3.4 Расчет инжекционных газовых горелок

Расчет газовых горелок представляет собой сложную задачу, решаемую на основе теоретических и экспериментальных исследований. В качестве примера ниже будет рассмотрена упрощенная методика расчета инжекционных горелок низкого и среднего давлений.

Исходные данные для расчета:

- номинальная тепловая мощность Q_ном , квт, или номинальный расход газа Q_г , м³/ч;

- номинальное давление газа перед соплом горелки p₁ , Па;

- коэффициент инжекции первичного воздуха ₁;

- объемный состав топлива и его низшая теплота сгорания Q_н , кДж/м³;

- плотность газа при температуре 0 ⁰С и давлении 101325 Па - _г , кг/м³.

3.4.1 Расчет инжекционных горелок низкого давления

С учетом расчетной схемы (рис. 1) и принятых на ней обозначений расчет инжекционной горелки низкого давления (давление не более 5 кПа) ведут в следующем порядке.

1) Средняя скорость истечения газа из сопла определяется по формуле

,м/с, (81),

где  - коэффициент истечения;

p - перепад давления, Па.

Рисунок 1 Расчетная схема инжекционной горелки низкого давления

Перепад давления газа перед соплом горелки определяется по формуле

, Па, (82),

где p₁ - абсолютное давление газа перед соплом, Па;

p₂ - абсолютное давление среды, в которую вытекает газ, Па.

Для инжекционных горелок низкого давления p₂ равно атмосферному давлению, поэтому p=p₁ ( значение p₁ принимается избыточное ) .

Коэффициент , учитывающий распределение скоростей потока газа по сечению сопла и сопротивление потоку, зависит от формы сопла и выбирается по справочникам. Для конического сопла этот коэффициент можно принять равным 0,85. Для распространенных цилиндрических сопел с углом =45⁰ (см. рисунок 1) при l/D₁ =0,18 - = 0,75; при l/D₁=0,55 - =0,87; при l/D₁=1,0 - =0,85.

2) Определяется номинальный расход газа горелкой (если задана тепловая мощность горелки) по формуле

,м³/ч, (83).

3) Площадь поперечного сечения сопла и диаметр сопла определяются по формулам

,мм², (84),

, мм, (85).

4) Диаметр горловины смесителя D₃ определяют по формуле

) мм, (86),

где n - объемная кратность инжекции, м³/м³;

_в - плотность воздуха, кг/м³ ( плотность воздуха принимается при условиях, при которых принята плотность газа_г ).

Для атмосферных горелок, работающих на природном газе, n= (0,4 - 0,6)V₀, на сжиженном - n=(0,5 - 0,7)V₀, где V₀ - теоретическое количество воздуха, м³/м³ (см. формулу 66).

5) Диаметры конфузора D₂ и диффузора D₄ принимают конструктивно в следующих пределах:

D₂= (1,5 - 2,0) D₃ , мм, (87),

D₄=(2,0 - 2,2) D₃ , мм, (88).

6) Длина конфузора l₁ зависит от суммарного угла сужения, принимаемого в пределах 45-90⁰. Для уменьшения угла встречи потоков газа и воздуха лучше принимать меньший суммарный угол сужения. С учетом этого

l₁=(1,5 - 2,0) D₃, мм, (89).

7) Длина горловины смесителя

l₂=(1,0 - 2,0) D₃, мм, (90).

8) Длина диффузора l₃ зависит от суммарного угла расширения . Для обеспечения безотрывности потока газовоздушной смеси принимают =6-8⁰. Тогда

, мм, (91).

9) Суммарная площадь огневых отверстий горелочного насадка определяется по формуле

,м², (92),

где w_огн- скорость истечения газовоздушной смеси из огневых отверстий, м/с.

Величина w_огн при данном расходе газовоздушной смеси зависит от диаметра огневых отверстий и должна находиться в пределах, исключающих отрыв и проскок пламени. В практических расчетах для смесей природного газа с заданным коэффициентом расхода воздуха  ( значение этого коэффициента равно числу при V₀ при вычислении значения n) диаметры огневых отверстий d_огн можно принимать исходя из условий предупреждения отрыва и проскока пламени по рисунку 2 и приложению 8.

Рисунок 2 Скорости отрыва пламени в открытой атмосфере смесей природного газа с воздухом в зависимости от размера огневых отверстий и содержания первичного воздуха.

а - многофакельная; б - однофакельная горелка

10) По выбранному размеру d_огн определяют число отверстий по формуле

, шт, (93).

11) Длина коллектора горелочного насадка определяется по формуле

, мм, (94),

где s - расстояние между осями горелочных отверстий (шаг отверстий), мм;

m - количество рядов отверстий, шт.

Выбор оптимального расстояния между осями горелочных отверстий для обеспечения беглости огня , но без слияния отдельных факелов друг с другом, может быть произведен с учетом следующего условия:

Значения s_min и s_max принимаются по приложению 9.

12) Оптимальное расстояние l₀ от обреза сопла до входного сечения горловины смесителя следует принимать

l₀= (0,5 - 1,4 ) D₃.

3.4.2 Расчет инжекционных газовых горелок среднего давления

Работа инжектора горелки среднего давления ( рисунок 3) принципиально аналогична работе инжектора горелки низкого давления, но характерна значительно большими скоростями истечения газа из сопла, достигающих критических значений.

Расчет горелки начинают с определения расхода газа Q_г , если расход газа не задан (см. формулу 83).

Далее расчет ведут в следующей последовательности:

1) При отношении абсолютных давлений после и до сопла p₂/p₁0,5 определяется средняя скорость истечения газа из сопла по формуле

, м/с, (95),

где k - показатель адиабаты, равный природного газа 1,3 , а для сжиженного углеводородного 1,13;

p₁ - абсолютное давление газа перед соплом, Па;

p₂ - абсолютное давление газа на выходе из сопла, Па ( при расчетах принимается равным 103300 Па);

₁ - плотность газа при давлении газа p₁, кг/м³;

 - коэффициент истечения ( принимается аналогично горелкам низкого давления).

Рисунок 3 Расчетная схема инжекционной горелки среднего давления

2) Площадь сечения сопла f_D1 и диаметр сопла D₁ определяется по формулам 84 и 85.

3) Диаметр горловины смесителя D₃ определяется по формуле (86), при кратности инжекции определяемой по формуле

n=₁ V₀ , м³/м³, (96),

где V₀ - теоретическое количество воздуха, м³/м³ (см. формулу 66);

₁ - коэффициент расхода воздуха, принимаемый для горелок среднего давления равным 1,05 - 1,1.

4) Диаметр конфузора определяется по формуле

D₂= ( 1,7 - 2,0 ) D₃ , мм, (97).

5) Диаметр диффузора определяется по формуле

D₄ = (1,5 - 1,7 ) D₃ , мм, (98).

6) Диаметр кратера ( огневого отверстия ) определяется по формуле

D_кр = ( 1,07 - 1,1 ) D₃ ,мм, (99).

7) Длина конфузора определяется по формуле

l₁ = ( 1,5 -1,7 ) D₃ , мм, (100).

8) Длина горловины смесителя горелки определяется по формуле

l₂ = ( 3 - 4 ) D₃ , мм, (101).

9) Длина кратера ( огневого насадка) определяется по формуле

l₄ = ( 1,0 - 1,5 ) D₃ , мм, (102).

Если в качестве стабилизатора применяется туннель, то его размеры принимают по соотношениям:

- диаметр туннеля

D_Т = ( 2,5 - 2,6 ) D_кр , мм, (103).

- длина туннеля

l_Т = ( 2,5 - 6,0 ) D_кр , мм, (104).

Скорость вылета газовоздушной смеси из кратера горелки должна находиться в пределах 10 - 20 м/с. Данная скорость может быть определена по формуле

, м/с, (105),

где Q_см - объем газовоздушной смеси, м³/ч, который определяется по формуле

, (106).

Если скорость W_см выходит за указанный предел, то необходимо изменить принимаемые значения при определении диаметров и расчет повторить.

Затем проверяют устойчивость работы горелки при максимальном и минимальном давлениях газа перед соплом. Максимальное давление в курсовом проекте принимается из условия трехкратной перегрузки, т.е. p_max=3p₁ (значение p₁ принимается избыточное), но не более 90 кПа. Минимальное давление принимается равным p_min=0,1 p₁, но не менее 5 кПа.

Затем по формуле 95 определяется скорость истечения газа из сопла и вычисляется расход газа горелкой по формуле

, м³/ч, (107).

По формулам 105 и 106 определяется скорость вылета газовоздушной смеси из кратера горелки W_см . При p_min определяют значение , при p_max - значение . Значение минимальной скорости сравнивают со скоростью проскока пламени, которая определяется по рисунку 4, а значение максимальной скорости сравнивают со скоростью отрыва пламени, которая определяется по рисунку 2, при наличии туннеля принимается равной 100 м/с.

Рисунок 4 Максимальные скорости проскока пламени в однофакельных инжекционных газовых горелках для смесей природного газа с воздухом

1- горелка в открытой атмосфере;

2 - горелка с керамическим туннелем

На листе графической части проекта должна быть вычерчена схема горелки с указанием всех размеров.