Принципы сжигания газа. Основные режимы распространения пламени. Методы сжигания газа. Газовые горелки. Классификация. Основные параметры, характеристики. Область применения.
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 ( >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 суммарной скорости процесса начинают сказываться турбулентные его характеристики, 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. Так как при высоких температурах, господствующих в топочном пространстве, скорость химических реакций несоизмеримо больше скорости процесса смесеобразования, то 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.
Одним из достоинств диффузионного метода сжигания газа является возможность регулирования процесса в широком диапазоне, ибо процесс горения определяется характером и интенсивностью смесеобразования. Процессом же смесеобразования довольно легко управлять путем изменения конструкции газогорелочной системы или введением в нее регулировочных элементов. В результате этого можно значительно сокращать размеры факела или, наоборот, предельно его вытягивать.
Для повышения интенсивности процесса диффузионного горения и получения короткого и компактного факела необходимо максимально интенсифицировать процесс смесеобразования. Этого достигают следующими способами: дроблением потоков газа и воздуха, закручиванием потока воздуха, направлением струи газа под углом к потоку воздуха, выбором оптимальных скоростей газа и воздуха, искусственной турбулизацией потоков. Используя указанные методы, повышающие интенсивность смесеобразования, можно получать факелы различных размеров и характеристик. С повышением интенсивности смесеобразования факел по своим характеристикам будет приближаться к кинетическому. Диффузионный процесс горения характеризуется большей устойчивостью, чем кинетический. Однако при больших форсировках применяют искусственные приемы стабилизации фронта воспламенения. .
Находит применение и смешанный 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. При сжигании газа диффузионным методом смесительное устройство создает только необходимые условия для протекания процесса смесеобразования с требуемой интенсивностью. Сам же процесс смешения полностью происходит в топочной камере или частично начинается на выходе из горелки и заканчивается в топке.
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 гопочной 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.
Основным свойством горелки является осуществляемый ею метод сжигания газа, который в значительной степени зависит от степени подготовленности горючей смеси, выходящей из головки горелки. Именно этот признак следует рассматривать как основной и использовать для классификации горелок.
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 вследствиеразрежения;
3)дутьевые с подачей воздуха в топку с помощью вентилятора.
Эжекционные горелки иногда называют 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.
По давлению газа горелки подразделяются на горелки низкого давления (до 5 кПа) и горелки среднего давления (5—300 кПа). Горелки с более высоким давлением широкого применения не имеют.
Газогорелочные устройства бытовых газовых приборов - виды горелок, устройство и принцип действия, технические данные, автоматика безопасности.
Атмосферные горелки имеют ряд положительных качеств, благодаря которым они нашли широкое применение. Такие горелки завоевали прочные позиции в бытовых приборах (плитах, водонагревателях), приборах предприятий общественного питания, в лабораторной практике, их часто применяют в чугунных отопительных котлах и сушилках. Основными положительными качествами атмосферных горелок являются: простота конструкции; возможность работы на низком давлении газа; отсутствие необходимости в подаче воздуха под давлением; устойчивая работа горелки в довольно широком диапазоне изменения нагрузок; бесшумность работы; надежность и простота эксплуатации.
Рис 19.11. Атмосферная горелка для чугунного котла
1 — регулятор воздуха; 2 — сопло; 3 — эжекционная трубка;
4 — головка горелки с огневыми отверстиями
Ввиду конструктивных особенностей (горелку располагают непосредственно в топке) и значительных коэффициентов избытка воздуха атмосферные горелки не используют в высокотемпературных установках. В котлах значительной производительности их также не применяют, так как они не обеспечивают высокой интенсивности сжигания газа. Производительность одной горелки обычно не превышает 116 кВт.
Атмосферная горелка, предназначенная для установки в топке четырех-пятисекционных чугунных котлов (ВНИИСТО-Мч), показана на рис. 19.11. Головка горелки имеет 142 отверстия диаметром 4 мм и надевается на эжекционную трубку. В месте выхода газовоздушной смеси из эжектора головка не имеет отверстий. Если здесь расположить отверстия, то пламя над ним будет значительно выше, чем над другими отверстиями, так как при истечении газа из этих отверстий будет использовано динамическое давление потока газовоздушной смеси, движущегося из эжекционной трубки в головку горелки. Кроме того, вследствие повышения выходной скорости пламя над этими отверстиями может быть недостаточно устойчивым. Тепловая нагрузка горелки равна 20 кВт. Горелка запроектирована для сжигания газа с теплотой, сгорания QH =25000-36000 кДж/м3, при этом в зависимости от величины QH изменяют диаметр сопла. При сжигании природного газа с теплотой сгорания 36 000 кДж/м3 диаметр сопла равен 4 мм, а необходимое давление газа составляет 1,3 кПа.
Коэффициент первичного воздуха горелки можно регулировать воздушной шайбой. Эжекционная трубка имеет проточную часть с малым гидравлическим сопротивлением. Головка горелки выполненатаким образом, что вторичный воздух имеет подход к каждому ряду отверстий с одной стороны. Высота пламени при работе горелки на городском газе с нормальной тепловой нагрузкой примерно равна 100 мм. Горелка проста по конструкции и надежна в эксплуатации.
Атмосферная горелка с одним выходным отверстием показана на рис. 19.12. Особенность этой горелки заключается в том, что ее головка имеет не коллектор с большим числом мелких отверстий, а коническую трубку с одним отверстием большого диаметра (40 мм). В результате этого значительно удлиняется пламя горелки. Вследствие разрежения в топке вторичный воздух по кольцевому зазору между горелкой и специальным кожухом поступает к корню факела. У горелки предусмотрена возможность регулирования количества первичного и вторичного воздуха.
Такую горелку применяют при переоборудовании на газовое топливо ресторанных плит и пищеварочных котлов, причем это может быть одна горелка или блок, состоящий из двух-трех горелок. Тепловая нагрузка горелки составляет 18,6 кВт. Давление газа 1,3 кПа. Горелка рассчитана на сжигание газа с теплотой сгорания Qн =36000 кДж/м3. В зависимости от теплоты сгорания газа в горелке устанавливают сопло соответствующего диаметра.