Горелка как устройство для сжигания топлива¶

Горелка — устройство для смешивания топлива с окислителем и подачи образовавшейся смеси к месту сгорания с целью получения устойчивого факела пламени, нагрева или расплава материалов. Относится к теплогенерирующему оборудованию; применяется в промышленности, энергетике, коммунальном хозяйстве, быту, а также в лабораторной практике. Основные характеристики горелки — тепловая мощность, вид топлива и окислителя, способ смесеобразования и коэффициент избытка воздуха.

¶Принцип работы

В основе работы горелки лежит организация устойчивого горения. Топливо (газ, жидкое или пылевидное твёрдое) и окислитель (обычно воздух, реже кислород) подаются в устройство, где смешиваются и воспламеняются. Устойчивость факела обеспечивается непрерывным подводом реагентов и стабилизацией фронта пламени — например, за счёт завихрения потока, применения стабилизирующих тел или обратных токов горячих газов.

Ключевые параметры:

тепловая мощность (кВт или МВт);
коэффициент избытка воздуха α (отношение фактического расхода воздуха к теоретически необходимому);
давление топлива и воздуха перед горелкой;
диапазон регулирования (отношение максимальной мощности к минимальной);
температура и состав продуктов сгорания.

¶Классификация

¶По виду топлива

Газовые — работают на природном газе, сжиженном газе, пропан-бутановых смесях. Наиболее распространены в быту и промышленности.
Жидкотопливные — используют дизельное топливо, мазут, керосин; часто снабжаются форсункой для распыления.
Комбинированные (газожидкотопливные) — способны работать на двух видах топлива.
Пылеугольные — применяются на тепловых электростанциях.
Пилотные и запальные — маломощные, для розжига основных горелок.

¶По способу смесеобразования

Диффузионные — топливо и воздух смешиваются в зоне горения; устойчивы, но требуют большего объёма.
Кинетические (с предварительным смешением) — смесь готовится до выхода из горелки; дают короткое яркое пламя.
Смешанные — сочетают оба принципа.

¶По назначению

Бытовые (плиты, колонки, котлы), промышленные (печи, сушилки, котлоагрегаты), лабораторные (спиртовки, горелки Бунзена, Меккера, Теклю), сварочные (газовые резаки и сварочные горелки).

¶История

Простейшие горелки известны с древности: масляные лампы с фитилём фактически выполняли функцию испарителя и подачи топлива. В XIX веке развитие газового освещения привело к появлению газовых рожков и первых смесительных горелок. В 1855 году немецкий химик Роберт Бунзен совместно с Петером Десagой разработал лабораторную газовую горелку, позволявшую получать высокотемпературное бесцветное пламя за счёт подсоса воздуха. В XX веке, с распространением магистрального газа и жидкого топлива, горелки стали основой отопительной техники и промышленной теплоэнергетики. В России массовая газификация и производство горелочных устройств для котлов и печей развивались с середины XX века.

¶Устройство

Типичная газовая горелка включает:

корпус с патрубками подвода топлива и воздуха;
смеситель (эжектор или завихритель);
форсунку или газовый коллектор с отверстиями;
стабилизатор пламени;
систему автоматики безопасности (датчики пламени, клапаны).

В жидкотопливных горелках добавляются топливный насос, фильтр, подогреватель и распылительная форсунка. Современные горелки оснащаются электронным блоком управления, контролирующим розжиг, пламя и аварийное отключение подачи топлива.

¶Применение

Бытовые газовые приборы: кухонные плиты, водонагревательные колонки, отопительные котлы.
Промышленная теплотехника: нагревательные и плавильные печи, сушильные установки, котлы ТЭЦ.
Сварка и резка металлов: ацетилено-кислородные и пропан-кислородные горелки.
Лабораторная практика: нагрев, стерилизация, пайка.
Авиация и ракетостроение: камеры сгорания двигателей, форсунки.

¶Безопасность

Эксплуатация горелок связана с риском утечки топлива, взрыва и отравления продуктами сгорания. Обязательны контроль герметичности, вентиляция помещений, установка датчиков угарного газа и автоматики, перекрывающей подачу топлива при погасании пламени. В России требования к газовым горелкам устанавливаются техническими регламентами и правилами безопасности систем газораспределения и газопотребления.

¶Экологические аспекты

Продукты сгорания содержат оксиды азота, углерода и серы. Для снижения выбросов применяют ступенчатое сжигание, рециркуляцию дымовых газов, предварительное смешение и точное регулирование коэффициента избытка воздуха. Перевод котельных с твёрдого и жидкого топлива на газ существенно снижает выбросы сажи и сернистых соединений.

¶Интересные факты

Пламя горелки Бунзена имеет две зоны: внутреннюю (восстановительную) и внешнюю (окислительную), что используется в химическом анализе.
Коэффициент полезного действия современных конденсационных горелок и котлов может превышать 100 % по отношению к низшей теплоте сгорания за счёт утилизации теплоты конденсации водяного пара.
Диапазон регулирования промышленных горелок достигает 1:10 и более.

Источники: технические регламенты и справочники по теплотехнике, учебные пособия по газоснабжению и горению, отраслевые издания по котельному оборудованию.