Organele comune ale arzatorelor

ORGANELE COMUNE ALE ARZATORELOR

Datorita faptului ca la diferite tipuri de arzatoare exista functii comune,care se realizeaza in mod analog,arzatoarele au in constructia lor o serie de organe commune.

Domeniul,in care un anumit organ este intalnit la mai multe tipuri de arzatoare si  chiar la mai multe categorii,poate fi mai larg sau mai restrans si depinde de functia pe care o indeplineste.

Astfel, functia cea mai generala care se intalneste la toate arzatoarele este pregatirea amestecului;aceasta este realizata de corpul arzatorului.La fel de generala este functia de inchidere,deschidere si reglare a debitelor,pe care o indeplinesc robinetele,sau functia de sustinere si fixare a arzatoarelor.Alte functii au un domeniu mai restrans,de exemplu pulverizarea care se intalneste numai la o parte din arzatoarele ce folosesc combustibili lichizi.

Pentru unul si acelasi organ exista diferente mari comstructive,solutiile depinzand de natura combustibililor,de debite,de temperature,de modul in care se realizeaza amestecul,de numarul de arzatoare cerute etc.

Cele mai importante organe ale arzatoarelor sunt:

-corpul,

-capul,

-organele de fixare sau sustinere,

-racordurile,

-ajutajele si organelle de pulverizare,

-dispozitivele de deschidere-inchidere si reglare.

Este important ca organele supuse mai mult deteriorarii si uzurii sa se poata inlocui usor,iar acolo unde este posibil sa se intrebuinteze piese standardizate,produse in serii.

Corpul,capul,organele de fixare si de racordare

Corpul arzatoarelor are ca functie de baza pregatirea amestecului combustibil-aer;pentru aceasta el trebuie sa indeplineasca mai multe conditii:amestecarea sa se produca in interiorul sau exteriorul sau;curentul de aer sa fie turbulent sau laminar;sa fie accesibil pentru intretinere si reparare etc.

Amestecul gaz-aer sau praf-aer se realizeaza prin injectarea combustibilului(care este in cantitate mai mica) in curentul de aer,indiferent daca aceasta se face din interior spre exterior sau din exterior spre centru.Din cercetarile effectuate in U.R.S.S. a rezultat ca in cazul gazelor solutia ultima este mai buna,in timp ce la combustibilii solizi sub forma de praf prima solutie da rezultate mai bune.

La arzatoarele tangentiale,figura 4.37 si 4.38,miscarea elicoidala a aerului se realizeaza prin introducerea tangentiala a acestuia la capatul corpului,in schimb la cele turbionare aceasta se realizeaza cu ajutorul unor palete directoare fixe sau mobile.

Exceptie fac arzatoarele  de gaze cu aer aspirat,la care amestecul turbulent se realizeaza prin injectarea gazului cu viteza mare in camera de amestec fara a mai fi necesare paletele.

Pe langa conditiile functionale,arzatoarele trebuie sa indeplineasca si unele conditii generale constructive ca:rezistenta mecanica si termica,rezistenta minima la curgerea fluidului,posibilitatea racirii partilor expuse radiatiei flacarii,asigurarea fixarii(fie direct pe agregatul deservit,cu realizarea unei etansari fata de atmosfera,fie la distanta pentru a permite o aspirare suplimentare de aer),executia corecta a racordurilor necesare pentru combustibil si aer etc.

Constructia arzatorului trebuie sa fie cat mai simpla usor de realizat.Din punct de vedere economic este recomandabil sa se intrebuinteze arzatoare de serie,bine studiate si verificate.

In acest caz corpurile se executa prin turnare de precizie cu prelucrari minime si cu piese interschimbabile.Situatia aceasta se intalneste la arzatoare de capacitate mica pentru uz industrial si casnic,de exemplu arzatoarele de gaze tip TD,GAR etc.

In cazul arzatoarelor de mare capacitate,construite special pentru o anumita instalatie sau agregat,executarea prin turnare a unui numar mic de bucati nu mai este economica si se recurge la constructia din laminate sudate.

Pentru arzatoarele de capacitate medie se procedeaza de la caz la caz, in functie de conditiile ce trebuie realizate,fie intrebuintand mai multor arzatoare tipizate de capacitate mai mica,fie un singur arzator cu capacitatea ceruta,tipizat sau construit special.

Ca material de constructie,pentru corpul arzatoarelor,fonta prezinta avantajul unei rezistente la oxidare mai mari decat a otelului si o reproductibilitate dimensionala mai buna in cazul executiei in serie.In multe cazuri,la arzatoarele executate din otel laminat sau din fonta se folosesc piese din material refractar ceramic,in special piesele de cap.La arzatoarele pentru combustibili lichizi se intrebuinteaza si alama sau bronzul(la piesele pulverizatorului,iar la cele care se cufunda in lichide,piesele se executa din otel inoxidabil).

Capul arzatoarelor poate avea mai multe functiuni decat corpul;aceasta depinde de tipul arzatorului.Astfel,in cazul arzatoarelor cu preamestec el face dirijarea curentului de amestec la intrarea in focar si impiedica intoarcerea sau desprinderea flacarii.La arzatoarele fara preamestec,capul asigura formarea amestecului prin turbionare sau prin curenti paraleli.La unele arzatoare pentru combustibili lichizi sau la cele combinate,pe langa capul arzatorului,apare si capul pulverizatorului plasat central pentru a obliga curentul de aer sa strabata panza conica de lichid pulverizat.La majoritatea arzatoarelor cu pulverizare prin aer,capul arzatorului se confunda cu al pulverizatorului.

Capul are in general o sectiune circulara,cu exceptia arzatoarelor de mare capacitate,fara preamestec,cu injectarea gazului din tevi plasate pe periferie,la care sectiunea este dreptunghiulara sau patrata,fiind impusa de conditii constructive care depind de focar.Mai fac exceptie arzatoarele lamelare si cele speciale,la care se dau flacari ,forme diferite,dependente de forma pieselor de incalzit.

La arzatoarele cu amestec exterior(fara preamestec) nu se ridica problema intoarcerii flacarii(mai rar aceea a desprinderii) in timp ce la cele cu preamestec,aceasta este o problema de baza.Modul in care se evita intoarcerea flacarii difera de la o cateorie de arzatoare la alta;in principui solutia se bazeaza pe 2 fenomene:aprinderea si propagarea flacarii.

Pentru amorsarea reactiei de oxidare,trebuie realizata o anumita temperatura minima.Daca flacara se raceste in toata sectiunea sub aceasta temperatura,ea se stinge.

Evitarea intoarcerii se bazeaza pe racirea flacarii prin divizarea ei cu ajutorul unor retele, orificii,lamele etc. ce se mentin la temperaturi relative scazute.

Flacara se propaga intr-un amestec combustibil cu o anumita viteza ce depinde de temperatura,de proportia componentilor in amestec si de natura combustibilului.Daca viteza de curgere a amestecului este mai mare decat viteza de propagare a flacarii,frontal flacarii se indeparteaza de arzator pana in zona in care sectiunea marita prin evazarea vanei asigura viteze egale.Invers,daca viteza amstecului este mai mica decat viteza de propagare a flacarii,aceasta se apropie de arzator patrunzand in interior pana intr-o sectiune in care vitezele devin egale.In mod normal aceasta situatie apare numai la sarcini reduse(la debite sub debitul nominal) si are ca uramre ardereaa(oxidarea) capula sau corpului arzatorului.

Desprinderea flacarii se evita prin dimensionarea capului astfel ca vitezele maxime sa nu depaseasca,la distanta prevazuta pentru formarea frontului flacarii,viteza de propagare,sau prin turbionarea puternica a amestecului in asa fel ca flacara sa fie partial intoarsa spre cap,asigurand aprinderea dinspre exterior a vinei.De asemenea,desprinderea se poate evita reducand viteza amestecului prin evazarea ambrazurii sau prin producerea unei flacari inelare de slaba intensitate,in jurul vinei principale,care constituie o sursa permanenta de amorsare.

Referat: Ferastrau circular cu masa mobila Referat: Criterii pentru aprecierea rezistentei la foc

Flacara inelara se realizeaza fie prin reducerea vitezei unui strat de la suprafata vinei,impiedicand in acelasi timp patrunderea flacarii in arzator,fie conducand o parte din vina principala intr-o camera inelara plasand in jurul capului,alimentata prin mai multe orificii prevazute in peretele despartitor.

In primul caz se reduce sectiunea de iesire sau prin ingrosarea peretelui capului pe o mica distanta si apoi se gaureste peretele in lung,paralel cu axa capului,realizandu-se o retea circulara de canale,sau printr-o piesa separata ce se monteaza in capul arzatorului.In acest fel,o parte din gaze sunt obligate sa treaca prin aceste canale cu o viteza redusa arzand apoi la iesirea in imediata apropiere a capului,intoarcerea fiind impiedicata prin racirea in canale.Acest sistem se foloseste de obicei la arzatoarele mici.

In cazul al 2-lea,in locul inelului format din flacari mici,deschiderea circulara,concentrica cu gura arzatorului,formeaza o singura flacara apropiata,care imbraca jetul de gaze.Aceasta solutie este larg intrebuitata la arzatoarele cu asipratie de capacitate mica si mijlocie.

La arzatoarele pentru combustibili lichizi,stabilizarea flacarii(impiedicarea desprinderii) se realizeaza usor printr-o puternica turbionare a aerului care intoarce partial gazele fierbinti.Turbionarea se asigura prin palete dispuse in jurul capului arzatorului,prin placi de stabilizare sau prin sisteme combinate.

Capul arzatoarelor fara flacara se executa in 2 variante de baza:cu tunel,de ardere sau cu membrane poroasa.In ambele cazuri,capul se executa din material refractar rezistent la temperature ridicate(peste 1450 ° C la tunele si 1200°C la membrane) si la socuri termice.

Materialele refractare din magneziu sau din cromita rezista in bune conditii si la timp indelungat la 1400°C.Peste aceasta temperatura se utilizeaza carborundul sau samota cu continut de alumina de peste 75%.Tunelurile de ardere au de obicei forma cilindrica,iar la unele arzatoare de mare capacitate au forma multicelulara.Membranele se executa fie din material cu granule mari,printre care raman spatiile de trecere necesare, fie din material mai compact in care se preseaza canale cilindrice de trecere,cu diametric de 1.3 mm.

Capul,fiind elemental cel mai expus temperaturilor inalte din focar,este racit , la arzatoarele cele mai solicitate termic,cu aer sau cu apa;in acest scop el este prevazut cu aripioare, in cazul racirii cu aer sau cu canale circulare in cazul racirii cu apa.De obicei,capul se executa demontabil pentru a putea fi inlocuit daca se arde.

Arzatoarele se fixeaza pe imbracamintea cuptoarelor sau a cazanelor,cel mai frecvent,prin flanse;acest mod de fixare asigura si posibilitatea unei etansari bune cu placi de

 azbest sau cu sfoara de azbest,conditie importanta pentru evitarea patrunderii necontrolabile de aer fals care ar mari execesul de aer,micsorand randamentul arderii.

Flansele fac parte din corpul arzatorului sau unori din capul acestuia;forma lor este circulara, patrata sau dreptunghiulara in functie de forma corpului arzatorului.Forma flanselor nu depinde de marimea arzatoarelor.

Urechile pentru fixarea arzatoarelor mici se executa prin turnare impreuna cu corpul.Se prevad 2 urechi asezate simetric pe un guler inelar care asigura si etansarea.

Daca arzatoarele se monteaza distantat fata de peretele cuptorului, urechile se prind de suporti independenti si nu direct pe imbracaminte.

Arzatoarele mici,pentru gaze sau combustibili lichizi,care nu se monteaza etans pe cuptor,se fixeaza prin racordurile de alimentare si sunt sustinute chiar de conducte.

Arzatoarele cu suprafata mare de ardere,care servesc la incalzirea unor cazane de calorifer sau la incalzirea unor suprafete mari,se sprijina pe suporti prevazuti la partea inferioara a focarului sau pe cadrul cutiei de distribuire a aerului.

Dimensiunile racordurilor sunt impuse de debitele si de vitezele admise,iar forma lor de conditiile de realizare a unei curgeri cu pierderi minime si a unei etansari corecte.Mai des utilizate sunt 2 sisteme de racordare:prin mufa sau prin flansa.

Primul se foloseste la arzatoarele mici si mijlocii cu diametre de maximum 4' , in functie de robinete,si numai in cazul fluidelor reci, etansarea se executa cu canepa.

Racordarea prin flanse se foloseste la diametre mari iar in cazul fluidelor preincalzite (gaze sau lichide) , atat la diametre mari cat si la cele mici.

Racordurile se executa prin turnare din profile laminate sudate,in functie de modul de executie al corpului.Sectiunea racordului cu flansa poate fi rotunda,patrata sau dreptunghiulara;ultimele doua forme sunt mai frecvente la racordarea conductelor de aer pentru debite mari.

Ajutaje si organe de pulverizare

La arzatoarele de gaze cu insuflare,un rol important in realizarea amstecului il are modul de introducere a gazului in curentul de aer.La arzatoarele cu aspiratie,aspirarea aerului si turbionarea necesara amestecarii se realizeaza prin injectarea gazului.Aceste functii le indeplineste ajutajul( duza ) .

Importanta formei geometrice a ajutajului este mai mare in cazul aspiratiei aerului,deoarece aceasta depinde de randamentul transformarii energiei potentiale energie cinetica, randament ce depinde la randul sau de coeficientii de debit ai ajutajului,respective de forma lui si de calitatea prelucrarii.Valoarea coeficientului de debit este cuprinsa intre 0,6 si 0,95 .

Valoarea ce se poate realiza in practica cu mijloace obisnuite este de 0,8-0,84.

Realizarea valorii maxime de 0,95 pretinde racordari si prelucrari deosebit de ingrijite.

In diagrama din figura 2.6 este data de dependenta coeficientului de debit µ de conicitatea orificiului ajutajului si valorile coeficientilor cu debit pentru cateva tipuri de ajutaje (a.e);dintre aceste tipuri cel mai utilizat este tipul a, a carui conicitate se poate realiza cu un burghiu spiral obisnuit.

La arzatoarele mari de gaze, injectarea gazului se face din distribuitoare dispuse periferic,printr-un numar mare de orificii care in mod normal nu depasesc diametrul de 6 mm; directia de curgere a gazului este perpendiculara pe aceea a aerului.Ambrazura se executa,fie cilindric fie cu con divergent spre iesire,pentru a realiza o  micsorare a vitezei amestecului in camera de ardere.

La arzatoarele de praf de carbune injectia prafului prin aerul de transport se face dintr-un tub cu capatul evazat avand si un con de distributie care formeaza o panza conica de combustibil, in curentul de aer,asigurandu-se astfel amestecarea in bune conditii.

Pulverizarea combustibilului lichid, a carei importanta si principii au fost aratate,se realizeaza, in funtie de energia disponibila,prin producerea unei viteze relative suficient de mari intre fluidul auxiliar si combustibil,sau intre combustibil si aer,la pulverizarea mecanica.In ambele cazuri, spargerea picaturilor este produsa de rezistenta aerului(frecare) prin dezechilibrul fortelor interne si externe,ce actioneaza asupra picaturii.

O conditie de baza pentru a asigura viteze relative cat mai mari este ca directiile de curgere ale combustibilului si agentului de pulverizare sa se intersecteze sub unghiuri suficient de mari,(pana la 90°) limitate de conditiile hidrodinamice sau constructive.

In cazul pulverizarii cu fluide auxiliare,organele principale care asigura viteze mari sunt ajutajele,sau piesele cu orificii cilindrice si dreptunghiulare etc.

La pulverizarea mecanica se formeaza o panza conica de lichid ce se decompune in picaturi fine datorita miscarii de rotatie a lichidului.Aceasta se obtine prin introducerea lichidului intr-o camera de turbionare prin orificii tangentiale,prin piese cu crestaturi tangentiale,sau prin canale.

Combustibili si arderea lor

Arderea combustibililor constituie in present principala sursa de caldura necesara desfasurarii proceselor termice in cuptoarele metalurgice.

Combustibilii industriali sunt amestecuri mecanice sau chimice de diferite substante combustibile volatile,minerale si apa.

La alegerea corecta a unui combustibil trebuie sa se tina seama de compozitia chimica,puterea calorica si mecanismele procesului de ardere.

Compozitia chimica

Compozitia chimica pune in evidenta participarea constituentilor chimici la alcatuirea masei combustibilului.Partile componente le unei probe initiale de combustibil lichid sau gazos sunt redate in figura 15,iar cele ale unei probe de combustibil solid,in figura 16.

Proba initiala .umiditate

. masa uscata - masa necombustibila -lichizi (,)

-gazosi(,,)

-masa combustibila -lichizi(C,S,)

-gazosi(CO, ,S,)

Fig. 15. Structura compozitiei chimice a combustibililor lichizi si gazosi

Proba initiala.umiditate

.masa uscata-cenusa

-masa comestibila-substante volatile

-carbon(reziduu de cocs)

-sulf

Figura 16 Structura compozitiei chimice a combustibililor solizi

Compozitia chimica a combustibililor se exprima in procente sau fractii zecimale subunitare si reda cantitatea din fiecare constituent continuta in unitatea de combustibil.

Puterea calorica

In tehnica se lucreaza cu puterea calorica inferioara . Ea se masoara in kcal/kg sau kJ/kg pentru combustibilii solizi si lichizi si in kcal/N pentru combustibilii sunt prezentate in tabela 3.

Compozitia chimica a unor combustibili gazosi artificiali

Mecanismul proceselor de ardere

Fenomenele care au loc in timpul arderii combustibililor sunt foarte complicate si difera de la o grupa la alta de combustibil(solid,lichid sau gazos).In general,un proces de ardere se compune din urmatoarele faze succesive:faza pregatirii arderii,aprinderea si arderea propriu-zisa.

In totalitatea ei arderea este o reactie de oxidare insotita de degajare puternica de caldura.Reactiile de oxidare care au loc in timpul arderii si cantitatile de caldura rezultate sunt prezentate in tabela 4.La ardere se degajeaza gaze numite "produse de ardere" sau "gaze arse".

Pregatirea arderii consta din doua procese:formarea amestecului intre combustibil si aerul necesar arderii(aerul de combustie) si inceperea reactiilor lente de oxidare in prezenta unei surse externe de caldura.

Formarea amestecului presupune realizarea unui contact cat mai intim intre moleculele combustibilului si moleculele de oxigen din aerul de ardere.

In cazul combustibililor gazosi amestecul se realizeaza usor,intrucat cei doi componenti difuzeaza unul in celalalt.

La arderea combustibililor solizi si lichizi,amestecul se formeaza prin pulverizarea acestora.Prin pulverizare se obtin particule foarte fine de combustibil,ceea ce determina cresterea suprafetei de contact dintre combustibil si aer.

Pacura se pulverizeaza in instalatii speciale de ardere(injectoare) cu ajutorul aerului si aburului sub presiune.Pentru a putea fi pulverizati in jet de aer,combustibilii solizi se macina in prealabil.

De asemenea in scopul obtinerii unui amestec cat mai bun, se practica metoda folosirii unei cantitati de aer mai mare decat cantitatea minima calculate stoechiometrie pe baza reactiilor de ardere.

Numarul care indica de cate ori este mai mare cantitatea reala de ardere decat cea minima se numeste coeficient de exces de aer (λa).

La arderea combustibililor solizi,in afara celor doua  procese mai au loc urmatoarele fenomene:uscarea combustibilului si descompunerea sa in carbon(reziduu de cocs) si materii volatile(diferite combinatii gazoase care parasesc combustibilul).

Aprinderea.

In urma reactiilor lente care au loc in faza de pregatire a arderii,in amestec se acumuleaza caldura.La un moment dat aceasta caldura este suficienta ptr desfasurarea reactiei de oxidare cu degajare de caldura si de cantitati apreciabile de gaze arse.

Acest moment corespunde temperaturii de aprindere a combustibilului respectiv.

Temperatura de aprindere este temperatura de aprindere la care apare prima flacara,indiferent daca ea persista sau nu.

Usurinta cu care se produce aprinderea depinde de:

Compozitia amestecului de ardere(combustibil si aer);aprinderea amestecurilor gazoase se realizeaza numai intre anumite limite de concentratie a combustibilului in amestec, numite limite de aprindere sau de inflamabilitate;in tabela 6 sunt indicate limitele de inflamabilitate ptr cativa combustibili gazosi;

Compozitia chimica a combustibililor;prezenta in masa combustibilului a unor combinatii volatile avide de oxigen determina o aprindere mai usoara;aceste substante sunt prezente in special in compozitia combustibililor lichizi,mai putin in compozitia combustibililor solizi si lipsesc complet din compozitia celor gazosi;din aceasta cauza temperaturile de aprindere a combustibililor difera de la o grupa la alta;

Suprafata de contact dintre combustibil si aer;cu cat aceasta suprafata este mai mare cu atat aprinderea se produce mai usor.

Din aceasta cauza combustibilii solizi in bucati mici se aprind mai repede decat cei in bucati mari.

Aprinderea propriu-zisa

Dupa aprinderea combustibilului reactiile de oxidare se desfasoara repede,degajandu-se mari cantitati de caldura si de gaze arse.Gazele arse inmagazineaza caldura rezultata in urma arderii si ating starea de incandescenta.Amestecul de gaze arse ajung in stare de incandescenta formeaza flacara.Temperatura flacarii creste pana la o anumita limita,numita temperatura de ardere,la care cantitatea de caldura absorbita in urma arderii este egala cu cantitatea de caldura cedata in mediul exterior.

In afara de temperatura de ardere un alt parametru care caracterizeaza arderea este viteza de ardere prin care se intelege viteza de propagare a flacarii in amestec.In majoritatea cazurilor,combustibilii gazosi ard cu flacara vizibila.Viteza de ardere este maxima ptr anumite concentratii ale combustibilului in amestec,devenind nula la limitele de inflamabilitate,

La arderea combustibililor lichizi ,picaturile de lichid se descompun in hidrocarburi,hidrogen si carbon solid care ard concomitent.Din aceasta cauza in flacara combustibililor lichizi exista o faza gazoasa,una lichida si una solida,flacara avand un caaracter eterogen.

Aprinderea combustibililor consta in arderea materiilor volatile degajate in fazele anterioare si a reziduului de cocs.Cu cat cantitatea de materii volatile este mai mare,cu atat flacara este mai lunga si mai luminoasa.Cocsul care nu contine substante volatile arde cu o flacara scurta,practic invizibila.

Calculul arderii combustibililor

Calculul arderii combustibilului se efctueaza cu scopul de a termina:cantitatea de aer necesar ptr a arde,cantitatea si compozitia gazelor arse si temperature de ardere.

Calculul cantitatii de aer necesar arderii

Cantitatea de oxigen necesara arderii notata cu ()min se calculeaza stoechiometric pe baza reactiilor de oxidare.

Pentru combustibilii gazosi calculul se efectueaza astfel:conform legii lui Avogadro,pentru arderea a 1 N de CO sunt necesari ½ N de ;pentru arderea a 1 N -1/2 N de  etc.