Расчёт основных параметров эффективной прямоточной дутьевой горелки.

При расчете прямоточной горелки необходимо учитывать следующие особенности процесса горения:

- наиболее длинный факел формируется прямоточными го­релками типа «труба в трубе» при соизмеримых скоростях истечения газа из отверстий и воздуха;

- при сжигании природного газа длина факела может достигать 200 и более диамет­ров газового сопла;

В условиях развитой турбулентности газового потока относительная длина факелов зависит от ряда факторов: теоретиче­ского расхода воздуха на горение, вязкости газа, начальной интенсивности турбулентности потоков газа и воздуха, начальной температуры газа и воздуха, соотношения начальных скоростей газа и воздуха, калибра горелки и т. п.

Со­временное состояние теории горения пока не позволяет анали­тически рассчитывать длину и форму факела ввиду большой сложности факельных процессов. В связи с этим конкретный вид зависимостей для длины и формы факела с учетом кон­структивных особенностей горелок и камер сгорания определя­ется опытным путем и приводится в справочной литературе.

 

3.1 Методика расчёта прямоточной дифуззионной  горелки

 

Методика расчёта горелки принята в соответствии с [4,5,6]

Требуемый расход воздуха через горелку м³/час:

,                                                                                                   (3.1)

где a_Т - коэффициент избытка воздуха, подаваемого в топочную камеру. При горении газового топлива он может быть принят равным 1,05;

- расход воздуха, необходимый для горения 1 нм³ газа, (из расчёта котла 8,94 м³/кг), - теоретический объём продуктов сгорания топлива (из расчёта котла 9,82 м³/кг).

                         (3.2)

где – процентное содержание в топливе соответствующих газов по объему: оксида углерода, водорода, сероводорода, соответствующих углеводородов и кислорода;

m, n – число атомов углерода и водорода в углеводородном соединении.

Массовая скорость воздуха (произведение плотности воздуха  на его скорость  в подводящем воздуховоде и в канале го­релки принимается экономически целесообразной из соотноше­ния  = 22…24 кг/(м²с).

Задав массовую скорость воздуха , в указанных выше пределах, можно определить скорость его движения  внутри корпуса горелки.

Внутренний диаметр корпуса горелки  для прохода воздуха можно найти из уравнения неразрывности потока, м

               

                                     .                                                           (3.3)

Для предотвращения проскока пламени внутрь смесителя горелки при малых расходах газа в конце горелки используют конфузор − суживающуюся часть. Сужение канала горелки позволяет повысить скорость выхода газовоздушной смеси, чтобы эта скорость была выше максимальной скорости распространения пламени.

Для эффективного смешения газа с воздухом в смеси­тель горелки газ вводится системой мелких струй периферийно или центрально. Условно характер входа струи газа через стенку трубы в поток воздуха центрально представлен на рисунке 3

Рисунок 3- Схема выхода газа через газовыпускные отверстия

 

Перепад давления газа в горелке  до и после газовыпускных отверстий приниается в соответствии с паспортом горелки. Зная величину перепада давления газа в горелке, несложно подсчитать скорость истечения газа из отверстий , считая его несжимаемой жидкостью, по формуле, м/с

                                ,                                                           (3.4)

где  - коэффициент скорости, зависящий от соотношения толщины стенки  к диаметру отверстия :

для тонкой стенки, когда ,  0,97…0,98;

для толстой стенки, когда ,  0,97…0,98;

 - плот­ность газа, кг/нм³ определяется в соответствии с таблицей 1 Приложения 1

При невысокой скорости выхода газа и высокой скорости воздуха глубина проникновения h будет небольшой, и газо­вая струя будет прижата к внутренней стенке корпуса горелки, а все струи в целом создадут кольцевой поток газовоздушной смеси. При высокой скорости газа и малой скорости движения воздуха глубина про­никновения струи газа h будет значительной, и струи газа будут сливаться в одну большую струю, находящуюся в центре горелки. В обоих этих случаях условия смесеобразования не являются оптимальными. Аналогичная картина, только наоборот, будет наблюдаться при центральной подаче газа.

Эффективное смешение газовых струй с воздухом имеет место при определенном числе этих струй и скоростей воздуха и газа. При малом числе газовых струй их диаметр должен быть большим, при этом потребуется длин­ный смеситель горелки для завершения смесеобразования газа с воздухом. При боль­шом числе небольших струй, когда они имеют у корня малый диаметр, струи могут сливаться друг с другом в потоке воздуха в сплошную кольцевую струю, что ведет к ухудшению смесеобра­зования. Оптимальное число газовых струй дол­жно соответствовать следующему условию:

                                       ,                                                             (3.5)

где  - диаметр газовой струи в месте ее полного разворота, как показано на рис. 3.

При центральной подаче газа оптимальной считается глубина h про­никновения струй газа в сносящий поток воздуха на величину 0,25( - ). При периферийной подаче газа − на величину (0,15…0,25) .

Диаметр газовыпускных отверстий  определяется:

 

                                     ,                                                           (3.6)

где h - глубина проникновения струи газа в поток воздуха, мм;

 - экспериментальный коэффициент, учитываю­щий влияние относительного шага между отвер­стиями на размер h:

при       ,                                          

при     ,                                       

при     ,

где S - шаг между отверстиями;

При расчетах необходимо предварительно задавать значение относительного шага , а потом его уточнять.

Число отверстий n для выхода газа может быть найдено по формуле:

                    ,                                                                   (3.7)

где m - коэффициент расхода для га­зовыпускных отверстий: 

для отверстий в тонкой стенке m = 0,60…0,62;

для отвер­стий в толстой стенке m = 0,82.

После нахождения числа n следует принять целое их число и уточнить значение диаметра отверстий для выхода газа .

Подводящие газопроводы к горел­кам проектируют на скорость движения газа:

− при низком давлении газа в пределах от 10 до 12 м/с;

− при среднем давлении газа в пределах от 25 до 30 м/с.

Для обеспечения полного смешения газа с воздухом в горелке длина смесителя L _см (расстояние от газовыпускных отверстий до выходного сечения горелки) принимается равной от 30 до 40 диаметров выходного отверстия для газа .

Диаметр выхода газовоздушной струи из кратера горелки может быть принят в пределах, м:

                         (1,07…1,1) .                                                              (3.8)

 

В прямоточных горелках располагаемое полное избыточное давление воздуха перед горелкой может быть найдено по формуле, Па

            ,                                                        (3.9)

где  - коэффициент запаса, учитываю­щий дополнительные потери давления воздуха за счет трения потока о стенки горелки, и сопротивления, связанного с вводом в поток газовых струй, и др. Ориентировочно при расчетах можно принимать   = 1,05…1,1;

- скорость газовой смеси в выходном сечении горелки, определяется из соотношения, м/с:

                               ;                                                      (3.10)

- плотность газовоздушной смеси, определяется, кг/м³:

                             ;                                                     (3.11)

- избыточное давление (или разрежение) в камере сго­рания, Па;

 - коэффициент аэродинамического сопротивления конфузора, который рассчиты­вается по формуле:

                       ;                                                (3.12)

 - угол сужения конфузора, имеющий значения обычно в пределах от 15° до 30°.

 

3.2 Пример расчёта дутьевой дифуззионной горелки.

 

Исходными данными для расчета прямоточной горелки является ее тепловая мощность, химический состав сжигаемого газа, давление и температура газа перед соплом, давление и температура идущего на горение воздуха, а также характеристики тепловой установки, для которой рассчитывается горелка.

Расчёт горелки сводится к определению пло­щадей проходных сечений для газа, воздуха и подготовленной горючей смеси для заданной производительности горелки по газу  и располагае­мом давлении газа  и воздуха .

По известному виду сжигаемого газа по справочникам определяют низшую теплоту сгорания  и плотность газа , идущего на горение и определяют требуемый расход воздуха и топлива.

Требуемый расход воздуха через горелку м³/час:

,                                                                                       

где a_Т - коэффициент избытка воздуха, подаваемого в топочную камеру. При горении газового топлива он может быть принят равным 1,05,

- расход воздуха, необходимый для горения 1 нм³ газа, (из расчёта котла 8,94 м³/кг), - теоретический объём продуктов сгорания топлива (из расчёта котла 9,82 м³/кг)

Массовая скорость воздуха (произведение плотности воздуха  на его скорость ) в подводящем воздуховоде и в канале го­релки принимается экономически целесообразной из соотноше­ния  = 22…24 кг/(м²с).

Задав массовую скорость воздуха , в указанных выше пределах, можно определить скорость его движения  внутри корпуса горелки.

Внутренний диаметр корпуса горелки  для прохода воздуха определяем из уравнения неразрывности потока, мм:

                         

.                                                                                 

Для предотвращения проскока пламени внутрь смесителя горелки при малых расходах газа в конце горелки используют конфузор − суживающуюся часть. Сужение канала горелки позволяет повысить скорость выхода газовоздушной смеси, чтобы эта скорость была выше максимальной скорости распространения пламени.

Для эффективного смешения газа с воздухом в смеси­тель горелки газ вводится системой мелких струй периферийно или центрально.

Перепад давления газа в горелке  до и после газовыпускных отверстий достаточно небольшой. Зная величину перепада давления газа в горелке, несложно подсчитать скорость истечения газа из отверстий , считая его несжимаемой жидкостью, по формуле, м/с

 

,                                                                                        

где  - коэффициент скорости, зависящий от соотношения толщины стенки  к диаметру отверстия :

для тонкой стенки, когда ,  0,97…0,98;

для толстой стенки, когда ,  0,97…0,98;

 - плот­ность газа, кг/нм³, (принимается в соответствии с данными)

 

 

. Оптимальное число газовых струй дол­жно соответствовать следующему условию:

                                                                                           

где  - диаметр газовой струи в месте ее полного разворота.

Глубина h про­никновения струй газа в сносящий поток воздуха оставляет (0,15…0,25) .

  

Диаметр газовыпускных отверстий  может быть определен по формуле в соответствии с [17,18], м

 

                                                                                   

где h - глубина проникновения струи газа в поток воздуха, мм;

 - экспериментальный коэффициент, учитываю­щий влияние относительного шага между отвер­стиями на размер h:

при       ,                                          

 

при     ,                                       

 

при     ,

где S - шаг между отверстиями;

При расчетах необходимо предварительно задавать значение относительного шага , а потом его уточнять.

 

Число отверстий n для выхода газа может быть найдено по формуле:

 

                                                                              

где m - коэффициент расхода для га­зовыпускных отверстий: 

для отверстий в тонкой стенке m = 0,60…0,62;

для отвер­стий в толстой стенке m = 0,82.

 

 

Подводящие газопроводы к горел­кам проектируют на скорость движения газа:

− при низком давлении газа в пределах от 10 до 12 м/с;

− при среднем давлении газа в пределах от 25 до 30 м/с.

Для обеспечения полного смешения газа с воздухом в горелке длина смесителя L _CM (расстояние от газовыпускных отверстий до выходного сечения горелки) принимается равной от 30 до 40 диаметров выходного отверстия для газа .

Диаметр выхода газовоздушной струи из кратера горелки принимается, мм:

 

(1,07…1,1) .                                                                         

 

238мм

Полное избыточное давление воздуха перед горелкой может быть найдено по формуле, Па

,                                                              

где  - коэффициент запаса, учитываю­щий дополнительные потери давления воздуха за счет трения потока о стенки горелки, и сопротивления, связанного с вводом в поток газовых струй, и др. Ориентировочно при расчетах можно принимать   = 1,05…1,1;

- скорость газовой смеси в выходном сечении горелки (на выходе из кратера), которую можно определить из соотношения, м/с:

;                                                                                 

Откуда:

                                                                        

                                                                 

 

 

- плотность газовоздушной смеси, определяемая по формуле, кг/м³

 

;                                                                         

 

 

- избыточное давление в камере сго­рания, (максимальное избыточное давление в соответствии с [1,17, 20] 0,3 бар;

 - коэффициент аэродинамического сопротивления конфузора, который рассчиты­вается по формуле:

 

                                                                 

 - угол сужения конфузора, имеющий значения обычно в пределах от 15° до 35°.

 

Полное давление в горелке определяется:

                                                                

3.3 Задание для самостоятельного выполнения

 

Рассчитать конструктивные размеры дутьевой диффузионной газовой горелки (, , , , , ), представленной на схеме в соответствии с рисунком 4 и ее технические характеристики (, , , , , , ). Горелки в количестве двух установлены на котле теплопроизводительностью 20 МВт. Определить давление воздуха на входе в горелку, если избыточное давление дымовых газов в топочной камере = -20 Па.

Рисунок 4- Схема прямоточной диффузионной дутьевой горелкис центральной (а)) подачей газа:

1 - корпус горелки; 2 - труба подвода газа; 3 - конфузор; 4 - отверстия для выхода газа

 

 Исходные данные для решения задачи:

1. Температура воздуха , 30 ^OС

2. Перепад давления газа в горелке  50 Па

3. КПД теплосилового агрегата     0,72

4. Подача газа: Центральная