Топливосжигающие устройства. 
Тепловые расчеты нагревательных печей

Сжигание топлива в пламенных печах производят с помощью топливосжигающих устройств. Все топливосжигающие устройства делятся на горелки и форсунки.

Горелкой называется устройство, предназначенное для сжигания газообразного топлива и служащее для подготовки газовоздушной смеси и организации ее сжигания в топке или рабочем пространстве печи.

Жидкое топливо, применяемое для отопления печей, сжигается в распыленном состоянии. Устройство для распыления жидкого топлива и организации его подачи в топку или рабочее пространство печи называется форсункой.

Газовые горелки

Основные требования, предъявляемые к горелкам:

• 1) обеспечение полного сжигания топлива в пределах рабочего пространства;
• 2) обеспечение наивысшего уровня теплоотдачи к нагреваемым изделиям;
• 3) обеспечение необходимого диапазона регулирования расхода газа и воздуха, т. е. устойчивость горения в широком диапазоне производительности (нет отрыва и проскока пламени);
• 4) надежность и удобство эксплуатации;
• 5) минимальное гидравлическое сопротивление на пути газа и воздуха.

Горелки по способу приготовления газовоздушной смеси можно разделить на четыре основных типа:

• а) без предварительного смешения топлива с воздухом (приготовление смеси происходит в период горения); их называют диффузионными или пламенными;
• б) с частичным предварительным смешением;
• в) с полным предварительным смешением (кинетические или беспламенные);
• г) с неполным предварительным смешением газа и воздуха (атмосферные).
• 3.1.1 Горелки без предварительного смешения газа и воздуха (пламенные)

К этому типу относятся пламенные двухпроводные горелки и горелки типа «труба в трубе». Принципиальное устройство их представлено на рис. 3.1−3.3. Это горелки низкого давления: давление газа в коллекторе 2,5 — 3,5 кПа. Они характеризуются раздельным подводом газа и воздуха. Смешение струй газа и воздуха начинается на расстоянии 30 — 60 мм от выходного сопла. Коэффициент расхода воздуха для горелок этого типа составляет 1,1 — 1,15.

Рис. 3.1 Горелки типа «труба в трубе» малой мощности для газов с низкой (а) и высокой (б) теплотой сгорания

Рис. 3.2 Горелки типа «труба в трубе» средней мощности для газов с низкой (а) и высокой (б) теплотой сгорания

Рис. 3.3 Горелки типа «труба в трубе» большой мощности для газов с низкой (а) и высокой (б) теплотой сгорания

Процесс горения лимитируется скоростью смешения газа с воздухом. Они имеют длинный факел и их следует применять при отоплении крупных печей (мартеновских, стекловаренных и методических) при установке их с торца печи, чтобы избежать физического недожога топлива. Используют горелки без предварительного смешения также в радиационных трубах с целью получения растянутого факела Недостаток данных горелок — принудительная подача воздуха и регулировка соотношения газа и воздуха, что усложняет установку горелок «труба в трубе» при значительном их числе.

Преимущества данных горелок следующие:

• а) широкие пределы регулирования;
• б) отсутствует опасность проскока пламени внутрь горелки;
• в) возможность работы на подогретом газе и воздухе (температура подогрева ограничивается только стойкостью трубопроводов и их элементов и необходимостью предотвратить термическое разложение газа);
• г) компактность и малые габариты;
• д) область высоких температур удалена от кладки, что обусловлено растянутостью факела;
• е) обеспечивается возможность концентрированного подвода теплоты при небольшом числе горелок высокой производительности.
• 3.1.2 Горелки с частичным предварительным смешением газа и воздуха

Способы улучшения смешения газа с воздухом заключаются в следующем:

• а) увеличивают путь и время перемешивания газа с воздухом внутри горелки;
• б) разделяют потоки газа и воздуха на мелкие струи, в результате увеличивается поверхность их соприкосновения;
• в) направляют газ и воздух под углом друг к другу;
• г) создают закручивание потоков газа и воздуха.

К такому типу пламенных горелок относятся турбулентные горелки (с закручиванием струи воздуха), показанные на рис. 3.4, и видоизмененные горелки «труба в трубе», снабженные устройствами для улучшения предварительного перемешивания газа и воздуха. В горелках «труба в трубе» удлинен корпус, выходное сечение газового сопла удалено от носика и предусмотрен промежуточный диффузор — смеситель. Это приводит к уменьшению длины факела. Коэффициент расхода воздуха для таких горелок составляет 1,05 — 1,1.

Рис. 3.4 Турбулентные горелки конструкции Стальпроекта

Горелки с улучшенным смешением могут работать на низком давлении газа и воздуха. Недостаток — необходимость принудительной подачи и регулирования воздуха. Применять следует в печах средних размеров (печи с выдвижным подом, термические печи) или крупных (методические, проходные) при установке по боковым сторонам печи или со свода.

3.1.3 Горелки с полным предварительным смешением газа и воздуха (беспламенные)

К горелкам с полным предварительным смешением относятся радиационные и инжекционные.

Отличительной особенностью радиационных горелок является наличие горелочного туннеля. Они бывают трех видов:

• — с излучающей чашей; горелочный туннель имеет вид чаши, на поверхности которой происходит горение предварительно подготовленной смеси компонентов горения;
• — панельные, это многотуннельные горелки: горение предварительно подготовленной смеси газа с воздухом происходит на плоской поверхности;
• — плоскопламенные: горелочный туннель имеет криволинейный профиль для лучшего растекания и прилипания пламени к поверхности кладки (рис. 3.5).

Рис. 3.5 Плоскопламенная горелка ГПП

Принцип работы инжекционных горелок (рис. 3.6) заключается в том, что газ подается под повышенным давлением (50 кПа) и при выходе струи из газового сопла в горелку инжектируется (засасывается) воздух. Приготовление смеси происходит в смесителе, при выходе из горелки смесь быстро сгорает, давая короткий высокотемпературный факел.

Преимущества инжекционных горелок:

• 1. Коэффициент расхода воздуха 1,0 — 1,05. При этом достигается наиболее экономичное сжигание газа, обеспечивающее высокую температуру горения, что важно при сжигании газов с низкой теплотой сгорания.
• 2. Короткий факел горения, что позволяет создать вблизи горелок зону достаточно высоких температур. Это особенно важно для печей с малым рабочим пространством (колпаковые, секционные, термические, нагревательные колодцы).
• 3. Количество поступающего воздуха строго пропорционально расходу газа, следовательно, не требуется принудительной подачи воздуха и регулировки соотношения газ — воздух. Конструкция печи упрощается, поскольку не требуются воздухопроводы. Для обеспечения равномерного нагрева возможна установка большого числа мелких инжекционных горелок.

Рис. 3.6. Инжекционные горелки конструкции Стальпроекта:

а — тип Н; б — тип П; в — тип В Инжекционным горелкам присущи следующие недостатки:

• 1. При работе на инжекционных горелках необходимы газоповысительные станции. Для доменного газа необходимо давление не менее 10 кПа, а для природного газа — не менее 50 кПа.
• 2. Ограниченные температуры подогрева воздуха или газа вследствие опасности самовоспламенения смеси внутри корпуса горелки.
• 3. Имеется опасность проскока пламени внутрь горелки.
• 4. Сложность конструкции и большие размеры горелок, что иногда препятствует их расположению в заданных габаритах печи. Так, инжекционная горелка такой же производительности, как и горелка типа «труба в трубе», в два раза больше по длине и по диаметру.
• 3.1.4 Горелки с неполным предварительным смешением газа и воздуха

Это так называемые атмосферные горелки. Отличительная особенность их состоит в том, что в первую ступень смешения воздух подается с коэффициентом расхода 0,6 — 0,8; остальной воздух до коэффициента расхода 1,1 поступает во вторую ступень смешения из атмосферы. Такой метод смешения воздуха с газом обеспечивает устойчивую работу горелок, т. е. без отрыва и проскока пламени в смеситель. Область применения — термические печи и для бытовых газовых плит.