Газови горелки

Конструктивни особености и специфики при работа

В отоплителните инсталации горелките са устройствата, чрез които се осигурява устойчиво изгаряне на горивото и регулиране на горивния процес в котлите. Те могат да бъдат предназначени за изгаряне на течни, твърди или газообразни горива. Основно предназначение на газовите горелки за отоплителни котли е икономично и безопасно изгаряне на газта в тях. За да се гарантира ефективното изгаряне на горивото, те трябва да изпълняват няколко функции като подготовка на горивото и въздуха за горене, предаване на необходимата посока и скорост на движение на горивната смес, като в някои случаи в горелката се осъществява предварително загряване на газа или въздуха, подготовка на горивната смес, изразяваща се в смесване на горивото и въздуха, подаване на горивната смес в работното пространство на горивната камера на котела, осигуряване на стабилно възпламеняване.

Принципно, процесът на изгаряне на газообразното гориво може условно да бъде разделен на три основни етапа: смесване на горивото с въздуха за горене, загряване на газовъздушната смес до температура на възпламеняване и третият етап е самият процес на горене, т. е. реакцията на окисление на горимите компоненти на горивото с кислорода от въздуха, която на практика протича мигновено. Първите два етапа отнемат повече време и по тази причина организацията на смесването в значителна степен определя целия процес на изгаряне на горивото, характеристиката на факела, а следователно и разпределението на температурата в работното пространство на горивната камера.

Основни елементи на газовата горелка се явяват дюза, снабдена със стабилизиращо устройство и смесител. Разработени са различни конструкции, които могат да бъдат класифицирани по няколко признака. Сред основните критерии са процесът на смесване на горивото с въздуха за горене, начинът на подаване на горивото и въздуха, характерът на изтичащия поток, както и редица други технологични особености.

Подаване на въздух

В зависимост от начина на подаване на необходимия за горивния процес въздух, газовите горелки се подразделят на два основни вида - горелки с принудително подаване на въздух и атмосферни горелки. При атмосферните горелки необходимото количество въздух за горивния процес постъпва чрез ежекция от изтичащия газ и от термичните подемни сили. При горелките с принудително подаване на въздух необходимото за горивния процес количество се подава с помощта на вентилатор.

Подготовка на горивната смес

В зависимост от степента на подготовка на горивната смес, газовите горелки могат да бъдат подразделени на горелки без предварително смесване, с непълно предварително смесване и с пълно предварително смесване. При горелките без предварително смесване въздухът се смесва с горивото извън горелката в обема на горивната камера. При горелките с непълно предварително смесване в горелката горивото се смесва само с част от необходимия въздух, наричан първичен. При пълното предварително смесване в горивната камера постъпва предварително подготвена газовъздушна смес.

Според налягането

В зависимост от налягането на газа, газовите горелки биват горелки за ниско налягане, когато налягането на газа е в диапазона от 0,5 до 5 kPa, горелки за средно налягане при налягане на газа от 5 до 300 kPa, и за високо налягане над 300 kPa. Използването, обаче, на горелки за налягане по-високо от 300 кРа, принципно се приема за неефективно.

Газовите горелки могат да бъдат класифицирани и по начина на регулиране - ръчно, полуавтоматично, автоматично, по подреждането на пламъка - единични горелки, групови и т. н.

Атмосферни газови горелки

Характерно за тези горелки е предварителното смесване на горивото и въздуха. Въздухът постъпва отвън чрез ежекция от изтичащия газ, при което не се налага използването на нагнетателен вентилатор. Обикновено след предварителното ежекционно смесване се достига коефициент на излишък на въздуха a = 0,45 - 0,70. След вторичното термично смесване коефициентът на излишък на въздуха достига стойности от 1,05 до 1,10. Атмосферните газови горелки са предимно за ниско и средно налягане. Газовите горелки за ниско налягане обикновено са с частично предварително смесване на газа с въздуха, като в повечето случаи дават възможност за регулиране на постъпващия в горелката първичен въздух. Останалото количество въздух, необходимо за изгарянето на газа, се взима от горивната камера. Тези горелки могат да се саморегулират, когато по естествен начин се осигурява постоянно съотношение на съдържанието на газ, постъпващ в горелката, и постъпващият в горелката първичен въздух. В този случай, ако подаването на въздух в горелката бъде регулирано по цвета на пламъка или по показанията на газанализатора за пълното изгаряне на газа, т. е. ако горелката работи спокойно без шум, то за изменението на нейното натоварване е достатъчно да се увеличи или намали само подаването на газ, без да се променя количеството първичен въздух. При промяна на режима на работа на горелката е необходимо да се следи за устойчивостта на пламъка, тъй като характерът на горенето на газа зависи не само от използваното количество първичен въздух в горелката, но и от частта вторичен въздух, постъпващ в горивната камера и от изменението на тягата.

Горелките средно налягане обикновено са с пълно предварително смесване в ежектора. Такива горелки достигат коефициент на излишък на въздуха a = 1,1.

Мощността на горелките с частично предварително смесване обикновено варира в диапазона от 1 до 1000 kW, докато мощността на горелките с пълно предварително смесване може да достигне до 2 MW. Благодарение на доброто смесване на газа с въздуха, атмосферните горелки работят със слабо светещ пламък и осигуряват пълно изгаряне на газа при малък коефициент на разход на въздуха. Като предимства на тези горелки могат да се посочат несложната конструкция, устойчивата работа на горелката при изменение на натоварването, лесното обслужване, липсата на специални устройства за подаване на въздух и на подвижни части, безшумната работа, възможността за саморегулиране, т. е. поддържането на постоянно съотношение на използвания газ/въздух. Недостатъци на атмосферните горелки са сравнително високите шумови нива при атмосферните горелки средно налягане, по-ниският к. п. д., зависимостта на стабилността на горенето от страничното течение на въздуха. При лоши условия за образуване на сместа в горивната камера, необходимостта да се осигури пълно изгаряне на горивото съществено увеличава общия коефициент на излишък на въздуха до 1,3 - 1,5 и повече.

Газови горелки с принудително подаване на въздух

При тези горелки необходимият за горенето въздух се подава с помощта на вентилатор. Това позволява точно регулиране на количеството подаван въздух, постига се по-голяма надеждност, предотвратяват се атмосферните смущения и се улеснява автоматизацията на експлоатационния процес. Тези горелки се използват предимно за котли със затворена горивна камера. Обикновено при горелките с принудително подаване на въздух образуването на газовъздушната смес е в самата горивна камера. Подаването на газа и въздуха се осъществява по отделни тръби. Работят с газ ниско и средно налягане. За по-добро смесване на въздуха с горивото в тях често се предвижда изход на газа през множество отвори, насочени под ъгъл към потока въздух. Различават се горелки с централно подаване на газ, ако потокът газ е насочен в посока от центъра към периферията, и горелки с периферно подаване на газа, ако потокът е с посока от периферията към центъра на горелката.

В някои конструкции горелки за подобряване на смесването, на въздуха се придава въртеливо движение, за което се използват завихрители с постоянен и регулируем ъгъл на поставяне на лопатките или се организира тангенциално подаване на въздуха в горелки с цилиндрична форма.

Горелките работят с топъл въздух. Обикновено подгряването на въздуха е за сметка на използване топлината на изхвърляните газове. При някои конструкции горелки с принудително подаване на въздух има възможност да се регулира дължината и яркостта на пламъка.

Отличителна особеност на съвременните вентилаторни горелки е високата степен на автоматизация и изпълнението моноблок. Подобни горелки обикновено се използват за автономни котелни с мощност 5 kW и нагоре. Използването на автоматика позволява напълно автономна работа на отоплителните устройства. С автоматичното управление на горелката се осигурява не само нейното включване, но и контрол по отношение на безопасната експлоатация - при възникването на аварийна ситуация горелката се изключва автоматично, а повторното пускане е възможно едва след отстраняването на неизправността.

Основни елементи на вентилаторната газова горелка се явяват вентилаторът, междинна част за подвеждане на газопровода, тръба с дюзи и смесител, запалващи електроди, предпазни и регулиращи органи. Горелката включва още реле, изключващо горелката, когато налягането на входа й е по-ниско от необходимото, газов филтър, стабилизатор на налягането на газа, поддържащ постоянно налягане на газа на изхода при изменение на входното налягане, регулатор на стартовото налягане на газа и др.

Модулиращи горелки

При съвременните конструкции газови горелки регулирането на мощността обикновено е степенно, при което се осъществява стъпално регулиране с една, две или три степени на регулиране или автоматично, с което се постига плавно регулиране на мощността. Горелките с автоматично регулиране са познати още и като модулиращи. Те се характеризират със стабилна работа в произволна междинна точка от диапазона на мощността. Състоят се от горелка с електронен блок за микропроцесорно управление и система от датчици, осигуряващи функционирането на изпълнителните устройства.

Подаването на въздуха за горене е принудително с помощта на вграден вентилатор.

Автоматиката в съвременните конструкции горелки дава възможност за отделно регулиране на подаването на газа и въздуха за създаването на оптимално процентно съотношение между тях в сместа. За тази цел се използват управляеми въздушни клапи. Диапазонът на изменение на мощността на модулиращите горелки варира от 30 до 50%.

Условия за ефективна работа

Конструкцията на газовите горелки трябва да осигури смесването на газа с определено количество въздух, необходим за неговото пълно изгаряне, надеждно възпламеняване, стабилно на горене, пълно изгаряне при промяна в натоварването в широк диапазон и т. н. Всички изброени изисквания могат да бъдат реализирани само при правилно проектиране и инсталиране на газовата горелка. Също така признак за добра газова горелка се явяват простотата при производството и монтажа, дълговечност и безопасност на работа, отсъствие на силен шум и вибрации. Ако горелката е предвидена да работи не само с едно гориво, е необходимо тя да осигурява възможност за бързо преминаване от едно гориво в друго. В последните години се появи и още едно не по-малко важно изискване - конструкцията на горелката трябва да осигури нискотоксично изгаряне, т. е. при изгарянето на природен газ (както и в случаите на изгаряне на други горива) в димните газове трябва да се съдържат колкото е възможно по-малко токсични газове като азотни окиси и въглеродни окиси. Изгарянето на газообразно гориво в значителна степен от начина и бързината на смесване на газа с въздуха, в състав на които влиза кислородът. За неголеми отоплителни котли преди всичко се използват атмосферни горелки, което, разбира се, не изключва използването и на вентилаторни горелки.

Асортиментът от предлагани модели газови горелки с различна номинална мощност е доста широк, което значително улеснява избора. Обикновено газовите горелки са оборудвани и с необходимата автоматика, а степента на защита е достатъчно висока.