Смешения газа с воздухом

Расчет эжекционного смесителя

Работа эжекторов горелок среднего давления осуществляется следующим образом. За счет энергии газа в конфузор 2 эжектора (рис. 10.5) засасывается воздух. В смесительной камере происходит предварительное смешение газовоздушной смеси; завершение процессов смесеобразования осуществляется в диффузоре 4. Наряду с этим в диффузоре происходит повышение статического давления, позволяющее преодолеть гидравлическое сопротивление кратера горелки 5.

Основное характеристическое уравнение для эжекторов с большой скоростью эжекции имеет следующий вид [1]:

, (10.9)

где k₂ - коэффициент потерь всасывающего коллектора (остальные параметры рассмотрены выше):

.

При коэффициенте расхода всасывающего коллектора равном 0, 85-0, 9, значение k₂ составит 0, 6-0, 8.

Следует отметить, что в расчетах необходимо использовать наиболее оптимальную форму эжектора (рис. 10.6, а). При этом среднее значение k₂ = 0, 7, а зависимость коэффициента потерь k от степени расширения диффузора n показана на рис. 10.6, б.

Особенность характеристического уравнения эжекционного смесителя для горелок среднего давления состоит в том, что необходимо учитывать расширение газа при истечении из сопла. В пределах эжекционной трубки давления газа, воздуха и смеси изменяются незначительно, поэтому здесь их можно рассматривать как несжимаемые жидкости. При истечении газа из сопла давление его значительно изменяется, вследствие чего необходимо учитывать его расши-

Рис. 10.6. Оптимальная форма эжектора с большой скоростью эжекции:

а) эжекционный смеситель, k₂ = 0, 7, при α = 7° l_д = 8(d_д - d_г); d_д = 1, 4∙ d_г;

б) изменение коэффициента потерь эжектора k

рение. Температура газа при истечении из сопла падает, однако этим изменением при определении плотности газовоздушной смеси можно пренебречь. Таким образом, особенность расчета эжектора для горелок среднего давления сводится к учету расширения газа при истечении его из сопла.

Отличие исходных уравнений, используемых при расчете эжектора для горелок среднего давления, заключается в том, что к давлению газа Δ р_газ и выходному сечению сопла F_c нужно ввести поправки, учитывающие расширение газа. Таким образом, вместо значения Δ р_газ нужно использовать значение ε _р∙ Δ р_газ, а вместо значения F_c - отношение F_c / ε _F.

В этом случае уравнение (10.9) примет вид:

. (10.10)

Для определения значений ε _F и ε _р, учитывающих расширение газа при истечении из сопла, для двух показателей адиабаты k = 1, 3 и k = 1, 4 используют кривые, представленные на рис. 10.7.

Прейдем к расчету горелки. Для горелок среднего давления основное уравнение имеет вид:

, (10.11)

. (10.12)

Анализ работы эжекторных устройств показал, что оптимальный режим работы горелки соответствует оптимальному режиму работы эжекционного смесителя [1]. Значение оптимальных параметров определяется по формуле:

Рис. 10.7. Кривые поправочных коэффициентов ε _F и ε _р, учитывающих
расширении газа при истечении из сопла.

. (10.13)

Расчетное уравнение горелки имеет следующий вид:

; (10.14)

,

где А₁ - параметр горелки, определяемый из задания на ее расчет.

Значение параметра А₁ = 1; А₁ > 1; А₁ < 1 означает, соответственно, что горелка работает в оптимальном режиме; горелка не может обеспечить требуемую эжекционную способность; располагаемое давление газа больше минимально необходимого.

Площадь выходного сечения сопла определяется по формуле:

; (10.15)

при этом ε = ε _р / ε _F и выбирается согласно рис. 10.7.

Пример 10.3. Рассчитать эжекционную горелку среднего давления с огнеупорным туннелем (рис. 10.8). Производительность горелки 22 м³/ч. В горелке сжигается природный газ, имеющий следующие характеристики:

= 35500 кДж/м³; ρ _г = 0, 73 кг/м³; V₀ = 9, 2 м³/м³. Глубина регулирования
m₃ = 4, 0. Коэффициент потерь энергии в головной и огневой части горелки
К₁ = 1, 3. Давление газа Δ p_г = 45 кПа.

Рис. 10.8. Схема эжекционной горелки среднего давления:

а) оптимальная форма эжектора и туннеля; б) горелка с расчетными
параметрами

Решение.

1. Определим площадь и диаметр выходного отверстия горелки.

Принимаем коэффициент избытка воздуха α = 1, 05, а также предварительно значения коэффициентов m₁ = 1, 0; m₂ = 1, 2.

Задаемся диаметром отверстия d = 80 мм, тогда F₀ = 5024 мм². По табли-
це 10.5 определим W_пр. = 2, 8 м/с.

Таблица 10.5

Максимальная предельная скорость проскока пламени
для природного газа, отнесенная к нормальным условиям, в м/с

Проверим принятое значение коэффициента глубины регулирования Для этого определим скорость выхода газовоздушной смеси в выходном отверстии (кратере) горелки:

м/с,

где Q₁ - производительность горелки, м³/ч; V₀ - количество теоретически необходимого воздуха для горения газа, м³/м³; F₀ - площадь выходного отверстия горелки, мм².

Определим глубину регулирования по формуле:

,

где m₁ - коэффициент, учитывающий свойства газа, ; - максимальная предельная скорость проскока для сжигаемого газа; W_np - максимальная предельная скорость для природного газа, при которой происходит проскок пламени, м/с.

Коэффициент m₁ имеет следующие значения: для природного газа - 1, 0; для сжиженного газа - 1, 3.

m₂ - температурный коэффициент, учитывающий увеличение массовой скорости распространения пламени с увеличением температуры горючей смеси:

T_кр = 273 + t_см;

t_см - температура газовоздушной смеси в кратере горелки.

Температура горючей смеси определяется по следующей формуле-

,

где - средняя объемная теплоемкость газа и воздуха, соответствующая температурам подогрева газа и воздуха, кДж/м³; С_г, С_в - средняя объемная теплоемкость газа и воздуха, соответствующая температуре смеси, кДж/м³; - температуры, соответственно, газовоздушной смеси и воздуха, °С; - объемный коэффициент эжекции (α -коэффициент избытка воздуха, принимается в пределах 1, 05÷ 1, 2; S = ρ _г / ρ _в - относительная плотность газа).

Если принять объемные теплоемкости для газа, воздуха и смеси одинаковыми, тогда можно получить следующую формулу для температуры смеси:

55°С;

m₂ = 328 / 273 = 1, 2.

m₃ - коэффициент глубины регулирования газоиспускающей установки, представляющий собой отношение максимальной производительности горелки к минимальной.

Так как фактическая глубина регулирования m₃ совпадает с принятой, оставляем диаметр выходного отверстия горелки d₀ = 80 мм, размеры туннеля и головной части горелки принимаем кратными диаметру отверстия (рис. 10.8).

2. Рассчитаем площадь сопла горелки:

см²,

откуда d_с = 5 мм,

где ε - поправочный коэффициент, учитывающий расширение газа при истечении из сопла (величина ε = 0, 965 при К = 1, 3); μ _c = 0, 9 - коэффициент расхода сопла.

3. Рассчитаем А₁ по формуле:

,

где ε _F - поправка на выходное сечение сопла.

Вначале определим значение величин U, В, F_1опт:

Коэффициенты потерь эжектора принимаются следующие: k = 1, 6; k₂ = 0, 7.

Тогда .

Рассчитывается А₁ следующим образом:

ε _F = 0, 912.

4. Согласно расчетам А₁ < 1, следовательно располагаемое давление газа больше минимально необходимого. Для сокращения размеров горелки и увеличения ее глубины регулирования пересчитаем выходной диаметр отверстия горелки, считая режим оптимальным (т.е. принимая А = 1).

см².

d₀ = 77 мм.

5. Определим скорость выхода газовоздушной смеси из выходного отверстия горелки

W₀ = [22(1 + 1, 05∙ 9, 2)] / (46, 9∙ 10⁴) = 13, 9 м/с.

Глубина регулирования равна

6. Определим размеры горелки (рис. 10.7).

Диаметр горловины рассчитывается из зависимости

мм.

Диаметр диффузора

d_д = 1, 4∙ d_г = 1, 4∙ 71, 8 = 100 мм.

Степень расширения диффузора

.

Проверим принятое значение К. Согласно рис. 10.7, величина К = 1, 55, что примерно соответствует принятому значению.

Определяется длина диффузора l = 8∙ (d_д - d_г) = 8∙ (100 - 71, 8) = 225, 6 мм.

Длина камеры смешения l _к = 5, 25∙ d_г = 5, 25∙ 71, 8 = 377 мм.

Общая длина эжектора l = l _к + l _д = 377 + 225, 6 = 602, 6 мм.

Расчет горелки закончен.

При использовании газовых горелок промышленных печей часто возникает необходимость в определении расходов газа при установке различных давлений перед соплом горелки.