предварительным смешением газа и воздуха при , с образованием при этом короткого прозрачного (так называемого «жесткого») факела. Исключение составляют установки, которые по своей технологии требуют более растянутого и «мягкого» факела.

7.2.4.2. Дутьевые горелки

Дутьевые горелки, или горелки с принудительной подачей воздуха, представляют собой весьма разнообразную группу устройств для сжигания газов в котлах и промышленных печах.

В горелках с принудительной подачей воздуха, воздух, необходимый для горения, нагнетается в горелки принудительно вентилятором, воздуходувкой или компрессором. Газ из газопровода подается в газораспределительное устройство, а из него через сопла вытекает в закрученный поток воздуха. Здесь происходит смешение газа с воздухом. Подготовленная газовоздушная смесь выдается через насадок к месту сжигания. Эти горелки, как и инжекционные горелки с > 1, оснащены стабилизаторами пламени. К особенностям горелок этого типа относится: 1) устойчивая работа в широком диапазоне применения тепловой мощности; 2) возможность использовать теплоту предварительно подогретого (подаваемого для горения) воздуха; 3) возможность обеспечить сжигание газа по кинетическому или по промежуточному принципу (в зависимости от вида смесителя); 4) работа горелки не зависит от давления в топке; 5) необходимость устанавливать клапан блокировки, отключающий подачу газа при прекращении подачи воздуха; 6)необходимость в рабочем режиме регулирования соотношения расходов газа и воздуха для поддержания заданного коэффициента избытка воздуха; 7) меньшая удельная металлоемкость по сравнению с инжекционными горелками; 8) большой коэффициент предельного регулирования.

Смешение газа с воздухом зависит от конструкции, как самой горелки, так и ее смесителя. Имеются горелки с хорошим предварительным смешением газа с воздухом. Такие горелки обеспечивают горение газа, близкое к кинетическому, и имеют в топке короткое пламя с высокой температурой. Для получения более длинного пламени применяют внешнее смешение газа с воздухом, иногда переносимое в топочное устройство.

Регулировать длину пламени можно, изменив качество смешения газа с воздухом. Чтобы сократить длину пламени, надо обеспечить хорошее предварительное смешение. Это достигается путем удлинения участка смешения; увеличения разности скоростей газа и воздуха, а также поверхности соприкосновения газовых струй с воздушным потоком; направления потоков газа и воздуха под углом; выдачи газовых струй в закрученный поток воздуха.

На рис. 7.5 приведены различные схемы горелок с принудительной подачей воздуха.

Рис. 7.5. Схемы горелок с принудительной подачей воздуха

По схеме I газ и воздух к месту сгорания подаются раздельно, параллельными широкими потоками с примерно равными скоростями. Смешение происходит крайне медленно. Горение близко к диффузионному. Пламя длинное, при сжигании углеводородных газов светящееся, имеет невысокую температуру. В схеме II поверхность соприкосновения потоков газа и воздуха увеличена за счет подачи газа внутри воздушного потока (горелка типа «труба в трубе»). Длина пламени сокращается. Еще более существенное сокращение длины пламени достигается, если обеспечить некоторое предварительное смешение газа с воздухом (схема III). Улучшение предварительного смешения газа с воздухом достигается установкой в горелке завихрителя, закручивающего поток воздуха (схема IV). Для увеличения площади соприкосновения газа с воздухом вместо одного крупного огневого отверстия делают много мелких под углом к предварительно закрученному потоку воздуха (схема V). Это приводит к образованию более равномерной газовоздушной смеси, что обеспечивает горение, близкое к кинетическому, а также короткое пламя с высокой температурой. Смешение можно еще более улучшить, если газ в закрученный поток воздуха подавать не только с центра, но и с периферии (схема VI), обеспечивая равномерное распределение газовых струй в сносящем потоке воздуха. Закручивание воздушного потока может осуществляться лопаточным направляющим аппаратом, улиткой, тангенциальным подводом к горелке и др.

Горелки с принудительной подачей воздуха в зависимости от конструкции работают на газе низкого или среднего давления. Их применяют в основном для котлов, печей, сушил и др. Горелки этого типа позволяют использовать теплоту отработанных дымовых газов за счет подогрева в теплообменниках (рекуператорах, регенераторах и др.) воздуха, подаваемого для горения, что позволяет повысить КПД теплоагрегатов.

Недостатками рассматриваемых горелок являются: значительные затраты электроэнергии на дутьевые вентиляторы; усложнение инженерных коммуникаций теплоагрегата из-за наличия воздуховодов, устройств регулирования соотношения газ — воздух и клапанов, отсекающих подачу газа к горелкам при остановке вентилятора.

Степень незавершенности процессов смешения газа и воздуха зависит от интенсивности крутки потока воздуха, длины участка l, на котором протекает смешение (рис. 7.6), скорости газовых струй и других факторов.

а б

Рис. 7.6. Схемы подачи газа в закрученный поток воздуха в дутьевых горелках: a — центральная; б — периферийная

Несмотря на огромное разнообразие особенностей конструкции таких горелок, в них применяется два главных способа подачи струй газа в закрученный поток воздуха: от центра поперек потока или под определенным углом к нему (рис. 7.6, a), либо через периферийный коллектор по направлению к центру (рис. 7.6, б). Имеется также большое количество конструкций с комбинированной подачей газа, например, в газомазутных горелках, когда центральная часть газожидкостной горелки занята жидкотопливной форсункой (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Схема газомазутной горелки: 1 — вход газа; 2 — вход мазута; 3 — вход пара; 4 — вход первичного воздуха; 5 — вход вторичного воздуха; 6 — паромазутная форсунка; 7 — монтажная плита; 8 — завихритель первичного воздуха; 9 — завихритель вторичного воздуха; 10 — керамический туннель; 11 — газовый канал

Часть струй газа в газомазутной горелке может подаваться через кольцевой канал (окружающий форсунку) в поперечном направлении, другая часть — вдоль оси горелки или другими способами.

Отличаться могут также способы закрутки воздушного потока. В газовых горелках малой и средней мощности более распространены лопаточные регистры (рис. 7.6).

При большой мощности и соответствующих размерах горелок лопаточный способ крутки требует более длинного отрезка смешения и в целом приводит к неоправданно большому гидравлическому сопротивлению. В этом случае лучшие показатели закрутки обеспечивают тангенциальные или улиточные (рис. 7.8) закручивающие аппараты.

Рис. 7.8. Схема улиточного способа закрутки воздушного потока

В последние годы в тепловых установках широкое распространение получили автоматизироанные газовые горелки с принудительной подачей воздуха (рис. 7.9 и 7.10). Автоматическая блочная горелка — это горелка, скомпонованная в единый блок с вентилятором и оснащенная автоматическими устройствами зажигания, контроля пламени и управления горелкой.

Рис. 7.9. Автоматизированная блочная горелка: 1 — корпус горелки; 2 — блок управления; 3 — вентилятор; 4 — прибор зажигания; 5 — воздушный канал; 6 — газовый канал; 7 — электрод зажигания; 8 — подпорная шайба; 9 — пламенная труба; 10 — электрод контроля пламени; 11 — вход газа

Рис. 7.10. Схема автоматической блочной газовой горелки с принудительной подачей воздуха: 1 — ручной отсечной клапан; 2 — манометр; 3 — фильтр; 4 — регулятор давления газа; 5 — устройство контроля давления газа; 6 — предохранительное отсечное устройство; 7 — управляющее устройство; 8 — устройство зажигания; 9 — датчик контроля пламени; 10 — устройство, способствующее перемешиванию газа с воздухом в огневой насадке горелки; 11 — устройство контроля вентилятора; 12 — позиционный переключатель низкого расхода воздуха; 13 — предохранительное устройство для вращающихся деталей, например решетка; 14 — позиционный переключатель высокого расхода воздуха; M1 — точка измерения давления на входе; М2 — точка измерения для регулирования давления; М3 — точка измерения в головке горелки

Горелка, как правило, укомплектована системой автоматического регулирования. Тепловая мощность горелки может регулироваться плавно или двухпозиционно. Расход воздуха регулируется воздушной заслонкой, расположенной внутри корпуса горелки. Расход газа регулируется управляющим устройством, расположенным вне корпуса горелки. Розжиг горелки производится с помощью специального устройства зажигания. Наличие пламени контролируется специальным датчиком.

7.2.4.3. Излучающие горелки

Особую группу составляют излучающие (инфракрасные) горелки. Их основным применением является обогрев предметов или людей в условиях, когда обогрев всего объема или помещения невозможен или экономически неоправдан.

К таким случаям относятся большие залы (производственные, торговые, складские), помещения большой высоты, в которых люди находятся только в нижней зоне (например, церкви), а также открытые пространства, скамейки запасных на стадионах, стрелочные переходы на железных дорогах и т.п.

В излучающих горелках после процесса инжектирования воздуха (при = 1,05) и его последующего смешения с газом не происходит немедленное воспламенение смеси. Смесь поступает в распределительную камеру, а из нее в многочисленные каналы в керамической панели (рис. 7.11), в которых она движется со скоростью 0,10…0,15 м/с. Только на вылете из этих каналов происходит воспламенение горючей смеси и ее сгорание в большом количестве микрофакелов. Керамическая панель быстро разогревается до температуры 800…900 °C и начинает передавать энергию в виде теплового излучения в соответствующем направлении.

Рис. 7.11. Общие принципы конструкции излучающих горелок

На фоне излучающей поверхности керамической панели зона горения, состоящая из сотен крошечных пламен, абсолютно не видна. По этой причине в технической литературе и профессиональной терминологии долгое время было распространено неправильное определение «горелки беспламенного горения». Раскаленная поверхность панели обеспечивает надежное воспламенение относительно отрыва пламени. Однако серьезной проблемой является недопущения проскока пламени внутрь распределительной камеры горелки.

Излучающая панель складывается и отдельных перфорированных плиток, выполненных из легкой керамической массы (рис. 7.12). Средний состав массы: 45 % огнеупорной глины, 25 % каолина, 5 % оксида хрома и 25 % талька. Пористость керамики уменьшает ее теплопроводность, содействуя снижению температуры на ее внутренней поверхности примерно до 400 °C и предотвращая, тем самым, проскок пламени путем самовоспламенения.

Рис. 7.12. Излучающая горелка с керамической панелью

Основным же способом предотвращения проскока пламени является применение каналов с диаметром, который как минимум в два раза меньше критического размера, то есть 1,0…1,5 мм. Толщина слоя керамики между каналами составляет менее 0,5 мм. Живое сечение каналов в общей поверхности панели составляет 35…40 %, что обеспечивает небольшое гидравлическое сопротивление.

Поскольку в газовых излучателях инжекция воздуха происходит с тыльной стороны корпуса, это грозит засасыванием продуктов сгорания и соответствующим ухудшением горения. Из-за этого газовая инфракрасная горелка может быть направлена вниз под углом не более 35…45º. В то же время во многих случаях наиболее желательным является потолочное размещение излучателя. Для такого применения разработаны специальные газовые горелки с продольной формой излучающей части, в которых эжекция воздуха и приготовление горючей смеси происходит в отдельном блоке (рис. 7.13—7.15). Кроме того, с целью обеспечения как можно меньшего контакта людей с продуктами сгорания, такие горелки оборудованы системой организованного отвода продуктов сгорания с собственным вентилятором.

Рис. 7.13. Потолочный газовый излучатель с отводом продуктов сгорания	Рис. 7.14. Схема потолочной излучающей горелки: 1 — отражатель; 2 — излучающие трубы; 3 — подача воздуха для горения; 4 — отвод продуктов сгорания; 5 — подача газа; 6 — электропитание; 7 — сигнальные лампочки; 8 — контакт датчика контроля работы горелки

Рис. 7.15. Блок для приготовления горючей смеси и отвода продуктов сгорания излучающей горелки: 1, 14 — прокладка; 2 — сопло горелки; 3 — подача первичного воздуха; 4 — конфузор; 5 — дифманометр; 6 — электропитание; 7 — газовый штуцер; 8 — сигнальные лампочки; 9 — питание вентилятора; 10, 11 — блок автоматики; 12 — запальный электрод; 13 — отражатель; 15 — вентилятор; 16 — отвод продуктов сгорания