И классификация

На интенcивноcть и полноту гоpения, а также на xаpактеpиcтики факела (pазмеp, cветимоcть, темпеpатуpный уpовень) пеpвоcтепенное влияние оказывает фактоp cмешения газового топлива c окиcлителем. Пpи недоcтаточно интенcивном пеpемешивании топлива c воздуxом окиcлительные pеакции тоpмозятcя. Пpи этом возможно появление пpодуктов неполного сгоpания (xимичеcкий недожог) и пpодуктов теpмичеcкого pазложения углеводоpодов. Во избежание xимичеcкого недожога пpи плоxом пеpемешивании тpебуетcя увеличение коэффициента избытка воздуxа в топке, что пpиводит к увеличению потеpь теплоты c уxодящими газами.

Сжигание топлива осуществляется с помощью устройств, называемых горелками. Они предназначены для подачи в топочную камеру (или в камеру сгорания) необходимых для достижения заданной производительности агрегата количеств топлива и окислителя, создания благоприятных условий их перемешивания (смешения) до начала горения или в самом процессе горения, воспламенения горючей смеси и стабилизации факела. Это достигается различными конструктивными приёмами.

Большинство газовых горелок, независимо от их типа, имеют общие конструктивные элементы: устройства для подвода газа и воздуха (топлива и окислителя), смесительную камеру, горелочную насадку и стабилизирующее устройство. В зависимости от типа горелки, сферы её применения и технологических требований, каждый из перечисленных выше элементов горелки может иметь различное конструктивное оформление. Например, в некоторых конструкциях отдельные элементы могут совсем отсутствовать или компоноваться как единое целое.

Конструкция и аэродинамические характеристики горелочных устройств при сжигании такого высококалорийного топлива, каким является природный газ, имеют первостепенное значение, поскольку большая разница в объёмах воздуха и газа существенно затрудняет их перемешивание (в связи с высокой теплотой сгорания соотношение расходов воздуха и газа с учётом коэффициента избытка воздуха равно 10).

Кроме того, назначением горелки является организация смесеобразования и создание у её устья устойчивого фронта воспламенения для зажигания выходящей из горелки газовоздушной смеси.

Горение газа имеет принципиально различный характер, в зависимости от того, совмещены или разделены в пространственном отношении процессы смесеобразования, с одной стороны, и процессы подогрева смеси до температуры воспламенения и собственно горения – с другой стороны.

В зависимости от способа подачи в топочную камеру газа и окислителя (воздуха) и условий образования горючей смеси, различают три основных принципа организации процесса горения и соответствующие им виды горелок:

1) принцип внешнего смешения, когда газ и воздух подаются в зону горения раздельно (в виде отдельных струй или потоков), а смешение их происходит непосредственно за срезом горелки в пределах самого пламени за счёт эжектирующего действия струи или турбулентно-молекулярной диффузии (диффузионное горение) – диффузионная горелка – α_г = 0 (рис. 24);

Рис. 24. Диффузионная горелка

2) принцип полного внутреннего смешения, когда газ со всем эжектируемым или принудительно подаваемым воздухом, необходимым для горения, смешивается непосредственно в пределах горелки, при этом в зону горения поступает однородная газовоздушная смесь (кинетическое горение ) – горелка с полным предварительным смешением – α_г > 1
(рис.25);

Рис. 25. Горелка с полным предварительным смешением

3) принцип частичного внутреннего смешения, когда газ смешивается в пределах горелки лишь с частью воздуха, необходимого для горения (первичный воздух), а остальная часть воздуха (вторичный воздух) подаётся в топку отдельным потоком. Окончательное смешение происходит уже в топочном объёме совместно с процессом горения –
горелка с частичным предварительным смешением – α_г < 1 (рис.26).

Рис. 26. Горелка с частичным предварительным смешением

Наряду с этими тремя основными принципами, возможен и очень часто практически реализуется промежуточный, или смешанный, принцип сжигания газа – принцип неполного предварительного смешения,
когда предварительное смешение газа с воздухом находится на стадии неполного завершения (причём степень этой незавершённости может быть самой различной), т.е. в зону горения подаётся неоднородная газовоздушная смесь.

В зависимости от выбранного способа образования горючей смеси и соответствующей конструкции горелки, процесс сжигания газа может сопровождаться образованием короткого или длинного и светящегося или несветящегося факела.

При раздельной подаче топлива и воздуха (диффузионная горелка) или при условии их неполного или частичного предварительного смешения сгорание газа происходит в растянутом факеле по мере смешения газа с воздухом. Факел при этом, как правило, получается светящимся (особенно при сжигании газа с большим содержанием углеводородов и местном недостатке воздуха), что важно с позиции интенсивности лучистого теплообмена в топке. Горелки, образующие видимый факел, называются факельными.

При сжигании предварительно подготовленной газовоздушной смеси процесс смешения завершается вне объёма факела. Поэтому горение в гомогенном факеле протекает интенсивно и полностью завершается на коротком участке, а факел получается коротким и несветящимся. При этом значительно повышается полнота сгорания, и уменьшается необходимый коэффициент избытка воздуха. Такие горелки условно называют горелками предварительного смешения, или беспламенными.

В диффузионном факеле процессы смешения и горения протекают одновременно в реакционном объёме, причём лимитирующим является процесс смесеобразования. Поэтому диффузионный факел оказывается значительно более протяжённым, чем гомогенный.

Размеры диффузионного факела регулируются изменением интенсивности смесеобразования путём варьирования конструктивных и режимных параметров горелки. В зависимости от технологических требований, можно добиваться укорочения или удлинения зоны смешения, т.е. изменять характеристики диффузионного факела.

В какой области протекает горение газа – в кинетической или диффузионной? Какой из двух основных факторов, характеризующих скорость процесса горения, является тормозящим, т.е. определяющим? Что замедляет процесс горения газообразного топлива – скорость химической реакции, т.е. кинетика, или скорость смесеобразования, т.е. диффузия?

Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо определить интенсивность тепловыделения в зоне горения и время горения.

По модели Я.Б.Зельдовича тепловое напряжение в зоне реакции горения определяется по формуле:

,

а время горения выделенного элементарного объёма в зоне реакции

,

где u_н = 0,35 м/с – нормальная скорость распространения пламени в неподвижной среде; – плотность и теплопроводность газовоздушной смеси на выходе из горелки; – повышение температуры в зоне реакции; Т_а – теоретическая (адиабатическая) температура горения; Т₀ – начальная температура газовоздушной смеси; а – коэффициент температуропроводности смеси.

При хорошем молекулярном смешении газа с воздухом он горит при высоких температурах и с огромной скоростью:

интенсивность тепловыделения ,

а время горения .

К моменту воспламенения имеются участки, где газ и воздух сравнительно хорошо перемешаны. Тормозящим фактором, определяющим скорость процесса горения, является скорость протекания химической реакции, которая описывается законами химической кинетики, т.е. горение протекает в чисто кинетической области. Но интенсивность горения, а, следовательно, и потребление кислорода настолько велики, что готовая смесь быстро расходуется, и для поддержания процесса горения необходим более интенсивный подвод кислорода к зоне горения.

Кроме того, следует учесть тот факт, что с началом горения в смеси появляется третий компонент в виде продуктов сгорания. Происходит “разбавление” готовой смеси инертными компонентами, что затрудняет столкновение молекул топлива и окислителя.

Таким образом, при высоких температурах фактором, тормозящим скорость горения газа, является скорость процесса смесеобразования, описываемая законами молекулярной и турбулентной диффузии, т.е. горение протекает в диффузионной области.

Установлено, что при температуре около 1000 ºС скорость кинетического горения достигает скорости смесеобразования в хорошо отлаженных горелках. Для дальнейшего увеличения скорости горения необходимо усовершенствование аэродинамики горелок.

Конструкция газогорелочных устройств, с помощью которых технически реализуются указанные принципы сжигания газа, должна быть органически связана с устройством всей топочной камеры в целом и, кроме того, должна обеспечивать выполнение следующих задач:

· подвод в зону горения требуемых количеств газа и воздуха;

· смешение газа с воздухом в соответствии с выбранным принципом сжигания;

· практически полное сгорание газа (за исключением некоторых частных случаев, когда для обеспечения технологического процесса в топочной камере необходимо получение восстановительной атмосферы, например, в промышленных печах);

· создание необходимого температурного уровня в зоне горения и в топочной камере в целом;

· обеспечение необходимой излучательной способности пламени.

Конструктивное разнообразие используемых в современной технике газовых горелок требует их классификации с разделением на отдельные, чётко различающиеся группы.

В основу такой классификации могут быть положены различные признаки. При этом ни один из классификационных признаков, взятый в отдельности, не может достаточно чётко охарактеризовать одновременно все принципиальные, конструктивные и эксплуатационные особенности газовых горелок. В связи с этим в современной технической литературе отсутствует единая общепринятая классификация.

Горелки, предназначенные для комбинированного сжигания газа с другими видами топлива (мазут, угольная пыль), имеют ряд конструктивных особенностей.

Наряду с основополагающим принципом классификации горелок (принцип образования горючей смеси), существуют и другие подходы, или классификационные признаки:

· вид сжигаемого топлива;

· способ подачи воздуха;

· характер истечения потоков;

· форма устья горелки (геометрия);

· способ завихрения (крутки);

· способ регулирования крутки потоков;

· давление газа;

· скорость истечения;

· степень автоматизации;

· прочие.

По способу подачи воздуха горелки делятся на две группы:

· с принудительной подачей воздуха от вентилятора (дутьевые горелки);

· с подачей воздуха путём эжектирования его газовой струёй или за счёт разрежения в топке.

Дутьевые горелки, в свою очередь, в зависимости от характера истекающих потоков, подразделяются на прямоточные и вихревые.

В прямоточных горелках структура факела зависит от формы устья горелки, которая может быть прямоугольной, щелевой или круглой.

В вихревых горелках основополагающим является тип завихрителя (принцип организации крутки потоков), среди которых наиболее распространены улиточный аппарат (У) и лопаточные завихрители: тангенциальный (Т) и аксиальный (осевой) (А) (рис. 27).

Регулирование крутки потоков может осуществляться следующими способами:

· изменением угла наклона лопаток;

· изменением сечения входного патрубка или живого сечения лопаточных завихрителей;

· перепуском части воздушного потока мимо завихрителей (байпас).

Основные аэродинамические характеристики закрученных струй: профили скоростей (осевой, тангенциальной, радиальной), изменение максимальных скоростей вдоль оси струи, максимальная скорость обратного тока, количество газов рециркуляции, размеры зоны рециркуляции, распределение давления и другие параметры, – определяются, прежде всего, безразмерным интегральным параметром крутки n, который сохраняется постоянным вдоль струи.

Параметр крутки, геометрия горелки, соотношение скоростей и расходов первичного и вторичного воздуха – все эти характеристики оказывают существенное влияние на форму факела и угол его раскрытия, размеры зон рециркуляции дымовых газов, интенсивность тепло- и массопереноса и т.п.

Параметр крутки может быть рассчитан по конструктивным характеристикам соответствующего закручивающего аппарата.

а) улиточный

б) тангенциальный лопаточный

в) аксиальный лопаточный

Рис.27. Принципиальные схемы завихрителей

Наибольший практический интерес для топочной техники представляют следующие характеристики закрученных струй:

· распределение составляющих вектора скорости и распределение статических давлений по радиусу струи;

· падение максимальных скоростей по длине струи;

· размеры зоны обратных токов и объём газов рециркуляции;

· угол раскрытия и диаметр струи;

· увеличение массы струи.

Интенсификация процесса смешения горючего с окислителем может быть достигнута следующими способами:

· увеличение скорости потоков;

· подача потоков под углом друг к другу;

· дробление смешивающихся потоков на отдельные струи;

· использование стабилизаторов в виде стенки, плохо обтекаемого тела или суживающегося сечения;

· применение, так называемого, “острого дутья”, т.е. ввод с большой скоростью дополнительных струй воздуха, турбулизирующих основной поток;

· закручивание потоков воздуха.