Расчет дутьевых диффузионных горелок

При низком давлении газа, поставляемого потребителю, достаточно часто используют дутьевые (с принудительной подачей воздуха) горелки с полным предварительным смешением, которое происходит в смесительной камере. Такие горелки называют диффузионными. Газ в горелку подается под давлением и через систему небольших отверстий выходит наружу. Принципиальные схемы таких горелок показаны на рис. 4.5.

При расчете диффузионных горелок необходимо учитывать следующие особенности процесса горения:

– наиболее длинный факел формируется диффузионными го­релками типа «труба в трубе» при соизмеримых скоростях истечения газа из отверстий и воздуха;

– при сжигании природного газа длина факела может достигать 200 и более диамет­ров газового сопла;

– диффузионные горелки вихревого типа с многоструйной подачей газа формируют более короткие факелы.

В условиях развитой турбулентности газового потока относительная длина диффузионных факелов зависит от ряда факторов: теоретиче­ского расхода воздуха на горение, вязкости газа, начальной интенсивности турбулентности потоков газа и воздуха, начальной температуры газа и воздуха, соотношения начальных скоростей газа и воздуха, калибра горелки и т. п.

Со­временное состояние теории горения пока не позволяет анали­тически рассчитывать длину и форму факела ввиду большой сложности факельных процессов. В связи с этим конкретный вид зависимостей для длины и формы факела с учетом кон­структивных особенностей горелок и камер сгорания определя­ется опытным путем и приводится в справочной литературе.

а

б

Рис. 4.5. Схема прямоточной диффузионной дутьевой горелки с центральной (а) и многоструйной периферийной (б) подачей газа: 1 - корпус горелки; 2 - труба подвода газа; 3 - конфузор; 4 - отверстия для выхода газа

Исходными данными для расчета диффузионной газовой горелки является ее тепловая мощность, химический состав сжигаемого газа, давление и температура газа перед соплом, давление и температура идущего на горение воздуха, а также характеристики тепловой установки, для которой рассчитывается горелка.

Упрощенный расчет прямоточной дутьевой диффузионной горелки (рис. 4.5) сводится к определению пло­щадей проходных сечений для газа, воздуха и подготовленной горючей смеси для заданной производительности горелки по газу и располагае­мом давлении газа и воздуха .

По известному виду сжигаемого газа (прил. 3) определяют низшую теплоту сгорания и плотность газа , идущего на горение.

Расход газа через горелку может быть найден с использованием соотношения (4.26). Тогда требуемый расход воздуха через горелку, м³/с, рассчитывают по формуле:

, (4.27)

где a_Т – коэффициент избытка воздуха, подаваемого в топочную камеру. При горении газового топлива он может быть принят равным 1, 05; – расход воздуха, м³/нм³, необходимый для горения 1 нм³ газа. Это расход воздуха, если он не задан, легко может быть рассчитан по формуле (4.5).

Массовая скорость воздуха (произведение плотности воздуха на его скорость ) в подводящем воздуховоде и в канале го­релки принимается экономически целесообразной из соотноше­ния = 22–24 кг/(м²с).

Задав массовую скорость воздуха , в указанных выше пределах, можно определить скорость его движения внутри корпуса горелки.

Внутренний диаметр корпуса горелки для прохода воздуха можно найти из уравнения неразрывности потока, м

. (4.28)

При проектировании подводящих газопроводов к горел­кам скорость движения газа обычно принимают:

– при низком давлении газа в пределах от 10 до 12 м/с;

– при среднем давлении газа в пределах от 25 до 30 м/с.

Внутренний диаметр трубы , по которой газ подается на горение, может быть найден с учетом предварительно принятой скорости газа . Тогда диаметр трубы можно определить по формуле, м

. (4.29)

Для предотвращения проскока пламени внутрь смесителя горелки при малых расходах газа и улучшения процесса смешения газа с воздухом в конце горелки используют конфузор − суживающуюся часть. Сужение канала горелки позволяет повысить скорость выхода газовоздушной смеси, чтобы эта скорость была выше нормальной скорости распространения пламени, но ниже максимальной нормальной скорости распространения пламени, т. е. чтобы не происходило проскока пламени внутрь горелки или его отрыва от устья горелки.

Для эффективного смешения газа с воздухом в смеси­тель горелки газ вводится системой мелких струй периферийно или центрально, как показано на рис. 4.5. Условно характер выхода струи газа через стенку трубы в поток набегающего воздуха показан на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Схема выхода газа через газовыпускное отверстие

Перепад давления газа в горелке до и после газовыпускных отверстий (обычно известен) достаточно небольшой по величине. Зная величину перепада давления газа в горелке, несложно подсчитать скорость истечения газа из отверстий , считая его несжимаемой жидкостью, по формуле, м/с

, (4.30)

где – коэффициент скорости, зависящий от соотношения толщины стенки к диаметру отверстия :

– для тонкой стенки, когда , 0, 97…0, 98;

– для толстой стенки, когда , 0, 97…0, 98;

– плот­ность газа, кг/нм³, которая может быть принята по прил. 3.

При невысокой скорости выхода газа из газовыпускного отверстия и высокой скорости воздуха глубина проникновения h будет небольшой, и газо­вая струя будет прижата к внутренней стенке корпуса горелки, а все струи в целом создадут кольцевой поток газовоздушной смеси. При высокой скорости газа и малой скорости движения воздуха глубина про­никновения струи газа h будет значительной, и струи газа будут сливаться в одну большую струю, находящуюся в центре горелки. В обоих этих случаях условия смесеобразования не являются оптимальными. Аналогичная картина будет наблюдаться и при центральной подаче газа.

Эффективное смешение газовых струй с воздухом имеет место при определенном числе этих струй и примерно равных скоростей воздуха и газа. При малом числе газовых струй их диаметр должен быть большим, при этом потребуется длин­ный смеситель горелки для завершения смесеобразования газа с воздухом. При боль­шом числе небольших струй, когда они имеют у корня малый диаметр, струи могут сливаться друг с другом в потоке воздуха в сплошную кольцевую струю, что ведет к ухудшению смесеобра­зования. Оптимальное число газовых струй дол­жно соответствовать следующему условию:

, (4.31)

где – диаметр газовой струи в месте ее полного разворота, как показано на рис. 4.6.

При центральной подаче газа (рис. 4.5, а) оптимальной считается глубина h про­никновения струй газа в сносящий поток воздуха на величину 0, 25(). При периферийной подаче газа (рис. 4.5, б) – на величину (0, 15− 0, 25) .

Диаметр газовыпускных отверстий , мм, может быть определен по формуле [10]:

, (4.32)

где – глубина проникновения струи газа в поток воздуха, мм; – экспериментальный коэффициент, учитываю­щий влияние относительного шага между отвер­стиями на размер h:

при ;

при ;

при ,

где – шаг между отверстиями.

При расчетах необходимо предварительно задавать значение относительного шага , а потом его уточнять.

Число отверстий для выхода газа может быть найдено по формуле:

, (4.33)

где m – коэффициент расхода для га­зовыпускных отверстий: для отверстий в тонкой стенке m = 0, 60− 0, 62; для отвер­стий в толстой стенке m = 0, 82.

После нахождения числа следует принять целое их число и уточнить с использованием формулы (4.32) значение диаметра отверстий для выхода газа .

Подводящие газопроводы к горел­кам проектируют на скорость движения газа:

– при низком давлении газа в пределах от 10 до 12 м/с;

– при среднем давлении газа в пределах от 25 до 30 м/с.

Для обеспечения в горелке полного смешения газа с воздухом и оптимизации процесса горения длина ее смесителя (расстояние от газовыпускных отверстий до выходного сечения горелки) обычно принимается в пределах от 30 до 40 диаметров выходного отверстия для газа .

Диаметр выхода газовоздушной струи из кратера горелки, м, может быть принят в пределах

(0, 91…0, 93) . (4.34)

В прямоточных горелках (рис. 4.4) располагаемое полное избыточное давление воздуха перед горелкой может быть найдено по формуле, Па

, (4.35)

где – коэффициент запаса, учитываю­щий дополнительные потери давления воздуха за счет трения потока о стенки горелки, и сопротивления, связанного с вводом в поток газовых струй, и др. Ориентировочно при расчетах можно принимать = 1, 05− 1, 1; – скорость газовой смеси в выходном сечении горелки (на выходе из кратера), м/с, которую можно определить из соотношения

; (4.36)

– плотность газовоздушной смеси, определяемая по формуле, кг/м³

; (4.37)

– избыточное давление (или разрежение) в камере сго­рания, Па; – коэффициент аэродинамического сопротивления конфузора, который рассчиты­вается по формуле

; (4.38)

– угол сужения конфузора, имеющий значения в пределах от 15° до 30°.