Азбука горения

Общие положения (Выбор вентиляторной горелки)

Для правильного подбора горелки необходимо знать некоторые технические характеристики теплогенератора, системы топливоподачи и характеристики системы теплоснабжения. Список этих параметров приведен ниже:

1. полная или полезная тепловая мощность теплогенератора;
2. аэродинамическое сопротивление теплогенератора;
3. тип теплогенератора;
4. топливо;
5. метод регулирования установленной мощности;
6. минимальное давление газа в питающем газопроводе;
7. высота над уровнем моря (в метрах над уровнем моря) и средняя температура воздуха в месте установки теплогенератора.

Первые три параметра относятся к характеристикам теплогенератора и сообщаются производителем. Параметры 4 и 5 определяются инженером-проектировщиком. Параметры 6, 7 зависят от местонахождения системы производства тепла.

3.1.1. Полная тепловая мощность теплогенератора

Полная тепловая мощность представляет собой тепловую энергию, которая образуется при сжигании топлива в камере сгорания теплогенератора в единицу времени.

Полезная тепловая мощность представляет собой тепловую энергию, которую теплогенератор может фактически передать в систему теплоснабжения в единицу времени.

Обычно тепловая мощность измеряется в кВт или ккал/ч.

Разница между полной и полезной тепловой мощностью - это та часть тепловой энергии, которая теряется с уходящими дымовыми газами и через изоляцию теплогенератора.

Отношение полезной тепловой мощности к полной тепловой мощности называется коэффициентом полезного действия теплогенератора (КПД) и выражается в процентах:

КПД газоплотных котлов обычно находится в пределах 90 - 93% и его можно рассчитать, зная КПД горения (которое описано в параграфе 1.5.1) и тепловые потери через корпус котла (которые обычно составляют 1 - 2%). Если известна только полезная тепловая мощность, полную тепловую мощность, можно приблизительно рассчитать разделив полезную мощность на 0,9:

Если из всех параметров известна только производительность по пару, которая обычно выражается в кг/час или в тоннах в час, полную тепловую мощность паровых котлов можно рассчитать по следующей формуле:

где:

Gv - массовый расход пара (кг/с);

СР - удельная теплоёмкость при постоянном давлении (кДж/кг °С);

Тпар - температура пара (°С);

Твода - температура воды на входе в котёл (°С);

Clatvap - скрытая теплота, затрачиваемая на испарение воды (кДж/кг);

η - КПД парогенератора.

3.1.2. Аэродинамическое сопротивление теплогенератора

По принципу работы теплогенераторы можно разделить на два типа:

1. работающие под небольшим или нулевым разрежением в камере сгорания (негазоплотные);
2. у которых при работе давление в камере сгорания выше атмосферного (газоплотные).

В негазоплотных теплогенераторах поток участвующего в горении воздуха и поток продуктов сгорания зависят от тяги, создаваемой дымоходом. Тяга, как известно, возникает в результате разницы температур дымовых газов и внешнего воздуха и/или благодаря наличию системы принудительного дымоудаления.

В теплогенераторах обоих типов, участвующий в горении воздух подаётся вентилятором, который в горелках моноблоч­ного типа встроен непосредственно в саму горелку.

Производительность теплогенератора сильно зависит от его аэродинамического сопротивления. Теоретически, при увеличении сопротивления по тракту дымовых газов теплообмен интенсифицируется, и как следствие увеличивается КПД теплогенератора. Но при этом, чтобы преодолевать такое сопротивление приходится увеличивать мощность вентилятора и, соответственно, увеличивать стоимость теплофикационной установки. В настоящее время производители теплогенераторов стандартизировали аэродинамическое сопротивление, увязав его с производительностью теплогенератора.

Если производитель не предоставил точных данных по аэродинамическому сопротивлению теплогенератора, из приведённого ниже графика можно получить приблизительное значение:

Обратите внимание: приведённые данные имеют силу только в отношении теплогенераторов, произведённых в последние годы в Европейском сообществе. Для старых теплогенераторов или для теплогенераторов, произведённых в тех странах, где используются другие стандарты, эти значения могут сильно отличаться.

Рисунок 89. Зависимость аэродинамического сопротивление в камере сгорания от тепловой мощности теплогенератора

3.1.3. Тип теплогенератора

При выборе горелки очень важно знать конструкцию теплогенератора, особенно это важно при выборе длины головки горелки. Действительно, у различных теплогенераторов могут быть разные параметры камеры сгорания. Следовательно, требования к форме пламени будут отличаться. Камеры сгорания можно разделить на две категории:

• с прямым ходом дымовых газов (3-х ходовые котлы, котлы с прямоточным или змеевиковым теплообменником);
• с инверсионным потоком дымовых газов (2-х ходовые котлы).

Для теплогенераторов обоих типов производитель должен сообщать минимальную длину головки горелки, необходимую для создания оптимальных условий для горения. Это значение определяется в лаборатории экспериментальным путем.

При отсутствии таких данных, на основе предположений можно выбрать наиболее подходящую длину головки горелки:

• для чугунных и стальных водогрейных котлов с тремя полными ходами дымовых газов головка может выступать только за внутренний край передней дверцы;
• в теплогенераторах с инверсионной камерой сгорания головка горелки должна заканчиваться за той точкой, где дымовые газы совершают второй поворот.

Это необходимо для того, чтобы дымовые газы не попадали раньше времени в дымогарные трубы.

В бытовых горелках заглубление головки внутрь камеры сгорания можно регулировать изменяя положение подвижного фланца или используя стандартные комплекты для удлинения головок. Горелки средней и большой мощности штатно изготавливаются с короткой или длинной головкой. Для адаптации головки горелки к имеющемуся теплогенератору можно использовать ограничительную вставку (заказывается по каталогу как принадлежность к горелке).

На прохождение дымовых газов через теплогенератор значительное влияние оказывает тип используемого дымохода и его состояние в момент пуска (прогретый или нет).

При установке горелки в теплогенератор между огнеупорной прокладкой котла и головкой горелки необходимо проложить защитный огнеупорный изолирующий материал (номер 11 на рис. 92), а между фланцем горелки и обшивкой котла прокладку (номер 8 на рис. 92).

Рисунок 90. Теплогенератор с инверсионной камерой сгорания

Рисунок 91. Теплогенератор со змеевиковым теплообменником

Рисунок 92. Крепление горелки к теплогенератору

В теплогенераторах с камерами сгорания, из огнеупорного материала необходимо учитывать эффект прямого теплового излучения. Головку горелки испытывает повышенную тепловую нагрузку вызванную повышенной температурой внутренних стенок теплогенератора.

Меры предохранения горелки при работе с конкретным теплогенератором необходимо согласовывать с производителем последнего.

3.1.4. Топливо

Как правило, вид применяемого топлива задаётся изначально и диктует особенности проектируемой системе теплоснабжения. Иными словами, у инженера-проектировщика редко бывает выбор, какое топливо лучше использовать - в зависимости от его стоимости, требуемой мощности и сложности системы подачи.

3.1.5. Режим работы горелки

Режим работы горелок (одноступенчатый, двухступенчатый, трехступенчатый, модуляци­онный) определяется инженером-проектировщиком зависит от того, какого типа регулирование требуется конкретной системе теплоснабжения и какова тепловая инерция теплогенератора.

3.1.6. Минимальное давление газа в питающем газопроводе

Знание величины минимального давление газа необходимо для правильного подбора типоразмера газовой рампы. Значение минимального давления газа должна сообщать и гарантировать его постоянство организация - поставщик газа. В случае использования сжиженного газа величину минимального давления газа должен указывать производитель оборудования для хранения сжиженного газа.

3.1.7. Высота установки над уровнем моря и средняя температура участвующего в горении воздуха

Область применения горелки даётся для определённого атмосферного давления, которое равно 1000 мбар (среднее атмосферное давление на высоте 100 метров над уровнем моря) и для температуры участвующего в горении воздуха равной 20°С. Эти сведения приводятся под графиком рабочего диапазона горелки.

Горелка, однако, нередко устанавливается на различной высоте над уровнем моря и/или работает при различной температуре участвующего в горении воздуха. Характеристики этих параметров могут отличаться от стандартных значений. Это влечёт за собой необходимость изменения производительности и напора вентилятора. Эти изменения вызваны тем обстоятельством, что увеличение температуры участвующего в горении воздуха и увеличение высоты над уровнем моря дают один и тот же эффект -уменьшение плотности воздуха. При уменьшении плотности воздуха снижается содержание кислорода в воздухе и, следовательно, уменьшается максимальное количество топлива, которое можно сжечь при работе горелки на максимальной мощности.

Кроме того, полный напор, развиваемый вентилятором, также прямо пропорционален уменьшению плотности воздуха. А именно, если плотность воздуха изменяется вследствие изменения температуры и/или давления, объёмный расход вентилятора останется прежним, но развиваемый напор и потребляемая мощность вентилятора изменяются по следующим законам:

где:

Ρ1 - общее давление, оказываемое на текучую среду с плотностью δ1;

Р2 - общее давление, оказываемое на текучую среду с плотностью δ2;

Ν1 - мощность, потребляемая при наличии текучей среды с плотностью δ1;

Ν2 - мощность, потребляемая при наличии текучей среды с плотностью δ2.

Для правильного подбора горелки необходимо убедиться в том, что даже при изменении высоты над уровнем моря и температуры окружающей среды значение полной тепловой мощности теплогенератора окажется внутри рабочего диапазона горелки.

Если теплогенератор будет установлен на отличных от стандартных высоты над уровнем моря и/или внешней температуре воздуха, следует вычислять виртуальную рабочую точку в которой мощность горелки будет больше, чем в реальной рабочей точке.

Увеличенная мощность горелки определяется как отношение полной тепловой мощности теплогенератора к коэффициенту F, который зависит от температуры и атмосферного давления:

Мощность, соответствующую максималь­ному напору вентилятора горелки Рmax, можно получить из графика рабочего диапазона. Это будет точка пересечения кривой, ограничивающей область применения, и вертикальной линии, проведённой вниз на ось координат от значения Qгорелки. Как говорилось выше, это значение соответствует стандартным тестовым условиям. Его необходимо подкорректировать с учётом изменения характеристик вентилятора, а именно:

Если напор Pгорелки больше, чем аэродинамическое сопротивление теплогенератора, то горелка удовлетворяет требованиям системы.

Если нет, то возможны два варианта:

• можно выбрать следующую по мощности горелку из имеющегося типоряда и повторить вышеописанную процедуру проверки;
• уменьшить расход топлива на горелке и, следовательно, её мощность для того, чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление в камере сгорания и достичь максимально возможного напора вентилятора.

Аэродинамическое сопротивление изменяется пропорционально квадрату расхода дымовых газов, который пропорционален расходу топлива, а следовательно и мощности горелки. Эти две величины связаны следующим уравнением:

Каждое значение Qуменьшенное необходимо проверять до тех пор, пока напор не станет больше, чем аэродинамическое сопротивление в камере сгорания с учетом поправки.

Эта процедура показана в приведенном ниже примере. Коэффициент F берётся из таблицы 22. В таблице 30 указана величина, обратная коэффициенту F.

Таблица 22. Корректирующий коэффициент F для расчета напора и производительности вентилятора горелки (в зависимости от высоты над уровнем моря и температуры)