Расчет инжекционных горелок низкого давления

Введение

 

Расчет газовых горелок является частью курсового проекта на тему "Газоснабжение района города или поселка" (раздел Ш) и состоит из расчета газогорелочного устройства для коммунально-бытового газового прибора или отопительного котла. Графическая часть должна быть представлена схемой горелки с указанием всех полученных по расчету размеров и компоновкой расположения газогорелочного устройства с автоматикой.

Расчет инжекционных газовых горелок

 

Расчет газовых горелок представляет собой сложную задачу, решаемую на основе теоретических и экспериментальных исследований. В качестве примера ниже будет рассмотрена методика расчета инжекционных горелок низкого и среднего давлений.

Исходные данные для расчета:

- номинальная тепловая мощность Q_ном, квт, или номинальный расход газа Q_г, м³/ч;

- номинальное давление газа перед соплом горелки p₁, Па;

- коэффициент инжекции первичного воздуха a₁;

- объемный состав топлива и его низшая теплота сгорания Q_н, кДж/м³;

- плотность газа при температуре 0 ⁰С и давлении 101325 Па - r_г, кг/м³.

 

Расчет инжекционных горелок низкого давления

 

Расчет складывается из определения следующих конструктивных элементов горелки: сопла, горловины смесителя, конфузора и размеров огневых отверстий. Схема простейшей инжекционной горелки низкого давления с частичным предварительным смешением газа и воздуха приведена на рис.1.1.

Для определения диаметра сопла, , необходимо вычислить площадь поперечного сечения сопла, по формуле

(1.1)

где - расчётный расход газа, ;

 

Рисунок 1.1 - Расчетная схема инжекционной горелки низкого давления

1 — сопло; 2 — конфузор; 3 — горловина; 4 — диффузор; 5 —кратер; 6 — на­садок.

 

W - средняя скорость истечения газа из сопла, , может быть определена по формуле

,

(1.2)

 

где коэффициент расхода, учитывающий неравномерность распределения скоростей потока по сечению сопла и сопротивление в сопле. Коэффициент расхода зависит от формы сопла и принимается по таблице 1.1 для цилиндрического сопла, а для конического с углом раскрытия 50-60⁰ принимается m_с =0,8;

- перепад давления газа перед соплом.

Перепад давления газа перед соплом горелки определяется по формуле

, Па,

(1.3)

где p₁ - абсолютное давление газа перед соплом, Па;

p₂ - абсолютное давление среды, в которую вытекает газ, Па.

Для инжекционных горелок низкого давления p₂ равно атмосферному
давлению, поэтому Dp=p₁ (значение p₁ принимается избыточное) _.

Диаметр сопла определим по формуле

м,

(1.4)

Диаметр горловины смесителя, определяем по формуле

м,

(1.5)

где объёмная кратность инжекции, т.е. количество воздуха инжектируемое

1 газа, ; принимается для природного газа 0,4 – 0,6 от теоретически необходимого расхода воздуха, а для сжиженного 0,5 – 0,7.

плотность воздуха при температуре воздуха в помещении, .

 

Таблица 1.1 Значения коэффициент расхода для цилиндрического сопла в зависимости от отношения длины сопла и его диаметра

lс/dс	mс	lс/dс	mс	lс/dс	mс	lс/dс	mс
	0,70	0,56	0,90	0,36	0,84	2,26	0,87
0,18	0,75	1,13	0,88	0,36	0,84	2,26	0,87

 

Диаметры конфузора и диффузора принимаются по экспериментальным данным:

м,

(1.6);

 

м,

(1.7)

 

Диаметр многофакельного насадка принимается равным выходному диаметру диффузора:

dн = dд, м,

(1.8)

 

Длину стабилизирующей части принимаем

м,

(1.9)

 

Длины диффузора, и конфузора, определяются по формулам

м,	(1.10)
, м,	(1.11)

где угол раскрытия конуса диффузора, принимаем a=6-8⁰;

угол раскрытия конуса конфузора, принимаем b=20-25⁰.

 

При этом длина диффузора должна быть не менее , чтобы произошло полное смешение газа с воздухом.

Для определения расстояния от устья сопла до горловины, пользуются выражением

(1.12)

где коэффициент турбулизации струи, для конического сопла принимается

равным (для цилиндрического сопла расстояние от устья сопло до горловины не определяется);

Площадь горелочных отверстий определяется по формуле

м2,

(1.13)

где максимальная скорость выхода газовоздушной смеси, , при которой не будет происходить отрыв пламени от отверстий горелки, определяется по рисунку 1.2 в зависимости от диаметра горелочных отверстий - и коэффициента расхода воздуха.

температура газовоздушной смеси на выходе из отверстий, принимается равной температуре воздуха в помещении, С⁰.

Количество отверстий определяется по формуле

шт,

(1.14)

Глубина отверстий принимается до , но не более 13 . Шаг между отверстиями S принимается по таблице 1.2 в зависимости от диаметра отверстий, коэффициента расхода первичного воздуха и допустимых габаритов насадка.

Длина насадка определяется по формуле

- при одном ряде отверстий

, м,

(1.15)

Рисунок 1.2 – Максимальные допустимые скорости стечения газовоздушных смесей из горелок для природного газа

 

- при двух рядах отверстия

, м/с,

(1.16)

где S - шаг огневых отверстий, принимаем по таблице 1.2.

При расположении отверстий в два ряда их необходимо размещать а шахматном порядке, принимая при этом значения S близкими к максимальным.

Таблица 23. Шаг огневых отверстий в зависимости от a₁ и d_о при низком давлении газа

 

Диаметр ог­невого от­верстия dо, мм	Минимальный шаг Smin, мм, при a1	Максимальный шаг Smax, мм, при a1
	0,2	0,4	0,6		0,2	0,4	0,6
1,0				-				-
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0

 

 

После определения размеров основных элементов горелки, необходимо проверить баланс энергии в горелочном устройстве. Баланс энергии обычно составляется по отношению к газа. При этом определяют приход энергии, её затраты в горелке и остаток энергии, необходимый для создания скорости выхода газовоздушной смеси из горелки.

Приходной частью баланса является энергия струи газа, , определяемая по формуле

(1.17)

где скорость газа на выходе из сопла, ;

(1.18)

Затраты энергии состоят из затрат на создание скорости инжектируемого потока воздуха , затрат энергии на изменение скорости струи газа и затрат энергии в диффузоре , которые определяются по формулам

(1.19)

где скорость газовоздушной смеси в горловине горелки, ;

плотность воздуха при температуре воздуха в горловине горелки, ;

(1.20)

где температура газовоздушной смеси в горловине горелки.

F_г - площадь поперечного сечения горловины, м², определяемая по формуле

(1.21)

 

(1.22)

 

(1.23)

где коэффициент полезного действия диффузора, зависящий от отношений d_г/d_д; при принимается h=0,8; при принимается h=0,75

скорость движения газовоздушной смеси на выходе из диффузора, ,

определяется по формуле

(1.24)

где F_д - площадь поперечного сечения диффузора, м².

Энергия потока гзовоздушной смеси в насадке, отнесённая к газа составит:

Ен=Е – Ев - Ег - Ед, кДж/м3,

(1.25)

Энергия потока смеси, отнесённая к газовоздушной смеси определим по формуле

кДж/м3,

(1.26)

Следует учесть, что 30% энергии потока газовоздушной смеси в насадке теряется на преодоление местных сопротивлений, связанных с изменением направления движения. Тогда возможная скорость выхода газовоздушной смеси из горелочных отверстий определяется по формуле

м/с,

(1.27)

где плотность газовоздушной смеси, , определяемая по формуле

(1.28)

 

Полученная скорость должна быть больше скорости выхода газовоздушной смеси, принятой при расчете сечения отверстий горелки. Если она окажется меньше, необходимо принять другие данные (изменить диаметр отверстий) и сделать перерасчет.