ГОРЕЛКА

Полезная модель относится к области устройств для факельного сжигания органических топлив в топках и печах.
При эксплуатации топок, например, газомазутных котлов или печей, работающих с низкими избытками воздуха, воздействие на развитие процесса выгорания топлива и конфигурацию факела, от которых зависит распределение тепловых потоков, воспринимаемых экранами, а также экономичность и экологическая безопасность процесса, можно осуществить с помощью регулируемых горелок. Такими регулируемыми горелками оборудуются, в частности, парогенераторы газомазутных электростанций и отопительных котельных, несущих переменную часть графика нагрузки.
Известна регулируемая горелка, описанная в кн. Ахмедов Р.Б. Основы регулирования топочных процессов. - М.: Энергия, 1977. - 280 с. (см. рис.4-1 на стр.88). Горелка содержит воздушный короб, цилиндрическое устье, поворачивающиеся секции конической диафрагмы, систему рычагов для их поворота, привод с ленточной резьбой и др. элементы. Данная горелка имеет следующие недостатки: наличие большого числа механически перемещаемых элементов - поворачивающихся секций и рычажного привода, обладающих низкой надежностью, и узкий диапазон регулирования без ухудшения характеристик, т.е. без возникновения пульсаций, срыва факела, увеличения неполноты сгорания топлива и возрастания выбросов токсичных продуктов.
Прототипом предлагаемой горелки является горелка, описанная в кн. Адамов В.А. Сжигание мазута в топках котлов - Л.: Недра, 1989. - 304 с. (см. рис.4.28 на стр.109). Горелка состоит из присоединенного к источнику воздуха корпуса и размещенных в нем узла подачи топлива, выходной трубы и центральной трубы. Основной поток воздуха подается в корпус, в периферийном кольцевом канале которого установлен аксиальный лопаточный завихритель с поворотными лопатками. Остальная часть воздуха подается по центральной трубе горелки и закручивается установленным в ней аксиальным лопаточным завихрителем. Управление характеристиками факела осуществляется за счет изменения угла установки лопаток завихрителя при их повороте с помощью механизмов привода, а также изменением соотношения расходов центрального и периферийного потоков воздуха. В данной горелке за счет сокращения числа механически перемещаемых деталей
повышена механическая надежность устройства. Однако остается необходимость в достаточно сложном и ненадежном механизме одновременного поворота лопаток завихрителя, при этом сохраняются все вышеперечисленные функциональные недостатки.
Технический результат, достигаемый применением предлагаемой горелки, заключается в повышении надежности работы регулирующего устройства, расширении диапазона регулирования за счет возможности регулирования положения факела в топке, возможности перераспределения теплового потока от факела к поверхностям нагрева топки и хвостовым поверхностям нагрева, предотвращения перегрева и термического разрушения экранных труб, снижении выбросов токсичных продуктов сгорания. Это достигается тем, что к торцу корпуса со стороны выхода факела прикреплен меньшим своим основанием соосный ему раструб в виде полого усеченного конуса с углом при вершине 30...90°, в стенке раструба выполнено не менее двух рядов отверстий в виде эллипсов с соотношением полуосей от 1:3 до 1:7, причем большие полуоси эллипсов ориентированы по окружности ряда отверстий, сумма длин больших полуосей эллипсов равна половине длины окружности ряда отверстий, расстояния от меньшего основания конуса до первого ряда и между рядами отверстий равны L/(n+1), где L - осевая длина раструба, n - число рядов отверстий, число отверстий в ряду не менее четырех и не более восьми, сумма площадей отверстий в стенке раструба составляет 0.05...0.07 площади прохода раструба со стороны большего основания, кроме того, на наружной поверхности раструба размещены регулирующие кольца в виде полых усеченных конусов с отверстиями, причем угол раскрытия конусов равен углу раскрытия раструба, число регулирующих колец равно числу рядов отверстий в стенке раструба, число отверстий в регулирующих кольцах равно числу отверстий в стенке раструба, форма отверстий в регулирующих кольцах и раструбе одинакова, оси каждого ряда отверстий в регулирующих кольцах и отверстий в раструбе лежат на общих конических поверхностях, кроме того, к наружной поверхности раструба прикреплены упорные кольца в виде полых усеченных конусов, большие основания которых примыкают к меньшим основаниям регулирующих колец.
Прикрепление к торцу корпуса со стороны выхода факела меньшим своим основанием соосного ему раструба в виде полого усеченного конуса создает ограниченное пространство для организации и локализации управляющих воздействий на факел.
Выполнение раструба в виде полого усеченного конуса с углом при вершине 30...90° обеспечивает формирование изокинетической безотрывной области с примерно равными скоростями потока.
Выполнение в стенке раструба не менее двух рядов отверстий создает возможность селективного воздействия на факел путем изменения по его длине условий взаимодействия потока внутри раструба с окружающей средой.
Выполнение отверстий в стенке раструба в виде эллипсов обеспечивает плавность протекания потока через эти отверстия с меньшими гидравлическими потерями, а соотношение полуосей эллипсов от 1:3 до 1:7 создает возможность при проектировании грелки подобрать необходимое суммарное проходное сечение отверстий на номинальном режиме.
Ориентация больших полуосей эллипсов по окружности ряда отверстий расширяет диапазон регулирования при повороте регулирующих колец.
Равенство суммы длин больших полуосей эллипсов половине длины окружности ряда отверстий обеспечивает полное перекрытие отверстий в раструбе перемычками между отверстиями в регулирующих кольцах на соответствующем режиме.
Равенство расстояния от меньшего основания конуса до первого ряда и между рядами отверстий величине, вычисляемой по соотношению L/(n+1), где L - осевая длина раструба, n - число рядов отверстий, равномерно распределяет ряды отверстий в раструбе по его длине.
Выполнение числа отверстий в ряду не менее четырех и не более восьми позволяет при проектировании горелки подобрать необходимое суммарное проходное сечение отверстий на номинальном режиме.
Равенство суммы площадей отверстий в стенке раструба доле в 0.05...0.07 площади прохода раструба со стороны большего основания определяет границы изменения соотношения расходов потока через отверстия и расхода через выходную часть раструба при регулировании работы горелки.
Размещение на наружной поверхности раструба регулирующих колец в виде полых усеченных конусов с отверстиями реализует принцип регулирования работы горелки. При этом, в зависимости от режима, могут возникать два состояния - первое состояние: поток из раструба выходит в топочное пространство двумя частями: одна (основная) - через большее основание раструба, а другая - через отверстия в стенке раструба, - второе состояние: к основной части потока, выходящей через большее основание раструба, подсасывается поток из окружающей среды через отверстия в стенке раструба. Соотношение расходов частей потока определяется исходной круткой потока, создаваемой лопаточным завихрителем, и соотношением суммы проходных сечений отверстий в стенке раструба и проходного сечения раструба со стороны большего основания, причем
это соотношение может меняться за счет поворота регулирующих колец, перекрывающих отверстия в стенке раструба. Этим же целям служат равенство числа регулирующих колец числу рядов отверстий в стенке раструба и равенство числа отверстий в регулирующих кольцах числу отверстий в стенке раструба.
Выполнение угла раскрытия конусов регулирующих колец равным углу раскрытия раструба обеспечивает беззазорное прилегание регулирующих колец к наружной поверхности раструба.
Выполнение отверстий в регулирующих кольцах и раструбе одинаковой формы обеспечивает плавность протекания потока через эти отверстия с меньшими гидравлическими потерями.
Размещение осей каждого ряда отверстий в регулирующих кольцах и отверстий в раструбе на общих конических поверхностях обеспечивает согласование взаимного положения отверстий в регулирующих кольцах и отверстий в раструбе при поворотах регулирующих колец.
Размещение на наружной поверхности раструба прикрепленных к нему упорных колец в виде полых усеченных конусов, большие основания которых примыкают к меньшим основаниям регулирующих колец, гарантирует согласованное осевое положение отверстий в регулирующих кольцах относительно отверстий в стенке раструба за счет предотвращения осевого сдвига регулирующих колец.
Регулирование работы предлагаемой горелки осуществляется за счет того, что в зависимости от режима могут возникать два состояния - первое состояние: поток из раструба выходит в топочное пространство двумя частями: одна (основная) - через большее основание раструба, а другая - через отверстия в стенке раструба, - второе состояние: к основной части потока, выходящей через большее основание раструба, подсасывается поток из окружающей среды через отверстия в стенке раструба. Соотношение расходов частей потока определяется исходной круткой потока, создаваемой лопаточным завихрителем, и соотношением суммы проходных сечений отверстий в стенке раструба и проходного сечения раструба со стороны большего основания, причем это соотношение может меняться за счет поворота регулирующих колец, перекрывающих отверстия в стенке раструба. Такое воздействие на поток приводит к изменению параметров потока на выходе из горелки: структуры, крутки и импульса. Эти параметры меняют, в свою очередь, положение факела в топке, его теплообмен при смешении с топочными газами и теплоотдачу к технологическим поверхностям, размещенным в топке. Каждое регулирующее кольцо может поворачиваться индивидуально, что создает возможность реализации достаточно
сложной программы регулирования работы горелки. Конструкция механизма регулирования предлагаемой горелки по сравнению с прототипом существенно упрощена - она сведена только системе поворотных регулирующих колец.
Iх
На фиг.1 изображен продольный разрез предлагаемой горелки, содержащей цилиндрический корпус 1, узел подачи топлива 2, лопаточный завихритель 3, раструб 4 с отверстиями 7, регулирующие кольца 5 с отверстиями 6, упорные кольца 10. Позициями 8 и 9 обозначены образующие конических поверхностей, на которых лежат оси отверстий 6 в регулирующих кольцах и отверстий 7 в стенке раструба. На фиг.2 изображена столбчатая диаграмма, демонстрирующая эффективность регулирования предлагаемой горелки. В качестве критерия эффективности использован коэффициент интенсивности теплового взаимодействия факела со средой в топочном пространстве К, Вт/(м*К). Каждый столбец диаграммы соответствует некоторому режиму регулирования работы горелки, отличающемуся степенью открытия отверстий в стенке раструба. Величина коэффициента интенсивности теплового взаимодействия факела на каждом из представленных режимов отображается на диаграмме высотой соответствующего столбца. На диаграмме представлены следующие режимы регулирования горелки: 1 - первый, по ходу потока, ряд отверстий закрыт полностью, второй ряд отверстий открыт наполовину; 2 - первый, по ходу потока, ряд отверстий открыт наполовину, второй ряд отверстий открыт полностью; 3 - оба ряда отверстий закрыты полностью; 4 - первый, по ходу потока, ряд отверстий закрыт полностью, второй ряд отверстий открыт полностью; 5 - первый, по ходу потока, ряд отверстий открыт полностью, второй ряд отверстий закрыт полностью; 6 - оба ряда отверстий открыты полностью.
Предлагаемая горелка содержит цилиндрический корпус 1, узел подачи топлива 2, лопаточный завихритель 3, раструб 4 с отверстиями 7, регулирующие кольца 5 с отверстиями 6, упорные кольца 10.
Устройство работает следующим образом. Воздух, подаваемый от источников в полость между корпусом 1 и узлом подачи топлива 2, втекает через лопаточный завихритель 3 в раструб 4, где смешивается с топливом и образуется факел. В зависимости от режима работы могут возникать два состояния - первое состояние: поток из раструба выходит в топочное пространство двумя частями: одна (основная) - через большее основание раструба, а другая - через отверстия 7 в стенке раструба и согласованные с ними отверстия 6 в регулирующих кольцах 5, - второе состояние: к основной части потока, выходящей через большее основание раструба, подсасывается поток из окружающей среды через отверстия в стенке раструба 7 и согласованные с ними отверстия 6 в
регулирующих кольцах 5. Соотношение расходов частей потока определяется исходной круткой потока, создаваемой лопаточным завихрителем, и соотношением суммы проходных сечений отверстий 7 в стенке раструба и проходного сечения раструба со стороны большего основания, причем это соотношение может меняться за счет поворота регулирующих колец 5, перекрывающих отверстия 7 в стенке раструба. Такое воздействие на поток приводит к изменению параметров потока на выходе из горелки: структуры, крутки и импульса. Эти параметры меняют, в свою очередь, положение факела в топке, его теплообмен при смешении с топочными газами и теплоотдачу к технологическим поверхностям, размещенным в топке. Каждое регулирующее кольцо может поворачиваться индивидуально, что создает возможность реализации разнообразных программ регулирования работы горелки. Согласованное осевое положение отверстий 6 в регулирующих кольцах 5 относительно отверстий 7 в стенке раструба обеспечивается упорными кольцами 10, прикрепленными к стенке раструба и примыкающих к меньшим основаниям регулирующих колец 5, тем самым оси каждого ряда отверстий в раструбе и отверстий в регулирующих кольцах при их поворотах всегда лежат на общих конических поверхностях 8 и 9.
Возможность осуществления предлагаемого полезной модели, то есть возможность повышения надежности работы регулирующего устройства, расширения диапазона регулирования за счет регулирования положения факела в топке, возможности перераспределения теплового потока от факела к поверхностям нагрева топки и хвостовым поверхностям нагрева, предотвращения перегрева и термического разрушения экранных труб, снижения выбросов токсичных продуктов сгорания, основывается на следующем.
Повышение надежности работы регулирующего устройства обеспечивается существенным упрощением органов регулирования - они сведены только к системе поворотных регулирующих колец. Причем не требуется синхронность их поворота. Каждое регулирующее кольцо может поворачиваться индивидуально, что создает возможность реализации достаточно сложной программы регулирования работы горелки.
Расширение диапазона регулирования за счет управления положением факела в топке достигается вследствие увеличения пределов изменения крутки и импульса потока на выходе из горелки.
Возможность перераспределения теплового потока от факела к поверхностям нагрева топки и хвостовым поверхностям нагрева достигается за счет изменения структуры, а следовательно изменения теплонапряженности факела, и вариации положения факела в топочном тракте.
Возможность снижения выбросов токсичных продуктов сгорания достигается за счет затягивания горения и уменьшения объема высокотемпературных зон.
Предотвращение перегрева и термического разрушения экранных труб достигается за счет выравнивания распределения теплового потока от факела к тепловоспринимающим поверхностям.
Iх
Принципы регулирования, реализованные в предлагаемой горелке, проверены экспериментально на модели горелки, имеющей два ряда регулирующих колец. Результаты этих экспериментов представлены на фиг.2 в виде столбчатой диаграммы, демонстрирующей эффективность регулирования предлагаемой горелки. Каждый столбец диаграммы соответствует некоторому режиму регулирования работы горелки, отличающемуся степенью открытия отверстий в стенке раструба, которая задается соответствующим поворотом регулирующих колец. Степень открытия отверстий в стенке раструба определяет, в свою очередь, соотношение суммы проходных сечений отверстий в стенке раструба и проходного сечения раструба со стороны большего основания. При этом меняются параметры потока на выходе из горелки. В качестве критерия оценки эффективности работы горелки использован коэффициент интенсивности теплового взаимодействия факела на выходе из горелки со средой в топочном пространстве - К. Физический смысл этого параметра раскрыт в кн. Справочник по теплообменникам: В 2 т. T.1 / Пер с англ., Под ред. Б.С.Петухова, В.К. Шикова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 560 с. (см. стр.9-10). Величина коэффициента интенсивности теплового взаимодействия факела на каждом из представленных режимов отображается на диаграмме высотой соответствующего столбца. Из диаграммы видно, что в зависимости от настройки горелки указанный параметр может быть изменен в широких пределах - до 70%, что дает возможность выбирать режим регулирования в зависимости от технологических задач.
Пример 1. Для снижения выбросов токсичных продуктов сгорания теплообмен факела с окружающей средой следует затянуть, то есть максимально снизить интенсивность его теплового взаимодействия, иначе говоря, факел должен быть удлинен, - этому соответствует режим №1 на диаграмме фиг.2, с указанными для него положениями регулирующих колец.
Пример 2. Для снятия повышенного теплонапряжения отдаленных от горелки поверхностей нагрева котельного агрегата факел должен быть укорочен - интенсивность теплового взаимодействия факела с окружающей средой при этом будет повышена, следовательно,
необходимо выбрать режим №6 на диаграмме фиг.2, с указанными для него положениями регулирующих колец.
Рассмотренные примеры отражают решение противоречащих друг другу задач на границах области регулирования, следовательно, с помощью предлагаемой горелки можно находить оптимальные режимы для удовлетворения противоречивых требований эксплуатации топочного оборудования.
Изложенное доказывает возможность достижения технического результата при использовании предлагаемой горелки.