Электроды поджига и ионизации в газовых горелках: принципы работы, типы и производители

1. Введение: Критическая роль электродов поджига и ионизации в технологии газовых горелок
   Газовые горелки широко применяются в самых разных областях, от бытового отопления и кухонных приборов до крупномасштабных промышленных процессов, требующих точной генерации тепловой энергии. Эффективная и безопасная работа этих систем во многом зависит от надежности ключевых компонентов, среди которых особое место занимают электроды поджига и ионизации.
   Надежный поджиг является краеугольным камнем любой системы газовой горелки, обеспечивая контролируемое начало процесса горения. Без стабильного и эффективного поджига горелки не могут функционировать, что приводит к простоям в работе и потенциальным угрозам безопасности.
   Не менее важную роль играют электроды ионизации, которые выступают в качестве датчиков, непрерывно контролируя стабильность и наличие пламени. Эта функция имеет первостепенное значение для безопасности, поскольку позволяет системе управления горелкой обнаруживать срывы пламени и предотвращать опасное скопление несгоревшего топлива.
   Целью данной статьи является всестороннее рассмотрение фундаментальных принципов работы этих электродов, изучение их различных типов, анализ материаловедения, лежащего в основе их конструкции, и подробный обзор ассортимента продукции тринадцати ведущих производителей в этой области.
   Растущее глобальное внимание к энергоэффективности и строгие нормы безопасности подчеркивают важность понимания и выбора оптимальных электродов поджига и ионизации для систем газовых горелок. Современные горелки требуют компонентов, которые не только надежно работают, но и способствуют общей эффективности системы и соблюдению требований безопасности.
   Синергия между надежным поджигом и непрерывным контролем пламени с помощью этих электродов является основополагающей для безопасной и эффективной работы газовых горелок, непосредственно влияя на потребление энергии и выбросы в окружающую среду. Первый искровой разряд должен надежно воспламенить газовоздушную смесь, а электрод ионизации должен затем последовательно подтверждать наличие стабильного пламени. Отказ на любом этапе может привести к неэффективной работе, увеличению выбросов или опасным условиям. Кроме того, этот отчет послужит ценным ресурсом для профессионалов отрасли, освещая доступность этих критически важных компонентов от компании Промэлектроника, ключевого дистрибьютора на рынке.
2. Фундаментальные принципы работы

• Физика искрового поджига в газовых горелках:

• Процесс поджига в газовой горелке обычно начинается с генерации высоковольтного электрического разряда, или искры, через тщательно определенный промежуток между одним или несколькими электродами. Это высокое напряжение, часто колеблющееся от нескольких киловольт до десятков киловольт, вырабатывается трансформатором зажигания или твердотельным электронным запальником.
• Когда приложенное напряжение превышает диэлектрическую прочность газа (обычно смеси воздуха и топлива) в электродном промежутке, происходит быстрая ионизация молекул газа. Эта ионизация создает кратковременный, электропроводящий плазменный канал, позволяя протекать импульсу тока – искре.
• Энергия, выделяемая этой искрой, нагревает газовую смесь до температуры, превышающей точку воспламенения, инициируя самоподдерживающуюся экзотермическую химическую реакцию – горение. Такие факторы, как величина и длительность импульса напряжения, расстояние между электродами (искровой промежуток), давление и температура газовой смеси, а также соотношение топлива и воздуха, существенно влияют на надежность и эффективность процесса поджига.
• В различных системах газовых горелок используются разные механизмы управления поджигом. Системы прямого искрового поджига (DSI) генерируют искру непосредственно у основной горелки для воспламенения газа. В отличие от них, системы с прерывистым запальником (IP) сначала поджигают небольшое запальное пламя, которое затем воспламеняет основную горелку после подтверждения наличия запального пламени.
• Эффективность искрового поджига определяется взаимодействием напряженности электрического поля и термодинамических свойств газовой смеси. Оптимальный поджиг требует достаточного выделения энергии в критическом объеме для преодоления энергетического барьера активации реакции горения. Искра должна быть достаточно горячей и длиться достаточно долго, чтобы инициировать самораспространяющееся ядро пламени. Недостаточная энергия или неправильно подобранный искровой промежуток могут привести к отказу поджига, особенно в сложных условиях, таких как низкие температуры или бедные топливные смеси.

• Обнаружение пламени посредством ионизации: основные механизмы:

• После установления горения высокие температуры внутри пламени вызывают диссоциацию и ионизацию молекул газа, образуя популяцию положительных ионов и свободных электронов. Эта ионизация делает пламя электропроводным.
• Системы обнаружения пламени часто используют эту проводимость для подтверждения наличия стабильного пламени. Распространенным методом является выпрямление пламени, которое обычно включает в себя пламенный стержень (электрод), погруженный в пламя, и корпус горелки, выступающий в качестве заземляющего электрода. Когда между пламенным стержнем и заземленной горелкой прикладывается напряжение переменного тока (AC), пламя действует как выпрямитель из-за различной подвижности положительных ионов и электронов.
• В течение одного полупериода напряжения переменного тока пламенный стержень является положительным и притягивает отрицательные электроны, что приводит к относительно высокому току. В течение другого полупериода пламенный стержень является отрицательным и притягивает положительные ионы, что приводит к более низкому току из-за меньшей подвижности ионов. Эта асимметрия тока создает пульсирующий сигнал постоянного тока (DC), который обнаруживается системой управления горелкой, подтверждая наличие пламени.
• Величина этого тока ионизации, обычно измеряемая в микроамперах, указывает на интенсивность и стабильность пламени. Если пламя гаснет, ток ионизации прекращается, сигнализируя о неисправности системе управления горелкой, которая затем может инициировать протоколы безопасности, такие как отключение подачи газа.
• Принцип обнаружения пламени посредством ионизации обеспечивает надежный и прямой метод проверки горения, внося значительный вклад в безопасность и эксплуатационную целостность систем газовых горелок. Наличие ионов в пламени является прямым и немедленным следствием процесса горения. Обнаружение этих ионов электрическими средствами предлагает надежный и быстрый способ подтвердить, что горелка работает должным образом, и быстро идентифицировать любые срывы пламени.

1. Типы электродов поджига

• Однополюсные электроды поджига: конструкция, функциональность и применение:

• Однополюсный электрод поджига обычно состоит из центрального металлического проводника, часто изготовленного из высокотемпературного сплава, заключенного в керамический изолятор. Изолятор электрически изолирует проводник от корпуса горелки или других заземленных компонентов.
• Функционально к проводнику прикладывается высоковольтный импульс, создавая электрическое поле на его конце. Искра генерируется разрядом электричества с конца электрода на близлежащую заземленную часть горелки, такую как крышка горелки или специально разработанный заземляющий элемент.
• Однополюсные электроды обычно используются в бытовых газовых приборах, таких как кухонные плиты, духовки и некоторые небольшие бытовые системы отопления, где простота и экономичность являются ключевыми факторами.
• Распространенной проблемой, возникающей с однополюсными системами зажигания, является непрерывное или прерывистое искрение. Часто это связано с коротким замыканием в одном или нескольких управляющих выключателях, часто вызванным попаданием жидкости. В других случаях причиной может быть неисправный модуль зажигания.
• Предлагая простое и экономичное решение для поджига, однополюсные электроды зависят от надежного заземления, и на их работу могут влиять такие факторы, как загрязнение электрода или изменения в пути заземления. Путь искры менее точно определен по сравнению с двухполюсными электродами, что делает их потенциально более восприимчивыми к изменениям в характеристиках поджига в зависимости от конкретной конструкции горелки и условий эксплуатации.

• Двухполюсные электроды поджига: конструкция, функциональность и применение:

• Двухполюсные электроды поджига состоят из двух проводящих стержней, обычно изготовленных из высокотемпературных сплавов, таких как кантал или никель-хром, разделенных определенным воздушным промежутком. Эти стержни удерживаются на месте и электрически изолированы друг от друга и от горелки керамическими изоляторами.
• Во время последовательности поджига к двум электродам прикладывается высоковольтный импульс, вызывая проскакивание искры через промежуток между их концами. Эта искра воспламеняет окружающую топливно-воздушную смесь.
• Двухполюсные электроды преобладают в более крупном газовом оборудовании, таком как котлы, промышленные кухонные плиты и промышленные горелки, а также в мазутных горелках, где необходим надежный и стабильный источник поджига.
• Определенный искровой промежуток в двухполюсных электродах обеспечивает более стабильный и надежный поджиг по сравнению с однополюсными конструкциями, поскольку путь и энергия искры более точно контролируются.
• Конструкция с двумя электродами обеспечивает более сфокусированную и интенсивную искру, повышая надежность поджига, особенно в требовательных приложениях с переменными расходами газа или давлениями в камере сгорания. Прямой электрический разряд между двумя электродами устраняет зависимость от внешнего заземления, что приводит к более предсказуемым и стабильным характеристикам поджига в различных условиях эксплуатации.

• Электроды поджига с поверхностным разрядом: конструкция, функциональность и применение:

• Электроды поджига с поверхностным разрядом характеризуются конструкцией, в которой высоковольтный разряд происходит вдоль поверхности специально разработанного керамического изолятора, а не через воздушный промежуток между двумя электродами. Эта конструкция часто включает в себя центральный электрод и проводящее покрытие или сегмент на керамической поверхности с небольшим зазором или каналом, облегчающим путь искры.
• Искра распространяется по поверхности изолятора, создавая больший и потенциально более стабильный источник поджига. Этот тип поджига часто менее подвержен загрязнению или отложениям углерода по сравнению с традиционными искровыми электродами с воздушным промежутком.
• Электроды поджига с поверхностным разрядом находят применение в различных газовых приборах, включая некоторые усовершенствованные газовые плиты и специализированные промышленные горелки, где требуется надежный поджиг в сложных условиях. Они также используются в авиационных двигателях, где надежный поджиг имеет решающее значение.
• Технология поверхностного разряда обеспечивает повышенную надежность поджига в средах, где загрязнение или высокие скорости потока газа могут препятствовать работе обычных искровых электродов. Более длинный путь искры вдоль керамической поверхности и большее образующееся ядро поджига могут повысить вероятность воспламенения газовой смеси, особенно в приложениях с турбулентным потоком или потенциальными загрязнениями.

1. Типы электродов ионизации

• Пламенные стержни: принцип работы (выпрямление пламени), конструктивные варианты и применение:

• Пламенные стержни, также известные как датчики пламени, работают по принципу выпрямления пламени для обнаружения его наличия. Они обычно состоят из тонкого металлического стержня, часто изготовленного из высокотемпературного сплава, такого как кантал или инконель, покрытого керамическим изолятором для электрической изоляции от горелки.
• Пламенный стержень располагается таким образом, чтобы его конец непосредственно находился в пламени. Когда между пламенным стержнем и заземленной горелкой прикладывается напряжение переменного тока, ионизация внутри пламени заставляет его проводить электричество и выпрямлять сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока, который затем воспринимается системой управления горелкой.
• Пламенные стержни доступны различной длины и диаметра для соответствия различным размерам горелок и характеристикам пламени. Выбор материала зависит от максимальной температуры, которой будет подвергаться стержень, и от коррозионных свойств продуктов сгорания.
• Эти электроды широко используются как в промышленных, так и в бытовых газовых горелках для блокировок безопасности и непрерывного контроля пламени, обеспечивая отключение подачи газа в случае срыва пламени.
• Пламенные стержни обладают рядом преимуществ, включая быстрое время реакции на срыв пламени и, как правило, безопасный режим работы в случае электрических неисправностей.
• Пламенные стержни представляют собой простое, но очень эффективное средство обнаружения пламени, играющее решающую роль в предотвращении утечек газа и обеспечении безопасной работы газовых приборов. Их прямое взаимодействие с пламенем и опора на фундаментальное свойство ионизации пламени делают их надежным и стабильным компонентом безопасности в широком спектре применений газовых горелок.

• Коаксиальные электроды ионизации: принцип работы, конструктивные особенности и применение:

• Коаксиальные электроды ионизации имеют более сложную конструкцию по сравнению с пламенными стержнями, обычно состоящую из центрального электрода, окруженного цилиндрическим внешним электродом, с разделяющим их изоляционным материалом. Такое коаксиальное расположение создает определенное электрическое поле в зоне измерения.
• При приложении напряжения между внутренним и внешним электродами ионы, присутствующие в пламени внутри коаксиальной области, притягиваются к электродам, генерируя ток ионизации, пропорциональный наличию и интенсивности пламени.
• Коаксиальные электроды ионизации часто используются в определенных промышленных и коммерческих приложениях, где требуется более высокая степень чувствительности или надежности, например, в некоторых типах промышленных горелок или системах управления горением. Такая конструкция может обеспечить улучшенную стабильность сигнала и сниженную восприимчивость к шумам по сравнению с одностержневыми датчиками пламени.
• Коаксиальные электроды ионизации представляют собой более совершенный подход к обнаружению пламени, потенциально предлагая улучшенные рабочие характеристики в специализированных средах горения. Контролируемое электрическое поле и экранированная конструкция коаксиальных электродов могут привести к более точному и надежному обнаружению пламени, особенно в приложениях, где факторы окружающей среды или сложные конструкции горелок могут повлиять на работу более простых технологий обнаружения пламени.

1. Материалы в производстве электродов

• Ключевые свойства материалов: термостойкость, электропроводность, коррозионная стойкость:

• Материалы, используемые при изготовлении электродов поджига и ионизации, должны обладать определенным сочетанием свойств для обеспечения надежной и долговечной работы в суровых условиях газовой горелки. Высокая термостойкость необходима для выдерживания экстремальных температур, возникающих при горении, предотвращения деградации материала и обеспечения сохранения электродом своей структурной целостности.
• Хорошая электропроводность имеет решающее значение для электродов поджига для эффективной генерации высоковольтной искры, необходимой для инициирования горения, и для электродов ионизации для эффективного проведения небольшого тока ионизации, используемого для обнаружения пламени.
• Коррозионная стойкость жизненно важна для предотвращения реакции материалов электродов с продуктами сгорания, которые могут быть химически агрессивными и привести к преждевременному выходу из строя или ухудшению характеристик.
• Для электродов ионизации, постоянно подвергающихся воздействию пламени, материал также должен обладать хорошей механической прочностью и стабильностью размеров при повышенных температурах, чтобы противостоять деформации или разрушению из-за термического напряжения.
• Выбор подходящих материалов является важнейшим инженерным аспектом при проектировании и производстве этих электродов, непосредственно влияющим на их надежность, срок службы и общий вклад в производительность и безопасность системы газовой горелки. Экстремальные условия внутри газовой горелки требуют материалов, способных выдерживать высокие температуры, коррозионные среды и электрические нагрузки без ущерба для своих функциональных свойств. Тщательный выбор этих материалов обеспечивает долгосрочную надежность и безопасность горелки.

• Распространенные материалы: керамика на основе оксида алюминия, стеатитовая керамика, сплавы кантала и другие специализированные сплавы:

• Керамика на основе оксида алюминия (Al₂O₃): Оксид алюминия является широко используемым керамическим материалом для изоляционных компонентов как электродов поджига, так и ионизации. Он обладает превосходной термостойкостью, высокими электроизоляционными свойствами, а также хорошей механической прочностью и твердостью. В зависимости от конкретных требований применения используются различные марки чистоты оксида алюминия (от 90% до 99,7% Al₂O₃), причем более высокие марки чистоты обеспечивают превосходные электрические свойства и термостойкость.
• Стеатитовая керамика (силикат магния): Стеатит – еще один распространенный керамический материал, используемый для изоляции в электродах, особенно в электротехнических приложениях. Он обладает хорошей диэлектрической прочностью, термостойкостью и механической прочностью, что делает его подходящим для высокочастотной изоляции с низкими потерями и высоким напряжением. Стеатит часто используется в бытовой технике, аэрокосмической и автомобильной промышленности.
• Сплавы кантала (FeCrAl): Кантал – это торговая марка семейства железохромоалюминиевых сплавов, известных своим высоким электрическим сопротивлением и превосходной стойкостью к окислению при высоких температурах. Эти сплавы, такие как Кантал A-1, A и D, обычно используются для проводящих стержней или проволок как в электродах поджига, так и в электродах ионизации благодаря их способности выдерживать высокие рабочие температуры (до 1400°C для Кантала A-1) и противостоять электрохимической коррозии.
• Другие специализированные сплавы: Помимо кантала, в зависимости от конкретных требований применения для проводников электродов используются другие высокотемпературные и коррозионностойкие сплавы. К ним относятся такие сплавы, как Инконель (никель-хромовый сплав с превосходной стойкостью к высоким температурам и окислению), различные марки нержавеющей стали (обеспечивающие хорошую коррозионную стойкость при умеренных и высоких температурах) и никель-хромовые сплавы (обеспечивающие баланс между термостойкостью и коррозионной стойкостью).
• Таблица:

Приобретение электродов поджига и ионизации от компании Промэлектроника

• Промэлектроника является известным дистрибьютором электротехнических и электронных компонентов, предлагающим широкий спектр продукции для различных промышленных и коммерческих применений.
• Будучи авторизованным дистрибьютором, Промэлектроника предоставляет доступ к широкому ассортименту электродов поджига и ионизации от всех тринадцати производителей, упомянутых в данной статье: Brahma, Baxi, CIB Unigas, De Dietrich, Ecoflam, Elco, FBR, Giersch, Honeywell, Kromschroder, Lamborghini, Riello, Viessmann и Weishaupt.
• Промэлектроника подчеркивает наличие широкого ассортимента электродов, включая различные типы, размеры и материалы, для удовлетворения разнообразных потребностей систем газовых горелок. Компания также отмечает свой статус официального дистрибьютора таких брендов, как Brahma и Kromschroder, гарантируя подлинность и высокое качество продукции. Для оказания помощи клиентам в выборе оптимальных электродов для их конкретных требований часто предоставляется техническая поддержка.
• Для получения дополнительной информации о конкретных линейках продуктов, технических характеристиках, ценах и условиях заказа заинтересованным читателям рекомендуется посетить официальный сайт Промэлектроники или связаться напрямую с их отделом продаж - sales@prom-elec.com

1. Заключение: Обеспечение надежной и эффективной работы газовых горелок посредством оптимального выбора электродов

• В заключение следует отметить, что электроды поджига и ионизации являются незаменимыми компонентами в технологии газовых горелок, играя решающую роль в инициировании и контроле процесса горения.
• Выбор подходящего типа электрода, будь то однополюсный, двухполюсный или с поверхностным разрядом для поджига, или пламенный стержень или коаксиальный для ионизации, имеет первостепенное значение для обеспечения надежной и эффективной работы горелки. Этот выбор должен основываться на тщательном понимании конкретных требований применения, включая размер горелки, тип топлива, рабочую температуру и стандарты безопасности.
• Выбор материалов электродов, таких как высокочистый оксид алюминия, прочный стеатит и высокоэффективные сплавы, такие как кантал и инконель, не менее важен, поскольку он непосредственно влияет на способность электрода выдерживать суровые условия внутри камеры сгорания и сохранять свои функциональные свойства с течением времени.
• Разнообразный ассортимент продукции, предлагаемый ведущими производителями, такими как Brahma, Baxi, CIB Unigas, De Dietrich, Ecoflam, Elco, FBR, Giersch, Honeywell, Kromschroder, Lamborghini, Riello, Viessmann и Weishaupt, предоставляет широкий спектр вариантов для удовлетворения конкретных потребностей различных применений газовых горелок.
• Тщательно учитывая принципы работы, характеристики различных типов электродов, свойства используемых материалов и предложения авторитетных производителей, инженеры и техники могут обеспечить выбор оптимальных электродов поджига и ионизации, способствуя безопасной, эффективной и экологически ответственной эксплуатации систем газовых горелок. Кроме того, доступность этих компонентов через таких дистрибьюторов, как Промэлектроника, облегчает их закупку и интеграцию в новые или существующие системы горелок.