2015-08-21
2411
Точный расчёт турбулентных газовых горелок представляет собой задачу неоправданной сложности, поэтому практикой разработаны различные методы приближённого расчёта, которые дают вполне приемлемые результаты. Большое распространение в энергетических установках получили газовые горелки, в которых воздушный поток поперечно пересекается мелкими струями газа, при этом газ может подаваться по центральной трубе (горелка типа “труба в тубе”) или с периферии (рис.3.4).
Рис. 3.4. Схемы подачи газа в поперечный поток воздуха - по центру, б - с периферии
На рис. 3.5 представлен примерный характер геометрии струй газа, истекающих в поперечный поток воздуха.
Рис. 3.5. Распространение газовых струй в поперечном потоке воздуха
Под действием воздушного потока траектория струи искривляется и сама струя становится шире за счёт диффузионного размытия. Струи газа по мере проникновения в поток воздуха будут сноситься этим потоком.
При достижении определённого расстояния h от стенки газового коллектора осевая линия струи газа будет совпадать направлением сносящего потока воздуха. Это расстояние называется глубиной проникновения струи в сносящий поток и зависит от диаметра сопла dc вытекающей струи и отношения скоростей (Wг, Wв) и плотностей (ρг, ρв) газа и воздуха.
|
|
|
Для более равномерного распределения газовых струй по сечению горелки и для лучшего смешения газа с воздухом газовые сопла выполняются, как правило, в два ряда, причём первый (по ходу воздуха) ряд сопел имеет бóльший диаметр, чем второй.
Эффективное смешение газовых струй с окислителем имеет место при определенном числе эти струй. При малом числе струй их диаметр будет большим, при этом потребуется длинный смеситель для завершения смесеобразования (расстояние от газовыпускных отверстий до выходного сечения горелки принимается равным 30–40 диаметрам газовых отверстий). При большом числе струй они могут сливаться друг с другом в потоке окислителя в сплошную кольцевую струю и условия смесеобразования ухудшаются.
Базовой формулой при расчёте таких горелок является полученная на основании многочисленных экспериментов Ю.В.Ивановым [1] зависимость для определения относительной глубины проникновения газовых струй в поперечный поток воздуха:
(3.15)
где h – абсолютная глубина проникновения струи газа в воздушный поток;
dc – диаметр газового сопла;
ks – поправочный коэффициент, зависящий от относительного шага
между соплами, расположенными в одном ряду
(при s/dc=4 ks =1,6; s/dc=8 ks=1,7; s/dc=16 ks=1,9; s/dc→∞ ks=2,2);
φ – угол ввода газовой струи;
Wг и Wв– соответственно скорость истечения газа из сопел и средняя
|
|
|
скорость воздушного потока;
ρг и ρв – плотности газа и воздуха при расчетных температурах;
μ – коэффициент расхода (для отверстий в тонкой стенке μ =0,62);
η – коэффициент, учитывающий увеличение скорости сносящего
потока из-за ввода в него газа;
η = (Gгρг + Gвρв)/Gвρв,
здесь Gг и Gв – соответственно объемные расходы газа и окислителя.
Отверстия (сопла) для выхода газа должны быть расположены таким образом, чтобы струи в том сечении, где они принимают направление потока, перекрывали всё сечение.
При расчёте глубины проникновения струй газа, истекающих из больших и малых сопел, исходят из следующих предположений (рис.2.1):
в том сечении, где большие и малые струи принимают направление потока воздуха
• они соприкасаются друг с другом,
• внешняя граница больших струй достигает внешней границы кольцевого канала.
При расчёте газовых горелок для определения глубины проникновения струи по формуле (3.15) приходится предварительно задаваться значениями скоростей газа и воздуха, а также исходить из полученных опытным путём рекомендаций.
Для правильного выбора наиболее подходящей горелки и определения необходимых размеров топочной камеры необходимо знать длину и форму факела, создаваемого горелкой, при этом под длиной факела понимают осевое расстояние от среза горелки, на котором заканчивается процесс горения и химический недожог становится равным нулю.
Как уже отмечалось, в топках энергетических установок сравнительно редко применяют свободные диффузионные факелы. Чаще всего используют закрученные струи, позволяющие значительно улучшить смесеобразование и тем самым увеличить интенсивность горения и уменьшить длину факела. Теоретический расчет длины и формы факела в этом случае значительно затруднен.
Далее на примере будет рассмотрен практический подход к расчёту газовых горелок.
3.3. Коаксиальная горелка типа “труба в трубе”
Расчёт горелки сводится к определению геометрических характеристик, обеспечивающих необходимую глубину проникновения струй газа в поперечный поток воздуха: площадь и соответствующие геометрические размеры горелки, диаметры больших и малых газовых сопел и их количество, шаг установки сопел, а также длины факела.
В различных типах газовых горелок рекомендуемые скорости газа и воздуха изменяются в широком диапазоне:
Wг = 40 ÷ 120 м/с, Wв = 25 ÷ 80 м/с.
Принципиальная схема горелки представлена на рис.3.6.
Рис. 3.6. Коаксиальная горелка типа “труба в трубе”
1- огневой насадок с пережимом, 2 - лопатки, 3 - воздушная камера, 4 - газовая камера.
Исходные данные для расчёта:
αг- коэффициент избытка воздуха в горелке;
Wв - скорость воздуха, м/с;
Wг - скорость газа на выходе из сопел, м/с
tв - температура воздуха, ˚С;
Gг0 - объёмный расход газа, м3/с;
tг - температура газа, ˚С;
Состав газа: СН4, С2Н6,С3Н8, С4Н10, С5Н12, СО, Н2, Н2S, СО2, О2, N2 , %.
