Инжекционные горелки
Инжекционные горелки полного предварительного смешения (кинетические) получили очень большое распространение в промышленных установках, особенно печах. Инжекционные горелки с частичным предварительным смешением (атмосферные) находят широкое применение в бытовых и коммунальных аппаратах.
Рис. VIII-1. Расчетная схема инжекционной горелки.
Рассмотрим процессы, протекающие в инжекционной горелке обычного типа. Наиболее распространенные инжекционные горелки представлены в принципиальной схеме на рис. VIII-1. Ее основными элементами являются: I-рабочее сопло; II-камера всасывания; III-камера смешения; IV-диффузор; V-головка горелки (иногда называемая носиком, кратером, насадкой и пр.).
Под действием избыточного давления из сопла с большой скоростью вытекает струя газа. В процессе турбулентного перемешивания она увлекает подводимый воздух, поступая вместе с ним в камеру смешения. Поступление воздуха к струе происходит за счет ее подсасывающего действия, выражающегося в некотором снижении давления против атмосферного в зоне развития струи. Перед входом в камеру смешения в правильно выполненной инжекционной горелке струя уже содержит нужное количество воздуха, однако скорости и концентрации по сечению характеризуются большой неравномерностью: в центре имеется ядро больших скоростей и концентраций, к периферии они резко убывают. В пределах камеры смешения происходит некоторое выравнивание, однако при умеренной длине камеры смешения на выходе из нее все еще наблюдается значительная неравномерность скоростей и концентраций. В процессе перемешивания газового и воздушного потоков имеет место большая гидравлическая потеря из-за резкого уменьшения скорости газовой струи в результате соударения газовых и воздушных частиц. В зависимости от выбранного сечения камеры смешения и профиля проточной части давление в ней может сохраняться постоянным, увеличиваться или уменьшаться.
Далее смесь поступает в диффузор, в котором происходит увеличение статического давления за счет соответствующего плавного снижения скорости. Этот процесс также сопровождается потерями из-за завихрений и трения в диффузоре. Поток в диффузоре характеризуется значительным развитием турбулентности даже при малых значениях критерия Re, что приводит к дальнейшему выравниванию концентраций газа в смеси. Однако скорости потока по сечению и на выходе из диффузора оказываются неравномерными, с заметным падением у стенок. Инжекционные горелки снабжаются конфузорной головкой в целях увеличения и выравнивания скорости потока смеси на выходе. Как было указано в главе VI, инжекционные горелки могут не иметь диффузора, однако конфузорная головка является обязательным элементом большинства конструкций, так как без нее, даже при высоких выходных скоростях смеси в среднем по сечению, может иметь место проскок пламени из-за местных снижений скорости у стенок. Указанное не относится к горелкам частичного предварительного смешения, в которых подготавливаемая смесь лежит вне концентрационных пределов воспламенения.
Общая теория струйных приборов, обстоятельно изложенная в ряде работ [Абрамович, 1960; Соколов, Зингер, 1960], при применении ее к инжекционным горелкам оказывается неоправданно сложной и недостаточной. В частности, пользуясь зависимостями для струйных аппаратов в общем виде, трудно определить наивыгоднейшую скорость подсасываемого воздуха и невозможно связать режимные показатели инжекционной горелки с характеристиками газа.
В литературе по газоснабжению и сжиганию газа приводится ряд методов расчета и упрощенных формул для определения основных размеров инжекционных горелок. Большинство таких зависимостей достаточно удобно для быстрого определения основных сечений горелки и обычно дает надежные результаты, но, как правило, не позволяет установить влияние многих факторов на работу горелки. К таким факторам относятся: сопротивление воздушного тракта, разрежение или противодавление в топке, местные сопротивления на пути смеси, особенности (направление и скорость) подвода воздуха к газовой струе, качество отдельных элементов горелки (сопла, камеры смешения, диффузора) и т. п. Учет всех этих факторов не только позволит проанализировать их влияние на режимные показатели, но и обеспечит работу горелки при наинизшем давлении газа перед соплом или с максимальной глубиной регулирования.
Специфические особенности работы инжекционных горелок для природных и попутных газов позволяют упростить ряд зависимостей, устанавливаемых общей теорией струйных аппаратов, и дать достаточно надежные методы расчета процесса с учетом всех режимных факторов. Кинетические инжекционные горелки работают при коэффициентах избытка воздуха в смеси α=1,0 ÷1,2, а горелки атмосферного типа при α= 0,5÷0,6. Это значит, что в горелках для природных и попутных газов массовый коэффициент инжекции (т. е. отношение массы поступающего воздуха к массе газа) лежит в пределах примерно от 6 до 15. В камерах всасывания и смешения, диффузоре и головке давление весьма мало отличается от атмосферного, поэтому его можно принимать равным барометрическому давлению, а расчеты процессов в этих элементах горелки вести по формулам гидравлики без учета расширения или сжатия воздуха и смеси.
