ГОРЕЛКИ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ранства. Однако в практике обжига керамических изделий эти горелки не применяются из-за большого угла конуса распыления, возникающего вследствие действия центробежной силы, вызываемой вращением топли­ва в устройстве для завихрения. Это обстоятельство препятствует при­менению принципа распыления давлением при конструировании горе­лок в печах с большой толщиной стен и горелок с камерами сжигания. В этом случае топливо попадает на стены и образует на них углеродные от­ложения (кокс). Однопроводные горелки можно применить для распы­ления топлива непосредственно в печи, что необычно для печей, предназ­наченных для термической обработки керамических изделий. Для распы­ления топлива под давлением применяются импульсные горелки. Чтобы уменьшить угол к6нуса истечения топлива, в соплах должно отсутство­вать устройство для завихрения. В этом случае распыление достигается за счет высокого-давления жидкого топлива в момент создания импуль­са (впрыска). Недостатком этих горелок является то, что в печь не по­дается вместе с топливом воздух, поэтому процесс сжигания невозмож-

Рис. 131. Схема впрыскной горелки для жидкого топлива 1 - подвод тмива; 2 - Цилиндр; 3 - сопло; 4 - поршень; 5 - привод поршня

Рис. 132. Горелка с внутренней циркуляцией 1 - подвод тмива; 2 - подвод воздуха; 3 - ка­мера циркулячищ 4 - циркуляционный вкла- дыщ 5 - отверстие для истечения; 6 - горелоч- ный камень

но регулировать с достаточной точностью; топливо не всегда распыляет­ся на достаточно мелкие капли. На рис. 131 показан пример горелки это­го типа.

Горелки с механическим распылением следует упомянуть только для полноты сведений о способах распыления топлива. Энергию, необходи­мую для распыления жидкого топлива, создает вращающееся тело (диск, пропеллер, клеть), размещенное в потоке топлива. После механи­ческого распыления топливо смешивается с потоком воздуха, зажигает­ся и сгорает. Этот принцип применяется для некоторых энергетических блочных горелок.

Процесс перехода топлива в газообразное состояние непосредственно связан с распылением жидкого топлива. Скорость его протекания зави­сит от качества топлива. В камеру сгорания горелки топливо должно поступать только в газообразном состоянии, что гарантирует эффектив­ное, регулируемое и требуемое его сжигание. Увеличение теплового по­тока из камеры сгорания в область горелки, где происходит переход топ­лива в газообразное состояние, не всегда желательно, так как вызывает большие требования к жаростойкости материала горелки, а также может приводить к коксованию. Поэтому были разработаны горелки с внутрен­ней циркуляцией. В них достигается лучший переход топлива в газооб­разное состояние не за счет увеличения потока теплоты, а за счет увеличе­ния времени действия необходимого теплового потока на смесь. Прин­цип действия горелки этого типа показан на рис. 132. Горелки с внутрен­ней циркуляцией при сжигании жидкого топлива на выходе из горелки имеют пламя практически одинаковое с пламенем сжигаемого газа. Бо­лее широкое применение этих горелок сдерживается из-за значительных требований к стойкости конструкционных материалов против резких из­менений температур при включении и выключении горелки.

Устройства для сжигания жидкого топлива имеют два четко обособ­ленных конструктивных элемента: форсунку и топочную камеру. Так как процесс сжигания газов по сравнению с сжиганием жидкого топлива

Рис. 133. Топка с раздельным подводом газа и воздуха (вид сверху)

1 - подвод газа; 2 - подвод воздухам 3 - об­муровка пупки; 4 - стена печи

Рис. 134. Диффузионная горелка а - щелевая* б - коаксиальная; 1 - подвод газа; 2 - подвод воздуха; 3 - горелочный камень; 4 - поткга- щ 5 - поток воздуха; 6 - граница раздела поткав

более простой (отсутствует переход в газообразное состояние), то для них можно применять существенно более простые конструкции горелок, чем для жидкого топлива.

Газовые горелки подразделяются на горелки: с раздельным подводом газа и воздуха, диффузионные, крестообразные, кинетические, вихре­вые, для сжигания предварительно приготовленной смеси, со сжиганием в пористом слое.

С другой точки зрения, их можно подразделить на горелки конвектив- ные и излучающие. Эта классификация горелок здесь не рассматривает­ся, так как не имеет технологического значения, однако в кругах специа­листов она применяется.

Горелки с раздельным подводом газа и воздуха (рис. 133) являются специальными топками, а не горелками в полном смысле этого слова, но системно относятся к ним. Раздельный подвод топлива и воздуха при сжигании газов применяется при необходимости работы в объемном пла­мени с относительно низкой температурой.

Диффузионные горелки (рис. 134) представляют собой газовые го­релки, в которых подводимый газ и воздух соприкасаются в параллель­ных ламинарных потоках, лучше одинаковой подвижности, и которые не смешиваются за счет вихрения. Если нагреть газ и воздух на темпера­туру воспламенения, то горение происходит только на границе взаимно­го соприкосновения потоков. Уже в первые мгновения протекания про­цесса на границе потоков как результат горения возникает малый слой продуктов сжигания, толщина которого увеличивается по мере проте­кания процесса горения. Газ и кислород воздуха взаимодействуют толь­ко при контакте за счет диффузии через этот инертный слой. Диффу­зия - это самый медленный процесс из комплекса процессов смешива-

Рис. 135. Крестообразная горелка 1 - подвод газа, 2 - подвод возду- щ 3 - горелочный камень

Рис. 136. Схема струйного компрессора 1 - подвод потока-побудителя; 2 - под­вод потока, подлежащего транспортиро­ванию; 3 - поток-побудитель; 4 - транспортируемый поток; * - выход смеси

ния топлива, поэтому этот процесс сжигания можно регулировать. Наз­вание горелки "диффузионная'' принято по применяемому в ней процес­су-смешивания газов. В результате малой скорости процесса увеличива­ется длина пламени, что является преимуществом этих горелок. Хими­ческий состав потока газов, вытекающих из диффузионной горелки, из­меняется в зависимости от расстояния от горелки. В этом случае невоз­можно обеспечить во всем объеме рабочего пространства гомогенность химического состава атмосферы печи. Недостатком диффузионных го­релок является относительно низкая скорость истечения газов из-за ла- минарности истекающих потоков (вихревое смешивание газов и возду­ха не допускается). Горелки этого вида применяют в печах, в которых нежелательны интенсивное выделение теплоты и большие скорости пото­ков газов возле поверхности садки.

В крестобразных горелках (рис. 135) потоки газа и воздуха пере­крещиваются (отсюда и название "крестообразные"), за счет чего пропс* ходит перемешивание воздуха с топливом. Молекулы реагирующих га­зов в этом случае не отделены слоем продуктов сжигания, через который вынуждены были бы диффундировать, а контактируют вследствие тур* булентности, вызываемой встречей двух непараллельных потоков. Пла­мя, образующееся в крестообразных горелках, значительно короче, чем в горелках диффузионных. Из-за примитивного смешивания газов смесь полностью негомогенна, поэтому длина пламени больше, чем у горелок других видов.

В кинетических горелках (рис. 136) горючая смесь образуется в сме­сителе. Принцип работы кинетических горелок подобен работе струйно­го компрессора, эжектора или инжектора. Струйный компрессор - это устройство, в котором за счет большой скорости одного потока приво­дится в движение другой поток. Если струйный компрессор служит для транспортирования газа из закрытого пространства в открытое, то его называют эжектором. Если его функцией является вгонять газ в закры­тое пространство, то его называют инжектором. Эти два способа не имеют принципиального различия. В качестве потока-побудителя может быть как газ, так и воздух, подаваемый для сжигания топлива. Чаще все­го им бывает газ, так как (за исключением сырого генераторного газа)

Рис. 137. Инжекционная горелка 1 - да НЛО газа; 2 - конфуза р; 3 - диффу­зор; 4 - горелочный камень

он подводится с достаточно высоким давлением, которое необходимо использовать при этом типе смешивания. Конструкторы горелок не при­меняют в качетсве потока-побудителя воздух, так как получение избы­точного давления воздуха весьма дорогостоящая операция из-за значи­тельного потребления электроэнергии на привод вентиляторов высокого давления. Типичными представителями кинетических горелок являются так называемые эжекторные горелки (рис. 137), в которых в качестве потока-побудителя применяется газ высокого давления, а воздух для сжигания топлива подсасывается из окружающей атмосферы. К кинети­ческим относятся горелки, в которые подается с избыточным давлением и газ, и воздух, а эффект струйного компрессора используется для хоро­шего перемешивания газов. Такие горелки иногда называются дутье­выми горелками (кинетические горелки с принудительной подачей воз­духа).

Кинетические горелки подготавливают гомогенную смесь, которая сжигается с большими скоростями. Их преимуществом является приме­нение воздуха для сжигания топлива за счет подсоса его из атмосферы, благодаря чему нет необходимости в применении для его подводки спе­циальной разводки и вентиляторов. Их недостатком является склон­ность к прониканию огня в смеситель (проскок пламени) при регули­ровке горелки на малую производительность и большие ограничения по температуре подогрева воздуха (теплая смесь горит с б<5льшей ско­ростью, чем смесь холодная, а поэтому склонность к проскоку пламени повышается).

В соответствии с предыдущей характеристикой кинетических горелок необходимо разъяснить два понятия - проскок пламени и поддержание пламени. Горелки состоят из смесителя, носика горелки и камеры сго­рания (рис. 138). В смесителе подготавливается смесь газа и воздуха, которая сжигается в камере сгорания. Носик горелки соединяет смеси­тель с камерой сгорания. Горелка работает с определенной производи­тельностью, т.е. смесь вытеакет из смесителя в камеру сгорания с опреде­ленной скоростью. В камере сгорания за счет горячей поверхности смесь воспламеняется и в камере, и в пространстве перед ней сгорает. Плос­кость, перпендикулярная к направлению потока в камере сгорания, в которой при установившемся потоке смесь воспламенится, называется фронтом пламени. Это граница между воспламененной смесью и горящей смесью. Фронт пламени при постоянной производительности горелки не изменяет своего положения. Однако при повышении производительноь.

Рис. 138. Обычная схема горелки

1 - подвод топлива; 2 - подвод воздухам 3 - камера смешивания; 4 - носик горелки; 5 - камера сжигания; 6 - фронт пламени; 7- язык пламени; 8 - выходное отверстие камеры сжигания

п горелки он перемещается в направлении к отверстию истечения из камеры сгорания. Снижение производительности приводит к обратному поведению фронта пламени, т.е. к перемещению его к носику горелки. При наименьшей производительности горелки фронт пламени стабили­зируется на внутренней стороне камеры сгорания. Дальше в направлении к смесителю он не может переместиться из-за того, что в суженном пе­реходе скорость потока смеси выше скорости горения. Однако соотно­шения скоростей изменяются, если производительность горелки еще больше снизить. В этом случае может возникнуть состояние, когда ско­рость потока в носике горелки (хотя бы наделю секунды) упадет ниже значения скорости горения. Фронт пламени моментально проскочит че­рез носик в смеситель, в котором стабилизируется, так как там ско­рость потока ниже, чем в носике. Возвратить фронт пламени обратно в камеру сгорания за счет увеличения производительности горелки не удается. Это явление называется проскоком пламени. Одинаково про­является и увеличение скорости сжигания, например, при повышении температуры смеси за счет подогрева воздуха. Проскок пламени может произойти и при уменьшнии скорости потока, например, за счет прежде­временного повышения давления в камере сгорания или даже во всем объеме печного пространства.

Если производительность горелки увеличивается, фронт пламени пе­ремещается по направлению к отверстию камеры сгорания и при опре­деленном критическом состоянии может достигнуть его. При дальней­шем повыцвнии производительности горелки утрачивается контакт фронта пламени с поверхностью камеры горения и пламя затухает. Этот процесс называется отрывом пламени. Чтобы обеспечить поддержание пламени, камеры сгорания газовых горелок выполняют в виде усечен­ного конуса, обращенного большим основанием к печи. При увеличении сечения камеры сгорания снижается скорость потока, что служит глав­ным препятствием отрыва пламени от горелки.

Вихревые горелки (рис.139) приготовляют чрезвычайно гомогенную смесь за счет более совершенного смешивания топлива с воздухом пу-

Рис. 139. Вихревые горелки

а - с вихревыми соплами; б - с тангенциальным подво­дом воздуха; в - с устройствами для завихрения в обоих ка­налах подачи воздуха и газк 1 - подвод газа; 2 - подвод воздуха; 3 - сопло газа* 4 - вихревые сопла* 5 - тангенци­альная подача воздухи, 6 - устройство для завихрения

тем вынужденного завихрения, т.е. за счет вращения обоих потоков вдоль оси горения. Высокая турбулентность способствует распылению объемов потоков в струи, перемешиванию их и созданию гомогенной смеси.

Вихрение достигается разными средствами - вихревыми соплами, за счет тангенциальной подачи газа и воздуха в смеситель и устройствами для завихрения. Вихревые сопла имеют отверстия, через которые одна составляющая смеси вдувается в поток другой составляющей смеси и за счет кинетического воздействия способствует ее завихрению. Тан­генциальные подводы в смеситель вызывают завихрения за счет сил инерции. Устройства для завихрения имеют специально оформленные поверхности или тела с каналами в виде спирали.

Преимуществом вихревых горелок является совершенное приготов­ление смеси, которая не имеет склонности к проскоку пламени при ми­нимальной производительности. Поэтому их применяют и при самых высоких температурах подогрева воздуха для сжигания топлива. Их не­достаток- значительное аэродинамическое сопротивление.

Горелки для сжигания предварительно приготовленной смеси не име­ют своих смесителей. К ним подается смесь из смесителей, каждый из которых снабжает несколько горелок, а иногда один смеситель снабжает всю систему отопления. Из обычной схемы горелки, приведенной на рис. 139, эти горелки имеют только поз. 4 и 5. Ранее этим горелкам от­давалось предпочтение, так как они работают с наивысшей скоростью сжигания; условия сжигания, строго определенные, и при этом дости­гаются самые высокие температуры. Практическое использование этих горелок показало, что эти бесспорные преимущества снижаются из-за возможного проскока пламени в разводящие сети и в смеситель. Взры­вы смеси приводили к повреждению или уничтожению разводящих се­тей и смесителей, а также к повреждению горелок. Известны случаи, когда проскоки пламени вызывали пожары. Опасность повышается при применении воздуха с высокой температурой. Эта опасность настолько реальна, что приходится отказываться от подогрева смеси. Все это ведет

Рис. 140. Диафрагмовые излучатели а - с диафрагмой, снабженной каналами, б - с ме­таллической сеткой* в - с керамической пористой диафрагмой* 1 - сопло гаэа, 2 - диффузор; 3, 4, б - диафрагмы; 5 - подвод смеси

к уменьшению случаев применения таких горелок для печей термичес­кой обработки керамических изделий.

Принцип работы горелок со сжиганием в пористом слое основан на том, что смесь, приготовленная в смесителе (часть горелки или системы центрального снабжения), проходит через пористый слой, в порах кото­рого при температуре воспламенения загорается. Возникшая теплотам нагревает материал пористого слоя, который становится излучателем в видимом и инфракрасном спектре. Эти горелки часто называют светлы­ми излучателями, так как они являются источником видимого излуче­ния. Излучатели только с инфракрасным излучением называют темными излучателями.

Практическое применение сжигание в пористом слое находит в так на­зываемых диафрагмовых излучателях (рис. 140). Диафрагмами могут быть плитки, снабженные большим числом каналов диаметром в нес­колько десятых долей миллиметра, или плиты, изготовленные спека­нием зернистых смесей. Газопроницаемость первых зависит от диамет­ра каналов и их числа на единицу площади, а вторых- от зернистости первоначальной смеси. Наилучшими в группе диафрагмовых излучателей являются излучатели, диафрагмами которых являются металлическая сетка с соответствующим размером ячеек или несколько сеток, уложен­ных одна на другую.

Горелки классифицируют на конвекционные и излучающие. К кон­векционным относятся горелки, теплота от которых передается садке конвекцией (излучение отсутствует). Излучающие горелки имеют проти­воположные условия передачи.

Конвекционные горелки работают с большой скоростью истечения продуктов сжигания, которая является одним из средств интенсифика­ции теплопередачи (см. разд. 4.3). Большие скорости истечения продук­тов сжигания достигаются, с одной стороны, за счет применения боль­шого давления газа и воздуха, с другой стороны - за счет эффективной формы камеры сгорания. Современные конвективные горелки обычно работают со скоростью истечения 100-200 м/с. Однако известны прин­ципы получения скорости, равной скорости звука, т.е. при температуре 1800*С скорость около 1000 м/с. Однако массовому применению этих горелок препятствует значительный шум, создаваемый при их работе

вследствие возникающего трения в смесителях и вибрации от давления в камерах сгорания, позволяющих получать большие скорости истечения. Механизм возникновения вибрации от давления следующий. Смесь газа и воздуха попадает из смесителя через носик горелки в горячую камеру сгорания и воспламеняется. От полученной теплоты происходит расши­рение присутствующих газов, которые не успевают покинуть камеру сго­рания через отверстие для истечения, поэтому давление в камере сгора­ния повышается. Стехиометрическое сжигание смеси топлива и возду­ха с возрастающим давлением убыстряется, объем продуктов сжигания увеличивается и давление в камере сгорания продолжает расти. В опреде­ленный момент оно достигнет такого значения, что воспрепятствует по­даче смеси в камеру сгорания, горение прекратится, продукты сжигания покинут камеру сгорания и давление в ней резко снизится. Тем самым станет возможной подача новой порции смеси, и цикл повторится. Для прекращения подачи потока смеси иногда применяют обратные клапаны, однако чаще всего горелки их не имеют. В этом случае прекращение по­дачи смеси наступает при равенстве давлений на обоих концах перехода. Это прерывистое сжигание легче всего ликвидировать за счет формы ка­меры сгорания, которая имеет в средней части больший диаметр, чем диаметр отверстия для истечения продуктов сжигания. Типичный вид ка­мер сгорания этого типа показан на рис. 141. Горелки с описанными свойствами, известны под названием "горелки с соплами", высокоско­ростные или импульсные. Импульсными их называют потому, что меха­нический импульс потока с большой скоростью значителен.

Излучающие горелки сконструированы с целью получения минималь­ной скорости потока продуктов сжигания в аксиальном направлении. К ним относятся ранее упомянутые светлые излучатели, а также плоско- пламенные горелки и радиаторные блоки.

Светлые излучатели сжигают смесь в порах диафрагмы, которая на­гревается и светится. Они передают теплоту радиацией.

Радиаторные блоки работают подобным образом, что и светлые из­лучатели. Однако они предназначены для получения большего количест­ва теплоты и в более тяжелых условиях эксплуатации, поэтому имеют более прочную конструкцию. Диафрагмы в них выполняются в виде плит с отверстиями, или состоят из призм со скошенными гранями из огнеупорного материала, которые соединяются между собой и образуют плиту с проемами.

Плоскопламенные горелки отличаются от всех предыдущих устрой­ством камеры сгорания, которая обеспечивает большой угол распыла

Рис. 142. Плоскопламжные горелки а - без рассекателям б - с керамическим рассекателем; 1 - подвод смеси, 2 - ка­мера сжиганиям 3 - керамический рассе­катель

продуктов сжигания. В этом случае аксиальная составляющая скорости истечения продуктов сжигания незначительна. У некоторых типов плос- копламенных горелок по оси расположен керамический рассекатель, который направляет поток смеси по стене. Схема таких горелок без рассекателя и с ним показана на рис. 142. Экстремальным решением пе­чей с излучающим механизмом передачи теплоты являются излучающие стечы. Это большой площади светящиеся излучатели или радиаторные блоки. В обоих случаях речь идет о сжигании топлива в пористом слое, имеющем каналы.

Поиск по сайту: