Расчет инжекционных горелок

При расчете горелок обычно известна характеристика сжигаемого газа (, r_0г, Т_г, р_г), характеристика воздуха, поступающего на горение (Р_в, Т_в, r_0в)и a, V_0г, противодавление, равное сумме давления в печи р_печ и сопротивления на пути подсасываемого воздуха Dр_в.

Расчет инжекционных горелок (рис. 7.1) основан на уравнении количе­ства движения и основных уравнениях истечения газа, в соответствии с ко­торыми различают методы расчета для газа низкого давления, когда его мож­но считать несжимаемым (< 20 кПа), докритического давления (< 90 кПа) и сверхкритического давления (> 90 кПа). Давление инжектируемого воздуха Рв считают равным атмосферному Р₀.

Порядок расчета инжекционных горелок следующий. Скорость исте­чения газа из сопла (м/с) определяют при давлении газа < 20 кПа:

(7.1)

при докритическом давлении газа

(7.2)

при сверхкритическом давлении газа

(7.3)

Здесь j — коэффициент истечения из сопла; для сходящихся сопел можно принять j = 0,85.

По формулам (7.1) и (7.2) построены графики (рис. 7.2), по которым можно определить скорость истечения газа из сопла в зависимости от р_г, (Р_г), r_ог и T_г. Сначала по графику (рис. 7.2) определяют скорость истечения газа при r_ог = 1,29 кг/м³ и t_г = 0°С, а затем полученную величину умножа­ют на поправки на плотность и температуру газа, определяемые по графи­кам (рис. 7.2); j принят равным 0,85.

Диаметр газового сопла (мм) определяют по формуле

(7.4)

Оптимальное отношение площадей смесителя f_c и газового сопла f_г можно найти из соотношения

(7.5)

где

(7.6)

Значения А можно найти по графику (рис.7.3) в зависимости от дав­ления газа р_г (Р_г) или по табл. 7.1 в зависимости от значения отношения Р₀/Р_г. Для докритического давления газа А = 1.

Объемную кратность инжекции m (отношение объема смеси к объему газа после истечения) определяют по формуле:

(7.7)

Значения П можно найти по графику (см. рис.7.3) в зависимости от давления газа р_г (Р_г) или по табл. 7.1 в зависимости от значения отношения

Р₀/Р_г. При давлении газа < 20 кПа мож­но принимать П=1.

Массовая кратность инжекции n (отношение массы смеси к массе газа) равна

(7.8)

Коэффициент В характеризует со­противление по пути движения газовоздушной смеси в горелке, а коэффи­циент С — на пути движения воздуха:

(7.9)

где x — сумма коэффициентов сопротивления на пути движения газовоздушной смеси в горелке, а — то же, на пути движения воздуха.

Рис. 7.3. Значения коэффициентов А, П и D

Коэффициенты В и С зависят от конструктивного исполнения и каче­ства изготовления горелки. Для инжекционных горелок с оптимальной кон­фигурацией можно принимать В = 1,15; С = 0,425.

По уравнению (7.5) построен график (рис. 7.4), по которому можно найти значение оптимального отношения площадей смесителя и газового сопла F₁, при известных значениях объемной т и массовой и кратности инжекции. При построении графика принято: А=1;В=1,15; С=0,425.

Диаметр смесителя (мм) определяют по формуле

(7.10)

Оптимальное отношение площадей носика горелки f_н.г и смесителя f_с можно найти по уравнению

(7.11)

где x_н.г— коэффициент сопротивления носика горелки; для горелки с но­сиком оптимальной конфигурации x_н.г = 0,2; Dр_с— повышение давления в горелке, Па:

(7.12)

при докритическом давлении газа

D = (7. 13)

при сверхкритическом давлении газа

(7.14)

Значение D можно найти по графику (см. рис. 7.3) в зависимости от давления газа р_г (Р_г) или по табл. 7.1 в зависимости от соотношения При давлении газа <20 кПа можно принимать

(7.15)

Значение Dр_с можно найти по графику (рис. 7.5) в зависимости от р_г

(Р_г) и отношения площадей смесителя и газового сопла F₁, j принят равным 0,85.

При отсутствии противодавления формула (7.11) упрощается:

(7.16)

Диаметр носика горелки (мм) определяют по формуле

(7.17)

Остальные конструктивные размеры инжекционных горелок, близкие к оптимальным, определяются из экспериментально найденных соотношений: длина смесителя и диффузора, мм,

l_c=l_д=(4÷6)d_с (7.18)

угол сужения входного конфузора b_н=30÷45°;

длина входного конфузора, а также расстояние от среза газового со­пла до начала смесителя, мм

(7.19)

угол раскрытия диффузора b_д = 6+9°;

угол сужения носика горелки b_нг=12+15°.

После определения геометрических размеров горелки находят скорость смеси (м/с) в носике горелки:

(7.20)

Температуру смеси (К) можно найти по формуле

Т_см=[Т_г+Т_в(m-1)]/m. (7.21)

При использовании холодных газа и воздуха следует иметь в виду, что за счет излучения из камеры сгорания и разогрева корпуса горелки смесь может нагреваться в горелке до 100 °С.

Затем определяют пределы регулирования горелки:

(7.22)

где w_пр — скорость проскока; определяется в зависимости от вида применя­емого газа, диаметра носика горелки d_н.г и температуры смеси /см. По гра­фику (рис. 7.6, а) определяют скорость проскока для холодной смеси, а затем полученную величину умножают на поправку на температуру смеси, которую находят по кривой на рис. 7.6, б.

Для горелки с известными размерами можно определить величину а при заданных условиях:

(7.23)

(7.24)

(7.25)

(7.26)

При давлении газа < 20 кПа можно принять

(7.27)

При отсутствии противодавления (Dр_в+р_п = 0)

(7.28)

Для инжекционных горелок с оптимальными размерами значение ко­эффициента расхода воздуха можно определить по графикам (рис.7.7) в зависимости от характеристики применяемого газа и воздуха, величины противодавления Dр_в+р_п и отношения диаметров смесителя и газового сопла d_c/d_г При построении графика принято П=1, что справедливо для низкого давления газа. Однако и при высоком давлении газа расчет по гра­фикам на рис. 7.7 дает достаточную точность.

Пример. Рассчитать инжекционную горелку для сжигания ^=0,005 м3/с природного газа с = 34,95 МДж/м³; р_г = 50 кПа (Р_г = 153,3 кПа). Газ и воздух холодные (20 °С), a = 1,05; давление в печи р_п = 30 Па.

По рис. 1-21 приложения 1 находим r_0г = 0,77 кг/м³, L₀ = 9,25 м³/м³ газа.

По графику на рис. 7.2, а находим скорость истечения газа при его давлении 50 кПа 226 м/с; при t_г = 20 °С поправка на температуру равна 0,965 (см. рис. 7.2, б), поправка на плотность (см. рис. 7.2, в) при r_0г = 0,77 кг/м³ равна 1,29:

w= 226 • 0,965 • 1,29 = 282 м/с.

Диаметр газового сопла по формуле (7.4)

Объемная кратность инжекции по формуле (7.7)

m= 1+1,05*9,25(293/293)1,093 = 11,6,

где значение П = 1,093 взято по графику (см. рис. 7.3) при р_г = 50 кПа. Массовая кратность инжекции по формуле (7.8)

n = 1+1,05 • 9,25 • 1,29: 0,77 = 17,3.

Оптимальное отношение площадей смесителя и газового сопла по формуле (7.5) при А= 1

F₁ = 1,15-11,6-17,3-0,425-10,6-16,3= 157.

Значение F₁ можно найти также по графику (см. рис. 7.4). Диаметр смесителя по формуле (7.10)

d_c = 4,8= 60 мм.

Повышение давления в горелке по формуле (7.12)

Dр_с = 0,852(0,55/2) • (153300/157) = 197 Па,

где значение D = 0,55 взято по графику (см. рис.7.3) при р_г = 50 кПа.

Значение Dр_с можно найти также по графику (см. рис. 7.5).

Оптимальное отношение площадей носика горелки и смесителя по формуле (7.11)

По формуле (7.17)

По формуле (7.18)

l_с = l_д = 4d_c = 4 • 60 = 240 мм.

По формуле (7.19)

l_к= 1,25d_с = 1,25*60 = 75 мм.

На том же расстоянии размещаем срез газового сопла. Угол сужения входного конфузора принимаем b_к = 42°. Начальный диаметр входного конфузора

d_к = d_c + 2l_ktg(b_k/2) = 60 + 2 • 75tg(42/2) = 118 мм.

Принимаем b_д = 7°. Конечный диаметр диффузора

d_д = d_c + 2l_дtg(b_д /2) = 60 + 2 • 240tg(7/2) = 90 мм.

Принимаем b_д = 14°.

Тогда

l_н.г = (d_д – d_н.г)/2tg(b_н.г/2) = (90 - 75)/2tg(14/2) = 60 мм.

Скорость смеси в носике горелки (принимаем подогрев смеси до t_см = 10 °С) по формуле (7.20)

Пределы регулирования горелки по формуле (7.22)

= 19: 4,2: 2,0 = 2,3,

где скорость проскока холодной смеси взята по графику для природного газа при d_н.г = 70 мм (см. рис. 7.6, а), а поправка на температуру — по графику при температуре смеси 100 ⁰С (см. рис. 7.6, б).

Дата добавления: 2014-01-07