Упрощенный расчет горелок с принудительной подачей воздуха

Основные размеры простейших газовых горелок с небольшими расходами газа определяются по расчетному расходу газа и воздуха, м³/ч:

для котлов

V_г = D(i₁-i₂)/(Q_нηN); (3.1)

для печей

V_г=q/[(Q_н + q_физ)η₁N]; (3.2)

где V_г — расчетный расход газа одной горелкой, м³/ч; D — количество выработанного котлом пара или горячей воды, кг/ч; i₁ — энтальпия пара или горячей воды, кДж/кг; i₂—то же, питательной воды, кДж/кг; Q_н—низшая теплота сгорания газа, кДж/м³; η — КПД котла, доли единицы; N — число принятых к установке горелок с одинаковым расходом газа; q — расход теплоты в рабочем пространстве печи, кДж/ч; q_физ — физическая теплота нагретого воздуха, кДж/м³ газа; η₁ - коэффициент отвода теплоты в рабочем пространстве печи, доли единицы, который с достаточным приближением может быть определен по формуле

η₁= 1 – i_ух/i_т (3.3)

i_yx— энтальпия уходящих газов, кДж/м³; i_т — энтальпия продуктов сгорания при теоретической температуре горения, кДж/м³).

Расход воздуха для сгорания газа, м³/ч,

V_в=V_гα₁V_т (3.4)

где V_т — теоретический расход воздуха для сгорания 1 м³ газа, м³/м³; α₁ — коэффициент избытка воздуха, принимаемый в зависимости от совершенства смесительных устройств в пределах α₁=1,05-1,1.

Расчетная скорость вылета газовоздушной смеси из огневого канала (насадка) (для обеспечения широкого регулирования тепловой мощности горелки) принимается в пределах от 15 до 25 м/с. Соответственно скорость воздуха, отнесенная к тому же сечению, будет на 10% меньше.

По указанным данным определяют площадь сечения огневого канала горелки и его диаметр:

f_D=V_см/(3600w_см)=V_г(1+α₁V_т)(3600w_см) (3.5)

(3.6)

где f_D—площадь сечения огневого канала горелки, м²; V_см—объем газовоздушной смеси, м³/ч; w_см — скорость вылета газовоздушной смеси, м/с; D —диаметр огневого канала, м.

Минимальная скорость вылета газовой струи или струй (при многоструйном вылете газа), м/с,

w_г=w_вρ_в/ρ_г…… (3.7)

где w_в — скорость воздуха, отнесенная к цилиндрическому сечению огневого канала, м/с.

Давление воздуха р_в и газа р_г, Па, для создания принятой выходной скорости и преодоления гидравлических сопротивлений

p_в=(1+ε)ρ_вw²_в/2 (3.8)

p_г=(1+ε)ρ_гw²_г/2 (3.9)

где ε—коэффициент сопротивления канала воздушного потока, учитывающий сопротивления осевого лопаточного завихрителя: ε = 2,0—3,0 (в зависимости от числа лопаток и угла их поворота); ε₁ — то же, газового тракта, с учетом коэффициента расхода при вытекании газа через цилиндрические отверстия: ε₁ = 1,8-2,0. Остальные характеристики горелок принимаются по конструктивным соображениям. При этом следует ориентироваться на соотношения приведенных в таблицах размеров апробированных горелок.

Приведенная упрощенная методика недостаточна для расчета горелок с периферийной или центральной выдачей струй газа в закрученный поток воздуха, предназначенных для сжигания больших объемов газа. Для таких горелок необходимо не только обеспечить их пропускную способность по газу и воздуху, но и равномерно распределить газовые струи в потоке воздуха.

Такой расчет обычно выполняется по формуле

(3.10)

где h — абсолютная глубина проникновения газовых струй в поперечный поток воздуха, мм; d — диаметр отверстий, из которых происходит истечение газа в поток воздуха, мм; w_г— скорость истечения газа, м/с; w_в — скорость потока воздуха в месте встречи со струями газа, м/с; ρ_г — плотность газа, кг/м³; ρ_в — то же, воздуха, кг/м³; R₁ — экспериментальный коэффициент, зависящий от относительного шага s между отверстиями: при s/d = 5 R₁ = 1,6; при s/d = 10; R₁ = 1,75 и при s/d — 15 R₁ = 1,9.

Рис. 3.2. Схема развития газовой струи в поперечной воздушном потоке.

Формула (3.10) применима при вытекании газовых струй в поток воздуха под углом 90°. При вытекании струй под другим углом в формулу (3.10) вместо R₁ подставляется произведение sinβ где β — угол атаки. При равномерном распределении газовых струй необходимо учитывать их расширение в поперечном потоке воздуха (рис. 1.4). Диаметры струй D, мм, принявших направление потока воздуха, определяются по следующей формуле:

D = 0,75h. (3.11)

Воспользовавшись формулами (3.12) и (3.13), можно подобрать такие размеры газовыпускных отверстий и такое расположение их, чтобы струи по возможности равномерно заполняли сносящий воздушный поток, не сливаясь между собой, и не омывали стенки воздушного канала. При этом газовыпускные отверстия могут размещаться в один или несколько рядов и иметь разные размеры. Горелки с большим расходом газа наиболее часто оборудуют простым тангенциальным или улиточным подводом воздуха для его закрутки (рис. 3.2). Коэффициент сопротивления для таких подводов воздуха при a/d=0,35 и b/d=1,0 для тангенциального подвода (при интенсивности крутки n' = 1,85) составляет 2,0, а для улиточного (при интенсивности крутки n' = 3,85) 5,0.

Интенсивность крутки для простого тангенциального подвода

n' = d(d— а)/(а— b), (3.12)

а для улиточного

n' = d(d+а+c)/(аb), (3.13)

где с— расстояние между патрубком и цилиндрической полостью подвода, мм.