Аэродинамика топочной камеры

Основные факторы, определяющие структуру потоков в топочной камере

Конфигурация топочной камеры, способы компоновки в ней горелок, начальная аэродинамическая структура факела на выходе из горелки, способы ввода отработавшего сушильного агента в пылеугольных котлах и воздуха на формирование топливовоздушной смеси — все эти факторы в комплексе и во взаимодействии осуществляют организацию аэродинамической структуры потока в топочной камере. Затем уже следует развитие процессов смешения, воспламенения и выгорания топлива, теплообмена с ограждающими экранными испарительными и парогенерирующими поверхностями, шлакования, коррозии, образования загрязняющих вредных веществ. В целом аэродинамическое совершенство камерной топки определяется эффективностью использования полезного объема топки — уровнем теплонапряжения топочного объема, полнотой выгорания топлива, затратами на собственные нужды (тяга, дутье, подготовка топлива), надежностью поверхностей нагрева (проблемы шлакования, коррозии), экологичностью.

Прямоточные и вихревые аэродинамические структуры

Структура факела, характер потока продуктов сгорания складывается в результате турбулентного взаимодействия прямоточных и вихревых аэродинамических структур — спутных, встречных, поперечных, а также ограждающих поверхностей топочной камеры.

1) Начальные прямоточные струи в топке

Такие начальные аэродинамические структуры используются в призматической топке с настенной либо подовой компоновкой для выдачи в топку топливовоздушной смеси через горелки. Они поступают по нормали к оси топки в горизонтальной плоскости (настенная компоновка) либо по вертикали вдоль оси топочной камеры (подовая компоновка). Предусматривается использование также в качестве поперечных прямоточных струй различных газовоздушных сред — рециркулирующих дымовых газов, части воздуха в виде встречных струй напротив основных горелок и под некоторым углом к оси горелок на смешение с факелом, а также в зоне восстановления и дожигания при двухи трехступенчатом сжигании. Все указанные прямоточные факела и потоки от вводов с настенной компоновкой разворачиваются в топке вдоль вертикальной оси, формируя общий восходящий поток топочных газов.

Прямоточные струи, выдаваемые тангенциально устанавливаемыми горелками, могут кардинально изменять аэродинамику топки, придавая ей вихревой высокотурбулизованный характер во всем сечении и объеме топки, вплоть до выхода из топки. В результате прямоточные струи формируют вихревую топку. Рассматриваемые вихревые топочные устройства образуют две основные группы, отличающиеся характером вихревых потоков в топочной камере. Тангенциальная, кольцевая топки отличаются наличием единого мощного вихревого потока горящей аэросмеси и топочных газов с вертикальной осью вращения. Здесь единый монолитный спиральный восходящий поток охватывает всю полость топочной камеры, исключая приосевую зону. Такая аэродинамическая структура обеспечивает воспламенение и стабилизацию факелов отдельных прямоточных горелок, сливающихся в единый факел.

Образование вертикального парного вихря в нижней части топки осуществляется также в системе нижнего дутья при подаче части вторичного воздуха плоскими смещенными струями вдоль наклонных скатов холодной воронки.

Таким образом, задачи стабилизации процесса горения и воспламенения топливо-воздушной смеси, смесеобразования и выгорания передаются от каждой отдельной горелки общему центральному вихрю.

2) Вихревые горелки в топочной камере

Вихревая горелка самостоятельно осуществляет стабилизацию факела, интенсификацию смесеобразования, определяет протяженность факела, регулируемость вихревого факела без аэродинамической поддержки топочных структур. Эти свойства определили широкое использование вихревых горелок в топочных устройствах большой и малой мощности. При установке в камерной топке вихревых горелок складывается система локальных вихрей с горизонтальной осью вращения, порождаемых отдельными вихревыми горелками. Эти локальные вихревые потоки достаточно быстро затухают, вырождаясь в отдельные прямоточные струи, придают прямоточный характер общему потоку топочных газов. Таким образом, вихревые горелки вследствие быстрой размываемости вихревых структур формируют локальные вихревые зоны, охватывающие лишь часть того топочного пространства, в котором осуществляется прямоточное движение топочных газов. Можно констатировать, что вихревые горелки не нарушают прямоточное движение продуктов сгорания в призматической топке.