2509

2. РАСЧЕТ ИНЖЕКЦИОННОЙ ГАЗОВОЙ ГОРЕЛКИ

Газовая горелка должна обеспечивать необходимую для аппаратов и установок тепловую мощность, широкий диапазон регулирования расхода газа, устойчивость пламени без применения искусственных стабилизаторов горения и отсутствие или пониженную концентрацию вредных компонентов продуктов сгорания. Расчет горелки включает в себя определение размеров конструктивных элементов:

–сопла,

–горловины смесителя,

–конфузора,

–диффузора,

–огневых каналов,

–габаритных размеров, обеспечивающих возможность установки горелки в заданной топке.

Исходными данными для расчета являются:

–тепловая мощность горелки;

–химический состав газа;

–давление газа перед соплом;

–температура газа и воздуха;

–характеристики аппарата или тепловой установки, для которой горелка рассчитывается.

По указанным исходным данным определяются низшая теплота

сгорания газа QНР, его плотность Г и объем воздуха V0.

На рис. 10–12 показаны эжекционный смеситель для атмосферной горелки, аэродинамическая картина работы эжектора и атмосферная горелка для чугунного котла, для которой ниже приводится методика расчета и выполнен пример расчета.

При расчете таких горелок объем газа и его плотность определяются при нормальных физических условиях. Объясняется это тем, что давление газа мало отличается от атмосферного. При этом следует учитывать, что его температура для зимнего расчетного периода изменяется на 5–10 ОС. При тех же параметрах с допустимой для практики точностью могут определяться объем и плотность воздуха. При расчете горелок можно не учитывать содержание в газе и воздухе водяных паров, так как оно очень мало влияет на его объем, плотность и теплоту сгорания.

20

pГ 0,27QHP 40, Па. 100

Теоретическая скорость истечения газа из сопла WС (м/с) при нормальных условиях рассчитывается по формуле, не учитывающей изменения плотности газа:

Площадь поперечного сечения газового сопла fС (м2) и его диаметр dC (м) определяются по формулам

где – коэффициент расхода, учитывающий неравномерность распределения скоростей потока газа по сечению сопла, сопротивления трения в нем и сжатия струи. Зависит от формы сопла.

Диаметр горловины эжектора dГ определяется из уравнения, выражающего закон сохранения количества движения при смешении двух газов. Количество движения 1 м3 инжектируемого газа определяется произведением скорости газа на его плотность, а количество движения, инжектируемого из атмосферы воздуха, можно принять равным 0, так как скорость воздуха на входе в эжектор равна нулю. В этом случае количество движения газовоздушной смеси (ГВС) можно записать как

WГ Г n B ,

где WГ – скорость ГВС в горловине смесителя, м/с;

n VB /VГ – объемная кратность инжекции (количество воздуха инжектируемого 1 м3 газа).

Уравнение сохранения количества движения тогда запишется:

WC Г WГ Г n B .

Выразим расход газа VГ и расход ГВС (VГ [1 + n]) через соответствующие скорости и сечения:

23

Так как кратность инжекции определяется n = a'V0 , то

сит только от соотношения диаметра горловины и не зависит от давления инжектируемого газа. Это значит, что инжекционные горелки обеспечивают постоянство соотношения газа и воздуха в ГВС независимо от изменения расхода газа. Так, для горелок рассматриваемого вида a' должно приниматься таким, чтобы не происходило проскока пламени внутрь смесителя при минимально необходимом расходе газа:

Одновременно a' должно быть больше такого, при котором возможно образование желтых языков пламени:

где m – число углеродных атомов в молекуле; n – число водородных атомов в молекуле.

Диаметр конфузора dВ и диффузора dД принимается примерно одинаковым:

dB ~ dД 2,0 2,2 dГ .

Длина всасывающей и стабилизирующей частей камеры смешения

24

Переход конической поверхности конфузора в цилиндрическую поверхность горловины для литых смесителей осуществляется по дуге окружностей R = (3–5) dГ.

Длина диффузора

dД dГ lД 2tg /2 ,

где = 6–8 О – угол расширения, принимаемый для обеспечения безотрывности потока ГВС.

Суммарная площадь огневых каналов в коллекторе (см. рис. 12)

где WСМ – скорость вытекания ГВС из огневых каналов. Скорость принимается такой, чтобы не происходило отрыва пламени. Для природного газа

WСМ 3600d0T2 1 V0 ,

1 a'V0

где aT – коэффициент избытка воздуха.

Так как последнее уравнение содержит две неизвестные величины, то для определения скорости вытекания ГВС необходимо задаться диаметрами огневых каналов (3–6 мм). Число огневых каналов на коллекторе определяется

N fD / fD.

Огневые отверстия на коллекторе горелки обычно размещают в 1 или 2 ряда (см. рис. 12). В последнем случае в шахматном порядке.

При двухрядном расположении минимальная длина коллектора

где S – шаг между осями огневых отверстий.

Для обеспечения быстрого распространения пламени по всем каналам и предотвращения их слияния шаг должен укладываться в преде-

25

лы, определенные экспериментом: при a' = 0,6 и d0 = 2–6 мм S = (2,4– 2,8)d0 мм. Для этой же цели расстояние между осями рядов каналов должно быть в 2–2,5 раза больше расстояния между рядами.

При выборе глубины огневых каналов lD следует исходить из того, что ее увеличение способствует устойчивости горения в отношении проскока пламени. Вместе с тем чрезмерное увеличение глубины канала приводит к повышению сопротивления трения, что в свою очередь способствует понижению коэффициента инжекции первичного воздуха a'. Кроме того, это приводит к созданию приподнятых каналов, осложняющих изготовление горелок. По экспериментальным данным

lD = (1,5–2) d0.

Газовые горелки должны размещаться в топке так, чтобы конусный фронт пламени не омывал теплообменных поверхностей, так как это приводит к появлению продуктов неполного сгорания.

h 0,785d02 y,

где k – отношение расчетной удельной тепловой нагрузки.

Полная длина горелки рассчитывается путем сложения длин конфузора, горла смесителя, диффузора и коллектора горелочного устройства.

Пример расчета газовой горелки

Рассчитать атмосферную горелку для установки с номинальной теплопроизводительностью q = 3,24 кДж/ч, в которой сжигают природный газ с низшей теплотой сгорания QНР = 36000 кДж/м3, плотностьюГ = 0,78 кг/м3 и теоретически необходимым количеством воздуха для горения V0 = 9,3 м3/м3. Принципиальная схема горелки представлена на рис. 12.

Решение

1. Номинальный расход газа

2. Скорость истечения газа из сопла

26

n0,6 9,3 5,58.

6.Диаметр конфузора и диффузора

7. Длина всасывающей части камеры смешения (конфузора)

lВ 2 3 dГ 2,5 28,7 71,75 мм.

8. Длина стабилизирующей части камеры смешения

lС 2,5 dГ 2,5 28,7 71,75 мм.

9. Длина диффузора при угле расширения = 8 0

27

10. Суммарная площадь огневых отверстий горелочного насадка

Зададимся диаметром огневого отверстия dОГН = 3 мм и скоростью выхода газа из огневых отверстий WОГН = 1 м/с.

11. Число огневых отверстий

12. При a' = 0,6 расстояние между осями огневых отверстий

S = 2,4 · 3 = 7,2 мм.

13. Длина коллектора горелочного насадка при двухрядном расположении горелок

3,5

Рис. 13. Атмосферная газовая горелка

14. Оптимальное расстояние от обреза сопла до входного сечения сопла смесителя

lД = 1,5 · 3 = 4,5 мм.

15.Длина горелки

l 71,75 71,75 205 497 846 мм.

28

На рис. 13 представлена схема рассчитанной атмосферной горелки.

Расчет газовой горелки. Варианты заданий

Рассчитать атмосферную горелку для установки с номинальной теплопроизводительностью q, в которой сжигают природный газ с низшей теплотой сгорания QНР, плотностью Г = 0,78 кг/м3 и теоретически необходимым количеством воздуха для горения V0 = 9,3 м3/м3. КПД газового прибора . Принципиальная схема горелки представлена на рис. 12.

3.РАСЧЕТ ДЫМОХОДОВ

Вкурсовом проекте рассчитывается дымоход от газового водонагревателя. Установка колонки и устройство дымоходов показаны на рис. 5–7.

Расчет выполняется по наихудшим условиям работы для верхнего этажа проектируемого здания в летнее время.

Взадачу расчета дымохода входит определение поперечных сечений дымохода и присоединительной трубы, а также определение разряжения перед газовыми приборами. Поперечными сечениями пред-

варительно задаются, принимая скорость уходящих газов 1,5–2 м/с. О достаточности принятых сечений судят по полученному разряжению перед приборами.

Тяга рТ (Па), создаваемая дымовой трубой, дымоходом или вертикальным участком присоединительной трубы, определяется по уравнению

29