ГОРЕЛКА

Заявляемая полезная модель относится к устройствам для сжигания газообразного топлива, преимущественно в камерных нагревательных и термических печах.
Недостатком горелок дежурного огня, устанавливаемых в паре с основной горелкой, является их плохая стойкость из-за перегрева корпуса, чему способствует и встречный тепловой поток из камеры (горелочного тоннеля) основной горелки. Причиной перегрева является соприкосновение факела с корпусом дежурной горелки, особенно ее выходного участка. Этот выходной цилиндрический участок камеры того же сечения постепенно обгорает. Еще больший локальный разогрев возникает от сужения выходного среза горелки.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемой полезной модели является горелка (патент РФ №2197685, опубл. 2003.01.27), содержащая торцевое комбинированное сопло - центральное и два пояса мелких периферийных сопел, а также периферийные лопатки для закручивания потока с облекающим корпусом.
В указанной горелке подача газа является чрезмерно рассредоточенной. Крутка потока способствует дополнительному укорочению факела и его распределению по ширине кольцевого канала. При этом факел соприкасается с лопатками и с поверхностью корпуса, что негативно сказывается на стойкости этих элементов.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции горелки и увеличение ее стойкости путем исключения контакта основной факельной струи с корпусом горелки.
Это достигается тем, что горелка содержит осевое сопло с рядом периферийных отверстий, которые выполнены под углом к оси горелки и равномерно расположены по
периметру боковой поверхности конической части сопла. Горелка дополнительно снабжена запальной камерой, установленной за соплом, и состоящей из входного и выходного участков. На поверхности камеры входного участка выполнены радиальные отверстия, а на выходном участке камера выполнена с утолщенными стенками, при этом диаметр внутреннего сечения выходного участка камеры больше диаметра внутреннего сечения входного участка. Для локализации факельной струи радиальные отверстия на поверхности входного участка выполнены на расстоянии от торца сопла до оси отверстий, равном диаметру внутреннего сечения входного участка.
Для получения узкого и не касающегося стенки камеры факела большая часть смеси газа с воздухом поступает через центральное торцевое сопло, а через малые боковые отверстия этого сопла обеспечиваются умеренные скорости истечения смеси, так как совокупное сечение этих сопел меньше сечения центрального сопла, а газодинамическое сопротивление этих малых сопел больше. В этом случае без запальной камеры зажигание факела становится невозможным. Благодаря запальной камере предотвращается перемешивание входной струи с окружающим воздухом, и снижаются тепловые потери от корневого участка факела с меньшей температурой.
Радиальные отверстия на боковой поверхности входного участка запальной камеры служат для улучшения зажигания факела из-за нарушения симметричности потока вблизи отверстий. При этом ось боковых отверстий отвечает завершающему участку вихревого следа по выходе центральной струи (на длине от среза торцевого сопла до оси отверстий, равной примерно внутреннему диаметру входного участка запальной камеры).
Во входном участке запальной камеры фронт горения центральной факельной струи имеет острый угол раскрытия в направлении от торцевого сопла и поэтому не касается внутренней поверхности камеры. На выходном участке запальной камеры факел еще более отдален от ее внутренней поверхности и далее развивается в свободном объеме. В пределах начального участка запальной камеры средняя по сечению температура основной факельной струи равномерно нарастает по длине и не достигает своего экстремума, а малые периферийные факелы лишь успевают развиться. Вот почему на этом участке не возникает локального перегрева, что и подтверждает опыт. Слабое локальное температурное свечение поверхности запальной камеры - при работе горелки в свободном объеме - образуется лишь вдоль кромки ее боковых отверстий. В рабочих условиях - при установке горелки напротив запальных отверстий печи - температурным свечением охватывается пояс боковых отверстий и выходной участок. Поскольку стенки выходного участка запальной камеры выполнены утолщенными, этот массивный элемент аккумулирует и эффективно рассеивает тепло за счет более развитой поверхности
теплоотдачи. Благодаря этому элементу предохраняется от разрушения наиболее опасный с точки зрения перегрева участок боковых отверстий.
Относительно массивный выходной участок горелки, можно его назвать выходной оголовок, служит для отвода тепла теплопроводностью от наиболее теплонапряженного участка запальной камеры вблизи ее боковых отверстий и дальнейшего дополнительного рассеяния тепла излучением на поверхности оголовка. Кроме того, так как поперечное проходное сечение выходного оголовка запальной камеры больше ее входного сечения, соприкосновение факела с ее внутренней поверхностью на этом участке тем более исключается, что способствует увеличению стойкости горелки.
На чертеже представлена предлагаемая горелка, продольный разрез.
Горелка содержит торцевое осевое сопло 1 с поясом мелких отверстий 2 на конической поверхности сопла 1 и запальную цилиндрическую камеру, состоящую из входного участка 3 и выходного участка (или оголовка) 4. На боковой поверхности камеры входного участка 3 вблизи ее выходного среза расположен пояс радиальных отверстий 5. Малые боковые отверстия 2 наклонены под углом 30° к оси горелки и расположены симметрично по окружности. Кроме того, в выходном участке 4 может быть выполнено прямоугольное углубление (или проточка) 6.
Горелка работает следующим образом.
Розжиг горелки производится от внешнего источника пламени через отверстия 5 либо выходное сечение оголовка 4. При этом образуется жесткий кинжального вида факел. Разумеется, условием качественного зажигания является стехиометрическое или близкое к таковому соотношение топливо-воздух в горючей смеси, что подбирается, например, регулировочными кранами перед смесителем, в качестве которого можно использовать обычный сантехнический тройник.
С точки зрения конструктивных параметров работа горелки обеспечивается в первую очередь комбинированным соплом 1. По выходе из отверстий 2 образуются малые факелы с относительно небольшой скоростью истечения, окружающие в основании основной факел и постоянно его поджигающие. Конусная поверхность и цилиндрический наконечник сопла 1 совместно с внутренней поверхностью входного участка 3 камеры образуют своего рода малый топочный объем в зоне рециркуляции основного факела. Периферийные факелы, таким образом, формируются вблизи стенки входного участка 3 камеры, что улучшает температурные условия их зажигания. Оптимально короткий входной участок имеет малое газодинамическое сопротивление, в пределах его цилиндрического участка нет препятствий для распространения факела. По периметру непосредственно расположенного за участком 3 более короткого и широкого выходного
участка 4 образуется вихревой след, в эту же область через отверстия 5 (при работе горелки без противодавления) подсасывается воздух, как и показано стрелками на прилагаемом рисунке. Видимое выбивание пламени из отверстий 5 при этом отсутствует. Выбивания пламени из отверстий 5 возникают преимущественно при недостатке воздуха в смеси, имея прерывистый характер. Далее, по выходе из горелки, факел развивается в свободном объеме.
Сокращение длины входного участка запальной камеры (меньше оптимального) нежелательно, так как это может повлечь за собой ухудшение устойчивости горения из-за чрезмерного подсоса воздуха через отверстия 5. Малые периферийные факелы как раз и завершаются вблизи кромки отверстий 5, что можно наблюдать через выходной срез горелки при ее работе. Вместе с тем, зажиганию способствует относительно близкое расположение отверстий 2 и 5, и на таком расстоянии образующиеся факелы по выходе из обоих рядов отверстий приходят в соприкосновение.
Рекомендуемое расположение оси радиальных отверстий 5 на длине одного калибра внутреннего сечения камеры 3, считая от выходного среза сопла 1, является близким к оптимальному расположению. Из опытных проверок следует, например, что если боковые отверстия 5 расположить на уровне выходного среза сопла 1, розжиг горелки становится невозможным (из-за чрезмерного подсоса окружающего воздуха к корню струи и нарушения локальных условий зажигания по соотношению топливо-воздух). Расположение оси радиальных отверстий 5 на длине большей одного калибра внутреннего сечения камеры 3 не дает положительного эффекта, но удлиняет камеру. Так, опыты с горелкой были начаты при относительной длине начального участка запальной камеры, равной 2,5. При этом заметному разогреву (при работе горелки в свободном объеме) подвергался и тыльный, примыкающий к отверстиям 5 (на представленном рисунке слева от отверстий 5), участок запальной камеры, а выбивания факела из этих отверстий были ровными, без прерываний. Это свидетельствует о завершении области рециркуляции потока по выходе горючей смеси из сопла 1, то есть поток на такой относительной длине выравнивается по сечению.
Диаметр отверстий 5 составляет 30% от внутреннего диаметра входного участка запальной камеры, а наиболее опасный с точки зрения перегрева, непосредственно следующий за отверстиями 5 цилиндрический участок камеры 3, сведен к минимуму (в примере конкретного исполнения длина этого участка примерно равна диаметру отверстий 5).
Проточка 6 предназначена для усиления вихреобразования в камере 4. Первоначально при работе горелки без проточки 6 было замечено, что некоторому
разогреву подвергалась и входная внутренняя поверхность оголовка 4. Выполнение проточки устраняет этот эффект. По всей видимости, это связано с уменьшением локальных скоростей потока вблизи внутренних поверхностей. При этом диаметр выходного сечения запальной камеры в 1,5 раза больше диаметра ее входного сечения.
Горелка применяется на газовом сушиле участка цинкования гвоздей и на камерных печах кузнечного участка ОАО «Северсталь-метиз» в паре с основными горелками для периодического розжига и разогрева этих печей как стационарный запальник (ранее в период разогрева печей происходили частые гашения основных горелок, особенно в зимнее время). После разогрева и с возникновением противодавления из запальных отверстий камерных печей более эффективным оказался режим предельного горения, когда при полной подаче воздуха обеспечивают малую подачу газа (горение при этом становится практически полностью бесцветным). Зажиганию в этом случае благоприятствует тепловое излучение из горелочного камня основной горелки, которое беспрепятственно попадает во внутренний объем горелки, а развиваемое горелкой встречное противодавление оказывается более мощным, чем от подачи одного только воздуха. То есть на наиболее мощных камерных печах в какой-то мере предотвращается чрезмерное выбивание печных газов из запальных отверстий.
На печах-ваннах цинкования проволоки с погружными газовыми нагревателями горелка используется для резервного вида розжига «на проскок» как поставщик запального пламени в выхлопной патрубок нагревателя, а при необходимости демонтажа какого-либо из нагревателей - для размягчения шлаковой корки, возникающей на поверхности посадочного гнезда керамического корпуса и плотно сцепленной с корпусом. Это облегчает механическое разбивание настыли и предохраняет корпус от поломки при подъеме нагревателя.
Кроме того, горелка применяется для выжигания органического остатка в конусе экструдера установки полимерного покрытия проволоки.
И, наконец, наиболее значимое применение горелки было найдено сравнительно недавно - для индивидуального обжига муллитовых втулок индукционных печей цеха стальных фасонных профилей.