Як відомо, основним елементом вогнетехнічного обладнання є пальниковий пристрій (ПП), робочий процес якого визначає економічність, надійність і екологічну безпеку об'єкта у цілому. Комплекс аеротермохімічних процесів, що лежить в основі роботи ПП, є вкрай складним у техніці, недостатньо вивченим і не піддається точним розрахункам. Однак потреби виробництва підштовхують до пошуку відповідних підходів, що дозволяють вже зараз створювати ПП необхідної ефективності.        Для цього необхідно дещо змінити ставлення до технології спалювання, як до сукупності фізико-хімічних процесів, що забезпечують ефективне перетворення хімічної енергії палива на продукти згоряння необхідної якості.

Сам термін «технологія спалювання» рідко звучить. А про робочий процес ПП, аеродинамічну схему, стабілізацію горіння дуже рідко можна почути навіть у суто наукових колах. Аеродинамічна структура течії (як показують дослідження — найважливіша характеристика ПП) взагалі зникла з поля зору дослідників робочого процесу ПП.

Нечітке уявлення про основні принципи спалювання, нехтування науковими підходами до вирішення даної проблеми не пройшло безслідно. Незважаючи на те, що в даний час у світовій практиці налічуються сотні типів ПП різних фірм (включаючи «Simmens», «Wayshaupt», «Riello», «Girsh»,....), на жаль, доводиться констатувати той факт, що поки не існує таких ПП, які б повною мірою відповідали  всім сучасним вимогам із точки зору економічності, екологічної безпеки і надійності.

Як правило, поліпшення показників щодо економічності досягаються за рахунок погіршення екологічних характеристик, зниження рівня надійності, звуження діапазону робочого регулювання і т. д.

Для формування підходів до створення технології спалювання палив необхідно насамперед чітко сформулювати сучасні вимоги до ПП:

1. Легке і надійне розпалювання при мінімально можливій витраті газу (для «безхлопкового» розпалювання котла і забезпечення плавного виходу ОО з «холодного» в «гарячий» стан, або просушування ОО);

2. Стійке (безхлопкове) горіння в широкому діапазоні швидкостей пального і окислювача (для запобігання зриванню факела при різких коливаннях тиску газу і повітря);

3. Необхідний діапазон регулювання щодо потужності (К_р) і коефіцієнта надлишку повітря (L) (для забезпечення оптимальних режимів сушіння футерування і теплового стану елементів ОО; необхідної якості продуктів згоряння та їх температурного рівня; забезпечення регулювання потужності ОО без відключення частини ПП);

4. Максимально можлива повнота згоряння палива (n_г) в топковому об'ємі ОО;

5. Допустимий рівень емісії токсичних речовин (NОx, CO, SO2 і т. д.) у всьому діапазоні навантажень;

6. Можливість регулювання довжиною і світністю факела, а також його аеродинамічною і концентраційною структурою (для забезпечення необхідної інтенсивності і рівномірності розподілу теплових потоків; зменшення ймовірності контакту факела з елементами ОО, утворення окислювального або відновного середовища в продуктах згоряння);

7. Мінімально можливий опір по трактах пального і окислювача (для забезпечення можливості роботи при низьких тисках газу і повітря, зниження витрати електроенергії на привод тягодуттьових машин);

8. Надійність і простота регулювання режимів роботи (для спрощення автоматики і забезпечення безпеки);

9. Можливість надійної роботи на самотязі та в безвентиляторному режимі на часткових навантаженнях за рахунок розрядження, яке створюється димососом або трубою, що є важливим при аварійних відключеннях тягодуттьових засобів, а також дозволяє істотно економити електроенергію;

10. Сталість показників робочих характеристик у процесі експлуатації;

11. Низький рівень шуму;

12. Модульність, що дозволяє набирати ПП необхідної потужності з модулів, які працюють автономно;

13. Технологічність, простота виготовлення, низька металоємність, відсутність потреби в коштовних матеріалах.

Необхідно також зазначити, що спектр цих вимог постійно розширюється, а норми (зокрема, екологічні) стають жорсткішими. У даний час жодний ПП, включаючи кращі зразки зарубіжних фірм, не відповідає цим вимогам у комплексі.

Багаторічні дослідження основних компонентів робочого процесу ПП (аеродинаміка течії пального, окислювача і продуктів згоряння; хімічне реагування пального й окислювача; процеси теплопередачі), проведені в лабораторії горіння КПІ, виявили визначальну роль аеродинамічних процесів, що дозволило класифікувати типи ПП за кількома газодинамічними схемами подачі пального і окислювача (рис. 1).

Аналіз аеродинамічної структури ПП з різними аеродинамічними схемами показав, що основними причинами їх недостатньої ефективності при змінних режимах є:

• руйнування циркуляційних зон високо нагрітих продуктів згоряння, що забезпечують аеродинамічну стабілізацію горіння;
• порушення рівномірності розподілу пального в потоці окислювача;

вихід концентрації паливної суміші в зонах зворотних струмів (ЗЗС) за межі займання;

З цього випливає, що для створення ефективного ПП необхідно забезпечити стійку аеродинамічну структуру течії (необхідні поля швидкостей і штучної турбулентності; систему стійких вихороутворень; необхідну глибину проникнення струменів пального в потік окислювача і т.д.) пального, окислювача і продуктів згоряння в широкому діапазоні швидкостей із необхідним концентраційним полем паливної суміші.

Аналітичні й експериментальні дослідження [3, 4, 5] показали, що ПП, який регулює сучасну технологію спалювання палива, має забезпечувати:

• раціональний початковий розподіл пального в потоці окислювача;
• високий рівень інтенсивності турбулентності в області сумішоутворення паливної суміші;
• стійку керовану аеродинамічну структуру течії пального, окислювача і продуктів згоряння із зонами зворотних струмів в області стабілізації факела;
• саморегулювання складу паливної суміші в зоні зворотних струмів.

На рис. 2 представлені основні принципи створення ефективної технології спалювання і способи їх реалізації.

Рис. 2 Основні принципи створення технологій спалювання палива.

В даний час розробники ПП намагаються забезпечити раціональний розподіл пального в потоці окислювача, турбулізацію паливної суміші і створення зон зворотних струмів в області стабілізації факела, однак якщо їм це вдається, то в дуже вузьких діапазонах зміни режимних факторів і тому не забезпечується вся повнота вимог в сукупності, що висуваються до ОО.

Нова технологія спалювання палива ґрунтується на газодинамічній схемі, яка передбачає поперечну подачу пального окислювача, що зносить потік перед вихороутворювачем у вигляді ніш (струменево-нішева система) (рис. 3).
Режимні і геометричні параметри дослідження такої газодинамічної схеми змінювалися в наступних діапазонах

Рис. 3 Газодинамічна схема з подачею пального однорядною системою струменів перед нішевим вихороутворювачем.

Особливістю нішевого вихороутворювача є генерування високочастотних пульсацій швидкості, що приводять до інтенсифікації сумішоутворення (Рис. 4).

Рис. 4 Генерування пульсацій швидкості в нішевій порожнині.

Струменево-нішева система має стійку вихрову структуру зі змінним об'ємом стійкої циркуляційної зони і постійним складом паливної суміші в області стабілізації факела. На рис. 5 видно утворення стійкої вихрової ЗЗС, розташованої нижче межі нульових швидкостей Wo=0. При збільшенні швидкості витікання газу з отворів розмір ЗЗС прямопропорційно збільшується, забезпечуючи необхідну інтенсивність сумішоутворення і стабілізацію горіння.

 

.

Рис. 5 Формування циркуляційних зон струменево-нішевої системи.

Шлях реалізації ефективної технології спалювання – розташування струменево-нішевої системи на автономному пілоні-колекторі (рис. 6). Такий пальниковий модуль замикає на себе всі стадії робочого процесу – розподіл пального в потоці окислювача, сумішоутворення до необхідного рівня концентрації, займання паливної суміші, стабілізація факела і формування концентраційних, швидкісних і температурних полів продуктів згоряння; активно самоохолоджується окислювачем і пальним і внаслідок саморегулювання складу паливної суміші не потребує складної автоматики керування. Дослідження робочого процесу такого автономного модуля показали незаперечні переваги такої схеми – істотне скорочення довжини факела за рахунок двостороннього підведення окислювача.

Рис. 6 Струменево-нішевий модуль.

 

Рис. 7 Решітка із струменево-нішевих модулів.

K_f = t/B = 0.15...0.5   (1)

де, K_f - коефіцієнт загромадження
В=10мм t=80мм Н=5мм

L=L/H=4    (2)

Дослідження різних модифікацій решіток із струменево-нішевих пілонів (рис. 7) показали високу інтенсивність вигорання при мінімально можливих коефіцієнтах загромадження потоку (рис. 8), що є передумовою до малого аеродинамічного опору таких систем і обґрунтовує можливість створення ПП на їх основі. На рис. 8 і 9 наведено результати дослідження вигорання природного газу за пілоном і за решіткою. Видно, що довжина факела за системою пілонів (η_г=95%) значно коротша, ніж за одиночним пілоном.

Рис. 8 Вигорання природного газу в струменево-нішевій системі

де, L_ф – довжина факела

Рис.9 Вигорання природного газу за решітками із струменево-нішевих модулів.

t – крок розташування модулів

Удосконалення пальникового струменево-нішевого модуля із системами ніш і торцевою нішею, взаємозв'язок режимних і конструктивних параметрів, що впливають на процес горіння, відображені на рис. 10.

Рис. 10 Режимні і конструктивні характеристики при дослідженні струменево-нішевого модуля.

Взаємозв'язок режимних (а) і конструктивних (б) параметрів та їх вплив на характеристики робочого процесу модуля:

a)

i → якість сумішоутворення i1 → якість сумішоутворення i2 → якість сумішоутворення Н→В L→i L/H → стабілізація горіння d→Gr; займання B→tr; Kf; стабілізація С→ сумішоутворен. S→Gr d→Gr Š → сумішоутв.; стабілізац. βo→Prmin; займання Kf→Pbmin; аеродинамічний опір

б)

Wb→α  Wr→Gr  q → hc→Kf iзу → стабілізація горіння tr→ηг tb→ηг tст→надійність α→ηг

Експериментальні й аналітичні дослідження даних взаємозв'язків, а також аномальних явищ аеродинаміки і сумішоутворення в струменево-нішевій системі дозволили створити фізичну модель стійкого горіння в струменево-нішевому модулі (рис. 11), яка відображає взаємозв'язок структури течії і сумішоутворення у вихрових зонах струменево-нішевого пілона. При звуженні витрат газу (Gг q) в широких межах вихороутворення залишається стійким і тільки при переходах через критичні значення  q змінюється їх структура і об'єм. При цьому концентрація паливної суміші в вихорах перебуває в межах займання.

Причому тільки виконання повного комплексу геометричних факторів у модулі дозволяє отримати режим робіт за струменево-нішевою технологією. Навіть найменше відхилення будь-якого з розмірів скидає режим горіння з кінетичного в дифузійний або в мікродифузійний, що руйнує всю технологію спалювання.

Рис. 11 Фізична модель стійкого горіння в струменево-нішевому модулі.

де, Gг – витрати пального через систему отворів,
q=ρ_гW_г/ρ_вW_в – гідродинамічний параметр,
а_ЗОТ – коеф. надлишку повітря у вихрових зонах,
W_г; W_в – швидкість пального і оксиду,
W_об– швидкість оксиду, що обтікає струмені газу.

Дослідження горіння природного газу показали, що факел за кожним пілоном має стійку аеродинамічну структуру (фото 12) і автомодельований за швидкістю, що дозволяє набирати і формувати з них пальникові пристрої будь-якої потужності. Вимірювання питомих тепловиділень у таких факелах при α→1 показали, що механізм горіння в них наближається до кінетичного, але при цьому забезпечує широкі межі регулювання.

Рис. 12 Фотографія горіння за системою з двох струменево-нішевих модулів.

Зони зворотних струмів, що відповідають за стабілізацію горіння, в сотні разів за обсягом менші, ніж в найпоширеніших ПП типу Weishaupt, RIELLO, Oilon! Вони мають високу стійкість у широкому діапазоні зміни швидкостей пального і окислювача внаслідок сталості оптимального складу паливної суміші в зоні зворотних струмів (рис. 13).

Рис. 13 Межі стійкого горіння в струменево-нішевій системі B=25мм; k_f=0,3; d=4мм; L=40мм 

Рис. 14 Саморегулювання складу паливної суміші в зоні зворотних струмів нішевого генератора вихорів.

Такі властивості модуля дозволяють компонувати з них ПП практично для будь-якого вогнетехнічного об'єкта.