4.4. Устройства для сжигания органического топлива

4.4.1. Газовые горелки

Характеристика газовых горелок. Газовые горелки — устройства, обеспечивающие качественное сжигание горючего газа в целях получения и распределения тепловой энергии. На предприятиях общественного питания в основном эксплуатируются горелки, работающие на низком избыточном давлении газа (до 2 000 Па). Процесс горения газа возможен при образовании газовоздушной смеси с концентрацией в пределах воспламенения.

Газовоздушная смесь может образовываться в результате предварительного смешивания газа, истекающего из горелки, и воздуха, находящегося в окружающей горелку атмосфере. Такой воздух, обеспечивающий горение, называют вторичным, а горение газа при использовании только вторичного воздуха — диффузионным.

В том случае, когда газовоздушная смесь, предназначенная для горения или подготовленная в горелке, уже содержит воздух, частично и полностью обеспечивающий окисление, горение называется кинетическим, а горелки — кинетическими. Воздух, входящий в состав предварительно подготовленной газовоздушной смеси, называется первичным.

Факельное горение существует при сжигании только движущейся газовоздушной смеси; если эта смесь находится в состоянии покоя, то при воспламенении она взрывается.

В том случае, если скорость газовоздушной смеси на выходе из огневых отверстий больше скорости распространения пламени iWcu > W'rm)* ^T0 факел отрывается от поверхности отверстия, горение становится нестабильным, сопровождается шумом и обычно приводит к загасанию факела. Такое явление называется отрывом пламени.

При скоростях истечения газовоздушной смеси из огневых отверстий, меньших скорости распространения пламени (W_m < W_njl), факел проникает внутрь горелки. При этом часто горение продолжается внутри горелки в зоне сопла. Это явление называется проскоком пламени.

В пределах давления газа перед горелкой, обеспечивающего горение без проскока пламени и без отрыва пламени, происходит стабильное горение газа.

Диффузионные газовые горелки. Диффузионные газовые горелки — устройства, не обеспечивающие предварительного смешивания газа и воздуха. Они предназначены для подвода и распределения газа в целях его сжигания в топочных емкостях за счет вторичного воздуха.

Основным элементом конструкции диффузионной газовой горелки (рис. 4.22) является насадка, которая представляет собой камеру той или иной формы (трубчатую или коробчатую). Насадка в верхней плоскости имеет огневые отверстия, которые равномерно распределяют горючий газ по обогреваемой поверхности аппарата и дробят общий газовый поток на отдельные потоки.

Каждый отдельный поток газа, вытекая из огневого отверстия, перемешивается с воздухом в топочной камере и образует факел.

По мере горения газа в зоне горения образуется зона разрежения, в которую подсасывается воздух, необходимый для горения.

Рис. 4.22. Принципиальная схема устройства диффузионной газовой горелки: 1 — газопровод; 2 — газовый кран; 3 —- насадка; 4 — огневые отверстия; d₀ — диаметр огневого отверстия, s — расстояния между осями огневых отверстий; D — диаметр поперечного сечения трубчатой насадки

Поскольку этот воздух инжектируется поверхностью факела, факел набирает большую высоту, соответствующую требуемой поверхности контакта с вторичным воздухом. По этой причине высота топочных камер в диффузионных горелках должна быть значительной.

Воздух охлаждает факел и снижает его температуру. Полностью газ и воздух не смешиваются, и горение происходит с заметным химическим недожогом.

Диффузионные газовые горелки просты по конструкции, дешевы в изготовлении и характеризуются малыми габаритными размерами и металлоемкостью. Они удобны в эксплуатации и имеют широкий диапазон регулирования мощности, так как отсутствие первичного воздуха исключает проскок пламени.

Однако из-за низкой температуры горения их КПД невысок, а химический недожог газа делает диффузионные горелки источником токсичного оксида углерода, представляющего опасность для обслуживающего персонала. Наиболее полное сжигание газа в этом случае возможно только в больших топочных объемах, что не оправданно, так как приводит не только к увеличению материалоемкости аппаратов, но и к снижению КПД топочных камер.

По причине химического недожога диффузионные газовые горелки в качестве основных теплогенерирующих элементов не используются. Чаще всего они используются на предприятиях общественного питания в качестве переносных запальников.

Расчет диффузионных горелок заключается главным образом в правильном выборе сечения насадки в зависимости от диаметра и количества огневых отверстий, а также правильного расположения последних относительно друг друга.

Площадь поперечного сечения насадки должна быть не менее чем в 1,5 раза больше суммарной площади огневых отверстий. Соблюдение этого условия обеспечивает равномерное распределение газа по огневым отверстиям независимо от их места расположения.

Кинетические газовые горелки. К кинетическим газовым горелкам относятся устройства, предполагающие предварительное приготовление горючей газовоздушной смеси. В зависимости от способа смешивания газа и воздуха различают следующие кинетические горелки: инжекционные и с принудительной подачей газа и воздуха.

В инжещионных газовых горелках смешивание газа и воздуха происходит за счет кинетической энергии струи истекающего газа. Кинетическая энергия струи преобразуется из статического давления газа в газопроводе в динамический напор при истечении газа через калиброванное отверстие малого сечения (сопло).

Таким образом, в инжекционных газовых горелках реализуется кинетическое горение газа. Факел в инжекционных горелках состоит из двух ярко выраженных зон горения формой, близкой к конической (рис. 4.23).

Рис. 4.23. Факел при кинетическом горении газа в зоне истечения из огневого отверстия насадки: 1 — фронт пламени; 2 — внутренний конус факела (горение за счет первичного воздуха); 3 — наружный конус факела (горение за счет вторичного воздуха); 4 — огневое отверстие насадки; 5 — стабилизирующий прилив насадки; W_cu — скорость истечения газовоздушной смеси из огневого отверстия; W_njl — скорость распространения пламени

Над фронтом пламени (поверхности, ограничивающей зону горения) располагается внутренний конус факела, имеющий прозрачный ярко-белый цвет. Эта зона характеризует горение газа за счет первичного воздуха, входящего в состав газовоздушной смеси. Из-за отсутствия подвода к данному конусу воздуха извне его температура максимальна и достигает 1 200... 1 400 °С в зависимости от химического состава горючего газа.

Внешний конус факела определяет зону диффузионного горения газа в результате инжекции вторичного воздуха факелом. Этот конус более высок и имеет более низкую температуру. Цвет внешнего конуса голубой с фиолетово-желтоватым оттенком на конце факела. При неправильном регулировании газовой горелки (низком коэффициенте первичного воздуха) языки пламени приобретают красновато-желтый оттенок, что свидетельствует о химическом недожоге газа.

В зависимости от величины коэффициента а' первичного воздуха газовоздушной горючей смеси меняется соотношение между размерами внутреннего и наружного конусов. При уменьшении коэффициента а' внутренний конус уменьшается, а наружный увеличивается; горение приближается к диффузионному. При увеличении коэффициента а' внутренний конус увеличивается, а наружный существенно сокращается. При этом увеличивается температура факела и, как следствие, растет КПД горелки. В этом случае, если а' ~ 1, горение определяется только внутренним конусом, практически совершенно прозрачным и визуально трудно определимым. Такие инжекционные горелки иногда называют бесфакельными, или, что гораздо вернее, микрофакельными.

Как правило, в зоне формирования факела на выходе смеси из огневых отверстий имеются приливы, предназначение которых — рассеивать теплоту, воспринимаемую поверхностью насадки, что уменьшает вероятность проскока факела.

В зависимости от способа приготовления газовоздушной смеси различают следующие инжекционные газовые горелки:

- частичного смешивания газа и воздуха, которые обычно называют факельными; они характеризуются коэффициентом первичного воздуха 0,3 < а' < 0,7;

- полного смешивания газа и воздуха, которые называются инфракрасными, или микрофакельными; они характеризуются 1 < < а'< 1,1.

Инжекционные факельные горелки и горелки инфракрасного излучения по конструкции смесителя подразделяют на одно- и многосопловые.

Односопловые инжекционные газовые горелки (рис. 4.24) имеют смеситель в виде трубы Вентури (см. рис. 4.24, а). Эти горелки отличаются от диффузионных наличием инжектора-смесителя, который состоит из конфузора (сужающейся конической трубки), переходящего в цилиндрическую горловину, и диффузора (расширяющейся конической трубки).

Рис. 4.24. Принципиальная схема устройства односопловой инжекционной газовой горелки: а — конструктивная схема: / — газопровод; 2 — газовый кран; 3 — сопло; 4 — регулятор первичного воздуха; 5— конфузор; б—горловина смесителя; 7 — диффузор; 8 — насадка; 9 — огневые отверстия; D_K, l_K — соответственно диаметр и длина конфузора; D, 1₂ — соответственно диаметр и длина смесительной трубки; /)_д и /_д — соответственно диаметр и длина диффузора; d₀ — диаметр огневых отверстий; s — расстояние между огневыми отверстиями; б — сопловой инжектор: \|/ — угол соплового канала; d_c — диаметр сопла; L_c — длина сопла

Принцип действия односопловых инжекционных газовых горелок следующий. Газ подается из газопровода через газовый кран и далее — через калиброванное отверстие малого сечения, называемое соплом. Количество воздуха, поступающего в смеситель, может регулироваться за счет изменения сечения при перемещении специальной пластины — регулятора первичного воздуха.

Сечение сопла подбирается таким образом, чтобы практически все статическое давление газа в газопроводе преобразовать в динамический напор. Тогда в потоке газа, находящегося в зоне сопла, статическое давление резко падает и создается разрежение, обеспечивающее инжекцию воздуха в смеситель горелки. Таким образом, воздух инжектируется поверхностью газовой струи.

В конфузоре диаметром D_K и длиной /_к инжекция воздуха постоянно увеличивается, так как по мере движения газовоздушной смеси за счет уменьшения сечения конфузора ее скорость увеличивается; как следствие, растет динамический напор, а статическое давление падает (растет разрежение).

В горловине смесительной трубки длиной /_г и диаметром D горючий газ перемешивается с воздухом, образуя горючую газовоздушную смесь.

В диффузоре диаметром D_a и длиной /_д благодаря расширению корпуса диффузора, приводящему к замедлению течения потока газовоздушной смеси, динамический напор смеси преобразуется в статический. Это необходимо для того, чтобы на всей поверхности насадки сформировать факелы одинаковой высоты. Одновременно в диффузоре заканчивается процесс смешивания газа и первичного воздуха.

Угол сужения конфузора, равный 35° < а < 45°, характеризуется наименьшим гидравлическим сопротивлением. Этот угол и выбирают при конструировании смесителя.

Угол раскрытия (расширения) диффузора (3 обычно не превышает 8... 10°, так как при больших углах возможны отрыв от стенок ядра газовоздушной смеси, образование застойной пристеночной зоны, через которую может происходить проскок пламени.

Многосопловые инжекционные газовые горелки выгодно отличаются от односопловых значительно меньшими размерами и, как следствие, малой материалоемкостью (металлоемкость в 5...7 раз ниже).

Качество приготовленной в многосопловых инжекционных газовых горелках смеси не хуже, чем в односопловых. Высокая интенсивность перемешивания объясняется большой поверхностью контакта струй газа, истекающих одновременно из нескольких сопел и инжектирующих воздух внутрь смесителя. В отдельных случаях при тангенциальном наклоне сопел обеспечивается закрутка движущейся в смесительной трубке газовоздушной смеси, что улучшает процесс перемешивания. На рис. 4.25 изображен многосоп-ловый смеситель с периферийной подачей газа, где смешивание происходит в цилиндрическом канале, в который из кольцевого коллектора одновременно через несколько сопел (3 < т < 10) истекает газ (см. рис. 4.25, а). Сопла расположены под углом к оси смесителя ф[ = 20° в сторону движения газовоздушной смеси.

Рис. 4.25. Многосопловый смеситель инжекционной газовой горелки с периферийной подачей газа: а — общий вид: / — сопла; 2 — смесительный канал; 3 — кольцевой коллектор; 4 — регулятор первичного воздуха; б — без закрутки газовоздушной смеси (ф₂= 0°); в — с закруткой газовоздушной смеси (ср₂ = 20°)

В вертикальном сечении сопловые каналы могут располагаться как радиально (см. рис. 4.25, б), так и с уклоном к радиусу ф₂ = 20° (см. рис. 4.25, в). В последнем случае образуется спиралевидный вращающийся поток, в котором газ и воздух перемешиваются более интенсивно, и поэтому требуемые размеры смесителя меньше, чем в первом варианте.

При расчете многосопловых инжекционных газовых горелок число сопел т принимают от 3 до 10 пропорционально мощности газовой горелки.

Скорость истечения газа из сопла v_r в этом случае вычисляют по формуле (4.110), а диаметр сопла — по формуле

Насадки инжекционных газовых горелок представляют собой трубчатые или коробчатые камеры, предназначенные для формирования факелов и равномерно распределяющие их относительно обогреваемой поверхности.

Насадки по форме соответствуют обогреваемой поверхности и бывают кольцевые, трубчатые, колосниковые, коробчатые, щелевые и т.д.

В зависимости от формы горелочных отверстий они подразделяются на насадки с круглыми и щелевыми (прямоугольными) огневыми отверстиями.

Условием равномерного распределения газа по огневым отверстиям насадок инжекционных газовых горелок является запас статического давления газовоздушной смеси в насадке, который предопределяется площадью F_Hllc ее поперечного сечения, не менее чем в 1,5 раза большего, чем суммарная площадь fd₀, всех огневых отверстий, т.е.

Газовые горелки инфракрасного излучения (ИК-горелки) (рис. 4.27) по способу приготовления смеси относятся к инжекционным горелкам полного смешивания, т.е. весь воздух, необходимый для горения, является первичным, который перемешивается с газом в смесителе горелки. Коэффициент первичного воздуха а' для горелок данного типа должен быть равен 1,05... 1,1. Для выполнения данного условия необходимо строго выдерживать размеры смесительного устройства, а также давление газа перед горелкой. В этом случае горелка обеспечивает высококачественное сгорание газа при номинальной мощности.

ИК-горелка имеет односопловый смеситель со строго постоянным сечением подачи первичного воздуха в конфузор, регулятор подачи первичного воздуха отсутствует (см. рис. 4.27, а). Насадка горелки выполнена в виде параллелепипеда, верхняя плоскость которого сформирована из керамических плиток (см. рис. 4.27, б) размерами 69 х 47 мм и толщиной 12 мм. На каждой плитке размещается от 700 до 1 000 цилиндрических огневых каналов диаметром 1,5 мм. Суммарное живое сечение этих отверстий составляет 40...45% общей площади поверхности плитки, что предопределяет малое гидравлическое сопротивление для истекающей газовоздушной смеси.

Рис. 4.27. Принципиальная схема беспламенной (микрофакельной) излучающей горелки: а — схема устройства: 1 — рефлектор; 2 — огневые каналы; 3 — насадка; 4 — керамическая поверхность — излучатель; 5 — смеситель-инжектор; 6 — сопло; б — конструкция керамических плиток, формирующих излучающую поверхность насадки

Диаметр огневых отверстий насадки (1,5 мм) меньше критического, и, следовательно, возможность проскока пламени исключается. Поскольку в качестве материала плиток используется жаропрочная керамика с низким коэффициентом теплопроводности, температура ее внутренней поверхности не превышает 100 °С даже при температурах на излучающей поверхности 800 °С. В результате исключается возможность проскока пламени из-за прогрева стенок насадки до температуры воспламенения.

Вследствие полного смешивания в смесителе горелки воздуха, необходимого для горения, сгорание газовоздушной смеси происходит на поверхности керамических плиток в виде прозрачных, практически невидимых факелов. Эти факелы нагревают керамическую поверхность насадки до 850...900°С, которая и переизлучает теплоту на нагреваемый объект.

Для стабилизации процесса сжигания газа и дожигания газовоздушной смеси на расстоянии 8... 10 мм над уровнем керамической насадки устанавливают сетку из жароупорной стали. Ее температура в среднем на 150...200°С ниже температуры излучающей керамики.

Из-за отсутствия при горении вторичного воздуха ИК-горелка может быть произвольно ориентирована в пространстве, что не сказывается на качестве сжигания газа.

Близкая к стехиометрическому составу газовоздушная смесь, хорошее перемешивание газа с воздухом и небольшая скорость истечения газовоздушной смеси из огневых отверстий обеспечивают высококачественное сгорание газа в тонком слое.

Однако незначительное отклонение коэффициента первичного воздуха от оптимального (а'= 1,05) значительно снижает эффект излучения. При увеличенном подсосе первичного воздуха снижаются температура горения и, следовательно, температура излучающей поверхности. Снижение содержания первичного воздуха в смеси приводит к восполнению кислорода за счет вторичного воздуха, а следовательно, к еще большему охлаждению поверхности насадки. В результате инжекционные ИК-горелки имеют узкий диапазон регулирования тепловой мощности.

Горелки с принудительной подачей газа и воздуха обеспечивают их подачу и смешивание за счет внешних нагнетательных устройств — баллонов со сжатыми газами, насосов и т.д.

Горелки с принудительной подачей газа и воздуха (рис. 4.28) применяют в тех случаях, когда есть необходимость в высокой температуре факела и при затрудненных условиях подачи воздуха. Эти горелки имеют относительно большую тепловую мощность. По конструкции горелки данного типа представляют собой двухканальную трубчатую систему. По внутреннему каналу под давлением подается горючий газ, а по наружному — воздух или кислород. Оба компонента горючей смеси подаются в горелку под избыточным давлением, в зоне истечения из сопел они активно перемешиваются на сравнительно коротком участке, что обеспечивает малую длину факела и высокую температуру горения.

В том случае, если горелка предназначена для резки и сварки металлов, используют газ с высокой теплотой сгорания (например, ацетилен), а в качестве окислителя — кислород. Горелки этого типа предназначены для локализации теплового потока в сравнительно малой зоне, поэтому они работают как факельные. Когда необходимо распределить тепловую нагрузку по обогреваемой поверхности, применяют специальные переизлучающие керамические насадки, которые не только переизлучают теплоту, выделяемую факелом, но и обеспечивают более качественное перемешивание газовоздушной смеси и более полное ее сгорание вследствие нагрева в зоне горения.

Горелки с принудительной подачей газа и воздуха, снабженные переизлучателем, применяются в мощных тепловых аппаратах в хлебопекарной и кондитерской промышленности; на предприятиях общественного питания они практически не применяются. Известны единичные случаи использования этих горелок в термоагрегатах для огневой очистки корне- и клубнеплодов, а также в некоторых мощных твердотопливных плитах, переоборудованных на газовый обогрев.

Рис. 4.28. Принципиальная схема устройства горелки с принудительной подачей газа и воздуха: / — газовый канал; 2 — воздушный канал; 3 — нагнетательный воздушный насос; 4 — газовое сопло; 5 — керамическая переизлучающая насадка; 6 — воздушное кольцевое сопло

Сдерживающим фактором для использования данных горелок на предприятиях общественного питания является эксплуатация на предприятиях газовых систем низкого избыточного давления (до 2000 Па), в то время как горелки с принудительной подачей газа и воздуха более эффективно работают в системах среднего или высокого давления.