Басниев К.С. Энциклопедия газовой промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

0,2

Отношение

gs- -

Диаметр

горлышка

вентури

Диаметр

выхода

горелки

0,5

1,5

2,5

Горелки

индукции

атмосферного

воздуха.

Влияние

отношения

размера

горлышка

вентури

гидравлическому

выходу

отверстий

головки

горения

на

коэффициент

инжекции

воздуха.

Газ

при 15° С

Газ

СССР

Давление

избыточное

(мбар)

100

150

200

250

Диаграмма:

приведенная

поверхностная

мощность-давление.

Низкое

давление.

685

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

Давление

избыточное

(мбар)

100

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Диаграмма:

приведенная

поверхностная

мощность-давление.

Среднее

давления.

1,5-

Пропан

чистый

утан

чисты

Давление

избыточное

Газ

СССР

Метан

газ

Лака

бар)

•+•

Диаграмма:

приведенная

поверхностная

мощность-давление.

Высокое

давление.

686

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

На рисунках можно прямо определить, зная

давление начального

газа,

необходимое давление

газа

замены при сохранении

P.S.R.

= const.

Расчет нового диаметра сопла осуществляется

помощью рисунков с.

685,686,

которые дают для

каждого

давления

удельную

поверхностную мощ-

ность на мм

сопла Р„ и позволяют определить со-

отношение:

D, конечное

О/начальное

Р/ начальное

(

конечное

Заметим,

что как удельная мощность, так и при-

веденная поверхностная мощность, стремятся к

пределу

при возрастании давления и, когда это

происходит, невозможно для пропана

получить

ус-

ловия

работы, соответствующие работе на природ-

ном

газе

под давлением в 1 бар.

8.2.2.4.

Горелки с предварительным

смешением

под давлением

Эти

горелки соответствуют случаю подачи

газа

вентилятором, который позволяет осуществить

полное предварительное смешение под высоким

давлением.

Эти устройства применяются в промы-

шленности и сейчас встречаются в установках жи-

лого комплекса. На рисунке напротив представле-

ны три примера таких установок.

8.2.3.

Горелки кислород-газ

Замена

воздуха кислородом необходима, когда

нужно

получить

высокую

температуру

и/или

необ-

ходимо повышение плотности теплового потока.

Это

случай газовых кислородных резаков, при

формовке, обжиге и для определенных горелок

специального назначения.

Учитывая

искомые

характеристики,

в качестве топлива используется

ацетилен,

пропан, тетрен (коммерческая смесь с

общей

формулой, близкой

)

и природный газ.

В таблице даются принципиальные характерис-

тики

используемого

газа.

Удельная мощность фронта пламени является

мощностью, выделяемой единицей поверхности

зоны горения при сжигании газ-кислородной сме-

Горелка предварительного смешения

коническим

выходом

Подготовленная

гаэоеоздушная

Горелка предварительного смешения

с большой скоростью

выхода

газовоздушной смеси

Предварительно* парциальное

Горелка предварительного смешения

с вторичным воздухом

Горелки

предварительною

смешения

под

давлением.

си.

Теоретический кислород - это количество кис-

лорода, необходимое для стохиометрической ре-

акции.

Практическая степень подачи кислорода

соответствует степени подачи кислорода, для ко-

торой эффективная температура пламени

макси-

мальная: это оптимальное регулирование

резака,

работающего

в свободном воздухе, когда дополни-

тельный

кислород может

быть

найден в окружаю-

щем

воздухе.

Практический

кислород - это соответствующее

количество кислорода.

Газ Гронинга

Газ Лака

Пропан

Тетрен

Ацетилен

Теоретическая

температура

горения,

°С

2 730

2 750

2 820

2 895

3 300

Удельная

мощность фронта

пламени, кВт/см

3.6

3,9

5,4

5,6

23,0

Кислород

теоретический

/кВтч

(Р. С. 1.)

0,201

0,191

0,188

0,159

/Дж

0,0558

0,0531

0,0522

0,0422

Практическая

степень подачи

кислорода (Лр)

0,95

0,90

0,80

Кислород практический

/кВтч

(Р. С. I.)

0,191

0,172

0,169

0,127

/Дж

0,0531

0,0478

0,0469

0,0353

687

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

8.2.4.

Смесительные горелки

со

слабыми скоростями

воздуха в зоне горения

Это случай, когда воздух горения находится под

давлением порядка миллиметра водяного столба

(0,1

мбар), что соответствует, например,

случаю

использования рекуператора

тепла

или керамиче-

ского

регенератора, опасность нарушения герме-

тичности которых не позволяет повысить давле-

ние.

Соответствующие скорости воздуха составля-

ют 10 - 15 м/с максимально, следовательно,

энергию,

необходимую для смешения, несет поток

топлива.

8.2.4.1.

Пламя с оксиальной (осевой)

диффузией

Когда

газовая струя вытекает в свободный воз-

дух с малой скоростью и через

малые

отверстия

(случай

блочных

горелок (пламени)), ламинарное

течение и смешение осуществляются за счет мо-

лекулярной диффузии одного газа в другой.

Если

струя газа вытекает в воздух с большой скоростью

через большое отверстие (случай промышлен-

ных горелок), истечение турбулентное: это значит,

что образуется множество турбулентностей (зави-

хрений) и смешение осуществляется гораздо быст-

рее.

Этот процесс называется турбулентным сме-

шением.

Ниже на рисунке показано, как изменяется в за-

висимости

от расхода длина диффузионного пламе-

ни,

получаемого в газовом сопле данного диаметра.

8.2.4.1.1.

Диффузионное пламя при ламинар-

ном

режиме истечения

До

числа Рейнольдса порядка 2 500 и для диа-

метра отверстия менее

двух

миллиметров длина

пламени пропорциональна расходу и не зависит от

диаметра, что записывается:

Величина к определяется экспериментально.

Выражаем Q в

Ваттах

и L в сантиметрах, к при-

нимает следующее значение для одного отвер-

стия:

— городской газ - к - 0,036;

— природный газ - к =

0,041;

— бутан, пропан - к = 0,046.

Вот несколько значений удельного критическо-

го

расхода отрыва ламинарного, диффузионного

пламени:

— городской газ - 800 вт/мм

— природный газ - 600 вт/мм

— пропан,

бутан

- 700 вт/мм

Длина пламени

2500

ее

о.

со

СО

Течени*

ч:

О)

Ч/

О.

Зона

пе

се

к i

се

х о

турбуле

имаемог

СО К

X О

О ф

СО х

о ^

дозвуко

имаемог

се

X О

О ф

СО X

Звуковое

истечение

_.—-^

Расход газа

Осевое

изменение

длины

пламени.

688

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

8.2.4.1.2.

Диффузионное пламя при

турбулентном режиме истечения

8.2.4.1.2.1.

Длина пламени в свободной атмосфере

Диффузионное осевое пламя реализует горение

струи газа (топлива) в окислительной среде, дви-

жущейся со скоростью гораздо ниже скорости го-

рения.

Свойства осевых струй рассматривались в

§8.2.1.2.

случае

струи топлива, вытекающей в свобод-

ный воздух, длина Ц, необходимая для создания

стехиометрической

смеси,

определяется по клас-

сическому выражению:

= 6.

где:

- массовый расход, кг/с;

G - напор струи, Ньютон;

р, - средняя объемная масса

смеси.

Это выражение мало удобно, т.к. не содержит в

явном виде характеристики горелки и топлива.

Вводя понятие коэффициента уменьшения Ар,

запишем:

V',

- мощность влажного дымообразования, т.е.

объем дыма без конденсации. Он выражается в

нм

дыма на нм

газа или нм

дыма на кВт-ч (P.C.I.).

Если

заменить

на

+ VJ и

-^) с 1 +

5,9

, получим:

1 +

д.

Разность между Ц,, определенным по двум

выражениям: менее одного процента для природ-

ного

газа и водорода, 2% - для пропана и коксово-

го

газа и 5% - для доменного газа,

где:

D/ - диаметр сопла;

- средняя абсолютная температура пламени;

- абсолютная температура газа;

V, - мощность горения газа;

- плотность газа.

Для данного сопла, длина пламени изменяется

обратно пропорционально Ар, если изменяется

мощность, при постоянной мощности пламя будет

тем меньше, чем меньше сопло. То есть необходи-

мо повышенное давление.

Характеристика газа отражается его температу-

рои

и отношением — .

•Id

Примечание:

Турбулентное

истечение характеризуется слу-

чайными колебаниями, длина Ц характеризует

расстояние в инжекторе (от сопла), где, в среднем,

горение

закончено.

Принимают, что предельная длина,

начиная

которой

не обнаруживают несгоревших частиц (ме-

нее

0,1%

СО), больше (примерно) 30% Ц-

8.2.4.1.2.2. Длина пламени в сжатой (ограничен-

ной) атмосфере

Отмечено в § 8.2.1.2.2. влияние на длину пламе-

ни сжатия сжигания. Удлинение пламени вызыва-

ется разбавлением воздуха горения инертными

продуктами сгорания. В печи, работающей с избыт-

ком

воздуха, имеется избыток кислорода в про-

дуктах сгорания, и эффект удлинения пламени за

счет потока рециркуляции ослаблен.

8.2.5.

Горелки смешения в зо-

не

горения с воздухом

под

давлением

Под "воздух под давлением" подразумевают

воздух, подаваемый центробежным вентилятором

в горелку под давлением, обычно от 50 до 70 мбар,

иногда 100 мбар. Воздух может

быть

предвари-

тельно

нагрет в металлическом рекуператоре до

температуры, близкой 400 -

500°С.

Соответствующая скорость воздуха порядка

100 м/сек. В этих условиях "напор" воздуха велик.

Для природного газа,

учитывая

стехиометрический

расход, "напор" струи воздуха в 20 мбар равен "на-

пору" струи газа Лак более, чем в 5 бар.

Видно, что процесс смешения сразу зависит от

условий подачи воздуха и газа и, при определен-

ных условиях, когда нет газа высокого давления,

он зависит только от условий подачи воздуха.

Характеристика пламенем зависит исключи-

тельно

от способа создания газовоздушной

смеси,

т.е. от устройства горелки: подачи воздуха и газа,

формы раскрытия отверстий и температуры ис-

пользования.

Этот диапазон возможностей позволяет даже в

наиболее часто встречающихся

случаях

конструк-

торам свободно творить и не

быть

в своем творче-

стве ограниченными.

Эту богатую возможность использования пред-

ставляет газовое топливо.

Читатель

с пользой обратится к литературе по

газовым горелкам для коллективного пользова-

ния или промышленности. Заметим, что в этом

случае

простые принципиальные методы созда-

ния смеси (течение всегда происходит в турбу-

лентном режиме).

8.2.5.1.

Пламя осевое с большой

скоростью воздуха

Речь

идет в некотором роде о пламени, обрат-

ном диффузионному (см. рисунок на с. 690).

689

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

Воздух

Газ

центрально* поступление аоэдуха через •динстмнно* сопло

Воздух

Газ

Сопла

воздуха

поступим»»

«оддух»

ч«р<

Горелки с

осевым

пламенем

большой

скоростью

воздуха.

8.2.5.2.

Пламя с пересекающимися

флюидами

Они соответствуют истечению со сходящимся

воздухом или расходящимся

газом.

Воздух

j-HJ^—

8.2.5.3.

Пламя с вращением

вытекающего

воздуха

Сжигание

очень

интенсивное, связано с

боль-

шой

турбулентностью.

Горелка

настенным

пламенем

Горелка

шаровым

пламенем

Горелки с

истечением

пересекающихся

флюидов.

Горелки с

вращением

воздуха.

8.2.5.4.

Пламя с истечением

контрвращением

Горение

очень

интенсивное, связано с

большой

турбулентностью

(см. рисунок на с. 691).

8.2.5.5.

Горелки "моноблок"

На рисунке с.

691

представлена особая горелка,

называемая "моноблок", часто используемая на

котлах, которая включает в одном корпусе венти-

лятор, последовательность кранов, осуществляю-

щих

регулирование и безопасность,

также

как и го-

ловку

сгорания.

8.2.6. Горелки

особенностя-

ми

работе

Развитие

новой

техники использования

газа

требует

создания горелок, создающих пламя, име-

ющего

особые определенные свойства. Горелка не

только

источник тепла, но

также

специфическое

средство процесса.

690

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

Газ

Воздух

ПРОТИВОВРАЩЕНИЕ ВОЗДУХА

(газ

низкого давления)

Воздух Газ

КОНТРВРАЩЕНИЕ ВОЗДУХ-ГАЗ

(газ

высокого давления)

Горелки с истечением контрвращвниеи.

8.2.6.1.

Авторекуперативные горелки

1 - нагнетатель воздуха: 2 - электромагнитный затвор; 3 -

нагнетатель

газа;

4 - защитный капот; 5 - зонд ионизации; 6 -

дефлектор;

7 - мотор; в - поступление

газа;

9 -

предохранителльное устройство; 10 - электроды зажигания; 11 -

камера

смешения;

- вентилятор;

- трансформатор зажигания.

Горелка

-моноблок.

три сложности: соответствие температуры и со-

става продуктов сгорания, размеры рекуператора,

необходимость транспорта подогретого воздуха к

горелкам.

Для установок слабой и средней мощности (до

500

кВт) можно использовать горелки-авторекупе-

раторы (см. рисунок

ниже).

При совмещении с горелкой рекуператоры ста-

раются осуществить максимальную компактность.

Это

ведет к установке системы отвода продуктов

сгорания,

связанной с регулированием давления в

печи для подачи входного воздуха или

выхода

ме-

шающих

продуктов сгорания.

Рекуперация

может

быть

осуществлена в два

этапа:

горелка в этом случае называется "горелка с

двойной рекуперацией". Она может

быть

реализо-

вана при

очень

высокой температуре (до

1400

°С) с

помощью керамического рекуператора; горелка в

этом

случае называется "регенеративная горел-

Подогрев воздуха горения - средство повыше-

ния температуры горения. Вблизи условий стехио-

метрического

горения, повышение температуры

воздуха на 100°С соответствует повышению на

50°С температуры горения.

Предварительный подогрев воздуха

обычно

осуществляется путем использования значитель-

ного тепла продуктов сгорания на

выходе

из печи,

особенно установок высокой температуры. Такая

операция значительно повышает коэффициент по-

лезного

действия установки, если

только

это воз-

можно (отсутствие агрессивных компонентов в

продуктах сгорания). Например, снижение

темпе-

ратуры продуктов сгорания с

1100°С

до 600°С со-

ответствует удвоению КПД.

Установка рекуператоров в дымоходах часто

практикуется

на мощных установках. Встречаются

ПРОДУКТЫ

СГОРАНИЯ

трубаВвотури

_^ДИЛ

ВОЗДУХ

Горелка

-авторекуператор.

691

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

ка",

по аналогии с технологией рекуперации, при-

меняемой

на мартенах и печах плавки стекла.

8.2.6.2.

Радиантные горелки

Горелка называется "радиантной", если

большая

часть

тепла

передается к нагреваемому

продукту в соответствии с законами передачи лу-

чистой

энергии.

Это осуществляется путем исполь-

зования поверхностей из отражающих материа-

лов, нагреваемых в процессе сгорания, служащих

для передачи

лучей

в процессе переноса тепла.

8.2.6.2.1.

Основные

характеристики

идеальной горелки

Идеальной радиантной горелкой считается го-

релка, в которой:

— теплообмен между продуктами сгорания и по-

верхностью идеальный;

— показатель излучения поверхности соответст-

вует показателю черного тела;

— потери теплопроводности равны нулю.

В этих условиях, для одинаковой мощности, тем-

пература поверхности и потери с продуктами сго-

рания будут наименьшими.

Коэффициент теплопередачи радиации т\ - это

отношение количества тепла, передаваемого в по-

лупространстве за счет радиации к мощности го-

релки,

выраженной в

P.C.I.

Когда

потери за счет теплопроводности

малы

или пренебрежимо

малы

(что соответствует

случаю

радиационной горелки, горючее в которую

поступает через заднюю часть), отдача

тепла

из-

лучением есть разница между единицей и потеря-

ми

с уходящими

газами.

Для каждой температуры

радиационной поверхности можно определить пре-

дельный

коэффициент теплопередачи, который

соответствует коэффициенту идеальной радиаци-

онной

горелки.

Коэффициент теплопередачи радиацией тем

выше, чем ниже температура уходящих продуктов

сгорания.

Он обратно пропорционален удельной

мощности,

развиваемой поверхностью.

На рис. 8.26 для идеальной горелки дается из-

менение коэффициента радиации и температуры

поверхности в зависимости от удельной мощности

поверхности и различной температуры окружаю-

щей среды при стехиометрическом

горении.

Заметим,

что это горелка малой поверхностной

мощности,

которая имеет повышенный коэффици-

ент радиации, т.е. используется при

малых

темпе-

ратурах.

*». 1500'

| 1400-

| 1300-

| 1200-

| 1100'

£ 1000-

900'

800'

700-

600-

500

400'

300

200

100'

0.9'

0,8'

0.7-

0.6-

0.5

0.4"

0.3

0.2

0.1

•——

--•

"'*

• '

- - - _.

О)

600°(

. —'

-*-

руж

ак>

•-

;>•

л»'

...

•

•-..

очень

сильно: температура равновесия

очень

тонко: КПД радиации

ЮС

ел

•ш

--.

1С

&:*

*&*

-V

1200-С

РТР

1111

/14

N»

ЕС

К(

••'

••

...

''/

,•'

1Г

Поверхностная мощность,

кВт/м

(P.C.I.)

Радиационная

идеальная горелка:

температура

равновесия и КПД радиации в

зависимости

от

поверхностной

мощности

окружающей

температуры.

692

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

8.2.6.2.2.

Основное оборудование

8.2.6.2.2.1.

Светящиеся радиационные панели

Радиационная поверхность состоит из керами-

ческих перфорированных множеством отверстий

малого диаметра панели для разделения пористой

поверхности.

Это оборудование применяется при низких тем-

пературах: обогрев залов, сушка и т.д.

ше имеет шероховатости, которые увеличивают

передачу

тепла

конвекцией.

Газ

/керамический

перфорированный

отражатель

решетка

из нержавеющей стали

Газовоздушная

смесь

Радиационная

светящаяся

панель.

8.2.6.2.2.2.

Чашечная

радиационная горелка

Это горелки, имеющие камеру сгорания в форме

чашки,

во внутрь которой подается предваритель-

но смешанные полностью газ и воздух с помощью

устройства,

осуществляющего пристенное истече-

ние.

Горение происходит также в контакте с жаро-

прочной стенкой, которая может иметь тем выше

температуру, чем

лучше

изолирована и чем боль-

Радиационная

чашечная

головка.

8.2.6.2.2.3.

Радиационные горелки

каталитического

горения

Каталитические материалы целесообразно при-

менять во взрывоопасной атмосфере при отсутст-

вии источника воспламенения, таких как тряпки,

контакте с пористой массой, т.к. даже при темпе-

ратуре

1000°С

большинство паров промышленных

растворителей воспламеняются только во время

каталитического окисления.

Коробка

управления

Электрокран

безопасности

Смеситель

Камера

предварительного

парциального смешения

рервичный воздух]:

Наружняя часть туннеля

Воздушная

коробка

Пористаякаталитическая

основа

Сопротивление

__прдогрееа_

Защитная

решетка

Контроль минимальной

температуры

Воздушный

фильтр

Вентилятор

^вторичного воздуха

|г

^ [Вторичный воздух|

Внутренняя часть

туннеля просушивания

Принципиальная

схема радиационной горелки Reansation с парциальным

смешением

газа с воздухом и

принудительной

конвекцией.

693

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

Поэтому каталитические горелки наиболее час-

то распространены в областях, связанных с покра-

ской.

Речь

идет, следовательно, об оборудовании, на-

иболее приспособленном для сушки

краски.

8.2.6.3.

Струйные горелки

Горелка "струя" - это горелка, создающая

очень

высокую

скорость (более 100 м/с) продуктов пол-

ного или почти полного сгорания. Созданный поток

высокой кинетической энергии используется для

нагрева прямым воздействием или для

перемеши-

вания объема.

Давление в

камере

изменяется от 10 до 60 мбар

необходимо иметь:

— вентиляторы, создающие это давление;

— газ с давлением равным или больше, чем

давление в

камере.

С другой стороны, давление в

камере

определя-

ет

начальную

скорость потока (струи).

В табл. 8.6 приводится порядок величин удель-

ного напора, которых можно достичь с различными

типами работающих с небольшим избытком воз-

духа горелок.

Струи, выходящие из горелок, починяются

зако-

нам

турбулентных струй (§

8.2.1.2.).

Чтобы

уточнить

порядок

величины

расхода,

подсасываемого струей исходящих из горелки про-

дуктов сгорания, на рисунке представлено

измене-

ние относительного подсасываемого расхода в за-

висимости от установки инжектора при разных

температурах окружающей среды и струи.

Заме-

тим,

что в зависимости от различных параметров,

подсасываемый расход колеблется от

двух

до

двадцати

начальных

расходов струи.

Давление

газа

и воздуха должны

быть

выше по-

терь давления в горелке.

Тип горелки

Диффузионная

Смешение в зоне

горения

Смешение в зоне

горения

Струя

(150 м/сек)

Струя

(250 м/сек)

Давление

воздух

слабое

20 мбар*

55 мбар*

20 мбар*

55 мбар*

природный

газ

1 бар

10 бар

20 мбар*

20 мбар'

20 мбар*

55 мбар*

Удельный

напор,

Н/ГВт

(P.C.J.)

100

* Давление газа и воздуха должны

быть

выше потерь

давления

в горелке.

8.2.6.4.

Радиантные

трубы

В определенных операциях нагрева необходимо

избежать попадания продуктов сгорания в печь.

Нагрев происходит, таким образом, с помощью

труб, нагретых до высокой температуры циркули-

рующими внутри продуктами сгорания.

Чтобы

по-

лучить

хорошее распределение температуры

вдоль

трубы, необходима частичная циркуляция

продуктов сгорания. Применение термомеханичес-

кой

керамики,

получившей распространение в по-

следнее

время, позволяет поддерживать требуе-

мую

высокую

температуру.

8.2.6.5.

Атмосферные горелки

Чистота сгорания используемых газов, особенно

отсутствие серы, позволяет использовать разбав-

ленные воздухом продукты сгорания для аэрации

производственных помещений многочисленных по-

мещений

сушки.

V/100

м/с

Воздух

Камера

сгорания

Пример

струйной

горелки.

694