Сожигательные устройства нагревательных и термических печей
Гусовский В.Л. Лифшиц А.Е. Тымчак В.М.
Металлургия, 1981 г.
КЛАССИФИКАЦИЯ СОЖИГАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ И ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИХ КОНСТРУКЦИИ
Для обогрева современных нагревательных и термических печей используют газовое топливо, мазут и электрический ток. Устройства, с помощью которых химическую энергию топлива и электрическую энергию превращают в тепловую, можно разделить на две группы: сожигательные устройства и нагреватели.
Сожигательные устройства (горелки и форсунки) применяют для сжигания газообразного или жидкого топлива. Характерная особенность этих устройств — перенос тепла в рабочее пространство главным образом продуктами сгорания или с их помощью. Сожигательные устройства применяют тогда, когда допустимо соприкосновение продуктов сгорания топлива с, нагреваемыми заготовками или изделиями, а также в печах с муфелями. В печах без муфелей при необходимости исключить соприкосновение продуктов сгорания с нагреваемыми изделиями применяют нагреватели, в которых либо сжигают топливо (радиационные трубы), либо используют электроэнергию.
В этом случае тепло в рабочее пространство печи передается главным образом излучением от поверхности нагревателя.
Для подготовки и осуществления сжигания топлива сожигательное устройство выполняет следующие функции:
подготавливает топливо и воздух для горения, придавая им требуемые направления и скорости движения (в некоторых случаях в горелке происходит предварительный подогрев газа или воздуха);
подготавливает горючую смесь (смешивает газовое топливо и воздух или распыляет жидкое топливо и смешивает его с воздухом; в ряде случаев подогревает топливо-воздушную смесь до температуры воспламенения и сжигает ее;
стабилизирует горение;
осуществляет подачу подготовленной горючей смеси или продуктов сгорания в рабочее пространство или топку.
В зависимости от типа сожигательного устройства оно может предназначаться для выполнения только части перечисленных функций.
Процесс сжигания топлива можно разделить на три основные стадии: смешение топлива с воздухом для горения, подогрев топливо-воздушной смеси до температуры воспламенения и собственно процесс сжигания. Процесс сжигания, т. е. реакция окисления компонентов топлива кислородом воздуха, протекает практически мгновенно. Первые же две стадии требуют значительно большего времени. По этой причине организация смешения определяет весь процесс сжигания, характеристику факела, а следовательно, распределение температур в рабочем пространстве печи и соответствие его технологическим требованиям к агрегату.
При разработке систем отопления печей следует отдавать предпочтение требованиям технологии, а поэтому в основу классификации сожигательных устройств положена степень развития в них процесса смешения топлива с воздухом для горения независимо от путей, которыми она достигается.
Сожигательные устройства в зависимости от степени развития процесса смешения топлива с воздухом для горения можно разделить на три типа: устройства без предварительного смешения, с улучшенным смешением и с предварительным смешением.
В пределах сожигательного устройства без предварительного смешения топлива с воздухом для горения (горелки типа «труба в трубе», форсунки и др.) только создаются условия для последующего смешения топлива с воздухом: газовым и воздушным потокам придают необходимые скорости и направления (в газовых горелках) или еще предварительно организуют распиливание мазута (в мазутных форсунках).
Топливо смешивается с воздухом для горения вне пределов сожигательного устройства, в рабочем пространстве печи или в специальной топке.
Сожигательные устройства с улучшенным смешением позволяют почти полностью провести смешение вг пределах устройства. В результате этого горение начинает развиваться уже в горелочном туннеле, а в рабочем пространстве или топке оно лишь завершается (например, при использовании турбулентных горелок).
В сожигательных устройствах с предварительным смешением топливо смешивается с воздухом для горения внутри устройства; полное же сгорание происходит в пределах горелочного туннеля (например, в инжекционных горелках) или в специальной камере сгорания, а в рабочее пространство поступают только продукты сгорания.
Исходя из этих характеристик, можно определить область применения трех основных типов сожигательных устройств.
Сожигательные устройства без предварительного смешения рекомендуется применять в тех случаях, когда необходимо:
обеспечить концентрированный подвод тепла с помощью небольшого числа крупных горелок, особенно при сжигании газа с высокой теплотой сгорания;
получить широкие пределы регулирования;
работать попеременно на газовом топливе различных видов или на газе и мазуте попеременно или одновременно;
подогревать компоненты сгорания до высокой температуры.
Сожигательные устройства с улучшенным смешением следует применять в тех случаях, когда допустимая длина факела ограниченна и требуется концентрированный подвод значительного количества тепла при сравнительно небольших размерах сожигательных устройств, либо требуется создать факел специальной формы.
Сожигательные устройства с 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.
, Тип и характеристику сожигательного устройства следует выбирать в зависимости от типа и конструкции печи, требований к технологии нагрева, вида и характеристики топлива. Поэтому ошибочны высказываемые иногда мнения об универсальности какого-либо одного типа горелок и абсолютном превосходстве этого типа над остальными. Не существует «хороших» или «плохих» типов горелок, а есть только подходящие или неподходящие для данных конкретных условий.
На основании опыта эксплуатации и анализа конструкции сожигательных 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 газо-воздушной 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 одноступенчатой. 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 улучшения смешения.
Для стабилизации горения следует предпочитать аэродинамические методы, т. е. создание зон циркуляции продуктов сгорания, которые поджигают газо-воздушную смесь.
Кроме того, конструкция горелки, как и всякого другого изделия, должна быть технологичной, обеспечивающей простоту и точность изготовления, а также возможно менее чувствительной к ошибкам изготовления.
От изготовителей следует требовать контроля качества горелок на основании аэродинамического испытания, каждой из них с последующей отбраковкой или исправлением экземпляров с неудовлетворительной характеристикой.