12. Расчёт газовой горелки

Теоретические основы

Расчет горелок приходится выполнять как при проектировании новых конструкций (конструк­тивный расчет), так и в случае при­менения ранее разработанных горелок для новых условий ра­боты (поверочный рас чет).

Сопловая часть. Подавляющее большинство горелок рабо­тает в условиях докритической скорости истечения газа, т.е. при его избыточном давлении не более 85 кПа. При давлении газа перед соплом более 85 кПа наступают критические условия истечения. В нерасширяющемся сопле скорость газа достигает скорости звука и дальнейшего увеличения ее не происходит. Для полу­чения максимальной (сверхзвуковой) скорости следует применять сопло с расширяющимся насад­ком (сопло Лаваля).

Однако до избыточных давлений 100-150 кПа расширяющийся насадок сопла получается та­ким малым, что практически те же результаты дают обычные сопла, изготовление которых значи­тельно проще.

Истечение газа из отверстия или сопла сопровождается двумя явлениями:

• снижением скорости струи из-за наличия сопротивления трения и потерь энергии за счет за­вихрения потока;

• сжатием струи, заключающимся в том, что минимальное сече­ние ее оказывается меньше, чем сечение отверстия или сопла. Это имеет место из-за наличия инерции газовых струй при входе в отверстие или сопловой канал.

Тракт воздуха и смеси. При расчете тракта движения воздуха и смеси в пределах го­релки учитываются только местные сопротивления, вызываемые изменениями величины или на­прав­ления скорости потока.

В горелках полного и частичного предварительного смешения кроме неизбежных измене­ний скорости и направлений потока воздуха и смеси, обусловленных конструкцией горелки, имеют место значительные потери давления в смесителе, так как наиболее эффективное смешение происходит при больших скоростях взаимодействующих струй газа и воздуха.

Как правило, наибольшая потеря давления в кинетических горелках связана с необходи­мостью создания такой выходной скорости, которая может обеспечить устойчивую работу горелки без проскоков пламени при заданных минимальных нагрузках.

КП-2069059-270109-051332-09

Для диффузионных горелок и горелок с частичным пред­варительным смешением, если смесь лежит вне концентрационных пределов воспламенения, выходная скорость может быть зна­чительно ниже. В-этом случае она определяется требованиями про­цесса турбулентной диффу­зии в топке или условиями стабилизации факела

Рисунок 9 - Схема газовой горелки

Принцип работы и порядок расчета горелок среднего давления

Эжекционные горелки среднего давления обеспечивают эжектирование всего необходимого для горения воздуха. Эти горелки отличаются высокой эффективностью сжигания газа.

Наиболее распространенные из таких горелок - туннельные горелки, оптимальная конструк­ция которых приведена на рис.3.

В смесительной части эти горелки мало отличаются от выше рассмотренных горелок низкого давления. Отличия заключаются в следующем; отношение диаметра горловины к диаметру сопла значительно больше; длина горловины и диффузора также больше. Это связано с увеличенным подсосом воздуха и необходимостью улучшения перемешивания газа с воздухом.

Высокое качество смешения газа с воздухом в эжекторе обеспе­чивает высокую полноту сгора­ния газа в дальнейшем. Поэтому эжекционные горелки среднего давления требуют наименьших по сравнению с другими горелками избытков воздуха. Практически коэффициент избытка α = 1,04-1,05 бывает уже достаточным для обеспечения полноты сгорания газа.

Горелка заканчивается суживающейся головкой, через кратер которой газовоздушная смесь выходит в огнеупорный туннель, где и происходит ее горение.

Для предотвращения проскока пламени внутрь горелки скорость выхода смеси из кратера принимают очень большой, в десятки раз превышающей максимальную для данной смеси скорость распро­странения пламени (для номинальной нагрузки скорость выхода смеси из кратера со­ставляет для природного газа 10-20 м/с).

Стабилизатором пламени, предотвращающим отрыв, является туннель, огнеупорные стенки которого при нормальной работе горелки находятся в раскаленном состоянии. Одновременно рез­кое изменение проходного сечения при выходе потока из кратера в туннель создает условия для образования вихревых токов горящей смеси и рециркуляции горячих продуктов сгорания к осно­ванию факела. Этим обеспечивается. непрерывное зажигание смеси у кратера горелки и, следо­вательно, предотвращается отрыв пламени от него.

Как и все другие горелки эжекционного типа, туннельные горел­ки обладают свойством само­регулируемости по воздуху, т.е. коэф­фициент эжекции их остается примерно постоянным при изме­нении расхода газа в 3-4 раза.

Однако следует иметь в виду, что чрезмерное снижение нагрузки таких горелок делает вероятным проскок пламени. Поэто­му нижний предел регулирования составляет обычно около 50% номинальной нагрузки горелки.

При расчете эжекционных горелок среднего давления необхо­димо учитывать, в отличие от горелок низкого давления, следующие особенности:

• при истечении газа из сопла его давление значительно изменяется, вследствие чего необ­ходимо учитывать сжимаемость газа, т.е. скорость выхода из сопла следует рассчитывать по формулам адиабатического истечения;

• при конструировании проточной части эжекционного смеси­теля необходимо учитывать высокую скорость эжекции воздуха, сравнимую со скоростью газа;

• при определении диаметра кратера головки горелки необхо­димо учитывать условие предот­вращения проскока пламени внутрь горелки.

Рекомендуется следующая последовательность расчета эжекционной горелки среднего дав­ления.

1. Определяется скорость истечения газа из сопла, м/с:

(56)

где μ - коэффициент расхода сопла;

К - показатель адиабаты. Зависит от состава газа: для при­родного газа К = 1,3, для воздуха K = 1,4;

P₁ - абсолютное давление газа перед горелкой, Па;

Р₂ - абсолютное давление после эжектора, Па (обычно прини­мается равным атмосферному давлению), Р₂ = 101,3 кПа;

ρ₁ - плотность газа, приведенная к параметрам перед го­релкой, кг/м³. Определяется по формуле

(57)

где ρ_г - плотность газа при нормальных условиях, кг/м³;

t_Г - температура газа перед соплом, °С.

Критическое отношение давлений (P₂/P₁)кp для метана (природ­ного газа) равно 0,546. Следо­вательно, при начальном давлении газа Р₁ = 186 кПа (избыточное давление 85 кПа) возникает крити­ческая скорость истечения.

Докритические скорости истечения имеют место при отношении давлений (Р₂/Р₁) > 0,546. В этом случае устанавливают сужи­вающиеся сопла. При условии (Р₂/Р₁) < 0,546 применяют со­пла Лаваля, коэффициент расхода для которых можно прини­мать μ_с= 0,95 - 0,97.

Для суживающихся конических сопел коэффициент расхода принимается: для сопел с углом конусности 45° и цилиндрическим участком l_c/d_c = 0,5 величина μ_с = 0,9, а для сопла с углом конус­ности 13° μ_с= 0,95.

2. По известным расходу газа V_г, м³/ч, и скорости истече­ния W_с определяется пло­щадь поперечного сечения сопла, мм , и диаметр сопла, мм:

(58) 58 (

(59)

2. Определяется массовый коэффициент эжекции

(60)

где α₁ = 1,04 - 1,1 - коэффициент избытка воздуха;

S

Рисунок 10 - Диаграмма зависимости K и d_д/d_г

=ρ_г/ρ_в - относительная плотность газа;

V₀ - теоретически необходимое количество воз­духа, м³/м³.

4.Рассчитывается коэффициент В, входящий в основное урав­нение горелки:

(61)

5. Определяется оптимальное значение параметра горелки Ф₁ = F_г/F₀:

(62)

где К - коэффициент потерь в эжекторе;

К₁ - коэффициент потерь в головке и огневой части горелки;

К₂ - коэффициент потерь во всасывающем конфузоре горелки.

Коэффициент К определяется но графику на рис.4 в зависи­мости от отношения диаметра диффузора d_Д к диаметру горлови­ны d_Г смесителя. Так как эти диаметры еще не определены, то используется метод последовательных приближений. Предваритель­но задаются значением коэффи­циента К и уточняют его значение по графику на рис.4 после определения d_Д и d_Г.

Коэффициент К₁ потерь в головке горелки зависит от гидравли­ческого сопротивления головки и туннеля, от отношения скоростей выхода потока из диффузора и выхода из туннеля, от темпера­туры и плотности продуктов сгорания в туннеле горелки.

Определение коэффициента К₁ связано с использованием боль­шого количества эксперименталь­ных данных и эмпирических зави­симостей. Поэтому целесообразно принимать этот коэффициент по аналогии с выполненными горел­ками. В учебных расчетах горелок рекомендуется принимать К₁ = 1,2 - 1,3.

Коэффициент К₂ вычисляется по формуле

(63)

где μ_B - коэффициент расхода всасывающего конфузора, отра­жающий потери энергии в нем с учетом неравномерности поля ско­ростей.

На величину μ_в в значитель­ной степени влияет профиль наруж­ной поверхности газового сопла и шероховатость его поверхности.

Для увеличения коэффициента μ_в целесообразно несколько отодвигать сопло от начала ка­меры смешения (до 0,3 с/_г), так как при этом уменьшаются потери от обтекания сопла.

Для всасывающего конфузора, проточная часть которого выполнена в виде плавного сужения с радиусом закругле­ния R_B=(0,3-0,7)d_Г при хорошем профиле наружной поверхности сопла, коэффициент расхода μ_в = 0,85-0,90. Этим значениям μ_в соответствует К₂ = 0,62-0,77. В учеб­ных расчетах рекомендуется принимать К₂ = 0,7.

6.Рассчитываются площадь выходного отверстия (кратера) горелки по формуле, см²:

(64)

и диаметр кратера, см:

(65)

7. Определяется скорость выхода газовоздушной смеси из кра­тера горелки, м/с:

(66)

Полученная скорость должна быть больше предельной скорости W_пр, при которой происхо­дит проскок пламени в отверстие диа­метром d₀. Значения максимальных предельных скоростей для природного газа, соответствующие проскоку пламени в горелках без искусственных стабилиза­торов, приведены в таблице 16.

Таблица 16 Скорости пламени в отверстии горелки

d0, мм	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140	150
W,м/с	0,3	0,7	1,1	1,5	1,8	2,1	2,4	2,6	2,8	3,0	3,1	3,3	3,4	3,5	3,7	3,8

Соотношение между расчетным значением скорости в сечении кратера W₀ и значением пре­дельной максимальной скорости про­скока пламени выражается равенством, м/с:

, (67)

где m₁ - коэффициент, учитывающий свойства газа;

m₂ -температурный коэффициент, учитывающий увеличение скорости распространения пламени при повышении тем­пературы газовоздушной смеси;

m₃ - коэффициент глубины регулирования.

Коэффициент m₁ имеет следующие значения: для природного газа m₁= 1, для сжиженного газа m₁ = 1,3. Коэффициент m₂ для неохлаждаемых туннельных головок принимается т₂ = 1,2-1,5 при отсутствии подогрева смеси. Если газовоздушная смесь подогре­вается до подачи в горелку до тем­пературы Т_см, то коэффициент т₂ вычисляется по формуле

(68)

Коэффициент глубины регулирования m₃ представляет собой от­ношение максимальной про­изводительности горелки к мини­мальной:

(69)

Коэффициент m₃ зависит от режима эксплуатации газрпотребляющего оборудования. Для промышленных печей и котлов можно принимать m₃ = 2 – 4.

Если известны скорости W₀ и , то коэффициент глубины регулирования определяется по фор­муле

(70)

8. Диаметр горловины смесителя определяется по формуле, мм:

(71)

9. Диаметр диффузора эжекционного смесителя, мм:

(72)

При этом рекомендуется не выходить за пределы оптимальной формы смесителя, характери­зующейся отношением d_Д/d_Г = 1,2-1,6.

Для принятого значения диаметра диффузора находят - степень уширения диффузора и по графику на рис.4 определяют коэф­фициент К потерь эжектора во втором приближении. Если этот коэффициент отличается от первоначально принятого в п.5 зна­чения К более чем на +2 %, рас­чет повторяется заново с п.5.

10. Назначаются конструктивные размеры головки и эжекци­онного смесителя горелки пропорционально диаметрам d_Г и d₀ в со­ответствии с рекомендуемыми соотношениями для оптимальной формы горелки, изображенной на рис.3:

(73)

Оптимальные размеры туннеля:

D_T=(2,4-3,0)d₀, L_T=(2,4-2,7)D_T. (74)

После определения основных размеров туннеля необходимо опре­делить значение теплового на­пряжения поверхности туннеля, кВт/м²:

(75)

Нормальное тепловое напряжение внутренней поверхности туннеля должно находиться в пределах 230-815 кВт/м².

11. .При использовании рассчитанной эжекционной горелки среднего давления для сжига­ния других газов с сильно отличающимися характеристиками или при значительном из­менении начального давления газа целесообразно изменить диаметр сопла, не изменяя других конструктивных размеров горелки.

Новые параметры работы горелки рассчитывают с помощью "постоянной" горелки:

(76)

где - коэффициент, учитывающий расши­рение газа при истечении из сопла.

Расчёт

Для расчёта газовой горелки принимаем мощность огнеупорного туннеля равную 600 кВт, Qн = 35782 кДж/м³, плотность газа 0,748 кг/м³, t_г=10°С, V^o=9,07 м³/м³. Коэффициент потерь горелки K₁=1,3. Давление газа 20 кПа.

1. Определяем расход газа:

2. Определяем скорость истечения газа из сопла

3. Рассчитываем площадь и диаметр сопла

4. Определяем массовый и объёмный коэффициенты эжекции

S = ρ_г/ρ_в=0,748/1,293 = 0,578

5. Находим вспомогательный коэффициент

6. Рассчитываем оптимальное значение параметра горелки Ф₁

7. Определяем площадь выходного отверстия горелки и диаметр

8. Находим предельную скорость проскока пламени для диаметра d₀=70мм

= 2,6 м/с

9. Рассчитываем скорость выхода газовоздушной смеси из кратера горелки

10. Определяем глубину регулирования горелки

11. Находим диаметр горловины горелки

12. Диаметр диффузора на выходе

13. Проверяем коэффициент потерь эжектора K

По графику находим K = 1,57, что удовлетворительно совпадает с предварительно принятым значением K = 1,57.

14. Назначаем конструктивные размеры головки горелки и туннеля пропорционально диаметрам d_г и d₀ в с6тветствии с оптимальной формой эжекционной трубки, мм:

- диаметр входного конфузора

- радиус кривизны входного конфузора Rв=0.5 d_г= 60 мм

- длина смесительной камеры lсм = 4.75 d_г = 570 мм

- длина диффузора lд = 8 (d_д -d_г)=344 мм

-длина эжекционной трубки lэж = 5 d_г + lд = 944 мм

- диаметр туннеля Dт=(2.4-3.0) d₀ = 325 мм

- длина туннеля Lт = 2.4 Dт = 780 мм

15. Определяем тепловое напряжение поверхности туннеля газовой горелки:

Условие выполняется, горелка рассчитана, верно.

Список использованных источников

1. Ионин А. А. Газоснабжение – М.: Стройиздат, 1989 г. – 439с

2. СНиП 42.01-2002 Газораспределительные системы. М.: Стройиздат, 1987г.

3. Прохоров С.Г. Примеры расчёта газовых горелок. – Пенза : ПГАСА, 2000г.

4. СНиП 23-01-99 Строительная климатология.

5. СНиП 2.04.07-86* Тепловые сети.

6. СП 42-101-2003 Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полимерных труб.

7. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н. Справочник по газоснабжению и использо­ванию газа – Л.: Недра, 1990 г

8. Учитель И.Л., Ярошенко В.Н., Гладких И.И., Капочкин Б.Б. Основы неогеодинамики. Сети газопроводов как элемент деформационного мониторинга // Одесса, Астропринт, 2001.- 144 с.

9. Капочкин Б.Б., Нагребецкий В.С., Кучеренко Н.В. Эндогенные причины обрушения строений в г. Одессе.- Материалы 3-ей конференции ОРАН.- Одесса.- 1999 г.- Астропринт.-с.93-94.

10. СП 42-103-2003:Особенности проектирования наружных газопроводов из полиэтиленовых труб.

КП-2069059-270109-051332-09

стр.