В последнее время в энергетической промышленности наибольшее применение получили жаротрубные водогрейные котлы. Они находят широкое применение в районных, заводских и коммунально – бытовых отопительных котельных, приходя на смену чугунным водогрейным котлам. Их изготавливают для нагрева воды до 100 – 110 0С при давлении, редко превышающем 0,2 Мпа. Эти котлы имеют небольшие по высоте дымовые трубы (8 – 12 м) и незначительные объемы продуктов сгорания.
В жаротрубных котлах газ сгорает в топке, а затем дымовые газы проходят по системе труб, погруженных в нагреваемую воду и объединенным общим корпусом.
Недостатками этих котлов является высокая температура уходящих газов, прогар задней стенки котла, пережог труб газотрубного пучка в месте крепления их в трубной решетке поворотной камеры. Пережог труб возможен из-за высокой температуры газов на выходе из поворотной камеры (1200 – 1300 0С), повышенного объёмного и поверхностного тепловыделения в поворотной камере, а также из-за низкого качества подготовки питательной воды, что ухудшает отвод теплоты от труб и трубной решетки. Чтобы этого избежать необходимо либо качественно очищать воду от примесей, либо избегать их отложения за счет исключения кипения на поверхности котла.В жаротрубных котлах обычно устанавливают двухпроводные горелки частичного или незавершенного предварительгого смешения газа и воздуха с принудительной подачей воздуха.
К недостаткам горелок данного типа относят: а) наличие движущихся частей, надежность работы которых может быть нарушена при их нагреве от теплового излучения топки; б) ограниченный диапазон допустимого изменения тепловой мощности; в) сложность изготовления; г) резкое увеличение размеров с ростом тепловой мощности; д) значительные затраты элекроэнергии на дутьевые вентиляторы; е) отсутствие оптимальных условий для нормального перемешивания газа и воздуха, которое заканчивается в топке котельного агрегата, вследствие чего пламя имеет значительно большую длину.
Достоинствами горелок с незавершенным смешением, помимо неограниченной производительности, являются возможность создания факела нужной длины, конфигурации и опасность проскока пламени даже при очень широких пределах регулирования и их малые габариты. Прогар задней стенки трубы возникает из-за развития длинного пламени, обусловленного плохим перемешиванием газа с воздухом, которое влечет за собой потери с химическим недожегом. Эти потери увеличивают температуру уходящих газов, тем самым понижая КПД котла и увеличивая расход топлива, что неприемлемо.
В рассматриваемых горелках характер газового факела определяется основной ролью горелки как смесеобразователя заданной интенсивности. При частичном предварительном смешении газа с воздухом в горелке горение факела происходит не по внешней пламенной оболочке. Горение с помощью микродиффузии происходит по всему сечению факела с примерно равной интенсивностью (по мере образования горючей смеси) на поверхности раздробленных газовых частиц, окруженных воздухом. Характерным для факельного процесса является то, что элементарные объёмы газа, попавшие в наиболее неблагоприятные условия, и определяют в конечном итоге длину факела и необходимые для полного выгорания газа набариты топки.Для ускорения процесса смешения газ чаще всего подается через ряд щелей или отверстий, оси которых направлены под углом к потоку воздуха. Опыты показали, что такой процесс действительно характеризуется повышенной интенсивностью смешения, значительной устойчивостью горения при широких пределах изменения коэффициента избытка воздуха.
Совершенство процессов перемешивания не только в горелке, но и в факеле определяет допустимую величину теплового напряжения, вид и характер факела горения. Однако в жаротрубных котлах малой мощности с центральной подачей газа двухрядное расположение сопел не способствует улучшению смесеобразования, поэтому не обходимо улучшить смесеобразование газа и воздуха, располагая газовые сопла в один ряд для лучшего распределения газа и уменьшая их диаметр.
Для определения оптимального варианта диаметры газовыпускных отверстий изменились в сторону их увеличения или уменьшения в диапазоне 30 – 70%, после чего проводили расчеты конструктивных параметров горелочного устройства (таблица 1).
Таблица 1 - Расчёт конструктивных параметров горелки
| Наименование параметра | Вариант 1 | Вариант 2 | Вариант 3 |
| Диаметр сопла, мм | 7 | 10 | 13 |
| Скорость газовоздушной смеси, м/с | 44,9 | 34,5 | 26,6 |
| Скорость воздуха, м/с | 11,06 | 11,06 | 11,06 |
| Расстояние между осями, мм | 16,63 | 33,94 | 57,36 |
| Площадь поперечного сечения сопла, м2 | 0,0141 | 0,00691 | 0,0041 |
| Количество газовыпускных отверстий, шт. | 16 | 8 | 5 |
| Длина факела, мм | 1717 | 2453 | 3188 |
Наиболее оптимальный вариант - это вариант 1, который имеет параметры, представленные в таблице 2.
Таблица 2
| Наименование параметра | Вариант 1 |
| Диаметр сопла, мм | 7 |
| Скорость газовоздушной смеси, м/с | 44,9 |
| Скорость воздуха, м/с | 11,06 |
| Расстояние между осями, мм | 16,63 |
| Площадь поперечного сечения сопла, м2 | 0,0141 |
| Количество газовыпускных отверстий, шт. | 16 |
| Длина факела, мм | 1717 |
Внедрение данной горелки позволяет снизить химический недожег и вредные выбросы азота.