4. Горелки предварительного смешения газа с частью воздуха, необходимого для горения

Предварительное смешение газа с частью воздуха, необходимого для горения и называемого первичным, осуществляется у горелок атмосфер­ного типа. Первичный воздух заса­сывается струей газа в эжектор, где протекает смесеобразование, поэтому горелки одновременно являются эжекционными. В головку горелки посту­пает смесь с равномерными полями концентраций горючего и окислителя под некоторым избыточным давле­нием. Из головки газовоздушная смесь выходит через отверстия со скоростью, обеспечивающей устойчивое горение, и сгорает бунзеновским пламенем. Вто­ричный воздух диффундирует к пла­мени непосредственно из атмосферы окружающей среды. Пламя атмосфер­ной горелки имеет два конуса: внут­ренний, ярко очерченный, зелено-голу­бого цвета и внешний, имеющий не­сколько размытые контуры и бледно-фиолетовый цвет.

Во внутреннем конусе выгорает та часть газа, которая обеспечена пер­вичным воздухом (газ сгорает кине­тическим пламенем). Внешний конус представлет собой конус диффузион­ного горения. Атмосферные горелки работают с коэффициентом первич­ного воздуха а', равным 0,45 ... 0,7. Коэффициент избытка воздуха а зави­сит от оформления топочной части и колеблется в пределах 1,3...1,8. Пра­вильно спроектированные и хорошо отрегулированные атмосферные го­релки могут обеспечить практически полное сгорание газа.

При малых значениях коэффициен­та первичного воздуха концы пламе­ни окрашиваются в желтый цвет. Это свидетельствует о возможности появ­ления химического недожога. Окраска краев пламени происходит из-за появ­ления раскаленных частичек углерода вследствие термического разложения углеводородов в пламени. При диа­метре отверстий 6 мм желтые края пламени появляются при следующих значениях коэффициентов а': для кок­сового газа а'=0,2, природного газа а'=0,4, бутана а'=0,58. С уменьше­нием диаметра отверстий значение ко­эффициента а' уменьшается. Чем вы­ше коэффициент первичного воздуха, тем большая доля газа выгорает во внутреннем конусе и тем менее вероят­на возможность появления в отходя­щих газах продуктов неполного сгора­ния.

Головка горелки может иметь са­мую разнообразную форму, но обыч­но это коллектор с большим числом выходных отверстий. Конструкция го­ловки определяется тем огневым устройством, для которого она пред­назначена. Открытые конфорочные горелки плит должны соответствовать посуде, которую на них устанавли­вают, а горелки водонагревателей, кипятильников, котлов и т. д — габа­ритам их топок. Головки горелки рас­полагают в топке так, чтобы к ним были обеспечены правильный подвод вторичного воздуха, нормальное раз­витие конуса пламени и отвод продук­тов горения.

Вторичный воздух должен равно­мерно поступать к горелкам и иметь доступ к пламени по всей высоте. Величина минимального избытка воз­духа, обеспечивающего сгорание газа без химической неполноты, в значи­тельной мере зависит от способа под­вода вторичного воздуха. При пра­вильном конструктивном решении под­вода вторичного воздуха удается до­биться полного сгорания газа с коэф­фициентом избытка воздуха 1,2... 328 1,25. Горелку в топке следует рас­полагать так, чтобы щели между ними и между горелками и стенками котла обеспечивали равномерный под­вод воздуха к пламени с требуемым избытком. Количество поступающего вторичного воздуха целесообразно ре­гулировать специальными регистрами, устанавливаемыми перед топкой на воздушном тракте.

Высоту топочной части выбирают такой, чтобы не создавать условий, способствующих появлению химиче­ского недожога. Внутренний конус пламени не должен соприкасаться с холодными поверхностями нагрева, ибо это приводит к химической непол­ноте сгорания и к появлению в про­дуктах горения оксида углерода. Со­прикосновение внешнего конуса пла­мени с поверхностями нагрева при правильном подводе вторичного воз­духа и отводе продуктов сгорания не дает, заметного химического недожога. Высота внутреннего конуса пламени зависит от состава газа, коэффициен­та первичного воздуха, скорости вы­хода газовоздушной смеси (или тепло­вого напряжения поперечного сече­ния выходных отверстий горелки) и диаметра отверстий. Высоту внутрен­него конуса пламени горелки, установ­ленной в атмосфере неподвижного воздуха, можно определить по следую­щей эмпирической формуле:

h_в=0,86·10^-7,kRd²

где h_в — высота внутреннего конуса, мм, k — эмпирический коэффициент, зависящий от соcтава газа и коэффициента первичного воздуха (выбирают по табл 16 1), R — тепловое напряжение поперечного сечения выходных отвер­стий горелки, Вт/м², d — диаметр выходного отверстия, мм

Тепловое напряжение отверстий го­релки R, Вт/м², определяют по фор­муле

R=0,353·10⁶ Q_горQ^с_н/nd²

где Qrop — производительность горелки, м³/ч, Q^c_н—низшая теплота сгорания газа, кДж/м³, п — число выходных отверстий в горелке

Высоту внешнего конуса (наруж­ного) пламени горелки определяют по эмпирической формуле

h_в=0,86·10^-7,kR√d³

Коэффициент k₁ зависит от рас­стояния между краями соседних отвер­стий. При диаметре отверстий больше 7 мм высота наружного конуса пламени го­релки h_н становится зависимой от коэффициента первичного воздуха, уменьшаясь по мере приближения к стехиометрическому составу

У топок, оборудованных атмо­сферными горелками, разрежение в плоскости головки обычно бывает ни­чтожно малым, однако даже незначи­тельное разрежение в топке сильно сказывается на коэффициенте эжекции и коэффициенте избытка воздуха. Для обеспечения стабильной подачи первичного и вторичного воздуха огне­вые установки с атмосферными горел­ками следует оборудовать тягопрерывателями. Тяга прерывается в ре­зультате сообщения дымохода за агре­гатом с атмосферой Кроме того, горелку вместе с эжектором целе­сообразно располагать с топочной части. В результате этого давление у всасывающего патрубка эжектора и у выходных отверстий будет одинако­вым и горелка станет работать с по­стоянным коэффициентом первичного воздуха. Тягопрерыватель обеспечи­вает практически постоянное разре­жение, поэтому горелки будут рабо­тать с неизменным избытком возду­ха.

Поступающий в топку воздух будет частично засасываться эжектором, а частично поступать к пламени горелки

Если всасывающая часть эжектора на­ходится вне топки и огневая установ­ка не имеет тягопрерывателя, то изме­нение тяги или давления газа будет сказываться на работе горелки, изме­няя коэффициенты первичного возду­ха и избытка воздуха, что будет спо­собствовать появлению химической не­полноты горения, малоустойчивой ра­боте горелки или работе горелки с большим избытком воздуха. Следует отметить, что при переводе сущест­вующих котлов на газ часто тяго­прерыватель устанавливать нельзя, так как в топке будет очень малое разрежение, которое не обеспечит по­дачи необходимого количества вторич­ного воздуха. В этом случае эжектор горелки располагают внутри короба, сообщающегося с топочным или под­дувальным пространством, а количе­ство поступающего воздуха регулиру­ют регистром.

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. 8. Атмосферная горелка для чугунного котла /— 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 330 также не применяют, так как они не обеспечивают высокой интенсивности сжигания газа. Производительность одной горелки обычно не превышает 100 кВт (10 м³/ч).

Атмосферная горелка, предназна­ченная для установки в топке четырех-и пятисекционных чугунных котлов (ВНИИСТО-Мч), показана на рис. 8. 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 ними будет значительно выше, чем над другими отверстиями, так как при истечении газа из этих отвер­стий будет использовано динами­ческое давление потока газовоздуш­ной смеси, движущегося из эжекпионной трубки в головку горелки. Кроме того, вследствие повышения выходной скорости пламя над этими отверстия­ми может быть недостаточно устой­чивым. Тепловая нагрузка горелки равна 20 кВт (0,2 м³/ч при Q^с_н = 36 МДж/м³). Горелка запроекти­рована для сжигания газа с тепло­той сгорания Q^с_н = 25 000...36 000 кДж/м , при этом в зависимости от величины Q^с_н 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.

Рис. 9. Атмосферная горелка с одним выхо­дным отверстием

1— головка горелки; 2— эжекциокный смеситель, 3— регулятор, 4— сопло, 5— регулятор первичного воздуха

Коэффициент первичного воздуха горелки можно регулировать воздуш­ной шайбой. Эжекционная трубка имеет проточную часть с малым гид­равлическим сопротивлением. Головка горелки выполнена таким образом, что вторичный воздух имеет подход к каж­дому ряду отверстий с одной стороны. Высота пламени при работе горелки с нормальной тепловой нагрузкой при­мерно равна 100 мм. Горелка проста по конструкции и надежна в эксплуа­тации. При работе в чугунных сек­ционных котлах атмосферные горелки обеспечивают полное сжигание газа при сравнительно небольшом содер­жании в продуктах горения оксидов азота. Концентрация NO_x обычно не превосходит 0,12 г/м³.

Это связано с рассредоточением пламени и ступенчатым сжиганием газа (с первичным и вторичным воз­духом).

Атмосферная горелка с одним вы­ходным отверстием показана на рис. 9. Особенность этой горелки заклю­чается в том, что ее головка имеет не коллектор с большим числом мелких отверстий, а коническую трубку с од-, ним 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.

Такие горелки применяют при пе­реоборудовании на газовое топливо ресторанных плит и пищеварочных котлов (причем в плите 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 Q^с_н=36 000 кДж/м³. В зависимости от теплоты сгорания газа в горелке уста­навливают сопло соответствующего диаметра.