Горелка



Материал из ТеплоВики - энциклопедия отоплении

Перейти к: навигация, поиск
Устройство горелки на примере горелки Weishaupt

Горелка – это устройство, обеспечивающее устойчивое сгорание топлива и возможность регулирования горения.

Содержание

Описание горелки

Горелка является обязательным элементом всех водогрейных котлов работающих на жидком топливе или газе и она:

Кроме топлива, в горелку подается воздух, содержащий, как правило, 20,9 % кислорода (по объему). Количество воздуха, требуемое для полного сгорания 1 м3 (ипи 1 кг) топлива, называется "теоретически необходимым". На практике, однако, через горелку приходится подавать большее количество воздуха, чтобы обеспечить определенную скорость горения на завершающей стадии процесса: дело в том, что скорость горения зависит от концентрации кислорода в зоне горения, и если количество воздуха будет равно теоретически необходимому, то в конце топочного процесса скорость горения окажется недопустимо низкой.

Избыток воздуха в горелке характеризуется коэффициентом α, который является отношением фактически поданного воздуха к теоретически необходимому.

В инструкциях и некоторых документах, изданных зарубежными производителями котлов и горелок, можно встретить другое понятие "избыток воздуха", обозначающее превышение объема фактически поданного воздуха над теоретически необходимым (в процентах). Другими словами, избыток воздуха, например, в 10 %. соответствует коэффициенту избытка воздуха α = 1,1 и т.д.

Типы газовых горелок

Промежуточное положение между атмосферными и вентиляторными занимают горелки с неполным или частичным предварительным смешением, когда до выхода в топку газ смешивается только с частью необходимого для полного сгорания топлива, а остальной воздух подается в факел уже в камере горения. Этот режим часто называют диффузионно-кинетическим.

В практическом плане способ смешивания топлива с воздухом приводит к следующим результатам: при диффузионном и диффузионно-кинетическом режимах горения получается вытянутый светящийся факел. Более длинный факел наблюдается у горелок без предварительного смешения. В отличие от этого, горелки с полным предварительным смешением газа и окислителя дают короткий, а в некоторых конструкциях –практически невидимый факел. Такие горелки даже условно называют беспламенными.

Если процесс перемешивания топлива с воздухом полностью или частично происходит в камере сгорания, немаловажное значение имеет характер воздушного потока: по этому признаку вентиляторные горелки делятся на прямоточные и вихревые. В первых структура факела зависит от формы устья горелки, которая может быть прямоточной, щелевой или круглой. Вихревые горелки могут иметь только круглое выходное сечение, но степень крутки будет определяться конструкцией лопаточного аппарата (последний может иметь тангенциальный или аксильный подвод воздуха, а угол наклона горелок определяет степень ≪раскрытия≫ вихревого факела).

В последние годы в связи с обострением конкуренции на мировом рынке отопительного оборудования ведущие изготовители газовых горелок и отопительных котлов ищут новые оригинальные идеи, стараясь заинтересовать потенциальных потребителей всё более удобным и эффективным оборудованием.

Так, например, немецкая фирма Vaillant свои новые напольные котлы типа atmoVIT оборудует газовыми атмосферными горелками с частичным предварительным смешением и теплопроводящими керамическими стержнями. Наличие этих стержней в зоне максимального тепловыделения повышает стабильность воспламенения и улучшает экологические характеристики котла. Модель atmoVITexclusive с двухступенчатой горелкой такого типа имеет нормативный КПД 94 % и низкие (не более 70 мг/м3) выбросы оксидов азота.

Фирма Viessmann (Германия) предлагает новую серию газовых настенных котлов, оборудованных модулируемыми горелками оригинальных конструкций: на рис. 6 показана цилиндрическая горелка с предварительным смешением из нержавеющей стали, которой оснащаются настенные конденсатные котлы Vitodens 200. Область модуляции у этой горелки – 1:3. Кроме того, она отличается очень низкими выбросами оксидов азота, позволяющими выполнять требования стандарта ≪Голубой ангел≫. Другой пример – модулируемая горелка MatriX-сompact с каталитическим покрытием. Ею оборудуются газовые конденсатные настенники Vitodens 330 и Vitodens 333. Горелка представляет собой сетчатую полусферу из нержавеющей стали на плоской платформе. Реакции горения происходят в непосредственной близости от сетчатой полусферы, которая одновременно является ее стабилизатором. Горелка выполнена в комплекте с вентилятором, газовой комбинированной арматурой, топочным автоматом и реле давления воздуха. Она может работать в широком (1:4) модулируемом диапазоне и обладает высокой эксплуатационной надежностью. Главные же ее достоинства (с учетом использования в настенных котлах) – компактность и низкие удельные выбросы токсичных загрязнителей: NOx – не более 19 мг/м3 и СО – не более 7 мг/м3.

Мировые производители котлов небольшой мощности применяют и другие интересные решения в области организации сжигания газа. Она представляет собой цилиндр, покрытый металлической оплеткой. Горелка работает под наддувом и относится к классу Premix.

Жидкотопливная горелка

При сжигании жидкого топлива в топочную камеру подается распыленное топливо - капли дизельного или печного топлива. В результате распыления многократно увеличивается поверхность частиц жидкого топлива, а значит, и скорость его сгорания. Устройство, которое обеспечивает распыление жидкою топлива, называется форсункой. Благодаря ей из каждой капли жидкого топлива диаметром 1 мм получается миллион капель диаметром 10 мкм, что приводит к увеличению поверхности испарения в 600 раз.

В горелках, которые устанавливают на водогрейные котлы небольшой мощности, обычно используют механические форсунки. В них распыление осуществляется за счет энергии топлива при продавливании его под значительным давлением через малое отверстие (сопло) или за счет центробежных сил, создаваемых при закручивании потока топлива.

Обычно на головке механической форсунки имеется маркировка, содержащая все необходимые сведения: расход топлива (при определенном давлении с вязкости топлива), угол раскрытия и тип конуса (полый, полный, универсальный), дата изготовления форсунки, и тд.

Механические форсунки могут быть традиционного или возвратного типа. Первые работают с постоянным давлением, и все поступающее к форсунке топливо выходит из нее в топку в распыленном виде. Форсунки возвратного типа - это механические форсунки с внутренней рециркуляцией жидкого топлива. Они несколько сложнее традиционных, но имеют значительно больший диапазон регулирования. Применяют такие форсунки обычно в модулируемых горелках, которые обеспечивают экономичную работу установки при переменных нагрузках.

Комбинированная горелка

Основная статья: Комбинированная горелка

Их жидкотопливная и газовая части скомпонованы с дутьевым вентилятором в единый блок. В состав комбинированных горелок входят также встроенный или выносной топливный насос, устройства подготовки топливовоздушной смеси - механический или электронный регулятор соотношения "топливо-воздух", газовый и жидкотопливный трубопроводы с арматурой и контрольно-измерительными приборами, а в случае сжигания мазута - еще и встроенный (или выносной) подогреватель жидкого топлива.

Диффузионная горелка

Основная статья: Диффузионная горелка

Горелка, в которой топливо и воздух смешиваются при горении.

Инжекционная горелка

Основная статья: Инжекционная горелка

Газовая горелка с предварительным смешиванием газа с воздухом, у которой одна из сред, необходимых для горения, подсасывается в камеру горения другой среды (синоним – эжекционная горелка)

Горелка с полным предварительным смешением

Горелка, в которой газ смешивается с полным объемом воздуха перед выходными отверстиями.

Горелка с неполным предварительным смешением

Горелка, в которой газ не полностью смешивается с воздухом перед выходными отверстиями.

Атмосферная газовая горелка

Инжекционная газовая горелка с частичным предварительным смешением газа с воздухом, использующая вторичный воздух среды, окружающей факел.

Горелка специального назначения

Горелка, принцип действия и конструкцию которой определяет тип теплового агрегата или особенности технологического процесса.

Блочная газовая горелка

Основная статья: Блочная газовая горелка

Блочная газовая горелка - газовая горелка, скомпонованная с вентилятором в единый блок, оборудованная средствами автоматического управления и регулирования.

Рекуперативная горелка

Основная статья: Рекуперативная горелка

Горелка, снабженная рекуператором для подогрева газа или воздуха.

Регенеративная горелка

Основная статья: Регенеративная горелка

Горелка, снабженная регенератором для подогрева газа или воздуха.

Автоматическая горелка

Основная статья: Автоматическая горелка

Горелка, оборудованная автоматическими устройствами: дистанционным запальным, контроля пламени, контроля давления топлива и воздуха, запорными клапанами и средствами управления, регулирования и сигнализации.

Турбинная горелка

Основная статья: Турбинная горелка

Газовая горелка, в которой энергия вытекающих струй газа используется для привода встроенного вентилятора, нагнетающего воздух в горелку.

Запальная горелка

Основная статья: Запальная горелка

Вспомогательная горелка, служащая для розжига основной горелки.

Классификационные признаки горелок и их характеристики

Классификационный признак Характеристика классификационного признака
Способ подачи компонентов
  • Подача воздуха за счет свободной конвекции
  • Подача воздуха за счет разрежения в рабочем пространстве
  • Инжекция воздуха газом
  • Принудительная подача воздуха от постороннего источника
  • Принудительная подача воздуха от встроенного вентилятора (блочные горелки)
  • Принудительная подача воздуха за счет давления газа (турбинные горелки)
  • Инжекция газа воздухом (принудительная подача воздуха, инжектирующего газ)
  • Принудительная подача газовоздушной смеси от постороннего источника
Степень подготовки горючей смеси
  • Без предварительного смешения
  • С частичной подачей первичного воздуха
  • С неполным предварительным смешением
  • С полным предварительным смешением
Скорость истечения продуктов сгорания, м/с
  • До 20 (низкая) /
  • Свыше 20 до 70 (средняя)
  • Свыше 70 (высокая, скоростные горелки)
Характер потока, истекающего из горелки
  • Прямоточный
  • Закрученный неразомкнутый
  • Закрученный разомкнутый
Номинальное давление газа перед горелкой, Па
  • До 5000 (низкое)
  • Среднее давление (до критического перепада давлений)
  • Высокое давление (критический и сверхкритический перепад давлений)
Возможность регулирования характеристик факела
  • С нерегулируемыми характеристиками факела
  • С регулируемыми характеристиками факела
Необходимость регулирования коэффициента расхода воздуха
  • С нерегулируемым (минимальным или оптимальным) коэффициентом расхода воздуха
  • С регулируемым (переменным или повышенным) коэффициентом расхода воздуха
Локализация зоны горения
  • В огнеупорном туннеле или в камере горения горелки
  • На поверхности катализатора, в слое катализатора
  • В зернистой огнеупорной массе
  • На керамических или металлических насадках
  • В камере горения агрегата или в открытом пространстве
Возможность использования тепла продуктов сгорания
  • Без подогрева воздуха и газа
  • С подогревом в автономном рекуператоре или регенераторе
  • С подогревом воздуха во встроенном рекуператоре или регенераторе
  • С подогревом воздуха и газа
Степень автоматизации
  • С ручным управлением
  • Полуавтоматические
  • Автоматические

Требования к горелкам

На основании опыта эксплуатации и анализа конструкции горелочных устройств можно сформулировать основные требования к их конструкции.


Конструкция горелки должна быть возможно более простой: без подвижных частей, без устройств, изменяющих сечение для прохода газа и воздуха и без деталей сложной формы, расположенных вблизи носика горелки.


Сложные устройства при эксплуатации себя не оправдывают и быстро выходят из строя под действием высоких температур в рабочем пространстве печи.


Сечения для выхода газа, воздуха и газовоздушной смеси следует отрабатывать в процессе создания горелки. В процессе эксплуатации все эти сечения должны быть неизменными. Количество подаваемых через горелку газа и воздуха следует изменять только дроссельными устройствами, установленными на подводящих трубопроводах.


Сечения для прохода газа и воздуха в горелке и конфигурацию внутренних полостей следует выбирать таким образом, чтобы сопротивление на пути движения газа и воздуха внутри горелки было бы минимальным.


Давление газа и воздуха в основном должно быть использовано для создания требуемых скоростей в выходных сечениях горелки. Желательно, чтобы подача воздуха в горелку была регулируемой. Неорганизованная подача воздуха в результате разрежения в рабочем пространстве или путем частичного инжектирования воздуха газом может допускаться только в особых случаях.


При-необходимости разделения газового потока на несколько струй применяют массивную насадку с соответствующим числом отверстий. При осуществлении частичного предварительного смешения газа и воздуха следует использовать какой-либо один способ, а не усложнять горелку большим числом элементов одного и того же назначения.


Для стабилизации горения предпочтительнее аэродинамические методы, то есть создание зон циркуляции продуктов сгорания, которые поджигают газовоздушную смесь. Применение горелок сложных конструкций бывает оправданным в тех случаях, когда горелка является единственным топливосжигающим устройством на агрегате, а тепловой режим агрегата требует изменения характеристик факела во времени. Сложные конструкции горелок применяют и в тех случаях, когда при проектировании теплового агрегата нет четких требований к тепловому режиму и его приходится подбирать при пусконаладочных работах путем изменения характеристик факела.


Кроме того, работая в составе печного оборудования, горелочные устройства должны удовлетворять общим техническим требованиям, регламентированным стандартами.

Принципы работы горелок

В горелках без предварительного смешения топливо и воздух подаются непосредственно в горелки. Но в самом устройстве потоки подаваемых сред не контактируют, а только приобретают необходимые скорости и направления истечения в рабочий объем агрегата. Смешение потоков и горение смеси происходит в рабочем объеме по ходу движения струй. Горелки с улучшенным смешением позволяют почти полностью провести смешение в пределах горелки. В результате этого горение начинает развиваться уже в горелочном туннеле, а в рабочем пространстве или топке оно лишь завершается.


Горелки с регулируемым смешением позволяют за счет подвижных или сменных элементов изменять характеристики факела в зависимости от требований технологического процесса в печи. В горелках с полным предварительным смешением топливо смешивается с воздухом либо в выносном специальном смесителе, либо непосредственно внутри горелочного устройства. Полное сгорание газа происходит в пределах горелочного туннеля. В рабочее пространство поступают только продукты сгорания. Горелки такого типа большой тепловой мощности выполняют, как правило, с водяным охлаждением выходных элементов, что снижает вероятность проскока пламени из горелочного туннеля в смеситель.


Исходя из этих характеристик, можно определить предпочтительные области применения основных типов горелок. Диффузионные горелки рекомендуется применять в тех случаях, когда необходимо использовать для горения воздух, который подается в тепловой агрегат с технологической целью, например охлаждать обожженный материал (известняк, окатыши) или готовые изделия (кирпичи).


Горелки без предварительного смешения рекомендуется применять в тех случаях, когда необходимо:


Горелки с улучшенным смешением следует применять в тех случаях, когда допустимая длина факела ограничена и требуется концентрированный подвод значительного количества тепла при сравнительно небольших размерах горелки либо требуется создать факел специальной формы.


Горелки с регулируемым смешением следует применять в тех случаях, когда желательно изменять тепловыделение по длине факела, при установке одиночных и мощных горелок.


Горелки с полным предварительным смешением целесообразны для осуществления высокотемпературного нагрева при сжигании газов с низкой теплотой сгорания, а также при рассредоточенной подаче тепла большим числом горелок с целью достижения высокой равномерности нагрева. Радиационные горелки используют для агрегатов, в которых необходимо получить особо равномерный нагрев по поверхности изделия с обычной или повышенной скоростью. Горелки этого типа не дают факела, направленного только на нагреваемое изделие, а образуют излучающие поверхности с равномерным распределением температур.


Радиационные горелки по своим характеристикам близки к нагревателям, так как значительную часть тепла они передают нагреваемым изделиям излучением от поверхности горелочного камня и футеровки печи. Продукты сгорания топлива, поступающие в рабочее пространство, в этом случае участвуют в переносе тепла в меньшей степени, чем в других горелочных устройствах. Радиационные горелки позволяют осуществлять высокотемпературный нагрев или высокоскоростной нагрев при большом перепаде температур, так как керамическая излучающая поверхность дает возможность развивать более высокие температуры, чем материал нагревателей (в настоящее время нагреватели в большинстве случаев изготавливают из жаропрочных металлов и сплавов). Радиационные горелки работают обычно на газе с теплотой сгорания не ниже 16,8 МДж/м3, так как для их нормальной работы необходимо, чтобы топливо надежно загоралось при низких температурах и устойчиво и быстро сгорало.


Скоростные горелки позволяют организовать усиленную циркуляцию продуктов сгорания и обеспечить тем самым высокую равномерность температур в рабочем пространстве печи и повышение интенсивности теплоотдачи к нагреваемым изделиям.


Горелки с переменным избытком воздуха обеспечивают необходимую температуру продуктов сгорания в рабочем пространстве печи при низкотемпературных процессах.


Производители горелок

Cuenod  Cuenod (Франция)

Dreizler  Dreizler (Германия)

Ecoflam  Ecoflam (Италия)

Elco  Elco (Германия)

Giersch  Giersch (Германия)

Weishaupt  Weishaupt (Германия)


Источники

  1. Арсеев А. В. и др. Опытные характеристики работы промышленных горелок. // Теория и практика сжигания газа. — Л.: Недра, 1972. - с. 191-211.
  2. АрсеевА. В. и др. Влияние на характеристики работы горелок степени стеснения и охлаждения факела и размеров газосжигающих устройств. // Теория и практика сжигания газа. — Л.: Недра, 1972. – с. 211-223.
  3. Винтовкин А. А., Ладыгичев М. Г. СОВРЕМЕННЫЕ ГОРЕЛОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА. Справочник. – М: Машиностроение, 2001. – 497 с.
  4. Винтовкин А. А., Ладыгичев М. Г., Гусовский В. Л., Калинова Т. В. Горелочные устройства промышленных печей и топок. Справочник. — М.: Интермет Инжиниринг, 1999. — 552 с.
  5. Гусовский В. Л., Лифшиц А. Е., Тымчак В. М. Сожигательные устройства нагревательных и термических печей. Справочник. — М: Металлургия, 1981. — 272 с.
  6. Беликов С.Е. Водозабор // Теоретические основы = Бытовые отопительные котлы / Под ред. Беликов С.Е. — М.: Аква-Терм, 2008. — С. 17-18. — 352 с. — ISBN 5-902561-07-8 (978-5-902561-07-1)
Личные инструменты
Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Инструкции
Инструменты
Печать/экспорт

Реклама