12.Расчет газовой горелки для котла квартальной котельной

В квартальной котельной установлены секционные отопительные котлы. В таких котлах, имеющих разряжение в топке, использованы инжекционные горелки среднего давления.

Расчет сводится к выбору необходимого типа горелки, проверке возможности ее работы при данных условиях и определению необходимого давления газа перед горелкой.

Принимаем к установке на котел три горелки. Тогда расход на одну горелку составит V_г=V_к/3=67,3/3=22,43 м³/ч, а тепловая нагрузка определяется по формуле:

, (11.1)

Выбираем для котла инжекционные горелки конструкции Стальпроекта (рис.9.14[1]). Технические характеристики данных горелок приведены в табл.9.17.[1]. Принимаем к установке инжекционную горелку типа В с тепловой нагрузкой Q_г=390 кВт. Диаметры основных элементов горелки: d_c=8, d_г=81мм, d_н=100мм.

В основу расчета инжекционных горелок положен закон сохранения энергии. Проверяется баланс энергии в горелке. Должно быть вы­держано условие

Е_гор > Е_в + Е_г + Е_д + Е_н + Е_пот (11.2)

Определяем затраты энергии:

• затраты энергии на инжекцию воздуха, то есть на создание скорости эжектируемого воздуха W_в:

Е_в=(W_г²∙ρ_в∙α∙V_o)/2 (11.3)

где W_г – скорость газовоздушной смеси в горловине, м/с;

(11.4)

(действительное количество воздуха, необходимого для сжигания 1 м³ газа V_д=10,532 м³/м³; теоритическое количество воздуха, необходимого для сжигания 1 м³ газа V₀=10,03 м³/м³; t_cм принимается равной температуре воздуха в помещении);

Е_в=15 ²∙1,293∙1,05·10,03/2=1528,4 Дж/м³

• затраты энергии на изменение скорости струи газа от W_с до W_г

E_г=(W_c-W_г)²∙ρ_о/2 (11.5)

где W_с - скорость выхода газа из сопла.

Определяем эту скорость, исходя из закона сохранения количества движения при смешении газа и воздуха. Количество движения I м³ выходящего из сопла газа равно W_c∙ρ_о, а инжектируемого из атмосферы воздуха может приниматься равным нулю, т.к. он не имеет первоначальной скорости.

В горловине смесителя смесь газа и воздуха приобретает скорость W_г и соответствующее ей количество движения W_г (ρ_о+α∙V_o∙ρ_в). Тогда уравнение сохранения количества движения

W_с∙ ρ_о =W_r (ρ_о+ α∙V_о∙ρ_в) (11.6)

Отсюда

(11.7)

Скорость выхода газа из сопла не должна превышать 300 м/с, в про­тивном случае необходимо сделать пересчет, выбрав горелку боль­шей тепловой мощности. В нашем случае скорость выхода газа из сопла не превышает 300 м/с.

E_г=(278,3-15)²∙0,774/2=26829,5 Дж/м³

• затраты энергии в диффузоре при изменении скорости газовоздушной смеси

(11.8)

где η – КПД диффузора, зависящий от отношения d_г/d_д

W_д – скорость смеси в выходном сечении диффузора,

(11.9)

где f_д=πd_д²/4=3,14∙0,169²/4∙1000²=0,0167 м²

(d_д =(1,5. ..1,8)d_г=1,8∙0,081=0,1458 мм)

м/с

ρ_cм – плотность газовоздушной смеси в выходном сечении диффузора,

(11.10)

Тогда, подставив все полученные значения, имеем

• затраты энергии в насадке горелки

(11.11)

где W_h определим по формуле

(11.12)

Cкорость выхода газовоздушной смеси из насадка горелки не должна быть меньше скорости распространения пламени для смеси данного газа при минимальном расходе газа горелкой (обычно 10 м/с и более).

• затраты энергии с выходной скоростью газовоздушной смеси из насадка горелки

Е_пот=(W_н²/2)∙ρ_см∙(1+αV_о) (11.13)

где

(11.14)

где t_н – температура газовоздушной смеси на выходе из насадка, °С. Принимается t_н=50°С.

тогда

Е_пот=( 10,839²/2)∙1,055∙(1+1,05∙10,03)= 713,45 Дж/м³

• общие затраты энергии

∑Е = Е_в + Е_г + Е_д + Е_н +Е_пот=1528,4+26829,5+272,67+389,39+713,45=29733,41 Дж/м³

Источником энергии в горелке является кинетическая энергия струи газа, вытекающего из сопла,

E_гop=W_c²·ρ_о/2 (11.15)

E_гop = 278,3²·0,774/2= 29973,5 Дж/ м³

Проверяем баланс энергии по (11.2): Е_гор > ∑Е.

Определяем необходимое давление газа перед горелкой

Р_гор=Е_гор /µ_о² (11.16)

где µ_о – коэффициент расхода отверстий головки горелки, учитывающий потери при истечении. Так как выходной насадок - это канал длиной от 2 до 4 диаметров отверстий, то µ_о =0,75...0,82.

Необходимо учесть, что максимальное давление газа перед горелкой не должно превышать критического давления, равного для природного газа 90000 Па (табл.9.16 [1]). При большем давлении нарушается режим истечения газа из сопла, меняется состав газовоздушной смеси.

Р_гор=29973,5/0,8²=46833,6 Па.

Как известно, нормальная устойчивая работа большинства, промышленных горелок при коэффициенте избытка воздуха >1 обеспечивается только при наличии стабилизаторов фронта горения.

Для определения скорости, при которой наступает отрыв пламени для горелок с, керамическими туннелями, используют формулу

W_отр=С₁α^-2W_норм^1.5(d_т/a)^0,5 (11.17)

где С₁ – эмпирический коэффициент, С₁=57,5;

W_hopm – нормальная скорость распространения пламени, м/с, W_hopm=0,38 м/с;

а – коэффициент температуропроводности смеси, м²/с. a=0,213∙10^-4 м²/с;

d_т=240мм – диаметр туннеля горелки;

Тогда

W_отр=57,5·1,05^-2·0,38^1,5·( 0,240/0,213·10^-4)^0,5= 1349,77 м/с >>W_н

Для определения скорости, при которой наступает проскок пламени, пользуются формулой

W_пр^max=C₂·W_норм²·(d_н/a) (11.18)

где С₂ – эмпирический коэффициент, С₂=7,75·10^-3;

W_пр^max=7,75·10^-3·0,38²·(0,1/0,213·10^-4)=5,25 м/с < W_н

Таким образом, стабилизация пламени при использовании керамического туннеля будет обеспечена.