Виды и типы горелок
Газовые излучающие горелки (в СССР и особенно за рубежом за ними устойчиво закрепилось название «газовые инфракрасные излучатели») — горелки, которых осуществляется беспламенное сжигание газа с большой теплонапряженностьо, при этом значительное количество теплоты передается излучением в окружающее пространство от излучающей поверхности горелки. В качестве излучающего насадка могут применяться плитки керамические как перфорированные (с различным диаметром перфорации), так и пористые или щелевые (с сеткой-экраном из нихромовых сплавов); металлические и сетчатые насадки с двумя сетками или большим числом их, а также различные типы каталитических насадков.
Исследованием принципов беспламенного сжигания газа и разработкой излучающих горелок занимались и занимаются многие научные, учебные и проектные организации и коллективы в нашей стране [Институт газа АН УССР (ИГ АН УССР), Академия коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова, ГипроНИИГаз, СКВ «Газприборавтоматика», МосгазНИИпроект, ЮжНИИгипрогаз, ВНИИпромгаз, Ленинградский инженерно-строительный институт (ЛИСИ), Саратовский и Куйбышевский политехнические институты, ВНИИторгмаш и др.] и за рубежом (фирмы «Антаргаз» и «Асей» во Франции, «Шванк» в ФРГ, «Калоргаз» и «Радиант-Хейтинг» в Англии, а также исследовательские подразделения и государственные предприятия Венгрии, Чехословакии, Румынии, Польши, Болгарии и ГДР).
Большой вклад в исследование и разработку методов сжигания газа с интенсификацией радиационного теплообмена внесли советские ученые: М. Б. Равич, С. Н. Шорин, А. М. Левин, Н. В. Лавров, В. А. Спейшер, В. Ф. Копытов, И. Я. Сигал, А. Е. Еринов, К. Н. Правоверов, Н. Л. Стаскевич, О. Н. Брюханов, В. П. Михеев, В. Ф. Дребенцов, Б. М. Кривоногое и др.
Газовые инфракрасные горелки (рис. 2.1) представляют собой разновидность инжекционных горелок, рассчитываемых на работу с коэффициентом избытка воздуха а=1,05, что обеспечивает полноту сжигания газа. В качестве топлива в ГИГ могут сжигаться природный газ, сжиженные и искусственные газы, характеризующиеся различной теплотой сгорания. В СССР серийно выпускаются ГИГ, рассчитанные на использование природного и сжиженных газов. При нормальной эксплуатации горелок в продуктах сгорания обнаруживаются только следы угарного газа СО и малые концентрации или следы окислов азота N0.
Газ, выходя с большой скоростью, инжектирует необходимое для горения количество воздуха и через инжектор 3 вместе с воздухом направляется в распределительную камеру 4. При жом в инжекторе происходит интенсивное перемешивание газа с воздухом. Из распределительной камеры полностью подготовленная для горения газовоздушнаря смесь через отверстия керамического излучающего насадка 6 выходит на .поверхность последнего, где сгорает в тонком (примерно 1—1,5 мм) слое. Значительная часть теплоты при горении передается керамическим плиткам (излучателю), поверхность которых через 40—50 с после зажигания нагревается до рабочей температуры 1123—1473 К. Поверхность излучающего насадка становится в свою очередь мощным источником теплового (инфракрасного) излучения. В зависимости от конструкции насадка и его температуры количество передаваемой излучением теплоты составляет примерно 40—60 % от тепловой мощности излучателя. Для того чтобы увеличить интенсивность излучения, над керамическим насадком устанавливают жаропрочную сетку-экран 5.
В качестве керамического излучателя применяют перфорированные керамические плитки размером 45X65X12 и 47X69X14 мм, которые выпускаются в основном казанским заводом «Газаппарат» Мингазпрома СССР. Из таких плиток набирают необходимую по площади излучающую поверхность. Плитки склеивают огнеупорной замазкой. Диаметр огневых каналов в плитках зависит от состава сжигаемого газа и удельной тепловой мощности на излучатель. Подробно вопросы изготовления керамических насадков изложены в работе [50].
Серийно выпускаются керамические плитки с диаметром огневых каналов 1,55—0,8 мм. Число отверстий в стандартной плитке в зависимости от диаметра может быть в среднем от 625 до 1625. Отверстия огневых каналов размещаются таким образом, что расстояния между их центрами по всем направлениям равны, а минимальная толщина перемычек между соседними отверстиями 0,5 мм. Суммарное живое сечение плиток по отношению к диаметру огневых каналов колеблется от 40 до 20 %. Большое суммарное живое сечение обеспечивает малое гидравлическое сопротивление насадка и высокую тсплонапряженность излучающей поверхности. Номинальная тепловая нагрузка на стандартную плитку составляет примерно 464 Вт (400 ккал/ч). Отклонения от указанной нагрузки зависят от диаметра и числа огневых каналов в плитке, ее химического состава.
Исследования зависимости температуры поверхности излучения от диаметра огневых каналов и удельной тепловой нагрузки показали, что при больших диаметрах каналов температура излучающей поверхности выше, чем при меньших. Так, при нагрузке на плитку 493 Вт температура излучающей поверхности с диаметром каналов 1,75 мм равна 1143, с диаметром 1,55 мм — 1053, а с диаметром 0,85 мм — 923 К (рнс. 2.2). Температура 1173 К на поверхности перфорированной плитки с диаметрами огневых каналов 0,85 мм достигается прн удельной тепловой мощности на плитку 1113,6 Вт, что в 2,4 раза больше стандартной.
Исследования устойчивой работы ГИГ, проведенные А. М. Левиным и О. Н. Брюхановым ,[1965 г.], позволили рекомендовать для работы на природном и сжиженном газе перфорированные керамические плитки с диаметром каналов 1,55 мм. Выбор диаметра каналов зависит от вида и состава сжигаемого газа, а также от удельной тепловой мощности. Иногда по условиям работы излучателя необходимо иметь наибольшую температуру на его поверхности, чтобы получить наибольший поток излучения с единицы поверхности, при этом лучистый (пирометрический) КПД горелки уменьшится. В этих случаях следует применять керамический насадок с меньшим диаметром огневых каналов, так как зона развития проскока при меньшем диаметре каналов наступает при большей удельной тепловой нагрузке.
Повысить температуру на поверхности излучения можно с помощью установки над насадком металлической сетки-экрана. При этом температура излучающей поверхности в диапазоне 1073—1173 К может быть достигнута при удельных тепловых нагрузках (поверхностной плотности энергии) 127,6— 220,4 кВт/м2, что соответствует 413—715 Вт на стандартную плитку размером 47X69X14 мм (рис. 2.3). В качестве сетки-экрана рекомендуется применять нихромовые жаропрочные сетки марки 1Х18Н9Т № 2—1,2, которые наиболее устойчивы к температурным воздействиям, а оптимальное расстояние сетки-экрана от керамического насадка 5—6 мм. Сетка-экран служит добавочным вторичным излучателем. При прочих равных условиях наличие ее позволяет снизить температуру уходящих продуктов сгорания, что увеличивает КПД излучателя. Из графиков зависимости температуры излучателя от удельной тепловой .нагрузки (рис. 2.3) видно, что при стандартной тепловой нагрузке 150 кВт/м2 температура излучателя достигает 1098, а сетки-экрана 1033 К. При увеличении тепловой нагрузки в 2 раза отмечается рост температуры (1293 и 1193 К соответственно), что приводит к увеличению теплообмена прямым излучением примерно в 2 раза.
Проскок пламени для керамического насадка с диаметром огневых каналов 0,85 мм при установке сетки-экрана наступает при удельной тепловой нагрузке 382,8—406 кВт/м2 (метановоздушная смесь), температура излучающей поверхности при этом 1373—1473 К. Развитие проскока начинается постепенно перемещением зоны горения из тонкого слоя над керамическим насадком в каналы плитки. Сначала плитка при температуре около 1323 К начинает раскаляться, каналы приобретают одинаковый цвет с перегородками, затем перегородки начинают темнеть, а зона горения уходит в каналы. В момент проскока температура перегородок резко падает, пламя проникает из огневых каналов в смесительную камеру и газовоздушная смесь горит в ней; поверхность н каналы плитки оплавляются и керамический насадок выходит из строя. При этом возможен выход из строя инжектора и корпуса горелки.
Наряду с плоскими перфорированными плитками применяют плитки с ребристой или холмистой поверхностью излучателя, что улучшает условия теплообмена между фронтом горения и поверхностью излучения. При этом температура последней возрастает, а повышения тепловой нагрузки на плитку не происходит. Условия работы излучающих перфорированных плиток с ребристой поверхностью подробно изучены В. Ф. Дребенцовым [1967 г.]. Наличие ребер и перфорация с малым диаметром каналов (d0тв = 0,8 мм) позволяют получить температуру на поверхности излучения керамического насадка до 1623 К без проскока пламени при установке горелок в замкнутом объеме, т. е. при наличии обратного излучения. При излучении в открытое пространство температура на поверхности излучения такого типа горелок может быть 1423—1473 К
За рубежом и в Советском Союзе кроме рассмотренных выше применяют п пористые керамические насадки. Большая работа по исследованию и разработке их проведена в Ленгипроинжпроекте, ЛИСИ и Научно-исследовательском институте керамической промышленности (ГИКИ) [30]. Основными преимуществами таких излучающих насадков являются простота, дешевизна изготовления (так как исходными материалами служат в основном отходы керамической промышленности), а также возможность изготовить насадок любой формы и площади. Толщина плиток около 30 мм. Однако пористые насадки имеют существенный недостаток — большое гидравлическое сопротивление (20—60 Па) при удельной тепловой нагрузке 348 кВт/м2, что не позволяет использовать в качестве топлива для ГИГ газ низкого давления. При работе пористого керамического излучателя газовоздушная смесь из распределительной камеры через поры проникает к его наружной (рабочей) поверхности и сгорает в тонком слое (1,5—2 мм). Зона горения при выходе горелки на режим перемещается с поверхности насадка в поры на глубину до 3—5 мм, при этом поверхность насадка нагревается до 1123—1237 К.
Керамические излучающие насадки хрупки, не переносят ударов и тряски, а следовательно, малопригодны в передвижных обогревательных установках и устройствах, в которых применяют ГИГ с металлическими сетками. В этих ГИГ газовоздушная смесь (а=1,05) сгорает в объеме между сетками, последние раскаляются до 1023—1273 К, становясь источником инфракрасного излучения. Естественно, что при такой температуре следует использовать жаростойкие хромоникелевые сетки из стали марки 1Х18Н9Т или Н80Х20. Размер ячеек верхней сетки должен быть таким, чтобы обеспечивал проскок пламени в достаточно широком диапазоне изменения удельной тепловой нагрузки (2X2; 2,5X2,5 и 3X3, реже 5X5 мм), а нижней — меньше критических, т. е. предотвращающих проскок пламени (меньше 0,8X0,8 мм). Можно рекомендовать предохранительные сетки с размерами ячеек 0,63x0,63 и 0,35 X 0,35 мм.
Большую работу по исследованию устойчивости горения, температурных режимов н по разработке конструкций сетчатых излучателей провели А. М. Левин я С. С. Салиходжаев. Они же впервые в СССР в 1965 г. предложили ГИГ с излучателями из перфорированного жаростойкого чугуна.
При значительных удельных тепловых нагрузках (от 410 до 970 кВт/м2 при работе на природном газе и от 290 до 580 кВт/м2 при сжигании технического пропана) основным излучателем служит верхняя сетка, а при меньших нагрузках обе сетки. Максимальный лучистый КПД — около 55—60 % при удельной тепловой нагрузке 170—230 кВт/м2 и температуре на сетках 1023—1073 К. Гидравлическое сопротивление сетчатых излучателей почти в 2 раза больше, чем у перфорированных керамических плиток, но меньше, чем у пористых, и составляет 5—12 Па.
В последнее время в связи с перемещением районов добычи газа на Крайний Север и в Сибирь, т. е. в районы с суровыми климатическими условиями, появилась необходимость в обогреве фонтанной арматуры, промысловой и контрольно-измерительной аппаратуры, арматуры и приборов автоматики магистральных газопроводов, а также в отоплении помещений газораспределительных станций (ГРС). Наиболее приемлемым для этих целей может быть газовый каталитический излучатель, полностью отвечающий требованиям, определяемым спецификой условий его работы [Полосин И. А., 1968 г., Чапурин Г. А., 1970 г.].
Для отопления и обогрева при монтажных и строительных работах в качестве нагревателей применяют горелки с повышенной тепловой мощностью. К таким следует отнести высокотемпературные газовые излучатели ВГИ, разработанные на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции Саратовского политехнического института (СПИ) [29], беспламенные панельные горелки типа ГБПш ВНИИнефтемаша, серийно изготовляемые Новочеркасским заводом нефтяного машиностроения, а также ВГИ с перфорированным излучающим насадком, разработанные ВНИИГазом.
На рис. 2.5 показаны зоны работы горелки со щелевым насадком при изменении расхода G (удельной тепловой нагрузки q) природного газа с QH = = 35 587,8 кДж/м3 и коэффициента избытка воздуха а. В отличие от перфорированных насадков, проскок здесь наблюдается при снижении удельной тепловой нагрузки, так как при этом скорость распространения пламени становится выше, чем скорость истечения газовоздушной смеси из щели. Насадок имеет широкий диапазон изменения нагрузки и коэффициента избытка воздуха при беспламенном горении. Горелки ВГИ могут широко применяться для обогрева строящихся зданий ТЭС и АЭС, а также при зонном обогреве [29].
Во многих случаях в системах отопления и обогрева необходимо использовать горелки, устойчиво работающие при ветровой нагрузке. Однако не все ГИГ, применяемые в системах отопления закрытых помещений, могут быть пригодны для обогрева открытых площадок, так как при воздействии ветра они работают неустойчиво, а иногда и гаснут. Для того чтобы принять решение о возможности использования горелок, способных работать в условиях обдува поверхности излучения потоками воздуха, необходимо знать характеристику ветроустойчивости (предел ветровой нагрузки по скорости), при которой горелка гаснет.
Анализ работы ГИГ на ветру показал, что неудовлетворительная их работа и погасание происходят в основном из-за уменьшения коэффициента инжекции и отклонения струи газа, вытекающей из сопла, а также из-за интенсивного охлаждения поверхности излучения. Уменьшение коэффициента инжекции приводит к появлению языков пламени на поверхности излучающей панели и резкому снижению ее температуры. Быстрое охлаждение поверхности излучения происходит также из-за проникновения холодного воздуха в зону горения и увеличения теплопередачи конвекцией от поверхности излучения.
На основании исследований, проведенных автором, выявлено, что предел ветроустойчивости повышается с увеличением удельной тепловой нагрузки при поддержании коэффициента избытка воздуха в момент воздействия ветровой нагрузки на расчетном уровне (а =1,05). Кроме того, установлено, что предел ветроустойчивости излучающих горелок, серийно выпускаемых промышленностью, при лобовом обдуве и обдуве под углом к излучающей поверхности практически одинаков (температурные режимы идентичны). Правда, при боковом воздействии ветра на горелку температура на излучающей поверхности выше, чем при воздействии его под углом к ней или лобовом, однако погасание горелки происходит практически при одинаковой скорости ветра за счет срыва фронта горения. Обработка экспериментальных данных позволила выявить зависимость ветроустойчивости Wy от удельной тепловой нагрузки q и коэффициента избытка воздуха а при изменении его от 0,85 до 1,06:
Рассмотрение ветроустойчивости в данной области значений а обусловливается значительным снижением КПД излучателей при а, меньшем 0,8—0,85. В этом случае поверхность излучения горелки темнеет и над ней появляются языки пламени: горелка перестает работать в режиме беспламенного горения.
Для определения ветроустойчивости горелки необходимо сначала установить, до какой величины снижается коэффициент инжекции горелки при противодавлении от фронтального воздействия ветровой нагрузки со скоростью W. Затем по найденному коэффициенту избытка воздуха а и принятой для данного излучателя удельной тепловой нагрузке следует рассчитать предел ветроустойчивости по формуле (2.1). Отечественная промышленность освоила, выпускает серийно и экспериментальными партиями несколько типов ГИГ. Среди них есть и ветроустойчивые, которые можно использовать в системах отопления и установках обогрева. Технические характеристики наиболее распространенных ГИГ приведены в табл. 2.1.
Горелка ГК-27У-1 (рис. 2.6) имеет штампованный металлический корпус и излучающую насадку, состоящую из 16 перфорированных плиток с диаметром каналов 1,55 мм. На излучателе горелки может быть установлена сетка-экран над основной керамической поверхностью излучения. Горелка работает на природном и сжиженном газе низкого давления.
Горелка «Звездочка» (рис. 2.7) состоит из поверхности излучения, имеющей шесть перфорированных пирамидальных плиток размером 64X44X14 мм с диаметром каналов 1,2 мм. Сетка-экран выполнена из жаропрочной окалиностойкой стальной проволоки. «Звездочка» выпускается двух модификаций: для работы на природном и сжиженном газах низкого давления без элементов электрозажигания и с элементами электрозажигания («Звездочка-З»), Обе модификации поставляются со сменными соплами под природный и сжиженный газы.
Горелка ВИГ-1 (рис. 2.8) имеет излучающую поверхность из десяти керамических пирамидальных плиток, каждая из которых вклеена в индивидуальный держатель (плитки между собой не склеены). Держатели вмонтированы в пластину, закрепленную на корпусе горелки. Горелка имеет повышенную надежность крепления керамики. Она способна выдерживать вибрационные и ударные нагрузки в диапазоне частот от 0 до 60 Гц с ускорением от вибрации 15 м/с. ВИГ-1 может работать на передвижных установках обогрева на природном или сжиженном газах низкого давления. Сетка-экран на горелке такая же, как и иа «Звездочке».
Горелки ГИИВ-1 и ГИИВ-2 (рис. 2.9) предназначены для работы на открытом воздухе на природном и сжиженном газах низкого давления. Различаются горелки лишь числом перфорированных излучающих керамических плиток: у первой их 10, а у второй 20. Плитки расположены в два ряда. Горелки имеют ветрозащитный кожух, повышающий их ветроустойчивость.
Горелка ГИ-01 (рис. 2.10) предназначена для работы на открытом воздухе и в тепловых агрегатах с использованием природного и сжиженного газов среднего давления. Излучающая поверхность ее состоит из двух блоков, в каждом блоке по 16 перфорированных керамических плиток с диаметром огневых каналов 0,85 мм (может быть использована плитка с диаметром каналов 1— 1,2 мм). Горелка ГИ-01 разработана на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции СПИ ГЗ, 53].
