Газовые горелки

Газовые горелки – устройства, обеспечивающие качественное сжигание горючего газа с целью получения и распределения тепловой энергии. В общественном питании эксплуатируются горелки, работающие на низком избыточном давлении газа (до 2000 Па). Процесс горения газа возможен при образовании газовоздушной смеси с концент­рацией в пределах воспламенения.

Газовоздушная смесь может образовываться в результате смешения 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, если газовоздушная смесь, предназначенная для горения и подготовленная в горелке, уже содержит воздух, частично и полностью обеспечивающий окисление, горение называется кинетическим.Воздух, входящий в состав предварительно подготовленной газовоздушной смеси, называется первичным.

Для обеспечения полного сгорания газа необходимо, чтобы общий объем воздуха, участвующего в горении 1 м³ газа, равный сумме объемов первичного V_ПЕРВ и вторичного V_ВТОР, был бы не меньше теоретического объема воздуха V_o.

(4.102)

Важным показателем горелок является коэффициент первичного воздуха

(4.103)

Для кинетических горелок коэффициент первичного воздуха ( α') изменяется в пределах от 0 до1,1, а для диффузионных – α' = 0.

Условием устойчивого горения газовоздушной смеси (условие стабильности факела) является равенство скорости истечения газовоздушной смеси из огневого отверстия W_СМ скорости распространения пламени W_ПЛ , т.е.

(4.104)

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

В том случае_, если скорость газовоздушной смеси на выходе из огневых отверстий больше скорости распространения пламени (W_CM > W_ПЛ), то 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_CM < W_ПЛ) факел проникает внутрь горелочного устройства. 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 и без отрыва, происходит устойчивое горение газа.

В этом диапазоне меняется тепловая мощность горелки:

(4.105)

где Р – тепловая мощность горелки, Вт;

В_Г – секундный расход газа горелкой, м³/с;

Q_н^р – низшая рабочая теплота сгорания газа, Дж/м³.

Нижний предел тепловой мощности горелки определяется минимальным расходом газа без проскока пламени, а верхний предел – максимальным расходом без отрыва пламени.

Номинальное давление газа перед газовой горелкой (Па)

(4.106)

где Q_н^р – теплота сгорания, МДж/м³.

Диффузионные газовые горелки.

Диффузионные горелки – устройства, не обеспечивающие предварительного смешения газа и воздуха. Они предназначены для подвода и распределения газа с целью его сжигания в топочных объемах 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), которая в верхней плоскости имеет огневые отверстия, равномерно распределяющие горючий газ по обогреваемой поверхности аппарата и дробящие общий газовый поток на отдельные.

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

По мере горения в зоне горения образуется зона разрежения, в которую подсасывается воздух, необходимый для горения. Поскольку этот воздух инжектируется поверхностью факела, то факел имеет большую высоту, соответствующую требуемой поверхности контакта с вторичным воздухом. По этой причине высота топочных камер для диффузионных горелок должна быть значительна.

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 габаритами 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 объема, что не оправдано, 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 друг относительно 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 месторасположения.

Для трубчатой насадки (см. рис. 4.22) это условие записывается как

(4.107)

где D – диаметр поперечного сечения трубчатой насадки, м;

d – диаметр огневого отверстия, м;

n – количество огневых отверстий, шт.,

Из чего следует

(4.108)

Расстояние между огневыми отверстиями должно быть таким, чтобы оно обеспечивало формирование отдельных факелов, исключало возможность их слияния и в то же время обеспечивало их взаимное воспламенение друг от друга (образование "огневой дорожки").

Этому условию соответствуют соотношения, близкие к 3 d < S <4 d, где S – расстояние между осями огневых отверстий, м.

Кинетические газовые горелки. Кинетическое горение предполагает предварительное приготовление горючей газовоздушной смеси. В зависимости от способа смешения газа и воздуха различают кинетические горелки: инжекционные, с принудительной подачей газа и воздуха.

Горелкис принудительной подачей газа и воздуха обеспечивают их подачу и смешение за счет внешних нагнетательных устройств – баллонов со сжатыми газами, насосов и т. д.

Инжекционные газовые горелки - такие, в которых смешение газа и воздуха происходит за счет кинетической энергии струи истекающего газа. Эта кинетическая энергия струи преобразуется из статического давления газа в газопроводе при истечении газа через калиброван­ное отверстие малого сечения (сопло).

В зависимости от способа приготовления смеси различают инжек­ционные газовые горелки:

· частичного смешения газа и воздуха, которые обычно называют факельными; они характеризуются коэффициентом первичного возду­ха 0,3< α' < 0,7;

· полного смешения, для которых 1< α' <1,1, называемые инфракрасными или микрофакельными/

В зависимости от конструкции смесителя горелки подразделяют на односопловые и многосопловые.

Насадки инжекционных горелок обычно повторяют форму обогреваемой поверхности и в зависимости от этой формы бывают кольцевыми, цилиндрическими, коробчатыми, трубчатыми, щелевыми и т. д.

Форма и размеры насадок инжекционных горелок не зависят от конструкции смесителя и рассчитываются одинаково как для односопловых, так и для многосопловых инжекционных газовых горелок.

В инжекционных горелках, как указывалось выше, реализуется кинетическое горение газа. Факел в такой горелке состоит из двух ярко выраженных зон горения формой, близкой к конической (рис. 4.23).

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 1200...1400 °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) эти языки приобретают красновато-желтый оттенок, что свидетельствует о химическом недожоге газа.

В зависимости от величины коэффициента первичного воздуха газовоздушной горючей смеси меняется соотношение между размерами внутреннего и наружного конусов. При уменьшении этого коэффициента внутренний конус уменьшается, а наружный увеличивается; горение приближается к диффузионному.

При увеличении коэффициента первичного воздуха внутренний конус менее заметно, но увеличивается, а наружный существенно сокращается. При этом увеличивается температура факела и, как следствие, растет КПД горелки. В этом случае, если α' ≈1, горение определяется только внутренним конусом, практически совершенно прозрачным и визуально трудно определимым.

В результате 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.

По конструкции смесителя инжекционные газовые горелки подразделяют на одно- и многосопловые.

Односопловые инжекционные газовые горелки имеют смеситель в виде трубы Вентури (рис. 4.24 а).

Если сравнить эти горелки с диффузионными, то они отличаются от них наличием инжектора-смесителя. Этот смеситель состоит из конфузора (сужающаяся коническая трубка), переходящего в цилиндрическую горловину, и диффузора (расширяющаяся коническая трубка).

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 давление газа в газопроводе перевести 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 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 горючий газ перемешивается с воздухом, образуя горючую газовоздушную смесь. Но для того чтобы на всей поверхности насадки сформировать факелы одинаковой высоты, необходимо перевести динамический напор газовоздушной смеси в статический. Эту функцию выполняет диффузор. Это происходит благодаря расширению корпуса диффузора, приводящему к замедлению течения потока. Одновременно в диффузоре заканчивается процесс смешения газа и первичного воздуха.

Наименьшим гидравлическим сопротивлением характеризуется угол сужения конфузора, равный 35° < α < 45°. Этот угол и выбирают при конструировании смесителя.

Угол раскрытия диффузора обычно не превышает значений, выраженных соотношением β < 8...10°, так как при больших углах возможны отрыв от стенок ядра газовоздушной смеси, образование застойной пристеночной зоны, при которой может происходить проскок пламени.

Расчет односоплового смесителя инжекционной газовой горелки. Базовой расчетной величиной является диметр соплового отверстия. Как указывалось выше, этот диаметр должен обеспечивать максимальный динамический напор, т. е.

(4.109)

где Р_г – давление газа перед горелкой, Па;

р_г – плотность газа, кг/м³;

v_г – скорость течения газа из сопла, м/с;

ΔP – потери давления газа за счет трения, Па.

Следовательно, максимальная скорость истечения газа из соп­ла (м/с) составит

(4.110)

Здесь коэффициент φ учитывает трение газа в зоне сопла, зависит от его формы и называется коэффициентом расхода.

Величина φ для конических сопел зависит от угла конуса и длины канала (Рис.4.24 б). В конических соплах φ = 0,8 при углах конуса ψ = 25° и φ = 0,87 для угла ψ =8°. Для цилиндрических канальных сопел φ зависит от отношения длины канала сопел к его диаметру. Значения φ для указанного случая приведены ниже в таблице 4.11.

Таблица 4.11

Зависимость коэффициента расхода φ конических сопел от отношения длины соплового канала к его диаметру L_D /d_с

l/dс	0,18	0,35	0,45	0,55	1.0	2,25	4,5
φ	0,75	0,84	0,85	0,87	0,85	0,84	0,83

Уравнение неразрывности струи газа в зоне выходного сечения сопла записывается в виде

(4.111)

где В_Г – объемный расход газа, м³/с; определяется по уравнению теплового баланса аппарата

(4.112)

где Q_ЗАТР – общее количество теплоты, подводимое к аппарату, Дж; Q_Н^Р – низшая рабочая теплота сгорания газа, Дж/м³;

τ – длительность процесса горения, с;

f_C — площадь сопла, м²;

(4.113)

Следовательно, диаметр сопла (м)

(4.114)

Диаметр горловины смесительной трубки вычисляется из уравнения сохранения количества движения газовоздушной смеси на входе в конфузор и в горловине:

(4.115)

где ρ_{Г ,} ρ_В – плотности соответственно газа и воздуха, кг/м³;

v_Г, v_В, v_СМ – скорости соответственно газа и воздуха на входе в конфузор и газовоздушной смеси в горловине смесительной трубки, м/с;

V_ПЕРВ /В_Г – доля первичного воздуха в смеси в расчете на 1 м³ газа.

Скорость воздуха на входе в конфузор значительно меньше скорости газа в зоне сопла v_В << v_Г, и этой величиной можно пренебречь

Скорости в конфузоре на выходе из сопла и горловине могут быть выражены из уравнения неразрывности струи газа

(4.116)

(4.117)

Скорость газа на выходе из сопла исходя из уравнения неразрывности

(4.118)

определяется по соотношению

(4.119)

Скорость газовоздушной смеси в горловине

(4.120)

где D – диаметр горловины, м;

V_ПЕРВ – объем первичного воздуха в газовоздушной смеси, м³.

Произведем преобразования в первой части уравнения

(4.121)

Обозначим V_ПЕРВ / B = и'. Эта величина называется объемным коэффициентом инжекции (или кратностью инжекции) горелки.

Физический смысл коэффициента заключается в том, что он пока­зывает объем первичного воздуха, инжектируемого 1 м^З газа, истекаю­щего из сопла,

(4.122)

где α' – коэффициент первичного воздуха; для факельных горелок 0,3 < α' < 0,7.

Точное значение теоретического объема воздуха вычисляется по соотношению, приближенно его можно вычислить пользуясь эмпирической формулой по теплоте сгорания , выраженной в МДж/м³

при или

при (4.123)

Следовательно, уравнение сохранения количества движения газовоздушной смеси приобретает вид

(4.124)

Из этого соотношения следует, что оптимальная величина диаметра горловины смесительной трубки равна

(4.125)

Данная величина D оптимальна и является базовой для опреде­ления остальных параметров инжектора-смесителя. Диаметры конфузора и диффузора принимают в пределах

(4.126)

Длина цилиндрической горловины смесителя

(4.127)

Длина конфузора

(4.128)

Длина диффузора

(4.129)

Многосопловый смеситель с периферийной подачей газа, используемый в инжекционных газовых горелках, выгодно отличается от односоплового смесителя значительно меньшими размерами и, как следствие, малой материалоемкостью (металлоемкость в 5-7 раз ниже).

Качество смесеприготовления в многосопловых смесителях не хуже, чем в односопловых. Высокая интенсивность перемешивания объясняется большой поверхностью контакта струй газа, истекающих одновременно из нескольких сопл и инжектирующих воздух внутрь смесителя. В отдельных случаях при тангенциальном наклоне сопел обеспечивается закрутка движущейся в смесительной трубке газовоздушной смеси, что улучшает процесс перемешивания. В многосопловом смесителе с периферийной подачей газа (рис. 4.25) смешение происходит в цилиндрическом канале, в который из кольце­вого коллектора одновременно через несколько сопел (3 < m <10) истекает газ. Сопла расположены под углом к оси смесителя φ ₁= 20° в сторону движения газовоздушной смеси.

В вертикальном сечении сопловые каналы могут располагаться как радиально (рис. 4.25, б), так и с уклоном к радиусу φ ₂= 20°. 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.

Расчет многосоплового инжектора - смесителя. Число сопел m принимают от 3 до 10 пропорционально мощности газовой го­релки.

Скорость истечения газа из сопла v _г в этом случае вычисляют по формуле 4.110, а диаметр сопла

. (4.130)

Диаметр смесительной трубки, в соответствии с уравнением неразрывности потока, определяется из соотношения

, (4.131)

где и' – объемный коэффициент инжекции () м³/м³;

α' – коэффициент первичного воздуха (0,3 < α' < 0,7);

V_о – теоретический объем воздуха, мЗ/м³;

ρ_{Г ,} ρ_В – плотности соответственно газа и воздуха, кг/м³;

m – число сопел;

φ₁ – угол наклона сопла к оси смесителя (15° < φ₁ < 30°);

φ₂ – угол наклона к радиусу (угол закрутки) (15° < φ₂ < 30°).

Длина смесительной трубки для многосоплового смесителя:

· Без закрутки (φ ₂= 0°)

, (4.132)

· С закруткой потока (φ ₂= 20°)

. (4.133)

Насадки инжекционных газовых горелок. Насадки 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 огневыми отверстиями и щелевыми (прямоугольными) огневыми отверстиями.

Расчет насадок газовых горелок.

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

, (4.134)

где F _иас – площадь поперечного сечения насадки, м²;

Σf_d0 – суммарная площадь горелочных отверстий, м².

Диаметр и количество огневых отверстий определяют из уравнения неразрывности газовоздушной смеси, вытекающей одновременно через все огневые отверстия:

(4.135)

где В – расход газа, м³/с;

и' –объемный коэффициент инжекции (и' = α'.V_о);

W_CM – скорость истечения газовоздушной смеси, м/с;

Σf_d0 – суммарная площадь огневых отверс­тий, м²;

(4.136)

где n –количество огневых отверстий;

d_о – диаметр огневого отверстия, м.

Диаметром огневого отверстия предварительно задаются, приняв его в пределах 2,0 < d₀ < 8 мм.

При этом задаются и величиной коэффициента первичного воздуха 0,3 < α ' < 0,7.

По этой величине и по диаметру огневого отверстия, пользуясь диаграммой рис. 4.26, находят максимальную скорость распространения пламени W _пл, а, следовательно, и скорость истечения газовоздушной смеси W_CM, так как по условию стабильности факела они равны:

Из соотношения следует, что число огневых отверстий m равно

(4.137)

Расстояние между огневыми отверстиями должно обеспечивать выполнение двух основных условий:

· расстояние должно быть достаточно большим, чтобы исключить возможность слияния соседних факелов и тем самым обеспечить инжекцию вторичного воздуха всей поверхностью факела;

· расстояние должно быть таким, чтобы обеспечить переброс (воспламенение) факела от одного отверстия к другому в момент розжига горелки.

Рекомендуемые расстояния между огневыми отверстиями как функция коэффициента первичного воздуха и диаметра огневого отверстия приведены в табл. 4.12.

В том случае, если, соблюдая данные рекомендации, не удается разместить все огневые отверстия на поверхности насадки определенной формы, необходимо принять другую величину диаметра и произвести повторный расчет.

Табл.4.12.

Дата добавления: 2015-06-30