Расчет инжекционных горелок

Баубеков Куат Талгатович

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К практическим занятиям по дисциплине

«Специальные вопросы сжигания топлива»

Для специальности «Теплоэнергетика»

Астана 2014

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина

Рассмотрено и одобрено Утверждаю

к изданию на заседании Председатель МС Казахского

методического совета Казахского агротехнического

агротехнического университета им. С. Сейфуллина

университета им. С. Сейфуллина __________ Абдыров А.М.

протокол № _5_ от_21.05.2014 г. «_____» _________2014 г.

Автор: Баубеков Куат Талгатович, д.т.н., зав. кафедрой теплоэнергетики

Методические указания составлены в соответствии с рабочими учебными планами и рабочими программами и включает все необходимые сведения по выполнению расчета горелок и форсунок.

Методические указания предназначены для студентов специальности 5В071700- Теплоэнергетика

Рецензенты: Достияров А.М., доктор технических наук, профессор кафедры теплоэнергетики

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры теплоэнергетики

Протокол №__9__ от «_ 10 _» _ 01 _ 2014 г.

Рассмотрено и рекомендовано на заседании методической комиссии энергетического факультета.

Протокол №__4__ от «__17___» __01________ 2014 г.

Введение

Данные методические указания составлены в соответствии с рабочей программой по курсу «Специальные вопросы сжигания топлива» для студентов специальностей 050717 «Теплоэнергетика» и предназначены для закрепления теоретических знаний по лекционным занятиям.

Согласно рабочей учебной программы:

- в результате усвоения объема теоретических положений и проблем студенты должны уметь: рассчитывать основные параметры и режимы работы сожигательных устройств при сжигании газообразного, жидкого и твердого топлива.

- в результате изучения курса студенты должны владеть: методикойрасчётов тепловых и конструктивных параметров сожигательных устройств, методикой выбора оптимальных типов горелок и форсунок.

Методические указания содержат методику расчета некоторых видов сожигательных устройств, а также примеры данных расчетов.

Материал курса изучают по основному учебнику. Для более подробного и глубокого изучения отдельных вопросов и в помощь при решении задач рекомендуется дополнительная литература. При самостоятельной работе необходимо добиваться отчетливого представления о физической сущности изучаемых явлений и процессов.

Расчет основных размеров горелок без предварительного смешения

Расчет горелок

Расчет горелок без предварительного смешения (рисунок 1) состоит в определении проходных сечении газа – d_г, для воздуха – d_кор, и для газа газовоздушной смеси d_нг. или в определении пропускной способности горелки (расходы газа, воздуха и смеси) при известных геометрических размерах.

Обычно при расчете бывают заданы:

параметры газа ();

параметры воздуха ();

пропускная способность горелки по газу V_ог.

Рисунок 1 – Расчетная схема горелки без предварительного смешения

1.1.1 Количества воздуха V_ов которое нужно для сжигания данного объема газа можно определить по формуле

, (1.1),

где α – коэффициент расхода воздуха, α > 1,1÷1,5;

L_о– стехиометрическое количество воздуха на единицу объема газа (при α =1,0). Определяется из таблиц.

1.1.2 Так как в горелке поступает воздух и газ низкого давления, то в расчетах их можно считать несжимаемыми. Поэтому скорость

газа или воздуха на выходе можно определить по формуле

(1.2),

где ξ - коэффициент сопротивления горелки, отнесенный

к скорости в самом узком сечении; для газа ξ_г =1,5, для воздуха ξ_в = 1,0.

Таким образом, скорость газа

. (1.2 а)

1.1.3 Скорость воздуха на выходе

. (1.3)

1.1.4 Площадь выходного сечения:

для газа

(1.4),

для воздуха

_.(1.5)

1.1.5 Зная площади F, можно найти диаметры горелочного туннеля d_г и коридора для воздуха d_кор

, (1.6),

. (1.7)

1.1.6 Действительные скорости на выходе из горелки

(1.8),

(1.9)

1.1.7 Диаметр носика горелки

. (1.10)

Расчеты и опыт работы показывают, что скорость истечения газа не должно превышать 80-100 м/с.

Действительная скорость воздуха должна быть меньше скорости газа примерно в два раза, для сокращения длины факела, но не более чем 3-4 раза. Для получения длинного факела скорость воздуха и газа можно принимать одинаковыми. Скорость смеси в носике горелки при максимальном расходе газа и воздуха может быть 25-30 м/с.

Этот расчет производится, если известно расход газа и параметры газа и воздуха с целью определение геометрических размеров горелки.

Если, наоборот, известны геометрические размеры горелки и надо определить ее пропускную способность (V_ов, V_ог) тогда:

1.Определяем скорость по формуле (2).

2.Определяем расход по формуле (3).

Замечание: если давление газа и воздуха не известны, то скорости газа и воздуха можно взять из таблицы 1.

Таблица 1 - Рекомендуемые скорости для горелок типа «труба в трубе»

Характерное место	Рекомендуемая скорость, м/с
воздух	газ	смесь
Трубопровод перед горелкой	8-10	10-15
Входные сечения горелки: при избытке давления при недостатке давления Газовое сопло до выходного сечения Газовое сопло в выходном сечении Носик горелки: максимальная минимальная	18-20 5-7 - - -	18-20 5-7 20-25 80-100 - -	25-30 4-5

Пример расчета горелки

Расчитать горелку типа «труба в трубе» для сжигания объемов V_ОГ=0,0085м³/с природного газа с теплотой сгорания =34 МДж/м³. Давления газа перед горелками Р_Г=5,3 кПа, Р_В=0,5 кПа, t_Г= 20°С. Воздух подогрет до 400°С, коэффициент расхода воздуха α =1,1; плотность ρ_ОГ= 0,82 кг/м³; L_о=9,01м³/м³, ρ_В = 1,29 кг/м³.

1.2.1 Необходимое количество воздуха

1.2.2 Скорость газа

1.2.3 Скорость воздуха на выходе

1.2.4 Площадь выходного сечения для газа

1.2.5 Площадь выходного сечения для воздуха

1.2.6 Диаметр газового сопла

1.2.7 Диаметр коридора

1.2.8 Скорость газа на выходе

м/с.

1.2.9 Скорость воздуха

м/с.

1.2.10 Диаметр носика горелки

мм.

1.2.11 Соотношение скоростей

1.2.12 Общий расход

Расчет инжекционных горелок

Расчет горелок

Горелки с предварительным смешением представляют собой горелки, в которых газ полностью смешиваются с воздухом и эта смесь сгорает при выходе из горелки или сгорает внутри горелки. Самыми распространенными горелками с предварительным смешением являются инжекционные горелки.

При расчете обычно бывают заданы:

параметры газа ();

параметры воздуха ();

пропускная способность горелки по газу V_ог;

коэффициент расхода воздуха;

противодавление – сумма давления в топке и сопротивления на пути подсасываемого воздуха .

Расчетинжекционных горелокоснован на уравнении количества движения и основных уравнений истечения газа. Различают методы расчета для:

газа низкого давления (< 20 кПа);

газа докритического давления (< 90 кПа);

газа сверхкритического давления (>90 кПа).

Цель расчета: определение конструктивных размеров форсунки.

Схема расчета представлена на рисунке 2.

1-газовое сопло; 2–входной конфузор; 3–смеситель; 4-диффузор;

5-носик горелки

Рисунок 2 – Расчетная схема инжекционной горелки

2.1.1 Теоретическая скорость истечения газа из сопла:

для газа низкого давления (< 20 кПа)

(2.1),

где Р_Г – абсолютное давление газа, Па; р_Г- избыточное давление, Па;

для газа докритического давления (< 90 кПа)

(2.2)

По этим формулам построены графики (Рисунок Б1, приложение Б) по которому можно определить скорость истечения газов в зависимости от давления p_г.

Для газа сверхкритического давления (>90 кПа)

. (2.3)

2.1.2 Диаметр газового сопла

. (2.4)

2.1.3 Оптимальное соотношение площадей смесителя f_c и газового сопла f_Г можно найти из соотношения

(2.5),

где А можно определить по (2.6) или из таблиц по значению отношения Р_о/Р_Г(Таблица А1, приложение А), или по номограмме (рисунок А1, приложение А)

(2.6)

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

(2.7),

где L_o – стехиометрическое количество воздуха.

Массовая инжекция n (отношение массы смеси к массе газа)

(2.8)

В – коэффициент, характеризующий сопротивление на пути движения газовоздушной смеси в горелке

(2.9)

С - коэффициент, характеризующий сопротивление на пути движения газовоздушной смеси в горелке

(2.10)

Можно принять В = 1,15; С = 0,425.

2.1.4 Диаметр смесителя

(2.11)

2.1.5 Оптимальное соотношение площадей носика горелки f_Н.Г и смесителя f_С можно найти из соотношения

(2.12),

где - коэффициент сопротивления носика горелки; =0,2;

- повышение давления в горелке

(2.13),

где - при докритическом давлении;

- при сверхкритическом давлении.

Коэффициент D также можно определить из таблицы А1 по величине отношения Р_о/Р_Г. При давлении р < 20 кПа можно принять

(2.14)

При отсутствии противодавления (Δр_В +Δр_топ=0) формула упрощается

(2.15)

2.1.6 Диаметр носика горелки

(2.16)

Остальные конструктивные размеры инжекционной горелки определяются из экспериментально найденных соотношений:

2.1.7 Длина смесителя равна длине диффузора

(2.17)

2.1.8 Длина конфузора

(2.18)

2.1.9 Угол сужения входного конфузора принимаем 45.

2.1.10 Угол раскрытия диффузора принимаем .

2.1.11 Начальный диаметр входного конфузора

(2.19)

2.1.12 Конечный диаметр диффузора

(2.20)

2.1.13 Угол сужения носика горелки принимаем .

2.1.14 Длина носика горелки

(2.21)

2.1.15 Скорость истечения смеси из носика горелки

(2.22)

2.1.16 Температура смеси

(2.23)

Пример расчета горелки

Рассчитать инжекционную горелку для сжигания газа с низкой теплотой сгорания 35,27 мДж/м³. Избыточное давление газа 19 кПа. Объем газа V = 0,011 м³/с. Газ и воздух холодный с температурой 20°С. Коэффициент расхода воздуха =1,07. Избыточное давление печи 32 Па. Теоретическое количество воздуха необходимого для горения 9,97 м³/м³. Плотность газа 0,77 кг/м³. Плотность воздуха 1,29 кг/м³.