yandex.metrica
Плавка чугуна в вагранках

Горелочные системы газовых вагранок

В газовых вагранках для получения максимальной температуры при стабильном протекании процесса необходимо качественное перемешивание газа и воздуха перед сжиганием и сжигание смеси с оптимальным коэффициентом расхода воздуха. При этом в зависимости от конструкции горелок изменяется относительная длина lф открытых факелов (отношение их длины к диаметру выходного отверстия сопла) для случаев смешения газа с воздухом:

  • при двухпроводной газовой горелке внешнего смешения с рядом расположенными соплами lф = 114;
  • при двухпроводной газовой горелке внешнего смешения с концентрически расположенными соплами lф = 68,5 (а при наличии завихрителя на пути воздуха lф= 19,4-37,2);
  • при турбулентной газовой горелке (двухпроводной с внутренним перемешиванием) lф = 2,6 – 10 ;
  • при газовой горелке с полным внутренним перемешиванием (с подачей готовой газовоздушной смеси) lф = 3,1.

Наименьшую относительную длину имеет факел при предварительном перемешивании газа и воздуха. Наилучшее перемешивание достигается применением предварительного смешения многоструйного подвода газа в закрученный поток воздуха под максимально возможным углом встречи потоков.

При высокотемпературном сжигании газа максимальная температура в закрытом факеле lф достигается при коэффициенте расхода воздуха α < 1 .

Максимальная температура tmax зависит от температуры подогрева воздуха tп (рис. 7.3 и формула (7.1)) и достигается при оптимальном коэффициенте расхода воздуха αопт (формула (7.2)):

формула

Зависимость температуры в закрытом факеле от коэффициента расхода воздуха при различных температурах подогрева воздуха

Рациональные конструкции горелочных систем для газовых вагранок представлены двумя типами: 1 – многосопловая; 2 – состоящая из отдельных горелок.

Многосопловая горелочная система газовой вагранки

В первой (рис. 7.4) имеются один общий смеситель 2 и коллектор 3 для распределения смеси по подводящим трубкам 4, через которые смесь подается в сопла 11 для сжатия ее в туннелях 12, расположенных в газовой вагранке. Воздух подается по трубе 1, и в его поток в смесителе 5 поступают струи газа, затем смесь, закрученная завихрителем 6 в выходном патрубке, через конфузор 7 поступает к коллектору. На подводящих трубках установлены соединительная муфта 8, кран 9 и гляделка 10.

Однако эта горелочная система хорошо работает только при постоянном расходе газовоздушной смеси, при резком же его уменьшении, например при повышении сопротивления движению газов, когда скорость истечения газовоздушной смеси из сопла горелки меньше 20 м/с, в коллектор и смеситель может проскочить пламя, т.е. может возникнуть «хлопок». Кроме того, большое количество сопел и туннелей усложняет ремонт футеровки в камере перегрева.

С учетом сказанного предпочтительнее применение отдельных горелок (рис. 7.5), тем более, что по своим показателям они не уступают многосопловым системам. Горелка имеет смеситель 1, в торцевую часть которого входит распределитель газа 2. С помощью фланца 3 смеситель жестко соединяется с втулкой 4, в которую со стороны камеры сжигания вставляется хвостовик 5 с кольцевой проточкой со стороны смесителя и конусной поверхностью со стороны сопла 6. Литое чугунное сопло б имеет посадочную конусную часть, которой оно надевается на хвостовик 5, и продольный сужающийся канал 7 в виде незамкнутого кольца (или сочленения нескольких незамкнутых колец). В центре сопла – продольный сквозной цилиндрический канал 8. На боковой поверхности распределителя газа 2 выполнено большое количество отверстий малого диаметра для подачи углеводородов в смеситель 1, а на торцевой части – отверстия для подачи углеводородов в факел. В посадочную резьбовую часть распределителя газа 2 вставлена переходная трубка 9, на передний конец которой надевается сменное сопло 10, входящее в продольный сквозной канал 8.

 Газовая горелка с изогнутым щелевым отверстием сопла

В смеситель 1 по отдельным трубопроводам подаются воздух и газ. Образуемая в результате интенсивного перемешивания газовоздушная смесь поступает из смесителя в изогнутый канал 7 сопла, где поток газовоздушной смеси стабилизируется. Выходя из сопла, газовоздушная смесь воспламеняется и сгорает в виде фигурного пламени. Часть углеводородов из распределителя газов 2 по калиброванному отверстию в торцевой части попадает в переходную трубку 9 и далее в сопло 10, откуда поступает в продольный сквозной канал 8. Углеводороды отбирают теплоту от корпуса сопла 6 и, выходя из канала 8, попадают в высокотемпературную вихревую область факела, где разлагаются на сажистый углерод и водород. Продукты разложения углеводородов увеличивают светимость факела, а следовательно, и его излучательную способность. Наличие сажистого C и H2 в факеле снижает окислительную способность продуктов сгорания.

Изгиб щелевого отверстия сопла по дуге, являющейся частью окружности, способствует уменьшению длины факела по сравнению с прямолинейным отверстием, причем более благоприятные условия для уменьшения длины факела возникают, когда кромки щелевого отверстия являются полуокружностями.

Для определения основных параметров горелочной системы предлагается номограмма (рис. 7.6), по которой можно определить: длину закрытого факела lф в зависимости от диаметра (ширины) отверстия сопла горелки и скорости истечения газовоздушной смеси из сопла горелки (рис. 7.6,а); скорость vс выхода газовоздушной смеси из сопла горелки в зависимости от диаметра Dо или ширины b0 отверстия сопла горелки с выделением области приближения к автомодельному режиму горения, включающей оптимальные скорости выхода газовоздушной смеси из сопла горелки (рис. 7.6,6); расход газовоздушной смеси в зависимости от общей площади выходных сечений каналов сопл Sвых и скорости выхода газовоздушной смеси из сопла горелки (рис. 7.6,в); количество круглых сопел в зависимости от диаметра и общей площади отверстий (рис. 7.6, г); количество сопел с U-образными отверстиями в зависимости от ширины и общей площади их отверстий (рис. 7.6, д); количество сопел с волнообразно изогнутыми отверстиями в зависимости от ширины и общей площади их отверстий (рис. 7.6,ё). Номограмма построена для условий сжигания «холодной» газовоздушной смеси при а=0,98, критерии Рейнольдса Re»5500 и теплотворной способности газа Qрн= 35 300 кДж/нм3.

Номограмма для определения основных параметров горелочной системы газовой вагранки

Из номограммы следует, что при выборе горелочной системы с изогнутыми щелевыми отверстиями сопел количество сопел можно значительно сократить, а это, в свою очередь, свидетельствует о преимуществах горелок с изогнутыми щелевыми отверстиями сопел по сравнению с многосопловой горелочной системой с круглыми соплами. Воздух распределяется по горелкам достаточно равномерно и с малыми потерями кинетической энергии, если соблюдаются следующие соотношения площадей свободных сечений конструктивных элементов горелочной системы (рис. 7.7):

формулы

При этом должно сохраняться последовательное уменьшение площадей свободных сечений от воздушной коробки до отверстия сопла горелки ƒ п. о. с., кроме смесительной камеры, площадь свободного сечения которой должна находиться в пределах ƒс. к = (1,2 ÷ 1,6) ƒ3 г с; что способствует турбулизации потока в момент смешения воздуха с газом.

Аэродинамическая схема газовой горелки

Равномерность распределения газа из газового коллектора по горелкам при прочих одинаковых условиях также обеспечивается последовательным уменьшением площадей свободных сечений газопроводов от коллектора к смесительным камерам:

формулы

Сопла с изгибом щелевого отверстия, равным 4 рад, позволяют создавать высокое тепловое напряжение объема закрытого факела и конструктивно просты. Поэтому эти сопла более приемлемы для горелочных систем газовых вагранок.