Горелки атмосферного типа Общие сведения

Благодаря своим хорошим качествам как с теплотехнической точки зрения, так и в конструктивном отношении атмосферные горелки имеют широкую область применения. Они завоевали прочные позиции в бытовых газовых приборах — плитах, водонагревателях и пр. — в лабораторной практике и часто примени в чугунных отопительных котлах и сушилах. Топки, оборудованные атмосферными горелками, имеют положительные качества, к которым следует отнести:

1. возможность работы на низком давлении газа;

2. отсутствие необходимости в специальной дутьевой установке для подачи воздуха.

К отрицательным сторонам можно отнести:

1. диапазон колебания давления газа лимитируется устойчивостью горения;

2. горелки с малым коэффициентом первичного воздуха работают с повышенными избытками воздуха в топке (коэффициент избытка воздуха в топке доходит до 1,4) и, как следствие, с пониженными температурами горения.

Хорошо сконструированная и правильно рассчитанная атмосферная горелка может работать с гораздо меньшими избытками воздуха (а_т = 1,15) и ничтожной потерей от химической неполноты сгорания. Изменение теплотворной способности газа меньше сказывается на горелке атмосферного типа, чем на пламенной, так как в этом случае газ подсасывает только часть воздуха, а остальная часть его поступает в топку за счет тяги. Исходя из этого, можно заключить, что для небольших производственно-отопительных котлов, особенно для чугунных, горелки атмосферного типа представляют значительный интерес.

Рисунок 1. Применение горелок атмосферного типа в плитах

Устойчивость горения газа в горелках атмосферного типа

У горелок атмосферного типа при определенных условиях бывает обратный удар пламени. Это явление может иметь место в том случае, когда содержание воздуха в газовоздушной смеси, подаваемой из горелки, заключено в пределах воспламенения. Проскок пламени внутрь горелки зависит от следующих величин:

1. состава газа;

2. коэффициента первичного воздуха;

3. теплового напряжения отверстий;

4. диаметра и глубины отверстий.

Причина проскока пламени объясняется следующим. Скоростное поле газовоздушной смеси при выходе из отверстий горелки имеет параболический характер (для подавляющего большинства атмосферных горелок движение газовоздушной смеси в выходном сечении имеет ламинарный режим). Внутренний конус пламени (рисунок 1) представляет собой поверхность равных скоростей газовоздушной смеси направленных по нормали к поверхности внутреннего конуса. Эта скорость равна скорости распространения пламени, поэтому внутренний конус является зоной выгорания той части газа, которая обеспечена; первичным воздухом. Своим основанием внутренний конус не доходит до выходной кромки отверстия на расстояние, равное тепловой ширине пламени. Это явление объясняется теплоотводом в стенку.

Проскок пламени не будет происходить до тех пор, пока скорость газовоздушной смеси на расстоянии, равном тепловой ширине пламени от края отверстия, не станет меньше скорости распространения пламени. Когда же скорость в указанной точке станет меньше скорости распространения пламени, тогда пламя проскочит внутрь горелки.

Рисунок 2. Структура пламени атмосферной горелки

Пределы проскока пламени удобно представлять в виде графиков, построенных на основании экспериментального изучения явления проскока пламени в горелках.

На рисунках 2 и 3 построены по литературным данным кривые пределов проскока пламени для природного и смешанного газов в горелках с различными диаметрами выходных отверстий в зависимости от теплового напряжения последних и коэффициента первичного воздуха. Испытания проводились при отверстиях, имевших глубину и шаг от 3 диаметров отверстий и выше. При рассмотрении графиков видно, что природный газ имеет более низкий предел проскока, чем смешанный. Это явление объясняется тем, что природный газ, в основном, состоит из метана (СН₄ = 85,0 - 95,0%), который имеет малую скорость распространения пламени (W_max = 0,67 м/сек). Смешанный газ обычно содержит значительное количество водорода (Н=15-20%) Водород — газ быстро горящий. Его максимальная скорость, распространения пламени W_max равна 4,88 м/сек.

Чем выше скорость распространения пламени имеет газ, тем больше должно быть тепловое напряжение выходных отверстий для того, чтобы избежать проскока пламени.

Рисунок 3. Предел проскока пламени для смешанного газа.

Рисунок 4. Предел проскока пламени для природного газа.

Большое влияние на предел проскока пламени оказывает также коэффициент первичного воздуха. С увеличением коэффициента первичного воздуха предел проскока возрастает, достигая своего максимального значения вблизи теоретического отношения газа и воздуха; с дальнейшим увеличением первичного воздуха предел понижается. Характер кривой проскока пламени близко подходит к характеру кривой скорости распространения пламени. Кривая проскока пламени зависит от диаметра выходных отверстий. Чем меньше диаметр отверстий, тем ниже предел проскока. При критическом диаметре пламя вообще не может проскочить внутрь горелки. Глубина отверстия, превышающая три диаметра, мало влияет на предел проскока. Для глубин отверстий, меньших трех диаметров, предел проскока пламени увеличивается.

Устройство конического выходного канала вместо цилиндрического будет способствовать выравниванию поля скоростей и должно понижать предел проскока пламени. В процессе работы головка горелки нагревается, причем нагрев тем сильнее, чем больше коэффициент первичного воздуха, и тем меньше избыток воздуха в топке. С увеличением температуры газовоздушной смеси предел проскока пламени поднимается. Если постепенно повышать тепловое напряжение выходных Отверстий головки горелки, то при достижении определенного значения пламя отделится от верхнего среза отверстий и будет гореть на расстоянии от последнего. Такое состояние называется отрывом пламени, Это явление сопровождается резким шумом. При горении газа на расстоянии от горелки увеличивается химическая неполнота сгорания. Максимальной форсировкой горелки следует считать такое тепловое напряжение отверстий, при котором еще не возникает отрыв пламени.

Отрыв пламени объясняется тем, что с повышением форсировки зона горения газа, представляющая собой коническую поверхность, растет и при определенном тепловом напряжении теряет устойчивость, вследствие чего пламя отрывается от верхнего среза горелки и горит на таком расстоянии от последнего, где скорость распространения пламени равна скорости движения газовоздушной смеси. Предел отрыва пламени зависит от:

1. состава газа;

2. коэффициента первичного воздуха;

3. теплового напряжения отверстий;

4. диаметра и глубины отверстий;

5. расстояния между отверстиями.

Увеличение отношения глубины канала к диаметру свыше 3 единиц не изменяет предела отрыва. Для отношения менее 3 предел отрыва падает. Для природного газа, содержащего большой процент метана, кривая пределов отрыва ниже, чем для смешанного газа, содержащего значительный процент водорода. С увеличением коэффициента первичного воздуха кривая предела отрыва понижается, т. е. уменьшается значение максимальных тепловых напряжений, не вызывающих отрыва пламени.

Большое влияние оказывает на предел отрыва пламени расстояние между отверстиями. С уменьшением этого расстояния тенденция к отрыву пламени падает. Наибольшее сопротивление отрыву имеют такие конструкции горелок, у которых язычки пламени, выходящие из отверстий, касаются друг друга.

Горелки, у которых вместо отверстий применяются щели, имеют еще более высокий предел отрыва.

Анализируя это, а также кривые на рисунках 2 и 3, видим, что одним из основных параметров, влияющих на устойчивость горения газа, является коэффициент первичного воздуха (а'_т).

Коэффициент первичного воздуха является также основной характеристикой, от которой зависят теплотехнические качества горелки и топки. Топки, оборудованные горелками с большим коэффициентом первичного воздуха, имеют лучшие теплотехнике показатели.

С повышением коэффициента первичного воздуха сближаются пределы отрыва и проскока пламени, т. е. падает устойчивость горения газа и уменьшаются пределы возможных колебаний давления. Проектируя горелку с большим коэффициентом первичного воздуха (а'_т = 0,7…0,8), необходимо особенно внимательно отнестись к выбору теплового напряжения отверстий головки горелки и их диаметра, чтобы получить максимальные колебания давления газа, не вызывающие потери устойчивости. Степень экранирования топки не сказывается на устойчивости горения газа до тех пор, пока температура топки обеспечивает нормальный процесс горения.

Скорость подвода вторичного воздуха следует выбирать такой, чтобы последний не сдувал пламя горелки, так как в противном случае может произойти отрыв пламени. В топке должна быть исключена возможность рециркуляции продуктов горения. При наличии ее продукты горения могут изолировать пламя от подвода вторичного воздуха, и оно погаснет.