Предисловие

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

« Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

Расчет ГАЗОВЫХ ГОРЕЛОК для

Теплогенерирующих установок

Учебно-методическое пособие

Утверждено Учебно-методическим советом

Юго-Западного государственного университета

Курск – 2014

УДК 662.6(075)

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор

Воронежского государственного архитектурно-строительного

университета В.Н. Мелькумов

Технический директор ПП «Курская ТЭЦ Центр»

П.В. Терентьев

Ежов В.С. Расчет газовых горелок: учебно-методическое пособие / В.С. Ежов; Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2014. 63 с.

Наряду с теоретическими сведениями об основных принципах расчета газовых горелок для теплогенерирующих установок ТЭЦ и производственно-отопительных котельных, излагаются материалы для выполнения курсового и дипломного проектирования студентов, определение основных конструктивных размеров, типа горелок, их технологических параметров.

Предназначено студентам дневной и заочной формы обучения, обучающимся по специальности 270109.65 – Теплогазоснабжение и вентиляция, по направлениям 270100.62 – Строительство, 270100.68 – Строительство, 270800.62 – Строительство, 270800.68 – Строительство, 140.10068 – Теплоэнергетика и теплотехника.

УДК 662.6(075)

Юго-Западный государственный университет,

Ежов В.С., 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие ……………………………………………………..

Введение………………………………………………………….

Глава 1. Газовые горелки. Общие сведения…………………………..

1.1.Основные технические характеристики горелок………………….

1.2. Классификация горелок…………………………………………….

1.2.1. Диффузионные горелки………………………………………….

1.2.2.Инжекционные горелки…………………………………………

1.2.3.Горелки с принудительной подачей воздуха ……………….

Глава 2. Расчет инжекционных горелок…………………………….

2.1.Инжекционные горелки с коэффициентом избытка воздуха

α₁< 1,0…………………………………………………………………….

2. 2.Инжекционные горелки с коэффициентом избытка воздуха

α₁> 1,0……………………………………………………………………..

Глава 3. Горелки с принудительной подачей воздуха…………………

3.1. Упрощенный расчет горелок с принудительной подачей воздуха…

3.2. Пересчеты газовых горелок с одного вида газа на другой. ……………

3.3. Особенности расчёта турбулентных горелок…………………………...

3.4. Порядок расчёта турбулентных горелок………………………………

4. Пример расчета инжекционной горелки

Библиографический список ……………………………………………

Предисловие

В настоящем учебно-методическом пособии изложены основные подходы к расчету газовых горелок для теплогенерирующих установок ТЭЦ и котельных.

В основных разделах учебно-методического пособия представлены методики расчета инжекционных горелок и горелок с принудительной подачей воздуха, определения максимального расхода топлива котельной установки, выбор и размещения горелок в топке котла,.

В данном пособии приводятся также рекомендации для проектирования горелок с учетом присущих им характерных особенностей, например, при различных коэффициентах избытка воздуха.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов всех форм обучения специальности 270109.65 – Теплогазоснабжение и вентиляция, направлений 270100.62 – Строительство, 270100.68 – Строительство, 270800.62 – Строительство, 270800.68 – Строительство, 140.10068 – Теплоэнергетика и теплотехника для выполнения курсового и дипломного проектирования, а также для аспирантов и работников научных и проектных организаций, занимающихся вопросами расчета и проектирования газовых горелок для котельных агрегатов.

ВВЕДЕНИЕ

Газовая горелка (горелка) — устройство, обеспечивающее подачу определенного количества горючего газа и окислителя (воздуха или кислорода), создание условий смешения их, транспортировку образовавшейся смеси к месту сжигания и сгорание газа. Есть горелки, у которых к месту сгорания подается только газ или газ и воздух, но без их предварительного смешения внутри горелки.

Требования, предъявляемые к горелкам:

—создание условий для полного сгорания газа с минимальными избытком воздуха и выходом вредных веществ в продуктах сгорания;

—обеспечение необходимой теплопередачи и максимального использования теплоты газового топлива;

—наличие пределов регулирования, не меньше, чем требуемое изменение тепловой мощности агрегата;

—отсутствие сильного шума, уровень которого не должен превышать 85 дБ;

—простота конструкции, удобство ремонта и безопасность в эксплуатации;

—возможность применения автоматики регулирования и безопасности;

—соответствие современным требованиям промышленной эстетики.

Горелки должны проходить государственные испытания, соответствующие СТ СЭВ 621—83 (Горелки газовые промышленные общего назначения. Методы испытаний), и изготовляться на специализированных заводах по межведомственным нормалям и техническим условиям к ним.

ГЛАВА 1

ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРЕЛОК

Тепловая мощность Q, кДж/ч, — количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании часового расхода газа, проходящего через горелку:

Q=Q_нV_г (1.1)

где

Q_н – низшая теплота сгорания газа, кДж/м³;

V_г – расход газа, м³/ч.

Различают номинальную, максимальную и минимальную тепловую мощность горелок. Номинальная тепловая мощность —максимально достигнутая мощность при длительной работе горелки с минимальным коэффициентом избытка воздуха и при допустимой по установленным нормам химической неполноте сгорания. Минимальная тепловая мощность определяет тот нижний предел работы горелки с коэффициентом избытка воздуха, равным 1,1, при котором горелка работает устойчиво. Максимальная тепловая мощность составляет 0,9 от мощности, соответствующей верхнему пределу работы горелки. Нижний и верхний пределы работы горелки определяются в результате испытаний по отрыву, проскоку пламени, устойчивому горению газа в тепловом агрегате и полноте сгорания. Коэффициенты избытка воздуха, равные 1,1 и 0,9, предусматривают необходимость полной надежности работы горелок в пределах от минимальной до максимальной тепловой мощности.

Коэффициент предельного регулирования К_п.р. по тепловой мощности (диапазон устойчивой работы горелки) — отношение максимальной тепловой мощности горелки к минимальной. Этот параметр определяет, в каких пределах может изменяться тепловая мощность горелки при устойчивой и безопасной ее работе. При выборе горелок для тепловых агрегатов необходимо, чтобы ее коэффициент предельного регулирования был равен допустимому изменению тепловой мощности агрегата или больше него.

Коэффициент рабочего регулирования К_{р. р} — отношение номинальной тепловой мощности горелки к минимальной.

Давление газа и воздуха перед горелкой р, Па, подразделяется на номинальное, максимальное и минимальное. Номинальное соответствует номинальной тепловой мощности, максимальное и минимальное соответственно максимальной и минимальной тепловой мощности горелки.

Удельная металлоемкость m, кг/кВт, — отношение массы горелки к ее номинальной тепловой мощности. Этот показатель позволяет для однотипных горелок выбирать наименее металлоемкие (при прочих одинаковых технических показателях).

Шумовая характеристика — уровень звукового давления, создаваемого при работе горелки в зависимости от спектра частот. Уровень шума горелок, работающих во всем допустимом диапазоне изменения расхода, не должен превышать 85 дБ на расстоянии 1 м от горелки и на высоте 1,5 м от пола.

Номинальная относительная длина факела — расстояние по оси факела от выходного сечения горелки, измеренное при работе с номинальной тепловой мощностью в калибрах выходного сечения до точки, где концентрация СО₂ при коэффициенте избытка воздуха α = 1 составляет 95% от максимального значения.

Давление (разрежение) в камере сгорания (Па) — давление (разрежение) в камере сгорания в зоне выходного сечения горелки при номинальной тепловой мощности.

Коэффициент избытка первичного воздуха α₁ показывает, какая часть воздуха от теоретически необходимого для сгорания газа подается в горелку предварительно (до пламени).

Коэффициент избытка вторичного воздуха α₂ показывает, какая часть воздуха от теоретически необходимого для сгорания газа подается непосредственно к пламени из окружающего пространства.

Объемный коэффициент инжекции, или кратность инжекции, n показывает отношение объемного количества подсасываемого горелкой первичного воздуха к объемному расходу газа.

К дополнительным характеристикам, уточняющим основные параметры, относятся диаметр газового сопла и выходного отверстия горелки, допустимые температуры газа и воздуха, теплота сгорания и плотность сжигаемого газа, угол раскрытия факела, способ стабилизации горения, интенсивность крутки, геометрические размеры горелки и др.

Приведенные выше термины и определения приняты в соответствии с требованиями ГОСТ 17356—71*.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРЕЛОК

В соответствии с ГОСТ 21204—83* по способу подачи воздуха и коэффициенту избытка первичного воздуха α₁ горелки могут быть разделены на диффузионные (α₁ = 0), инжекционные (α₁ > 1 и α₁ < 1), с принудительной подачей воздуха (дутьевые). Приведенная классификация, не являясь исчерпывающей, удобна своей простотой и привычностью, а также тем, что она характеризует основные признаки распространенных горелок.

1.2.1Диффузионные горелки (рис. 1.1, а). Это — наиболее простые устройства, представляющие собой трубу с просверленными отверстиями. Газ вытекает из отверстий, а необходимый для горения воздух (в качестве вторичного) притекает полностью из окружающей среды. На диффузионных горелках процессы смешения газа с воздухом и горение совершаются параллельно на выходе газа из горелки.

Особенности диффузионных горелок:

1) обеспечение сжигания газа по диффузионному принципу;

2) длинное пламя со сравнительно невысокой температурой (при использовании в качестве топлива углеводородных газов пламя желто-белого цвета. В верхней части факела появляются сажистые частицы — копоть);

Рис. 1.1. Схемы горелок

а — диффузионная; б—в — инжекционные: 6 — α₁ > 1, в — α₁< 1; г — с принудительной подачей воздуха; 1 — сопло; 2 •— инжектор; 3 — горловина; 4 — диффузор; 5 — насадок; 6 — воздушная заслонка; 7 — огневые отверстия; 8 — коллектор; 9 —газораспределительное устройство; 10 — завихритель; 11 — отверстия для выхода газа; 12 — корпус.

3) наличие в продуктах сгорания несгоревших частиц топлива (химическая неполнота сгорания, или химический недожог, особенно при сжигании высококалорийных газов);

4) необходимость иметь большой объем топочной камеры.

Достоинствами горелок этого типа являются малогабаритность и простота конструкции, удобство и безопасность эксплуатации, высокая устойчивость пламени без проскока и отрыва, высокая степень черноты пламени, широкий диапазон регулирования тепловой мощности и др. К недостаткам горелок относятся повышенный по сравнению с другими видами горелок коэффициент избытка воздуха, ухудшение условий догорания газа и выделение при сжигании углеводородных газов продуктов неполного сгорания.

Диффузионные горелки применяют для сжигания искусственных газов (сланцевый, коксовый, водяной, генераторный и др.), причем на сжигание 1 м³ горючего газа требуется небольшое количество воздуха. Как правило, это горелки с небольшими расходами газа. Кроме того, в горелках этого типа можно сжигать природные и сжиженные углеводородные газы на производствах, где требуется длинный светящийся (коптящий) факел с равномерной температурой по его длине: печи мартеновские, цементные, стекловаренные, печи для получения газовой сажи и др. В отдельных случаях они незаменимы, например в высокотемпературных плавильных печах, где требуется растянутый факел с высокой степенью черноты. А это возможно при подогреве воздуха, необходимого для горения, до 1000—1100 °С, т. е. до температуры, превышающей температуру самовоспламенения газовоздушной смеси. Предварительное смешение газа с воздухом в таких условиях неосуществимо.

Диффузионные газовые горелки для сжигания природных и сжиженных углеводородных газов в настоящее время широко не применяют из-за того, что для полного сжигания газа они требуют большого количества воздуха.

1.2.2.Инжекционные горелки. Это — горелки, у которых необходимый для горения воздух поступает полностью (α₁ > 1) или частично (α₁<; 1) в качестве первичного, а подача его осуществляется за счет кинетической энергии струи газа, вытекающего из сопла. У этих горелок процессы смешения газа с воздухом и горения полностью или частично разделены. Инжекционные горелки обеспечивают хорошее смешение газа с воздухом. В зависимости от коэффициента избытка первичного воздуха α₁ они делятся на две группы: с α₁>1 и α₁ < 1.

Инжекционные горелки с α₁ > 1 (рис. 1.1,6). Газ, вытекая из сопла с большой скоростью за счет кинетической энергии струи, засасывает в инжектор из окружающего пространства воздух в количестве, необходимом для полного сгорания газа. Интенсивное смешение газа с воздухом осуществляется в горловине и завершается в диффузоре, в котором одновременно происходит повышение статического давления за счет плавного снижения скорости газовоздушного потока. Выравнивание скоростей происходит в конфузорном огневом насадке, где на выходе скорость смеси за счет повышения статического давления доводится до обеспечивающей устойчивую работу горелки в заданном диапазоне регулирования ее тепловой мощности. Количество поступающего воздуха в горелку может изменяться при помощи регулятора первичного воздуха, обычно имеющего вид шайбы, вращающейся на резьбовой поверхности сопла. При полностью открытом регуляторе коэффициент избытка первичного воздуха в основном зависит от отношения диаметров горловины и сопла. Инжекционные горелки с α₁ > 1 не требуют подвода вторичного воздуха (а₂ = 0); обеспечивают сжигание газа по кинетическому принципу; имеют короткое пламя с высокой температурой; обеспечивают в рабочем диапазоне автоматичность соотношения газ — воздух, т. е. постоянство α₁ независимо от изменения давления газа; создают возможность работы в топках с небольшим противодавлением (до 20 Па), что позволяет их устанавливать в камерных нагревательных печах; обладают низкой устойчивостью к проскоку и отрыву пламени. Требуют применения стабилизаторов пламени.

Диапазон устойчивой работы инжекционных горелок с α₁ > 1 определяется исходя из следующего условия: минимальная тепловая мощность Q_min достигается при расходе газа, который создает скорость выхода газовоздушной смеси из насадка горелки, равную скорости распространения пламени или несколько превышающую ее, т. е. предотвращающую проскок пламени. Таким образом, во всем рабочем режиме горелки имеет место отрыв пламени, для предотвращения которого их оснащают стабилизаторами пламени, обеспечивающими постоянное поджигание вытекающей из насадка газовоздушной смеси. Конфигурация смесителя горелки (диффузор, горловина и конфузор — по типу трубы Вентури) обеспечивает хорошее смешение газа с воздухом и создание до горения однородной газовоздушной смеси, что позволяет полностью сжигать газ с минимальными избытками воздуха (α₁ = 1,02 -1,05).

Розжиг большинства инжекционных горелок α₁ > 1 осуществляют с прикрытым регулятором первичного воздуха, так как для предотвращения проскока пламени во время пуска газа приходится переходить на режим, когда скорость распространения пламени будет превышать скорость газовоздушной смеси в насадке. Для того чтобы исключить проскок пламени во время розжига, уменьшают подачу воздуха, что делает первичную смесь негорючей. В пусковой период, протекающий очень быстро, дожигание горючего газа происходит за счет вторичного воздуха, после чего регулятор первичного воздуха полностью открывается.

Инжекционные горелки с α₁> 1, как правило, работают на среднем давлении газа (10—90 кПа). Максимальное давление ограничивается верхним пределом докритических скоростей истечения,

Рис. 1.2. Зависимость коэффициента избытка инжектируемого воздуха от разрежения, противодавления в топке и давления газа перед соплом

который для природного газа достигается при давлении 90 кПа. При докритических скоростях истечения газа из сопла горелки постоянство коэффициента α₁ сохраняется, если давление в топке равно атмосферному или давлению инжектируемого воздуха. Если же топка, в которой установлена горелка, работает под разрежением или давлением, превышающем атмосферное, количество инжектируемого воздуха соответственно увеличивается или уменьшается.

Количественное влияние разрежения и противодавления в топке на коэффициент избытка инжектируемого воздуха в зависимости от давления газа перед соплом показано на рис. 1.2. Исследования проводились на инжекционной горелке, выдающей газовоздушную смесь в специальную камеру, в которой искусственно создавались разрежения и противодавления в пределах0-—40 и 0-40 Па. Горелка была рассчитана и отрегулирована на α₁ =1,0 при давлении в топке, равном атмосферному. Положение кривых показывает, что влияние разрежения и противодавления сказывается на коэффициенте избытка воздуха тем больше, чем больше отклоняется давление в топке от атмосферного и чем меньше давление газа перед соплом, По этой причине такие горелки, как правило, применяют в топках, если давление укладывается в пределы ±20 Па относительно атмосферного и если при минимальной тепловой мощности давление газа перед соплом составляет не менее 5 кПа. В том случае, если разрежение в топке превышает указанное значение и ведет к нецелесообразному избытку воздуха, горелки оборудуют уравнительными камерами, поддерживающими давление инжектируемого воздуха на уровне, близком к разрежению в топке. При закритических режимах истечения газа (давление природного газа перед соплом >90 кПа) горелки не обладают свойствами автоматического пропорционирования и α₁ снижается при повышении давления газа перед соплом.

Устойчивость пламени на инжекционных горелках достигается при отрыве применением стабилизаторов горения в виде огнеупорных туннелей, кольцевых зажигательных поясков или тел плохообтекаемой формы, а при проскоке — значительной скоростью выхода газовоздушной смеси. Наиболее распространены стабилизаторы горения в виде цилиндрических туннелей с внезапно расширяющимся сечением. Стабилизирующее действие таких туннелей рассмотрено в литературе []. Туннели изготавливают из огнеупорных материалов, пригодных для длительной работы при температуре 1450—1500°С и стойких к резким колебаниям температур, что имеет место при каждом включении и выключении горелок. Обычно туннели делают набивными и изготавливают по шаблону из материала следующего состава, %: порошок хромистого железняка 45, порошок из обожженного магнезита 45, огнеупорная глина 10. Полученную массу разбавляют водой до густого тестообразного состояния. Перед применением в огнеупорную массу добавляют 2—3% жидкого стекла, после чего смесь тщательно перемешивают. Толщина слоя набивной массы должна быть не менее 25 мм.

Туннели, выполненные из указанного материала, обеспечивают достаточно высокую стойкость: после 2 лет работы при температуре около 1400 °С они не оплавились и не растрескались. Туннели без хромистого железняка дают многочисленные трещины, а набивки из хромистого железняка, но без магнезита размягчаются. Набивка туннелей может выполняться и из других материалов, %: порошка хромомагнезита 70 и огнеупорной глины30. Применять туннели из обычной набивки или кирпича недопустимо, так как они, как правило, оплавляются очень быстро. При выборе материалов для туннелей необходимо учитывать, что наличие в них оксида железа или других примесей, снижающих температуру размягчения и увеличивающих теплопроводность материала, ухудшает качество туннеля и приводит к его оплавлению.

Для удобства извлечения деревянного шаблона (после набивки туннеля) его делают с расширением 3-4° в сторону выхода продуктов сгорания. При массовой потребности в туннелях их выполняют из заблаговременно изготовленных горелочных камней. При сборке туннелей горелочные камни укладывают, тщательно подгоняя поверхности, при толщине швов 0,5—1,0 мм. Уступы и неровности на внутренней поверхности туннелей недопустимы.

В зависимости от условий установки инжекционные горелки изготавливаются с прямыми и угловыми смесителями. Последние применяют в тех случаях, когда прямые смесители непригодны или неудобны в эксплуатации из-за их значительной длины. К недостаткам угловых смесителей относятся: 1) большое сопротивление, приводящее к уменьшению коэффициента инжекции на 1—3% (в зависимости от угла поворота) относительно прямых смесителей равнозначных характеристик. Несколько снижается для угловых смесителей и устойчивость пламени по отношению к проскоку.

Инжекционные горелки с α₁ > 1 устанавливают на промышленных и коммунальных теплоагрегатах (нагревательные и термические камерные печи, сушилки, чугунные секционные отопительные котлы, хлебопекарные и кондитерские печи, каменки бань и др.). Широко применяют инжекционные горелки с максимальным расходом газа до 100 м³/ч. Для больших расходов эти горелки становятся громоздкими и металлоемкими и применение их, компоновка на теплоагрегатах усложняются.

Инжекционные горелки с α₁ < 1 (рис. 1.1, б). Выбор значения α₁ для этих горелок зависит от диапазона устойчивой работы их, который определяется по режиму работы теплоагрегата. В подавляющем большинстве инжекционные горелки с α₁ < 1 работают на низком давлении газа (до 2 кПа). При этих условиях энергия струи газа, вытекающей из сопла в инжектор, недостаточна, чтобы обеспечить большую выходную скорость газовоздушной смеси в насадке горелки или в огневых отверстиях, превышающую скорость распространения пламени. Поэтому максимальная тепловая мощность этих горелок, как правило, определяется скоростью отрыва пламени, т. е. скорость выхода газовоздушной смеси принимается равной или меньшей скорости распространения пламени. А так как горелки должны иметь достаточно широкий диапазон изменения тепловой мощности, приходится выбирать такое значение чтобы первичная газовоздушная смесь была не горючая. Тогда проскок пламени при уменьшении расхода будет отсутствовать.

Известно, что для природного газа при α₁< 0,59 газовоздушная смесь не горючая. Следует иметь в виду, что уменьшать α₁ можно только до определенного предела, который для углеводородных газов определяется по следующей зависимости:

(1.2)

где m — число углеродных атомов в молекуле газа или среднее их число в сложном газе; n—то же, водородных атомов; d_к — диаметр огневых каналов в коллекторе горелки, м.

Для природного газа α_min = 0,4. Если α₁ принимается меньше этого значения, то горение приближается к диффузионному и имеет место выделение продуктов неполного сгорания газа.

Инжекционные горелки с α₁ < 1 обладают следующими особенностями: 1) требуют организованного подвода вторичного воздуха; 2) точки, где устанавливают эти горелки, должны иметь разрежение; 3) обеспечивают сжигание газа по промежуточному принципу, т. е. начало горения кинетическое, а окончание диффузионное; 4) имеют большую, чем горелки с α₁ > 1, длину и меньшую температуру пламени; 5) имеют большую устойчивость к отрыву и проскоку пламени, что, как правило, не вызывает необходимости применять стабилизаторы пламени.

Полное сгорание газа в этих горелках можно обеспечить только при подаче вторичного воздуха, при этом общий коэффициент избытка воздуха должен быть не менее α = α₁ + α₂, = 1,15-1,20.

Инжекционные горелки могут иметь различные насадки. Это могут быть многофакельные коллекторы с большим числом огневых отверстий, которые обеспечивают распределенную передачу теплоты обогреваемым поверхностям, или одно большое отверстие либо по оси потока смеси, либо под углом, которое формирует один факел.

Инжекционные горелки с α₁< 1 применяют весьма широко в бытовых газовых плитах, в проточных и емкостных водонагревателях, в ресторанных плитах, в секционных маленьких отопительных котлах, отопительных печах, в лабораторной практике и т. д.

1.2.3. Горелки с принудительной подачей воздуха. Воздух, необходимый для горения, нагнетается в горелки принудительно вентилятором, воздуходувкой или компрессором. Газ из газопровода подается (рис. 1.1, г) в газораспределительное устройство, а из него через сопла вытекает в закрученный поток воздуха. Здесь происходит смешение газа с воздухом. Подготовленная газовоздушная смесь выдается через насадок к месту сжигания. Эти горелки, как и инжекционные горелки с α₁>1, оснащены стабилизаторами пламени. К особенностям горелок этого типа относятся: 1) возможность создавать горелки на любые расходы газа; 2) возможность использовать теплоту предварительно подогретого (подаваемого для горения) воздуха; 3) возможность обеспечить сжигание газа как по кинетическому, так и по промежуточному принципу (в зависимости от вида смесителя); 4) возможность работать при любом давлении в топке; 5) необходимость устанавливать клапан блокировки, отключающий подачу газа при прекращении подачи воздуха; 6) наличие воздуховодов (кроме газопроводов) в системе обвязочных коммуникаций теплоагрегата; 7) необходимость в рабочем режиме регулирования соотношения расходов газа и воздуха для поддержания заданного коэффициента избытка воздуха;8) меньшая удельная металлоемкость по сравнению с инжекционными горелками; 9) обладание, как правило, большим коэффициентом предельного регулирования.

Смешение газа с воздухом зависит от конструкции как самой горелки, так и ее смесителя. Имеются горелки с хорошим предварительным смешением газа с воздухом. Такие горелки обеспечивают горение газа, близкое к кинетическому, и имеют в топке короткое пламя с высокой температурой. Для получения более длинного пламени применяют внешнее смешение газа с воздухом, иногда переносимое в топочное устройство.

Регулировать длину пламени можно, изменив качество смешения газа с воздухом. Чтобы сократить длину пламени, надо обеспечить хорошее предварительное смешение. Это достигается за счет удлинения участка смешения; увеличения разности скоростей газа и воздуха, а также поверхности соприкосновения газовых струй с воздушным потоком; направления потоков газа и воздуха под углом; выдачи газовых струй в закрученный поток воздуха.

Рис. 1.3. Схемы горелок с принудительной подачей воздуха.

На рис. 1,3 приведены различные схемы горелок с принудительной подачей воздуха. По схеме I газ и воздух к месту сгорания подаются раздельно, параллельными широкими потоками примерно с равными скоростями. Смешение происходит крайне медленно. Горение близко к диффузионному. Пламя длинное, при сжигании углеводородных газов светящееся, имеет невысокую температуру. В схеме II поверхность соприкосновения потоков газа и воздуха увеличена за счет подачи газа внутри воздушного потока (горелка типа «труба в трубе»). Длина пламени сокращается. Еще большее сокращение длины пламени достигается, если обеспечить некоторое предварительное смешение газа с воздухом (схема III). Улучшение предварительного смешения газа с воздухом достигается установкой в горелке завихрителя, закручивающего поток воздуха (схема IV). Для увеличения площади соприкосновения газа с воздухом вместо одного крупного газовыпускного отверстия делают много мелких под углом к предварительно закрученному потоку воздуха (схема V). Это приводит к образованию более равномерной газовоздушной смеси, что обеспечивает горение, близкое к кинетическому, а также короткое пламя с высокой температурой. Смешение можно еще более улучшить, если газ в закрученный поток воздуха подавать не только с центра, но и с периферии (схема VI), обеспечивая равномерное распределение газовых струй в сносящем потоке воздуха. Закручивание воздушного потока может осуществляться лопаточным направляющим аппаратом, улиткой, тангенциальным подводом к горелке и др.

Горелки с принудительной подачей воздуха (иногда их еще называют дутьевыми или двухпроводными) в зависимости от конструкции работают на газе низкого или среднего давления. Их применяют в основном для промышленных теплоагрегатов: котлов, печей, сушилок и др. Горилки этого типа позволяют использовать теплоту отработанных дымовых газов за счет подогрева в теплообменниках (рекуператорах, регенераторах и др.) воздуха, подаваемого для горения, что позволяет повысить КПД теплоагрегатов.

Недостатками рассматриваемых горелок являются: значительные затраты электроэнергии на дутьевые вентиляторы; усложнение инженерных коммуникаций теплоагрегата из-за наличия воздуховодов, устройств регулирования соотношения газ—воздух и клапанов, отсекающих подачу газа к горелкам при остановке вентилятора.

ГЛАВА 2

РАСЧЕТ ИНЖЕКЦИОННЫХ ГОРЕЛОК

Теоретический расчет газовых горелок является весьма сложным, так как связан с комплексными расчетами процессов смешения, горения и теплоотдачи,
 которые должны обеспечивать не только высокую эффективность сжигания газового топлива, но и минимально возможную концентрацию вредных компонентов в продуктах сгорания. Так как такой методики еще не существует, то при расчете горелок приходится пользоваться рядом приближенных данных, полученных из практики или отдельных экспериментов. Ниже приведена наиболее упрощенная и вместе с тем оправдавшая себя в практике методика расчета и пересчета на взаимозаменяемый газ наиболее распространенных газовых горелок.

Инжекционные горелки, выдающие гомогенную газовоздушную смесь с α₁<< 1,0. Эти горелки наиболее часто работают на газе низкого давления, широко применяются в бытовых газовых аппаратах и многочисленных тепловых установках предприятий и учреждений городского хозяйства.

Расчет горелок (рис. 2.1) должен обеспечивать необходимую для аппаратов и установок тепловую мощность; широкий диапазон регулирования расхода газа; устойчивость пламени без применения искусственных стабилизаторов горения и отсутствие или малую концентрацию вредных компонентов в продуктах сгорания. Он включает в себя определение размеров следующих конструктивных элементов: сопла, горловины смесителя, конфузора, диффузора, огневых каналов и габаритных размеров, обеспечивающих возможность установки горелки в заданной топке. Исходными данными для расчета являются тепловая мощность горелки, химический состав газа, давление газа перед соплом и температуры газа и воздуха, а также характеристики аппарата или тепловой установки, для которых горелка рассчитывается.

По указанным исходным данным определяют низшую теплоту сгорания и плотность газа, теоретический расход воздуха. При расчете таких горелок объем газа и его плотность могут определяться при нормальных физических условиях. Объясняется это тем, что давление газа мало отличается от атмосферного, а его температура для зимнего расчетного периода изменяется от 5 до 10 ⁰C. При тех же условиях с допустимой для практики точностью могут определяться теоретический расход воздуха и его плотность. При расчете горелок можно не учитывать содержание в газе и воздухе водяных паров, так как оно очень мало влияет на объем и плотность, а также теплоту сгорания газа.

Рис. 2.1. Расчетная схема инжекционной горелки.

1 — сопло; 2 — конфузор; 3 — горловина; 4 — диффузор; 5 — распределительный коллектор; 6 — огневые каналы; 7 — регулировочная шайба (поступления первичного воздуха).

2.1.Инжекционные горелки с коэффициентом избытка воздуха α₁< 1,0.

Низшую теплоту сгорания газа находят по теплоте сгорания его компонентов

; кДж/м³, (2.1)

где

Н₂, СО, СН₄ и т.д.–% об. газов в смеси.

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания газа находят по формуле

; м³/м³ , (2.2)

где

m–число атомов углерода в молекуле газа;

n– число атомов водорода в молекуле газа;

Расход газа (V_г, м³/ч) находят по формуле

, (2.3)

V_г = 68250000/(36117.8*1*91.7) = 20.6 м³/ч

где

q — номинальная теплопроизводительность установки, кДж/ч;

Q_Н — низшая теплота сгорания газа, кДж/м³;

N — число принимаемых к установке однотипных горелок с одинаковым расходом газа;

η — КПД установки.

Давление газа р_г, Па, перед соплом горелки определяется на основании гидравлического расчета газопроводов. Вместе с тем для обеспечения широкого диапазона регулирования расхода газа оно должно быть не менее определяемого по формуле

р_г = 0,27Q_H/100 + 40 (2.4)

P_г = 0.27* Q_н/100 + 40 = 0.27*36117.8/100 + 40 = 137.52 Па

Теоретическая скорость истечения газа из сопла (w_r, м/с) при низком давлении
 (до 5 кПа) рассчитывается по формуле гидравлики, не учитывающей изменение плотности газа:

, (2.5)

м/с

где

р_г — давление газа перед соплом, Па;

ρ_г— плотность газа, кг/м³.

Площадь поперечного сечения газового сопла (f, м²) и его диаметр (D, м) определяются по формулам

; (2.6)

; (2.7)

f_{d1 =} V_г/(3600*µ* ω_г) = 20.6/(3600*0.7*19.7) = 0.000415м²

м

где μ — коэффициент расхода, учитывающий неравномерность.распределения скоростей потока газа по сечению сопла, сопротивления трения в нем и сжатие струи, зависит от формы сопла.

Для цилиндрического сопла с острыми краями в тонкой стенке (рис. 2.6а)
 в зависимости от качества обработки внутренней стенки μ = 0,6-0,65; для того же сопла, но с закругленными изнутри краями (рис. 2.6б) μ = 0,7-0,75; для конического сопла (рис. 2.6в) коэффициент расхода μ зависит от угла конусности β: при β = 15° μ = 0,9; при β = 30° μ = 0,85 и при β = 45° μ = 0,82;
 для наиболее распространенного сопла (рис. 2.6г) с цилиндрическим каналом и β = 90° значение μ зависит от отношения длины цилиндрической части сопла
l_D1 к диаметру сопла D₁ при l_D1: D₁ = 0,18, μ = 0,75; при l_D1: D₁ = 0,45, μ = 0,85; при l_D1: D₁ = 1,0, μ = 0,85; при l_D1: D₁ = 2, μ = 0,84.

Диаметр горла смесителя D₃, м, определяется из уравнения, выражающего закон сохранения количества движения при смешении двух газов. Количество движения 1 м³ инжектируемого газа равно , а инжектируемого из атмосферы воздуха может приниматься равным нулю. В этом случае количество движения смеси газа и воздуха

(2.8)

где

w₃ — скорость газовоздушной смеси в горловине смесителя, м/с;

ρ_В— плотность воздуха, кг/м³;

n — объемная кратность инжекции (количество воздуха, инжектируемое 1 м³ газа), м³/м³.

Рис. 2.2. Формы сопел инжекционных горелок.

Уравнение сохранения количества движения будет иметь тот же вид

(2.9)

Выразив расход газа V_г, м³/ч, и смеси V_г (1 + n), м³/ч, через соответствующие скорости и сечения

V_г/3600 = πD_l ²w_г/4 и V_г(1 + n)/3600 = πD₃ ²w₃/4

получим

w₃= w_г (1 + n) (D₁/D₃)². (2.10)

Так как кратность инжекции n = V_Tα₁, то

(2.11)

D₃ = 0.023 м

где α₁—коэффициент избытка инжектируемого воздуха;

V_T—теоретическая потребность в воздухе для сгорания 1 м³ газа, м³/м³.

Формула (2.11) показывает, что α₁ для данного вида газа зависит только от соотношения диаметра горловины к диаметру сопла и не зависит от давления инжектирующего газа. Это значит, что инжекционные горелки обеспечивают постоянство соотношения газа и воздуха в смеси независимо от изменения расхода газа. Так, для горелок рассматриваемого вида α₁ должен приниматься таким,
 чтобы не происходило проскока пламени внутрь смесителя при минимально необходимом расходе газа. Численное значение этого коэффициента

α₁<[(100/L_в) - l)](l/V_т), (2.12)

α₁ < 0.6

где

L_B — верхний предел воспламеняемости газа, % об.

Одновременно значение α₁ должно быть больше такого, при котором возможно образование желтых языков (краев) пламен:

α₁ >0,75(m + n/4)^0,5d₀^0,25, (2.13)

α₁ > 0.15

где

m — число углеродных атомов в молекуле или среднее их число в сложном газе;

n — то же, водородных атомов;

d₀ — диаметр огневых каналов на коллекторе горелки, м.

Диаметры конфузора D₂ и диффузора D₄ принимаются примерно одинаковыми:

D₂~D₄ = (2,0 - 2,2) D₃. (2.14)

D₂~D₄ = 2.1*0,2 = 0.42 м

Длина горловины смесителя и длина конфузора

l₁=(2,5 — 3,5) D₃ (2.15)

l₃= (1,3— 1,5) D₃. (2.16)

L₁ = 3D₃ = 0.6; L₂ = 1.4D₃ = 0.28

Переход конической поверхности конфузора в цилиндрическую горловины для литых смесителей рекомендуется выполнять по дуге окружности радиуса


R = (3-5) D₃ (2.17).

R = 4D₃ = 0.8 м

Значения коэффициента R в зависимости от вида газа и коэффициента избытка первичного воздуха приведены в таблице 2.1

ТАБЛИЦА 1

Коэффициент избытка первичного воздуха α1	Природный газ	Сжиженный углеводородный газ	Коксовый газ
0,2	-	-	0,85
0,3	0,85	-	0,6
0,4	0,7	1,1	0,5
0,5	0,6	0,9	0,38
0,6	0,5	0,8	0,3
0,7	0,4	0,65	0,24
0,8	0,32	0,5	0,2

Длина диффузора смесителя l₃, м,

l₃ = (D₄ – D₃)/(2 tg θ/2), (2.18)

L₃ = (D₄ – D₃)/0.1 = 2.2 м

где θ — угол расширения диффузора, принимаемый для обеспечения безотрывности потока газовоздушной смеси в пределах 6—8°.

Суммарная площадь огневых каналов коллектора, м².

∑fd₀ = V_см/w_см = V_г (1 + а₁V_т)/(3600w_см), (2.19)

V_см/ω_см = (1+ α₁V_т)V_г/(3600ω_см) =

20.6*(1+0.38*9.3)/(3600*50) = 0.0005202 м²

где

V_см— расход газовоздушной смеси, м³/с;

w_см — скорость вытекания из огневых каналов газовоздушной смеси, м/с. Скорость w_см принимается такой, чтобы не происходило отрыва пламен. Эта скорость для природных газов должна быть несколько меньше определяемой по формуле

w_см<3,6*10^-3*d_oT³(l + V_т)/(1+α₁V_т), (2.20)

ω_г ≤ 3.6*10^-3*0.079*293²(1+9.33)/(1+0.38*9.33) = 55.6 ~ 50 м/с

где T—абсолютная температура газовоздушной смеси, К.

Так как уравнение (2.20) имеет две неизвестные величины, то для определения скорости вытекания смеси необходимо задаваться диаметрами огневых каналов. Обычно их размеры укладываются в пределы от 3 до 6 мм.

Число огневых каналов на коллекторе

N'=∑fd₀/fd₀, (2.21)

N’ = / = 0.0005202 / 79 ~ 7

где fd₀— площадь одного огневого канала, м³.


Огневые каналы на коллекторе горелки обычно размещаются в один или в два ряда, в последнем случае — в шахматном порядке. При двухрядном расположении каналов минимальная длина коллектора l_к, м,

l'_к= (N — 1) s/2 + 2S, (2.22)

где s — шаг между осями огневых каналов, м. Для обеспечения быстрого распространения пламен по всем каналам я предотвращения их слияния принятый шаг между осями каналов должен укладываться в пределы, определенные экспериментально. При α₁ = 0,6 для d_o=2-6 мм, s = (2,4-2,8) d₀. Для этой же цели расстояние между осями рядов каналов должно быть в (2,0—2,5) раза больше расстояния между каналами.

При выборе глубины огневых каналов l_d0 следует исходить из того, что ее увеличение способствует устойчивости горения в отношении проскока пламен.
 Объясняется это охлаждающим действием стенок каналов и, как следствие,
 уменьшением скорости распространения пламени в газовоздушной смеси. Вместе с тем чрезмерная глубина приводит к увеличению сопротивления трения, что может быть причиной уменьшения коэффициента инжекции первичного воздуха.
 Кроме того, чрезмерное увеличение глубины каналов приводит к созданию приподнятых каналов, осложняющих изготовление горелок.

Рис. 2.3. Инжекционные горелки Ленгипроинжпроекта для природного газа среднего давления.

а — с прямым смесителем; б — с угловым смесителем; 1 — сопло; 2 — шайба для регулирования количества инжектируемого воздуха; 3 — конфузор смесителя; 4 — горловина; 5 — диффузор; 6 — огневой насадок; 7 — огнеупорный туннель.

По экспериментальным данным глубину каналов следует принимать

l_do = (l,5 - 2,0)d_o (2.22)

Ld₀ = 1.75d₀ = 138.25 мм

Большая глубина должна приниматься для быстрогорящих газов и в тех случаях, когда α₁ близок к пределу воспламеняемости или больше него.

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

Определение высоты конусного фронта пламени h, мм, может с достаточным приближением к практике производиться по следующей эмпирической формуле:

h = 0,785Rd²₀y, (2.23)

h = 0.785Кd₀²у = 0.785*0.72*79² = 3.527 м

где R — коэффициент, зависящий от вида газа и коэффициента избытка первичного воздуха в смеси, определяемый по табл. 2.3; у — отношение расчетной удельной тепловой нагрузки к номинальной, равной 17 кДж/(мм²*ч).

2.2.Инжекционные горелки с коэффициентом избытка воздуха α₁> 1,0.

Наиболее часто эти горелки работают на газе среднего давления для его сжигания в промышленных печах, сушилках и других тепловых установках (рис. 1.3). В качестве примера взята горелка конструкций Ленгипроинжпроекта (табл. 2. 3). Работа инжекторов среднего давления не отличается от работы инжекторов низкого давления; как в тех, так и в других расчетное давление газа при выходе из сопла равняется атмосферному, т. е. давлению инжектируемого воздуха. Между тем, согласно закону истечения давление при выводе из отверстия сохраняет постоянное значение, равное

атмосферному лишь до тех пор, пока отношение начального давления газа p₁ перед соплом к конечному p₂ на выходе из сопла не превышает критического значения β_кр. т. е. при условии, когда

p_1/ p₂< β_кр (2.24)

Для природных газов β_кр = 1,9. Принимая согласно изложенному р₂= 0,1 МПа (абс.). получаем критическое значение р₁:

р₁ = p₂ 1.9 = 0,19 МПа (абс.)…….. (2.25)

Р₁ = Р₂*1.9 = 0.19 МПа

Р₂ = 0.1МПа

Для сжиженных углеводородных газов критическое значение р₁ =0,175 МПа (абс.).

Если начальное давление природного газа превысит критическое [0.19 МПа (абс.)], то давление на выходе из сопла, равное р₂ = р₂/1,9, превысит атмосферное давление, что приведет к некоторому снижению кратности инжекции.

Характеристики некоторых инжекционных горелок для природного газа приведены в таблице 2.2

ТАБЛИЦА 2.2

Характеристики инжекционных горелок Ленгипроинжпроекта для природного газа (Q_н=35,6МДж/м³, α=0,73 кг/м^3,, коэффициент избытка воздуха при давлении в топке, равном атмосферному, ρ=1,05)

Ном горел.	Расход газа, м3/ч при давлении, кПа
	2,0	2,8	3,3	3,8	4,1	4,4	4,6	4,9	5,1
	3,2	4,4	5,3	6,0	6,5	7,0	7,4	7,7	8,1
	4,2	5,7	6,8	7,7	8,4	9,0	9,5	10,0	10,4
	5,0	6,8	8,1	9,2	10,0	10,7	11,4	11,9	12,4
	5,8	8,0	9,5	10,8	11,7	12,6	13,3	14,0	14,6
	7,0	9,7	11,6	13,1	14,3	15,3	16,2	17,0	17,7
	-	13,7	16,3	18,4	20,0	21,5	22,8	23,9	24,9
	-	19,6	23,3	26,4	28,7	30,8	32,6	34,1	35,6
	-	23,6	28,1	31,8	34,6	37,2	39,3	41,2	42,9
	-	28,0	33,4	37,7	41,1	44,1	46,7	48,9	51,0

Продолжение таблицы 2.2

Номер горелки	Эксплуатационные пределы регулирования
Давление, кПа	Расход, м3/ч
	5-90	1,4-5,1
	6-90	2,4-8,1
	7-90	3,5-10,4
	8-90	4,5-12,4
	9-90	5,5-14,6
	10-90	7,0-17,7
	11-90	10,5-24,9
	12-90	15,5-35,9
	13-90	19,5-42,9
	15-90	25,0-51,0

Таблица 2.3

Конструкционные размеры инжекционных

горелок Ленгипроинжпроекта для природного газа

Ном. горелки	D	Размеры, мм
D1	D2	D3	D4	d0	l1	l2
	½	2,3
	½	2,9
	¾	3,3
	¾	3,6
	¾	3,9
		4,3
		5,1
	1¼	6,1
	1¼	6,7
	1¼	7,3

Продолжение таблицы 2.3

Ном. горелки	Размеры, мм	Масса горелки
l3	l4	L	L1	h	bхb	Прямой смеситель	Угловой смеситель
						74х74	5,1	7,6
						88х88	6,7	10,2
						105х105	9,2	14,2
						115х115	11,3	18,0
						120х12х0	14,3	21,8
						120х120	19,2	28,3
						135х135	23,1	33,8
						170х170	36,0	52,2
						180х180	42,6	59,8
						190*190	48,3	70,0

Формула (2.4) теоретической скорости истечения газа из сопла может применяться для инжекторов среднего давления с допустимой для практики точностью при начальном давлении до 10 кПа. При более высоком давлении, но не превышающем для природного газа 90 кПа, необходимо пользоваться термодинамическими формулами

адиабатического истечения, например:

(2.26)

или

(2.27)

= 566 м/с

где R— показатель адиабаты, равный для природного газа газовых месторождений 1,3, а для сжиженного углеводородного 1,13; р₁ — абсолютное давление газа перед соплом, Па; р₂ - абсолютное давление газа на выходе из сопла, равное 103 300 Па; p^,_г — плотность газа при давлении р₁, кг/м³; K — удельная газовая постоянная; Т₁— абсолютная температура газа перед соплом, К.

Площадь сечения сопла f_D1 и его диаметр D₁ могут быть определены по формулам (2.5) и (2.6), а диаметр горловины смесителя D₃ для горелок, устанавливаемых в топках с атмосферным давлением или разрежением до 30 Па, Производится по формуле (2.10). При этом α₁ = 1,02-1,05. Для топок с противодавлением до 30 Па формула (2.10) видоизменяется за счет введения в нее коэффициента ε, учитывающего сопротивление смесителя:

(2.28)

D₃ = 0.216 м

Остальные размеры горелок определяются по следующим соотношениям, полученным в результате экспериментальных исследований:

диаметр конфузора

D₂=(1,7-2)D₃; (2.29)

D₂ = 1.7D₃ = 0.367 м

диаметр диффузора

D₄=(1,5-1,7)D₃; (2.30)

D₄ = 1.5D₃ = 0.324 м

диаметр кратера

d₀=(1,07-1,1)D₃; (2.31)

d₀ = 1.07D₃ = 0.231 м

длина конфузора

l₁=(1,5-1,7)D₃; (2.32)

L₁ = 1.5D₃ = 0.324 м

длина горловины

l₂=(3-4)D₃; (2.33)

L₂ = 3D₃ = 0.648 м

длина огневого насадка

l₄=(1,2-1,7)D₃; (2.34)

L₄ = 1.2D₃ = 0.26 м

Длина диффузора l₃ определяется по формуле (2.17), а размеры туннеля по формулам

l_т = 2,5d₀; D_т = (2,3-2,5)d₀ (2.35)

Lт min = 2.5d₀ = 0.531 м

D_т = 2.3d₀ = 0.531 м

ГЛАВА 3

ГОРЕЛКИ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ ВОЗДУХА

В настоящее время не существует теоретически обоснованной методики расчета горелок, работающих на принудительно подающемся воздухе. Объясняется это не только трудностью комплексных расчетов процессов смешения горения и теплоотдачи, взаимно влияющих друг на друга, но и многообразием конструкций горелок, создающих сложность определения аэродинамических сопротивлений. По этой причине такие горелки, как правило, не рассчитывают, а подбирают по справочникам, альбомам проектных организаций или паспортным данным заводов-изготовителей.

Вместе с тем в практике встречается немало случаев, когда апробированные горелки не подходят по тепловой мощности, виду газа или его давлению- В этих случаях обычно производятся упрощенные расчеты, связанные с установлением основных размеров горелок в зависимости от местных условий.