Принцип работы плоскопламенных горелок основан на создании закрученного потока, который благодаря эффекту Коанда безотрывно растекается по поверхности свода, формируя плоский факел, обеспечивающий интенсивный конвективный нагрев кладки свода. Нагрев металла в таких печах происходит в значительной степени излучением от раскаленного свода.

В горелках типа ГР [1] осуществляются подача газообразного топлива вдоль оси горелки и тангенциальная подача окислителя (воздуха), в результате чего происходит их активное перемешивание в закрученном потоке, способствующее началу горения на поверхности горелочного камня, оказывающего каталитическое воздействие на этот процесс.

Растекающийся по поверхности свода поток частично состоит из продуктов сгорания, а частично – из перемешанных, но еще не сгоревших реагентов. В области рабочего пространства под горелками возникает эффект разрежения, приводящий к возникновению внутренних зон рециркуляции [2], в которых активные химические компоненты возвращаются к корню факела и активно перемешиваются с более горячими продуктами сгорания, где вступают в реакцию, увеличивая стабилизацию пламени в областях с относительно низкими скоростями [3; 4].

Совместное решение задач газодинамики, конвективной диффузии, горения топлива и теплообмена в пространстве, примыкающем к промышленной плоскопламенной горелке, является актуальным, поскольку правильность выбора конструктивных и режимных параметров обеспечивает возникновение разомкнутого факела, безотрывно растекающегося по поверхности свода, обеспечивающего его конвективный нагрев и последующую интенсивную передачу теплоты металлу радиационными механизмами. Сложность и взаимозависимость решаемых задач обусловили необходимость использования CFD-комплекса ANSYS Fluent.

Для исследования вопроса была построена 3D-модель фрагмента печи и плоскопламенной горелки. Для описания турбулентного течения применена k-ε модель турбулентности (RNG), для описания конвективной диффузии – модель Species Transport, взаимодействие химии и турбулентности учитывали с помощью подмодели Eddy Dissipation, параметры одноступенчатой реакции горения метана взяли из базы данных ANSYS Fluent.

Параметры моделируемой горелки соответствуют плоскопламенной горелке с тангенциальным подводом воздуха1 со следующими геометрическими характеристиками: диаметр горелочного камня – 250 мм, диаметр входного патрубка для воздуха – 150 мм, диаметр газового сопла – 60 мм, общая длина горелочного камня – 450 мм.

На рис. 1 показан разрез температурного поля фрагмента печи с установленной горелкой для расчета с расходом природного газа – 60 нм3/ч, воздуха – 600 нм3/ч (коэффициент избытка воздуха α = 1,05) при температуре воздуха и газа 20 °С. Свод и под печи приняты адиабатными.

Из представленных данных видно, что при выбранных параметрах происходит требуемое формирование плоского факела – выходящий из горелки поток прижимается к своду и растекается вдоль него, что соответствует принципу работы таких горелок. Изменение температуры печной среды вдоль оси горелки, представленное на рис. 2, показывает, что ядро горения с температурой в диапазоне 1850 – 2050 К локализовано в подсводовом слое толщиной около 75 мм. Наличие максимума температуры 2050 К в точке, отстоящей от плоскости поверхности свода на расстоянии L = 75 мм, обусловлено, видимо, тем, что в поток продуктов сгорания, смешанных с непрореагировавшими компонентами (температура смеси около 1850 К), подмешивается, вследствие разрежения под горелкой, часть печной среды того же состава. Это сопровождается дожиганием непрогоревшего топлива в зоне рециркуляции. При дальнейшем удалении от свода температура печной среды плавно снижается, достигая 800 – 900 К на расстоянии 100 – 150 мм от кладки.

Оптимизация конструкций и режимных параметров горелок для промышленных печей обусловлена необходимостью повышения энергоэффективности [5], а методы CFD позволяют улучшить процессы горения.

Выводы

Разработанная модель газодинамики, конвективной диффузии, горения топлива и теплообмена во фрагменте нагревательной печи с плоскопламенной горелкой адекватно отражает процессы, происходящие в рабочем пространстве печи, и может быть использована для определения рациональных режимных параметров работы горелки и (при дополнении моделью радиационного теплообмена) соответствующих им тепловых условий на поверхности нагреваемого металла.