ЛР 6.

Газовые горелки и их основные характеристики

1. Классификация газовых горелок

Процесс горения газа состоит из трех последовательно протекающих стадий. Первая стадия представляет собой процесс смесеобразования, в ре­зультате которого обеспечивается фи­зический контакт между топливом и окислителем. Вторая стадия — это по­догрев смеси до температуры воспла­менения. Третья стадия — химиче­ская, в этой стадии протекают реакции горения газа. При сжигании заранее приготовленной газовоздушной смеси суммарная скорость процесса будет определяться скоростью подогрева и горения смеси. В этом случае стадия смесеобразования исключена, и горе­ние протекает по кинетическому прин­ципу.

Приготовленная смесь должна иметь однородный состав с некоторым избытком воздуха (α>1). Таким об­разом, процесс кинетического горения определяется свойствами горючей сме­си: энергией активации, концентра­цией реагирующих веществ, коэффи­циентами теплопроводности и темпе­ратуропроводности, т. е. физическими и кинетическими свойствами газо­воздушной смеси. При горении в ламинарном потоке эти свойства пол­ностью определяют интенсивность про­цесса. При горении в турбулентном потоке на суммарную скорость процес­са начинают влиять турбулентные его характеристики, которые зависят от скорости потока, причем тем в боль­шей степени, чем сильнее турбулизация потока. Кинетический процесс го­рения характеризуется малой устойчи­востью, поэтому при сжигании газа та­ким способом необходимо применять приемы искусственной стабилизации фронта воспламенения.

Если газ и воздух предварительно не перемешивают, а подают в горелку раздельно, смесеобразование проте­кает одновременно с горением, и ско­рость процесса горения в целом опре­деляется скоростью течения физиче­ской стадии, т.е. скоростью смесеоб­разования, ибо в этом случае «узким» местом процесса будет возникновение контакта между газом и воздухом. Та­кую область горения называют диф­фузионной, так как необходимый для процесса горения контакт между га­зом и воздухом осуществляется за счет молекулярной или турбулентной диф­фузии.

При сжигании газа по диффузион­ному принципу процесс смесеобразо­вания совмещается с процессом горе­ния в единую поточную систему. Как только достигается контакт между га­зом и воздухом и образуется горючая смесь необходимого состава, сразу же начинается процесс горения. При вы­соких температурах, господствующихв топочном пространстве, скорость хи­мических реакций несоизмеримо боль­ше скорости процесса смесеобразова­ния, поэтому суммарная скорость про­цесса в целом определяется ско­ростью образования горючей сме­си. Таким образом, скорость диф­фузионного горения определяется аэ­родинамическими, диффузионными факторами и практически не за­висит от физических и кинетических свойств смеси.

Рассмотренные два способа орга­низации процесса горения газа явля­ются крайними случаями, так как при кинетическом горении равномерная га­зовоздушная смесь приготовляется заранее, а при чисто диффузионном го­рении смесь заранее не приготовляется и искусственно не интенсифицируется, а протекает за счет естественных про­цессов молекулярной или турбулент­ной диффузии. Между этими крайними способами располагается множество процессов организации горения по диффузионно-кинетическому принци­пу, когда процесс смесеобразования интенсифицируется специальными приемами. При максимальной интен­сификации смесеобразования в горел­ке до выхода в топку можно преде­льно приблизиться к кинетическому процессу и,наоборот, максимально за­тягивая смесеобразование и перенося его в топку, можно получить преде­льно вытянутый, чисто диффузионный факел. Таким образом, диффузионно-кинетическое горение можно рассма­тривать как общий случай, границы которого будут представлены чисто ки­нетическим или чисто диффузионным горением. Достоинством диффузион­но-кинетического метода сжигания га­за является возможность регулирова­ния процесса в широком диапазоне.

Для повышения интенсивности процесса смесеобразования приме­няют следующие основные способы:

а) струйная подача газа в прямой поток воздуха под прямым или близким к прямому углом. Если располагать струйки газа на определенном расстоянии до выхода в топку, можно добиться близкого к завершению процесса смесеобразования до поступления потока в зону горения, короткого и прозрачного факела;

б) закручивание воздушного потока при струйной подаче газа повышает интенсивность смесеобразования, раскрывает факел и сокращает его длину;

в) наивыгоднейшее расположениеструек газа, выбор их размеров и отыскание оптимальных скоростей газа и воздуха позволяют получить факел требуемых характеристик. Оптимизация скоростей в спутных потоках газа с воздухом также позволяет получить желаемую интенсивность смесеобразования;

г) интенсивность смесеобразования можно повысить искусственной турбулизацией потоков.

Интенсификация смесеобразова­ния приближает горение к кинетиче­скому способу, и факел делается менее устойчивым. Диффузионный процесс горения характеризуется большей устойчивостью, чем кинетический, од­нако при больших форсировках и при диффузионном горении приходится применять искусственные приемы ста­билизации фронта горения.

Находит применение и двухступен­чатый принцип сжигания газа, когда горелка обеспечивает предваритель­ное смешение газа только с частью необходимого воздуха, а остальной воздух поступает непосредственно к факелу. В этом случае кинетически выгорает только часть газа, смешан­ная с первичным воздухом. Оставшая­ся часть газа, разбавленная продукта­ми горения, выгорает за счет кислоро­да вторичного воздуха, т.е. по диффу­зионному принципу. В частности, та­кой метод сжигания используется в атмосферных горелках. Факельное го­рение можно легко регулировать изме­нением коэффициента первичного воз­духа. Так, уменьшая коэффициент первичного воздуха до нуля, можно перейти к чисто диффузионному горе­нию, а увеличивая его до единицы, можно обеспечить сжигание газа по кинетическому принципу.

Все стадии процесса горения (сме­сеобразование, подогрев и горение) осуществляются в газовой горелке и в камере горения. Основные функции газовой горелки сводятся к подаче газа и воздуха в топку, смесеобра­зованию, стабилизации фронта вос­пламенения, обеспечению требуемой интенсивности процесса горения газа и минимальных концентраций токсич­ных газов в продуктах горения.

Для смешения газа с воздухом горелка имеет смесительное устройст­во. Если горение осуществляется по кинетическому принципу, то смеситель представляет собой самостоятельный элемент, в котором приготовляется од­нородная газовоздушная смесь. Обыч­но это эжекционное устройство. При сжигании газа по диффузионно-кине­тическому способу приготовление га­зовоздушной смеси начинается в го­релке Процесс смешения протекает в результате внедрения струй газа в поток воздуха. Степень завершения процесса зависит от принятых пара­метров горелки. При активном смеше­нии можно получить практически ки­нетический факел. Если смесеобразо­вание не активизуется и начинается за пределами горелки — в топке, тог­да горение газа будет протекать по диффузионному методу. В этом слу­чае горелка создает только необходи­мые условия для смесеобразования и управляет им лишь путем воздействия на выходящие потоки газа и воздуха; сам же процесс смешения полностью происходит в топочной камере.

Другим элементом горелки явля­ется головка. Она обеспечивает выход газовоздушного потока в топочную ка­меру или воздушное пространство. Основное назначение головки — ста­билизировать фронт воспламенения уже готовой или только что образо­вавшейся горючей смеси у устья горел­ки и предотвратить проскок и отрыв пламени.

Третий элемент горелки (огневая часть) представляет собой амбразуру или туннель, где частично или полно­стью протекает процесс горения. Ог­невая часть горелки одновременно служит и составной частью топочной камеры. Огневое устройство горелки создает устойчивый очаг зажигания и стабилизирует процесс горения, пре­дотвращая отрыв пламени. Горелка может не иметь огневого устройства, в этом случае устойчивость факела полностью обеспечивается головкой, а сам факел располагается непосред­ственно в топке или в открытом прост­ранстве. Строгого разграничения функций между отдельными элемента­ми горелки, а также между горелкой и топкой провести нельзя, так как ряд операций выполняется совместно го­релкой и топкой.

Интенсивность работы топочного устройства характеризуется двумя по­казателями: форсировкой и тепловым напряжением объема топки. Форсировка или тепловое напряжение попе­речного сечения топки Q/F (Вт/м²) определяет производительность газогорелочной системы, которая в конеч­ном счете зависит от стабилизации фронта воспламенения. Именно воз­можности стабилизации процесса оп­ределяют предельные форсировки го­релки. Тепловое напряжение объема топки Q/V (Вт/м³) определяет ком­пактность топочного устройства и зависит от скорости горения газа. Та­ким образом, оба показателя, взаимно дополняя друг друга, суммарно харак­теризуют интенсивность работы горелочного и топочного устройства.

Основным свойством горелки явля­ется осуществляемый ею метод сжига­ния газа, который в значительной мере зависит от степени подго­товленности горючей смеси, выходя­щей из головки 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, работающие по кине­тическому принципу;

2) горелки предварительного сме­шения газа с частью воздуха, необ­ходимого для горения. У горелок этого типа газ смешивается с первичным воздухом до поступления в зону горения. В зоне высоких температур сразу начинается процесс горения га­за, обеспеченного первичным возду­хом. Вторичный воздух поступает из окружающей среды у горелок с откры­тым пламенем — атмосферных. У этих горелок реализуется бунзеновское пламя. При использовании этого прин­ципа смесеобразования у промышлен­ных горелок (в этом случае такой спо­соб называют двухступенчатым сжи­ганием) вторичный воздух подается в топку, обычно к корню факела;

3) горелки с незавершенным пред­варительным смешением газа с воз­духом, которые осуществляют диф­фузионно-кинетический принцип сжи­гания газа;

4)горелки без предварительного смешения газа с воздухом, работаю­щие по диффузионному принципу.

Кроме основной классификации го­релки можно различать по способу подачи воздуха, давлению газа, распо­ложению горелки в топке и излуча­ющей способности горелки.

По способу подачи воздуха горел­ки подразделяются на:

1) эжекционные, в которых воздух засасывается энергией газовой струи (эжектирование воздухом газа приме­няют весьма редко);

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

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

Эжекционные горелки также назы­ваются инжекционными. Основное назначение эжектора горелки состоит в засасывании необходимого количест­ва воздуха из атмосферы. Это коли­чество должно находиться в опреде­ленном соотношении с расходом газа, так как соотношение газа и воздуха в смеси зависит от осуществляемого метода сжигания газа. Засасывание, присоединение объемов газовой среды к активной струе называют эжекти-рованием (эжекцией). Отсюда первое название таких горелок. Вместе с тем эжекционная горелка должна пода­вать, продавливать полученную газо­воздушную смесь через головку горел­ки, преодолевая ее аэродинамическое сопротивление, в топку или инжекти­ровать поток в топку. Отсюда термин «инжекционные горелки». Мы будем пользоваться первым термином, кото­рый лучше соответствует основным функциям горелки.

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