Как известно, основным элементом огнетехнического оборудования является горелочное устройство (ГУ), рабочий процесс которого определяет экономичность, надежность и экологическую безопасность объекта в целом. Комплекс аэро-термохимических процессов, лежащий в основе работы ГУ, является сложнейшим в технике, недостаточно изученным и не поддается точным расчетам. Однако потребности производства подталкивают к поиску соответствующих подходов, позволяющих уже сейчас создавать ГУ необходимой эффективности.        Для этого необходимо несколько изменить отношение к технологии сжигания, как к совокупности физико-химических процессов, обеспечивающих эффективное преобразование химической энергии топлива в продукты сгорания необходимого качества.

Сам термин «технология сжигания» редко звучит. А о рабочем процессе ГУ, аэродинамической схеме, стабилизации горения очень редко можно услышать даже в сугубо научных кругах. Аэродинамическая структура течения (как показывают исследования — важнейшая характеристика ГУ) вообще исчезла из поля зрения исследователей рабочего процесса ГУ.

Нечеткое представление об основных принципах сжигания, пренебрежение научными подходами к решению данной проблемы не прошло бесследно. Несмотря на то, что в настоящее время в мировой практике насчитывается много сотен типов ГУ различных фирм (включая “Simmens”, “Wayshaupt”, “Riello”, “Girsh”,….) к сожалению, приходится констатировать тот факт, что пока не существует ГУ в полной мере удовлетворяющих всем современным требованиям с точки зрения экономичности, экологической безопасности и надежности.

Как правило, улучшение показателей по экономичности добиваются за счет ухудшения экологических характеристик, снижения уровня надежности, сужение диапазона рабочего регулирования и т.д.

Для формирования подходов к созданию технологии сжигания топлив необходимо прежде всего четко сформулировать современные требования к ГУ:

1. Легкий и надежный розжиг при минимально возможном расходе газа (для «безхлопкового» розжига котла и обеспечения плавного выхода ОО из «холодного» в «горячее» состояние, либо просушивания ОО);

2. Устойчивое (безхлопковое) горение в широком диапазоне скоростей горючего и окислителя (для предотвращения срыва факела при резких колебаниях давления газа и воздуха);

3. Необходимый диапазон регулирования по мощности (К_р) и коэффициенту избытка воздуха (L) (для обеспечения оптимальных режимов сушки футеровки и теплового состояния элементов ОО; необходимого качества продуктов сгорания и их температурного уровня; обеспечения регулировки мощности ОО без отключения части ГУ);

4. Максимально возможная полнота сгорания топлива (n_г) в топочном объеме ОО;

5. Допустимый уровень эмиссии токсичных веществ (NОx, CO, SO2 и т.д.) во всем диапазоне нагрузок;

6. Возможность регулировки длиной и светимостью факела, а также его аэродинамической и концентрационной структурой (для обеспечения необходимой интенсивности и равномерности распределения тепловых потоков; уменьшения вероятности соприкосновения факела с элементами ОО, образования окислительной или восстановительной среды в продуктах сгорания);

7. Минимально возможное сопротивление по трактам горючего и окислителя (для обеспечения возможности работы при низких давлениях газа и воздуха, снижение расхода электроэнергии на привод тягодутьевых машин);

8. Надежность и простота регулирования режимов работы (для упрощения автоматики и обеспечения безопасности);

9. Возможность надежной работы на самотяге и в безвентиляторном режиме на частичных нагрузках за счет разряжения, создаваемого дымососом либо трубой, что является важным при аварийных отключениях тягодутьевых средств, а также позволяет существенно экономить электроэнергию;

10. Постоянство показателей рабочих характеристик в процессе эксплуатации;

11. Низкий уровень шума;

12. Модульность, позволяющая набирать ГУ необходимой мощности из автономно работающих модулей;

13. Технологичность, простота изготовления, низкая металлоемкость, отсутствие потребности в дорогих материалах.

Необходимо также отметить, что спектр этих требований постоянно расширяется, а нормы (в частности экологические) ужесточаются. В настоящее время ни одно ГУ включая лучшие образцы зарубежных фирм не удовлетворяет этим требованиям в комплексе.

Многолетние исследования основных компонентов рабочего процесса ГУ (аэродинамика течения горючего, окислителя и продуктов сгорания; химическое реагирование горючего и окислителя; процессы теплопередачи) проведенные в лаборатории горения КПИ выявили определяющую роль аэродинамических процессов, что позволило классифицировать типы ГУ по нескольким газодинамическим схемам подачи горючего и окислителя (рис. 1).

Анализ аэродинамической структуры ГУ с различными аэродинамическими схемами показал, что основными причинами их недостаточной эффективности при переменных режимах является:

• разрушение циркуляционных зон высоко нагретых продуктов сгорания, обеспечивающих аэродинамическую стабилизацию горения;
• нарушение равномерности распределения горючего в потоке окислителя;
• выход концентрации топливной смеси в зонах обратных токов (ЗОТ) за пределы воспламенения;

Из этого следует, что для создания эффективного ГУ необходимо обеспечить устойчивую аэродинамическую структуру течения (необходимые поля скоростей и искусственной турбулентности; систему устойчивых вихреобразований; необходимую глубину проникновения струй горючего в поток окислителя и т.д.) горючего, окислителя и продуктов сгорания в широком диапазоне скоростей c необходимым концентрационным полем топливной смеси.

Аналитические и экспериментальные исследования [ 3, 4, 5 ] показали, что ГУ регулирующее современную технологию сжигания топлива должно обеспечивать:

• рациональное первоначальное распределение горючего в потоке окислителя;
• высокий уровень интенсивности турбулентности в области смесеобразования топливной смеси;
• устойчивая управляемая аэродинамическая структура течения горючего, окислителя и продуктов сгорания с зонами обратных токов в области стабилизации факела;
• саморегулируемость состава топливной смеси в зоне обратных токов.

На рис. 2 представлены основные принципы создания эффективной технологии сжигания и способы их реализации.

Рис.2 Основные принципы создания технологий сжигания топлива.

В настоящее время разработчики ГУ пытаются обеспечить рациональное распределение горючего в потоке окислителя, турбулизацию топливной смеси и создание зон обратных токов в области стабилизации факела, однако если им это удается, то в очень узких диапазонах изменения режимных факторов и поэтому не обеспечивается вся полнота требований в совокупности предъявляемая к ОО.

Новая технология сжигания топлива основывается на газодинамической схеме, предусматривающей поперечную подачу горючего сносящий поток окислителя перед вихреобразователем в виде ниш (струйно-нишевая система) (рис. 3).
Режимные и геометрические параметры исследования такой газодинамической схемы менялись в следующих диапазонах

Рис.3 Газодинамическая схема с подачей горючего однорядной системой струй перед нишевым вихреобразователем.

Особенностью нишевого вихреобразователя является генерирование высокочастотных пульсаций скорости, приводящих к интенсификации смесеобразования (Рис. 4).

Рис. 4 Генерирование пульсаций скорости в нишевой полости.

Струйно-нишевая система обладает устойчивой вихревой структурой с переменным объёмом устойчивой циркуляционной зоны и постоянным составом топливной смеси в области стабилизации факела. На рис. 5 видно образование устойчивой вихревой ЗОТ расположенной ниже границы нулевых скоростей W_o=0. При увеличении скорости истечения газа из отверстий размер ЗОТ прямопропорционально увеличивается, обеспечивая необходимую интенсивность смесеобразования и стабилизацию горения.

Рис. 5 Формирование циркуляционных зон струйно-нишевой системы.

Путь реализации эффективной технологии сжигания – расположение струйно-нишевой системы на автономном пилоне-коллекторе (рис. 6). Такой горелочный модуль замыкает на себя все стадии рабочего процесса – распределение горючего в потоке окислителя, смесеобразования до необходимого уровня концентрации, воспламенение топливной смеси, стабилизация факела и формирование концентрационных, скоростных и температурных полей продуктов сгорания; активно самоохлаждается окислителем и горючим и вследствие са¬морегулируемости состава топливной смеси не требует сложной автоматики управления. Исследования рабочего процесса такого автономного модуля показали неоспоримые преимущества такой схемы – существенное сокращение длины факела за счет двустороннего подвода окислителя.

Рис. 6 Струйно-нишевый модуль.

 

Рис. 7 Решетка из струйно-нишевых модулей.

K_f = t/B = 0.15...0.5   (1)

где, K_f - коэффициент загромождения
В=10мм t=80мм Н=5мм

L=L/H=4    (2)

Исследования различных модификаций решеток из струйно-нишевых пилонов (рис. 7) показали высокую интенсивность выгорания при минимально возможных коэффициентах загромождения потока (рис. 8), что является предпосылкой к малому аэродинамическому сопротивлению таких систем и обосновывает возможность создания ГУ на их основе. На рис. 8 и 9, представлены результаты исследование выгорания природного газа за пилоном и за решеткой. Видно, что длина факела за системой пилонов (η_г=95%) значительно короче, чем за одиночным пилоном.

Рис.8 Выгорание природного газа в струйно-нишевой системе

где, L_ф – длина факела

Рис.9 Выгорание природного газа за решеткой из струйно-нишевых модулей.

t – шаг расположения модулей

Совершенствование горелочного струйно-нишевого модуля с системами ниш и торцевой нишей, взаимосвязь режимных и конструктивных параметров, влияющих на процесс горения отображены на рис. 10.

Рис. 10 Режимные и конструктивные характеристики при исследовании струйно-нишевого модуля.

Взаимосвязь режимных (а) и конструктивных (б) параметров и их влияние на характеристики рабочего процесса модуля:

a)

i → качество смесеобразования i1 → качество смесеобразования i2 → качество смесеобразования Н→В L→i L/H → стабилизация горения d→Gr; ; воспламенение B→tr; Kf; стабилизация С→ смесеобразован. S→Gr d→Gr Š → смесеобр.; стабилизац. βo→Prmin; воспламенение Kf→Pbmin; аэродинамическое сопротивление

б)

Wb→α  Wr→Gr  q → hc→Kf iзу → стабилизация горения tr→ηг tb→ηг tст→надежность α→ηг

Экспериментальные и аналитические исследования данных взаимосвязей, а также аномальных явлений аэродинамики и смесеобразования в струйно-нишевой системе [позволили создать физическую модель устойчивого горения в струйно-нишевом модуле (рис. 11), которая отражает взаимосвязь структуры течения и смесеобразования в вихревых зонах струйно-нишевого пилона. При сужении расхода газа (Gг q) в широких пределах вихреобразование остается устойчивым и только при переходах через критические значения q меняется их структура и объем. При этом концентрация топливной смеси в вихрях находится в пределах воспламенения.

Причем только выполнения полного комплекса геометрических факторов в модуле позволяет получить режим работ по струйно-нишевой технологии. Даже малейшее отклонение какого либо из размеров сбрасывает режим горения из кинетического в диффузионный либо в микро диффузионный, что разрушает всю технологию сжигания.

Рис. 11 Физическая модель устойчивого горения в струйно-нишевом модуле.

где, Gг – расход горючего через систему отверстий,
q=ρ_гW_г/ρ_вW_в – гидродинамический параметр,
α_ЗОТ – коэф. избытка воздуха в вихревых зонах,
W_г; W_в – скорость горючего и оксида,
W_об – скорость оксида обтекающего струи газа.

Исследования горения природного газа показали, что факел за каждым пилоном имеет устойчивую аэродинамическую структуру (фото 12) и автомоделен по скорости, что позволяет набирать и формировать из них горелочные устройства любой мощности. Измерение удельных тепловыделений в таких факелах при α→1 показали, что механизм горения в них приближается к кинетическому, но при этом обеспечивает широкие пределы регулирования.

Рис. 12 Фотография горения за системой из двух струйно-нишевых модулей.

Зоны обратных токов, отвечающие за стабилизацию горения, в сотни раз по объёму меньше, чем в самых распространенных ГУ типа Weishaupt, RIELLO, Oilon! Они обладают высокой устойчивостью в широком диапазоне изменения скоростей горючего и окислителя вследствие постоянства оптимального состава топливной смеси в зоне обратных токов (рис. 13).

Рис. 13 Пределы устойчивого горения в струйно-нишевой системе B=25мм; k_f=0,3; d=4мм; L=40мм 

Рис. 14 Саморегулируемость состава топливной смеси в зоне обратных токов нишевого генератора вихрей.

Такие свойства модуля позволяют компоновать из них ГУ практически для любого огнетехнического объекта.