Горелка(Теплотехника)
Горелка – это устройство, обеспечивающее устойчивое сгорание топлива и возможность регулирования горения.
Описание горелки
Горелка является обязательным элементом всех водогрейных котлов работающих на жидком топливе или газе и она:
- подготавливает топливо и воздух для горения, придавая им требуемые направление и скорость;
- смешивает газовое топливо и воздух или распыляет жидкое топливо и смешивает его с воздухом;
- подает подготовленную топливовоздушную смесь в камеру горения, стабилизируя воспламенение топлива.
Кроме топлива, в горелку подается воздух, содержащий, как правило, 20,9 % кислорода (по объему). Количество воздуха, требуемое для полного сгорания 1 м3 (ипи 1 кг) топлива, называется "теоретически необходимым". На практике, однако, через горелку приходится подавать большее количество воздуха, чтобы обеспечить определенную скорость горения на завершающей стадии процесса: дело в том, что скорость горения зависит от концентрации кислорода в зоне горения, и если количество воздуха будет равно теоретически необходимому, то в конце топочного процесса скорость горения окажется недопустимо низкой.
Избыток воздуха в горелке характеризуется коэффициентом α, который является отношением фактически поданного воздуха к теоретически необходимому.
В инструкциях и некоторых документах, изданных зарубежными производителями котлов и горелок, можно встретить другое понятие "избыток воздуха", обозначающее превышение объема фактически поданного воздуха над теоретически необходимым (в процентах). Другими словами, избыток воздуха, например, в 10 %. соответствует коэффициенту избытка воздуха α = 1,1 и т.д.
Типы газовых горелок
Промежуточное положение между атмосферными и вентиляторными занимают горелки с неполным или частичным предварительным смешением, когда до выхода в топку газ смешивается только с частью необходимого для полного сгорания топлива, а остальной воздух подается в факел уже в камере горения. Этот режим часто называют диффузионно-кинетическим.
В практическом плане способ смешивания топлива с воздухом приводит к следующим результатам: при диффузионном и диффузионно-кинетическом режимах горения получается вытянутый светящийся факел. Более длинный факел наблюдается у горелок без предварительного смешения. В отличие от этого, горелки с полным предварительным смешением газа и окислителя дают короткий, а в некоторых конструкциях –практически невидимый факел. Такие горелки даже условно называют беспламенными.
Если процесс перемешивания топлива с воздухом полностью или частично происходит в камере сгорания, немаловажное значение имеет характер воздушного потока: по этому признаку вентиляторные горелки делятся на прямоточные и вихревые. В первых структура факела зависит от формы устья горелки, которая может быть прямоточной, щелевой или круглой. Вихревые горелки могут иметь только круглое выходное сечение, но степень крутки будет определяться конструкцией лопаточного аппарата (последний может иметь тангенциальный или аксильный подвод воздуха, а угол наклона горелок определяет степень ≪раскрытия≫ вихревого факела).
В последние годы в связи с обострением конкуренции на мировом рынке отопительного оборудования ведущие изготовители газовых горелок и отопительных котлов ищут новые оригинальные идеи, стараясь заинтересовать потенциальных потребителей всё более удобным и эффективным оборудованием.
Так, например, немецкая фирма Vaillant свои новые напольные котлы типа atmoVIT оборудует газовыми атмосферными горелками с частичным предварительным смешением и теплопроводящими керамическими стержнями. Наличие этих стержней в зоне максимального тепловыделения повышает стабильность воспламенения и улучшает экологические характеристики котла. Модель atmoVITexclusive с двухступенчатой горелкой такого типа имеет нормативный КПД 94 % и низкие (не более 70 мг/м3) выбросы оксидов азота.
Фирма Viessmann (Германия) предлагает новую серию газовых настенных котлов, оборудованных модулируемыми горелками оригинальных конструкций: на рис. 6 показана цилиндрическая горелка с предварительным смешением из нержавеющей стали, которой оснащаются настенные конденсатные котлы Vitodens 200. Область модуляции у этой горелки – 1:3. Кроме того, она отличается очень низкими выбросами оксидов азота, позволяющими выполнять требования стандарта ≪Голубой ангел≫. Другой пример – модулируемая горелка MatriX-сompact с каталитическим покрытием. Ею оборудуются газовые конденсатные настенники Vitodens 330 и Vitodens 333. Горелка представляет собой сетчатую полусферу из нержавеющей стали на плоской платформе. Реакции горения происходят в непосредственной близости от сетчатой полусферы, которая одновременно является ее стабилизатором. Горелка выполнена в комплекте с вентилятором, газовой комбинированной арматурой, топочным автоматом и реле давления воздуха. Она может работать в широком (1:4) модулируемом диапазоне и обладает высокой эксплуатационной надежностью. Главные же ее достоинства (с учетом использования в настенных котлах) – компактность и низкие удельные выбросы токсичных загрязнителей: NOx – не более 19 мг/м3 и СО – не более 7 мг/м3.
Мировые производители котлов небольшой мощности применяют и другие интересные решения в области организации сжигания газа. Она представляет собой цилиндр, покрытый металлической оплеткой. Горелка работает под наддувом и относится к классу Premix.
Жидкотопливная горелка
При сжигании жидкого топлива в топочную камеру подается распыленное топливо - капли дизельного или печного топлива. В результате распыления многократно увеличивается поверхность частиц жидкого топлива, а значит, и скорость его сгорания. Устройство, которое обеспечивает распыление жидкою топлива, называется форсункой. Благодаря ей из каждой капли жидкого топлива диаметром 1 мм получается миллион капель диаметром 10 мкм, что приводит к увеличению поверхности испарения в 600 раз.
В горелках, которые устанавливают на водогрейные котлы небольшой мощности, обычно используют механические форсунки. В них распыление осуществляется за счет энергии топлива при продавливании его под значительным давлением через малое отверстие (сопло) или за счет центробежных сил, создаваемых при закручивании потока топлива.
Обычно на головке механической форсунки имеется маркировка, содержащая все необходимые сведения: расход топлива (при определенном давлении с вязкости топлива), угол раскрытия и тип конуса (полый, полный, универсальный), дата изготовления форсунки, и тд.
Механические форсунки могут быть традиционного или возвратного типа. Первые работают с постоянным давлением, и все поступающее к форсунке топливо выходит из нее в топку в распыленном виде. Форсунки возвратного типа - это механические форсунки с внутренней рециркуляцией жидкого топлива. Они несколько сложнее традиционных, но имеют значительно больший диапазон регулирования. Применяют такие форсунки обычно в модулируемых горелках, которые обеспечивают экономичную работу установки при переменных нагрузках.
Комбинированная горелка
Их жидкотопливная и газовая части скомпонованы с дутьевым вентилятором в единый блок. В состав комбинированных горелок входят также встроенный или выносной топливный насос, устройства подготовки топливовоздушной смеси - механический или электронный регулятор соотношения "топливо-воздух", газовый и жидкотопливный трубопроводы с арматурой и контрольно-измерительными приборами, а в случае сжигания мазута - еще и встроенный (или выносной) подогреватель жидкого топлива.
Диффузионная горелка
Горелка, в которой топливо и воздух смешиваются при горении.
Инжекционная горелка
Газовая горелка с предварительным смешиванием газа с воздухом, у которой одна из сред, необходимых для горения, подсасывается в камеру горения другой среды (синоним – эжекционная горелка)
Горелка с полным предварительным смешением
Горелка, в которой газ смешивается с полным объемом воздуха перед выходными отверстиями.
Горелка с неполным предварительным смешением
Горелка, в которой газ не полностью смешивается с воздухом перед выходными отверстиями.
Атмосферная газовая горелка
Инжекционная газовая горелка с частичным предварительным смешением газа с воздухом, использующая вторичный воздух среды, окружающей факел.
Горелка специального назначения
Горелка, принцип действия и конструкцию которой определяет тип теплового агрегата или особенности технологического процесса.
Блочная газовая горелка
Блочная газовая горелка - газовая горелка, скомпонованная с вентилятором в единый блок, оборудованная средствами автоматического управления и регулирования.
Рекуперативная горелка
Горелка, снабженная рекуператором для подогрева газа или воздуха.
Регенеративная горелка
Горелка, снабженная регенератором для подогрева газа или воздуха.
Автоматическая горелка
Горелка, оборудованная автоматическими устройствами: дистанционным запальным, контроля пламени, контроля давления топлива и воздуха, запорными клапанами и средствами управления, регулирования и сигнализации.
Турбинная горелка
Газовая горелка, в которой энергия вытекающих струй газа используется для привода встроенного вентилятора, нагнетающего воздух в горелку.
Запальная горелка
Вспомогательная горелка, служащая для розжига основной горелки.
Классификационные признаки горелок и их характеристики
| Классификационный признак | Характеристика классификационного признака |
|---|---|
| Способ подачи компонентов |
|
| Степень подготовки горючей смеси |
|
| Скорость истечения продуктов сгорания, м/с |
|
| Характер потока, истекающего из горелки |
|
| Номинальное давление газа перед горелкой, Па |
|
| Возможность регулирования характеристик факела |
|
| Необходимость регулирования коэффициента расхода воздуха |
|
| Локализация зоны горения |
|
| Возможность использования тепла продуктов сгорания |
|
| Степень автоматизации |
|
Принципы работы горелок
В горелках без предварительного смешения топливо и воздух подаются непосредственно в горелки. Но в самом устройстве потоки подаваемых сред не контактируют, а только приобретают необходимые скорости и направления истечения в рабочий объем агрегата. Смешение потоков и горение смеси происходит в рабочем объеме по ходу движения струй. Горелки с улучшенным смешением позволяют почти полностью провести смешение в пределах горелки. В результате этого горение начинает развиваться уже в горелочном туннеле, а в рабочем пространстве или топке оно лишь завершается.
Горелки с регулируемым смешением позволяют за счет подвижных или сменных элементов изменять характеристики факела в зависимости от требований технологического процесса в печи. В горелках с полным предварительным смешением топливо смешивается с воздухом либо в выносном специальном смесителе, либо непосредственно внутри горелочного устройства. Полное сгорание газа происходит в пределах горелочного туннеля. В рабочее пространство поступают только продукты сгорания. Горелки такого типа большой тепловой мощности выполняют, как правило, с водяным охлаждением выходных элементов, что снижает вероятность проскока пламени из горелочного туннеля в смеситель.
Исходя из этих характеристик, можно определить предпочтительные области применения основных типов горелок. Диффузионные горелки рекомендуется применять в тех случаях, когда необходимо использовать для горения воздух, который подается в тепловой агрегат с технологической целью, например охлаждать обожженный материал (известняк, окатыши) или готовые изделия (кирпичи).
Горелки без предварительного смешения рекомендуется применять в тех случаях, когда необходимо: обеспечить концентрированный подвод тепла с помощью небольшого числа крупных горелок, особенно при сжигании газа с высокой теплотой сгорания; получить широкие пределы регулирования; работать попеременно на газовом топливе различных видов или на газе и мазуте попеременно или одновременно; подогревать компоненты сгорания до высокой температуры.
Горелки с улучшенным смешением следует применять в тех случаях, когда допустимая длина факела ограничена и требуется концентрированный подвод значительного количества тепла при сравнительно небольших размерах горелки либо требуется создать факел специальной формы.
Горелки с регулируемым смешением следует применять в тех случаях, когда желательно изменять тепловыделение по длине факела, при установке одиночных и мощных горелок.
Горелки с полным предварительным смешением целесообразны для осуществления высокотемпературного нагрева при сжигании газов с низкой теплотой сгорания, а также при рассредоточенной подаче тепла большим числом горелок с целью достижения высокой равномерности нагрева. Радиационные горелки используют для агрегатов, в которых необходимо получить особо равномерный нагрев по поверхности изделия с обычной или повышенной скоростью. Горелки этого типа не дают факела, направленного только на нагреваемое изделие, а образуют излучающие поверхности с равномерным распределением температур.
Радиационные горелки по своим характеристикам близки к нагревателям, так как значительную часть тепла они передают нагреваемым изделиям излучением от поверхности горелочного камня и футеровки печи. Продукты сгорания топлива, поступающие в рабочее пространство, в этом случае участвуют в переносе тепла в меньшей степени, чем в других горелочных устройствах. Радиационные горелки позволяют осуществлять высокотемпературный нагрев или высокоскоростной нагрев при большом перепаде температур, так как керамическая излучающая поверхность дает возможность развивать более высокие температуры, чем материал нагревателей (в настоящее время нагреватели в большинстве случаев изготавливают из жаропрочных металлов и сплавов). Радиационные горелки работают обычно на газе с теплотой сгорания не ниже 16,8 МДж/м3, так как для их нормальной работы необходимо, чтобы топливо надежно загоралось при низких температурах и устойчиво и быстро сгорало.
Скоростные горелки позволяют организовать усиленную циркуляцию продуктов сгорания и обеспечить тем самым высокую равномерность температур в рабочем пространстве печи и повышение интенсивности теплоотдачи к нагреваемым изделиям.
Горелки с переменным избытком воздуха обеспечивают необходимую температуру продуктов сгорания в рабочем пространстве печи при низкотемпературных процессах.
