Горелки инфракрасного излучения (ГИИ)

Содержание

Введение………………………………………………………………3

 

1.Классификация горелок……………………………………………4

1.1 Инжекционная горелка………………………………………...4

 

2. Горелки инфракрасного излучения (ГИИ)………………………7

 

3. Разновидности ГИИ………………………………………………13

 

Заключение…………………………………………………………..17

 

Список литературы………………………………………………….18

Введение

 

Газовая горелка – устройство, обеспечивающее подачу определённого количества газа и окислителя (воздуха или кислорода), создание условий их смешения, транспортировка к месту сжигания образовавшийся смеси. Есть горелки, у которых к месту сгорания поступает либо газ, либо воздух, т.е. без предварительного смешения. Есть горелки с предварительным смешением газа и воздуха, это горелки инфракрасного излучения. Газовые горелки инфракрасного излучения — разновидность газовых горелок, используемая для нагрева предметов и обогрева помещений при помощи инфракрасного излучения металлических или керамических пластин, раскаляемых за счёт сжигания газа на их поверхности или в их толще.

 

Классификация горелок

 

В соответствии с ГОСТ 21204 – 83 по способу подачи воздуха и коэффициенту избытка первичного воздуха α1 горелки могут быть разделены на диффузионные (α1=0), инжекционные (α1<1 и α1>1) и дутьевые, т.е. с принудительной подачей воздуха.

Газовые горелки инфракрасного излучения относятся к инжекционному типу, поэтому остановимся поподробнее на понятии «инжекционная горелка».

Инжекционная горелка

 

Инжекционные горелки – это горелки, у которых необходимый для горения воздух поступает полностью (α1>1) или частично (α1<1) в качестве первичного, а подача его осуществляется за счёт кинетической энергии струи газа, вытекающего из сопла. Инжекционные горелки обеспечивают хорошее смешение газа с воздухом. В зависимости от коэффициента избытка первичного воздуха α1 они делятся на две группы: α1>1и α1<1.

Инжекционные горелки с α1>1. Газ вытекая из сопла с большой скоростью за счёт кинетической энергии струи, засасывает в инжектор из окружающего пространства воздух в количестве, необходимом для полного сгорания газа. Интенсивное смешение газа с воздухом осуществляется в горловине и завершается в диффузоре,в котором одновременно происходит повышение статического давления за счёт плавного снижения скорости газовоздушного потока.

Инжекционные горелки с α1<1. Выбор значения α1 для этих горелок зависит от диапазона устойчивой работы их, который определяется по режиму работы теплоагрегата. В подавляющем большинстве инжекционные горелки с α1<1 работают на низком давлении газа (до 2 кПа). При таких условиях энергия струи газа, вытекающей из сопла в инжектор, недоста-

точна, чтобы обеспечить большую выходную скорость газовоздушной смеси в насадке горелки или в огневых отверстиях, превышающую скорость распространения пламени. Поэтому инжекционные горелки с α1<1 обладают следующими особенностями: 1) требуют организованного подвода вторичного воздуха; 2) точки, где устанавливают горелки, должны иметь разряжение; 3) обеспечивают сжигание газа по промежуточному принципу, т.е. начало горения кинетическое, а окончание диффузионное; 4) имеют большую, чем горелки с α1>1, длину и меньшую температуру пламени. 5) имеют большую устойчивость к отрыву и проскоку пламени, что, как правило, не вызывает необходимости применять стабилизаторы пламени.

 

Рис. 1 Схемы горелок

Горелки инфракрасного излучения (ГИИ)

 

Горелки инжекционные (излучающие), инфракрасного излучения предназначены для сушки, нагрева материалов и изделий, отопления промышленных зданий и сооружений лучевым способом теплопередачи. Особенно ощутима эффективность их применения в помещениях с большими объемами воздуха, тепловыми потерями или там, где нет необходимости греть все помещение. Мобильность инфракрасной системы отопления позволяет поддерживать разный температурный режим в различное время суток и в зависимости от технологической необходимости. Особенно эффективно горелки применяются для решения таких технологических задач, как: система размораживания сыпучих грузов (вагоноразмораживатель); проходные и тупиковые сушильные камеры; сушка литейных форм. Бесшумная работа горелок не создает никакого дискомфорта для персонала.

Особенности ГИИ:

1) Газ сгорает без видимого факела на излучающей насадке, которая нагреваясь, служит источником инфракрасного излучения;

2) Первичный воздух должен подаваться в количестве, необходимом для полного сжигания газа;

3) Проскок пламени наступает от повышения тепловой мощности сверх установленных пределов;

4) Большая полнота сгорания газового топлива по сравнению с факельными горелками;

5) Передача теплоты происходит в основном (40-60%) за счёт излучения;

6) Содержание оксидов азота в продуктах сгорания значительно ниже по сравнению с факельными горелками.

ГИИ работают удовлетворительно только при α1=1,05-1,10. Незначительные отклонения от указанных значений резко ухудшают работу горелок.

 

Рис. 2 Схема газовой горелки инфракрасного излучения.

На рис. 2 обозначения: 1-сопло; 2-насадок; 3-распределительная камера; 4-инжекционный смеситель.

Газ, вытекая из сопла, инжектирует воздух в количестве, достаточном для его полного сжигания (α1=1,05-1,10). В инжекционном смесителе газ тщательно перемешивается с воздухом.Затем подготовленная газовоздушная смесь поступает в распределительную камеру, из которой проходит через насадок и сгорает на её поверхности. Горение происходит на поверхности насадка, который накаляется до 800-900 ^оС и посылает инфракрасные лучи.

Инфракрасное излучение абсолютно безвредно для человека и окружающей среды. Быстрый разогрев горелок при сравнительно небольших размерах дает возможность получать более высокую тепловую производительность по сравнению с конвективной системой отопления. КПД такой инфракрасной системы отопления составляет 97%.

По типу излучающего насадка ГИИ можно разделить на три группы: 1) керамические; 2) металлокерамические и 3) металлические. Керамические насадки могут состоять из перфорированных или пористых керамических плиток. Металлокерамические насадки имеют дополнительную металлическую сетку из жаростойкой стали, расположенную в 8-12 мм над керамическими плитками. Применение сетки даёт возможность повысить количество теплоты, передаваемой излучением, улучшить равномерность нагрева насадка и полноту сгорания газа, а также несколько повысить вет

роустойчивость. Металлический насадок представляет собой набор жаростойких металлических сеток или перфорированных плит из жаростойкого чугуна.

Керамический перфорированный насадок склеивается из отдельных плиток размером 65х45х12 мм на огнеупорной замазке. Принцип действия керамического перфорированного насадка следующий.Газовоздушная смесь из распределительной камеры проходит через отверстия плиток и сгорает у наружной поверхности насадка. Отрыв пламени предотвращается малой скоростью газовоздушной смеси в каналах плитки, а проскок пламени – размерами каналов, которые меньше критических. От плоского факела, состоящего из множества коротких пламен с синеватым оттенком, наружная поверхность насадка разогревается. Через 40-50 с после зажигания горелки температура поверхности насдка достигает 800-900 ^оС. Это обеспечивает дополнительную стабилизацию фронта горения. После разогрева горение идёт без видимого пламени. При нормальной эксплуатации горелки, когда температура насадка не превышает 900-920 ^оС, горение происходит над поверхностью плиток.

При увеличении тепловой мощности более чем на 550 Вт температура поверхности плитки превышает 920 ^оС, газовоздушная смесь внутри каналов подогревается до температуры воспламенения и зона горения перемещается в каналы. Температура наружной поверхности плиток уменьшается. При дальнейшем разогреве плитки горение всё больше продвигается вглубь каналов и наступает проскок пламени в распределительную коробку горелки. В результате этого либо горелка может погаснуть, либо горение может перенестись к соплу, то и другое недопустимо.

Описанные выше перфорированные керамические плитки имеют плоскую поверхность. Кроме того, применяют керамические плитки с ребристой или холмистой излучающими поверхностями. Плитки с ребристой поверхностью и малым диаметром каналов (см. рис. 3) дают возможность повысить температуру излучающей поверхности насадка ГИИ до 1350 –

1400 ^оС без проскока пламени при установке в замкнутом объёме, т.е. при наличии обратного излучения. При установке в открытом пространстве температура на излучающей поверхности достигает 1200 ^оС.

Рис. 3 Ребристая перфорированная керамическая плитка для высокотемпературных ГИИ

 

Другой разновидностью керамического насадка ГИИ являются пористые керамические плитки, которые могут быть либо склеены из отдельных плиток, либо изготовлены на заводе цельными в виде плоских плит прямоугольной или круглой формы, а также в виде цилиндров (труб), полусфер и т.п. Такая возможность обеспечивается простотой конструкции пресс-форм. Толщина плиток, как правило, 20-30 мм.

В отличие от перфорированных, пористые керамические насадки имеют большее гидравлическое сопротивление, поэтому при низком давлении газа евозможно получить α1>1. В связи с этим пористые керамические насадки применяют для газовых горелок среднего давления или с принудительной подачей воздуха.

Газовоздушная смесь из распределительной камеры ГИИ проходит через систему узких искривлённых каналов (пор) и сгорает у наружной поверхности пористого насадка, образуя большое число отдельных коротких пламен. При разогреве насадка на некоторую глубину пламена становятся незаметными, поверхность нагревается до 850-1000^оС и становится интенсивным источником инфракрасного излучения.

Металлокерамические насадки имеют дополнительно к обычному керамическому (перфорированному или пористому) насадку металлическую сетку, расположенную в 8-12 мм над керамической плиткой и полностью её перекрывающую. Сетка интенсифицирует процесс сжигания газа, способствует выравниванию температуры поверхности излучающей керамики, обеспечивает дополнительную стабилизацию горения и повышает температуру керамики на 50-100 ^оС. При работе горелки металлическая сетка раскаляется и служит вторичным излучателем, что увеличивает коэффициент излучения горелки. Так как сетка нагревается до 800-900 ^оС, она изготовляется из жаростойкой хромоникелевой стали. Рекомендуется металлические сетки из жаростойкой стальной проволоки диаметром 1,1-1,3 мм с размерами квадратной ячейки 2,3-2,5 мм.

Металлические сетки снижают устойчивость горелки к проскоку

пламени, для предотвращения которого несколько уменьшают номинальные удельные расходы газа для горелок с металлокерамической насадкой (по сравнению с керамической). Сетка уменьшает влияние внешних потоков воздуха и способствует более стабильной работе горелки. Большинство серийно изготовляемых ГИИ выпускают с металлокерамическими насадками. Существенным недостатком керамических и металлокерамических насадков является хрупкость плиток.

Широко распространненные металлические насадки, лишенные этого недостатка,представляют собой жаростойкие металлические сетки, между которыми сгорает газовоздушная смесь. Сетки раскаляются до 800-900 ^оС и являются источником инфракрасного излучения. К металлическим насадкам также относятся плиты из перфорированного жаростойкого чугуна.

Принцип работы сетчатых насадков состоит в том, что пламя стабилизируется между двумя сетками. Перемещение зоны горения на поверхность верхней сетки или же проскок пламени через нижнюю сетку приводят к нерабочим режимам. Поэтому верхнюю сетку берут с размерами ячеек, обеспечивающими проскок пламени, а нижнюю – с размерами ячеек меньше критических, предотвращающих проскок пламени.

Разновидности ГИИ

 

Рассмотрим некоторые типы ГИИ, применяемые в различных отраслях народного хозяйства. Так, ветроустойчивые горелки ГИИВ-1 и ГИИВ-2 предназначены для отопления, тепловой обработки и сушки различных материалов.

Горелка ГИИВ-1 рис.4 а

Состоит из корпуса, инжекционного смесителя 7,насадка 3, сопла 5, рефлектора 2 и кронштейна 6. Корпус горелки изготовлен из двух штампованных частей, соединённых контактной сваркой. В сборе он образует инжекционный смеситель 7 и распределительную камеру 1. В корпусе установлена крестовина, в которой на резьбе укрепляются сопло 5 и штуцер для подвода газа 4. Насадок 3 склеен из десяти перфорированных керамических плиток диаметром 65х45х12 мм. Каждая плитка имеет 1350 цилиндрических каналов диаметром 1 мм. Живое сечение её 36 %. Насадок устанавливается в рамке, соединённой с корпусом. Над насадком монтируется сетка 8 из жаростойкой стали. Кронштейн 6 предназначен для крепления горелки.

Подводимый к штуцеру газ вытекает из сопла 5 и инжектирует в смеситель воздух с α1=1,05. Воздух в корпус горелки поступает через отверстия 9. Предварительно подготовленная газовоздушная смесь попадает в распределительную камеру, проходит через насадок и сгорает на его поверхности, накаляя последний до 800-900 ^оС. Сетка из жаропрочной стали также раскаляется и обеспечивает более равномерный нагрев керамики, некоторое повышение температуры поверхности плиток и увеличивает мощность радиации.

Для защиты от ветра горелка оборудована специальным кожухом. Погасание горелок на ветру вызывается двумя причинами: 1)давлением, создаваемым ветром перед насадком и приводящим к уменьшения α1 и, следовательно, к факельному неустойчивому горению; 2) конвективным теплосъемом холодными потоками воздуха, вызывающим потемнение насадка и нарушение стабилизации горения. Обе эти причины действуют одновременно. Степень воздействия их на горелку зависит от силы ветра.

Горелка ГИИВ-1 рис. 4б

На рис.4 б дана принципиальная схема горелки ГИИВ-1, поясняющая работу устройства для защиты от ветра. Воздух, необходимый для сгорания газа, подсасывается инжектором через отверстия в рефлекторе, размер которых выбирается так, чтобы давление в самом кожухе и перед рефлектором поддерживалось практически одинаковым. Сила ветра, преобразуясь в статическое давление, воздействует на насадок и одновременно через отверстия в рефлекторе на инжектор. Это создает постоянный перепад давлений на насадке горелки независимо от силы ветра и позволяет сохранять неизменным коэффициент инжекции, что обеспечивает качественное сжигание газа. Расположение отверстий для подачи воздуха к инжектору в нижней части рефлектора позволяет исключить влияние удаляемых продуктов сгорания на работу горелки. Ветрозащитный кожух исключает первую из вышеуказанных причин погасания горелок. Вторую причину погасания горелок на ветру надо устранять за счёт повышения температуры поверхности насадка.

Горелка ГИИВ-1 устойчиво работает при скорости ветра до 5,5 м/с и тепловой мощности 1,98-3,72 кВт (при сжигании природного газа) и 1,98-2,91 кВт(при сжигании СУГ).

 

Также промышленность выпускала горелки ГИИВ-2 и «Марс», которые по устройству, принципу работы и области применения аналогичны ГИИВ-1. Существовала ещё горелка ГИИБл для сушки и тепловой обработки материалов, виброустойчивая блочная горелка ВИГ-1 способная выдержать небольшие вибрационные и ударные нагрузки, горелки «Звёздочка» и «Унифицированная». Горелка «Звёздочка» предназначалась для обогрева людей, а «Унифицированная» для тепловой обработки различных материалов и изделий, для локального обогрева рабочих мест и оборудования.

 

Заключение

 

В России уже несколько лет эксплуатируются более сотни крупных и средних комплексов и объектов, отопление которых осуществляют газовые горелки инфракрасного излучения. За время эксплуатации данные системы обогрева подтвердили свою надежность и эффективность как по обеспечению параметров микроклимата, так и по расходу газа. Газовые инфракрасные излучатели более экономичны, чем электрические инфракрасные излучатели за счет более низкой стоимости природного газа. Эффективность лучистого отопления заключается в том, что тепловое инфракрасное излучение пронизывает воздух почти беспрепятственно. Оно становится действенным только при попадании тепловых лучей на твердые тела. Нагревание комнатного воздуха является лишь вторичным в результате его взаимодействия с поверхностью этих тел.

Список литературы

 

1. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Вигдорчик Д.Я. - Справочник по газоснабжению и использованию газа.-Л.: Недра, 1990.-762с.