Расчет инжекционной газовой горелки

Инжекционными называются горелки, в которых образование газовоздушной смеси, идущей на горение, происходит за счет энергии струи газа (в литературе часто такие горелки называют эжекторами или эжекционными смесителями). В таких горелках дополнительных устройств для подачи в нее воздуха не требуется. Принципиальная схема горелки показана на рис. 4.7.

Ос­новной элемент инжекционной горелки – инжектор. Инжектор представляет собой газовое сопло 1, расположенное в суживающейся части горелки 2. Сопло на конце имеет суживающуюся часть для повышения скорости выхода газа из него. Струя газа, движущаяся из сопла с высокой скоростью, увлекает за собой воздух из окружающего пространства внутрь горелки в смесительную камеру 3, где далее происходит их смешение.В зависимости от количества инжектируемого (всасываемого в горелку) воздуха горелки могут быть с неполной инжекцией воздуха или полного предвари­тельного смешения газа с воздухом.

Рис. 4.7. Принципиальная схема инжекционной атмосферной газовой горелки: 1 – сопло; 2 – конфузор; 3 – горловина; 4 – диффузор, 5 – кратер

Инжекционные горелки устойчиво работают при низком давлении газа, из-за чего имеют ряд положи­тельных качеств: хорошее смешение компонентов; простота конструкции; надежность в эксплуатации. Благодаря этим качествам их широко применяют в бытовых газовых приборах, а также в газовых приборах для пред­приятий общественного питания и используются другими коммунально-бытовыми потребителями газа. Горелки также используют в отопи­тельных котлах.

Важной характеристикой инжекционных горелок неполного смешения является коэффициент инжекции – отношение объема инжектируемого воздуха к объему воздуха, необходимого для пол­ного сгорания газа. Например, если для полного сгорания 1 м³ газа необходимо 10 м³ воздуха, а первичный воздух составляет 4 м³, то коэффициент инжекции равен 4: 10 = 0, 4. Количество вторичного воздуха будет составлять 6 м³.

Другой характеристикой горелок является кратность инжекции –отношение объемного расхода первичного воздуха, засасываемому в горелку, к объемному расходу газа в горелке. Например, когда на 1 м³ сжигаемого газа инжектируется 4 м³ воздуха, кратность инжекции составит 4.

Основным достоинством инжекционных горелок является их свойство по саморегули­рованию подсасываемого воздуха на горение, т. е. поддержание постоянной пропорции между количе­ством подаваемого в горелку при неизменном давлении газа и количеством инжектируемого воздуха.

Пределы устойчивой работы инжекционных горелок ограниче­ны возможностями проскока пламени внутрь горелки и отрывом пламени от устья горелки.

При расчете инжекционных горелок следует учитывать особенности горения:

– для холодных смесей природного газа с воздухом длина турбулентного прямоточного факела обычно должна лежать в пределах от 5 до 6 диаметров выходного сечения горелки ;

– для смесей с высокой нормальной скоростью распространения пламени длина факела должна быть еще меньше;

– при наличии подогрева воздуха перед горелкой длина кинетического факела должна быть небольшой. Например, при изменении температуры газовоздушной смеси в горелке от 20 до 400 ^оС длина факела уменьшается примерно вдвое.

В горелках полного предварительного смешения газа с воздухом (когда воздух, требующийся на горение, полностью засасывается инжектором), поступление последнего на горение обеспечивается повышенным давлением газа. Горелки полного смешения газа обычно работают в диапазоне давления от 0, 005 МПа до 0, 5 МПа. Их называют инжекционными горелками среднего давле­ния, и применяют в основном в отопительных котлах и промышленных печах. Основные трудности повышения мощно­сти таких горелок – сложность борьбы с проскоком пламени и громоздкость смесителей.

В основу расчета инжекционных горелок положено уравне­ние инжекции, полученное из классического уравнения Эйлера (уравнение импульсов):

, (4.39)

где – оптимальное отношение площади сечения ци­линдрической части смесителя (горловины) к площади сечения газового сопла ; – коэффициент сопротивления входной камеры смеси­теля, отнесенный к скорости газовой смеси в цилиндрической части смеси­теля; – массовая кратность инжекции, т. е. отношение массового расхода воздуха к массовому расходу газа в горелке; – объемная кратность инжекции, т. е. отношение объемного расхода воздуха к объемному расходу газа в горелке.

Выбор соотношения по основному уравнению инжекции (4.38) обеспечивает максимальный КПД смесительной камеры , определяемый по формуле

, (4.40)

где –полное избыточное давление газовоздушной смеси, Па, в конце диф­фузора; – избыточное давление газа, Па, перед газовым соп­лом.

Оптимальное соотношение обеспечивает максимальное давление газовоздушной смеси в конце диффузора и, сле­довательно, максимальную скорость истечения смеси из го­релки, что приводит к расширению ее пределов регулирования тепловой мощности при заданном давлении газа перед ней.

Максимальное давление газовоздушной смеси в конце диф­фузора определяется из соотношения

, (4.41)

где – коэффициент расхода для газового сопла.

Давление в конце диффузора находится в зависимости от аэродинамических сопротивлений конфузора горелки, горелочного туннеля и дру­гих сопротивлений по тракту газовоздушной смеси, а также от противодавления в камере сгорания, Па:

, (4.42)

где – статическое давление газовоздушной смеси в конце диффузора, Па; – динамическое давление, Па, в конце диффузора; – плотность газовоздушной смеси, кг/м³ (см. формулу (4.37); – динамическое давление, Па, на выходе из горелки; – избыточное противодавление (+) или разрежение (-) в камере сгорания, Па; – сумма коэффициентов местных сопротив­лений по тракту газовоздушной смеси, отнесенных к скорости в выходном сечении горелки.

Подставив в уравнение (4.42) вместо его значение из уравнения (4.41), получим

. (4.43)

Уравнение (4.43) называется основным уравнением инжекционного смесителя. Оно устанавливает зависимость необходи­мого давления газа перед горелкой от режимных параметров ее работы. Это уравнение заложено в основу методики расчета инжекционной горелки, которая приведена ниже.

При конструктивном расчете инжекционной горелки обычно известно давление газа перед горелкой . Избыточное давление газа перед газовым соплом , Па, может быть найдено по эмпирической формуле:

, (4.44)

где – низшая теплота сгорания сухого газа, кДж/нм³, принимаемая по справочным таблицам для данного газа.

Скорость газа на выходе из сопла может быть определена по формуле, м/с

. (4.45)

Диаметр выходного сечения сопла , м, рассчитывается из условия обеспечения надежной работы горелки, без проскоков пламени в смеситель при ми­нимально необходимой тепловой мощности, по формуле:

, (4.46)

где – коэффициент расхода, учитывающий неравномерность распределения скоростей потока газа по сечению сопла, сопротивление трения и сжатие струи. Данный коэффициент в основном зависит от формы сопла. Для конической формы сопла, приведенной на рис. 4.7, = 0, 85 при угле конусности 30^о. Для других форм сопла и других углах конусности значение коэффициента можно найти в справочной литературе.

Диаметр горловины (смесителя) сопла определяется из уравнения, выражающего закон сохранения количества движения при смешении газа с воздухом. Принимая, что объемная кратность инжекции равна , уравнение для определения диаметра горловины, м, запишется в виде:

, (4.47)

где – коэффициент избытка инжектируемого воздуха. Этот коэффициент может быть принят равным коэффициенту избытка воздуха, подаваемого в топочное устройство (см. формулу (4.27)); – теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 нм³ газа (см. формулу (4.5)).

Диаметры конфузора и диффузора обычно принимаются примерно одинаковыми, и определяются соотношением, м,

= (1, 5…1, 7) . (4.48)

Диаметр кратера горелки может быть принят, м

(1, 07− 1, 1) . (4.49)

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

− длина конфузора, м,

= (1, 5− 1, 7) ; (4.50)

− длина горловины, м,

= (3− 4) ; (4.51)

− длина кратера, м,

= (1, 2− 1, 7) ; (4.52)

− длина диффузора, м

, (4.53)

где – угол расширения диффузора, принимаемый для обеспечения безотрывности потока газовоздушной смеси от стенок канала в пределах от 6 до 8^о. В целях укорочения диффузора угол может быть увеличен, но не бо­лее чем до 14°.

Расстояние от среза газового сопла до входа в цилиндри­ческую часть смесителя принимают в пределах

= (l, 5− 2) . (4.54)

Методика расчета инжекционных горелок с неполным предварительным смешением и с активной воз­душной струёй изложена в специальной литературе и здесь не рассматривается.