ГАЗ-14. Расчет инжекционных газовых горелок

Расчет горелок должен обеспечивать необходимую для аппаратов и установок тепловую мощность, широкий диапазон регулирования расхода газа, устойчивость пламени без применения искусственных стабилизаторов горения, и отсутствии или пониженной концентрации вредных компонентов продуктов сгорания. Расчет включает в себя определение размеров следующих конструктивных элементов:

-сопла;

-горловины смесителя;

-конфузора;

-диффузора;

-огневых каналов;

-габаритных размеров, обеспечивающих возможность установки горелки в заданной топке.

Исходными данными для расчета являются

-тепловая мощность горелки;

-химический состав газа;

-давление газа перед соплом;

-температуры газа и воздуха;

-характеристики аппарата или тепловой установки, для которой горелка рассчитывается.

По указанным исходным данным определяется низшая теплота сгорания газа (Qнр=40346 кДж/м3), его плотность (г=0,929 кг/м3) и объем воздуха (Vв). При расчете таких горелок объем газа и его плотность определяются при нормальных физических условиях. Объясняется это тем, что давление газа мало отличается от атмосферного. При этом следует учитывать, что его температура для зимнего расчетного периода изменяется на 5 – 10 оС. При тех же параметрах с допустимой для практики точностью могут определяться объем и плотность воздуха. При расчете горелок можно не учитывать содержание в газе и воздухе водяных паров, так как оно очень мало влияет на его объем, плотность и теплоту сгорания.

Расход газа определяют: , м³/ч,

Давление газа (Pг) перед соплом горелки определяется на основании гидравлического расчета внутридомового газопровода. Вместе с тем для обеспечения широкого диапазона регулирования расхода газа оно должно быть не менее определенного по формуле

Теоретическая скорость истечения газа из сопла Wг при нормальных условиях рассчитывается по формуле, не учитывающей изменения плотности газа

Площадь поперечного сечения газового сопла f и его диаметр D определяются по формулам

где мю-коэффициент расхода, учитывающий неравномерность распределения скоростей потока газа по сечению сопла, сопротивления трения в нем и сжатия струи. Зависит от формы сопла.

Диаметр горловины смесителя (D3) определяется из уравнения, выражающего закон сохранения количества движения при смешении двух газов. Количество движения 1м3 инжектируемого газа определяется произведением скорости газа на его плотность, а количество движения инжектируемого из атмосферы воздуха можно принять равным.

В этом случае количество движения газо-воздушной смеси можно записать как

где:W₃-скорость ГВС в горловине смесителя, м/с; n-объемная кратность инжекции (*количество воздуха инжектируемого 1м³газа);

Уравнение сохранения количества движения тогда запишется:

Выразим расход газа (Q_г) и расход ГВС (Q_гх[1+n]) через соответствие скорости и сечения:

получим

Так как кратность инжекции определяется:

то, м

Последняя формула показывает, что α1 для данного вида газа зависит только от соотношения диаметра горловины и не зависит от давления инжектируемого газа. Это значит, что инжекционные горелки обеспечивают постоянство соотношение газа и воздуха в ГВС не зависимо от изменения расхода газа. Так для горелок рассматриваемого вида а1 должно приниматься таким, чтобы не происходило проскока пламени внутрь смесителя при минимально необходимом расходе газа

Одновременно α1 должно быть больше такого, при котором возможно образование желтых языков пламени

где m-число углеродных атомов в молекуле;

n –число водородных атомов в молекуле.

Диаметр конфузора D2 и диффузора D4 принимается примерно одинаковым

Длина горловины смесителя и длина конфузора:

Переход конической поверхности конфузора в цилиндрическую поверхность горловины для литых смесителей по дуге окружностей R= (3÷5)хD3

Длина диффузора – смесителя

 

 

где β- угол расширения диффузора принимаемый для обеспечения безотрывности потока ГВС в пределах 6 – 8 º

Суммарная площадь огневых каналов в коллекторе (fD)

где Wсм- скорость вытекания их огневых каналов ГВС. Принимается такой, чтобы не происходило отрыва пламени. Для природного газа

Так как последнее уравнение содержит две неизвестных величины, то для определения скорости вытекания ГВС необходимо задаться диаметрами огневых каналов (3÷6 мм). Число огневых каналов на коллекторе определяется

Огневые отверстия на коллекторе горелки обычно размещают в 1 или 2 ряда в последнем случае в шахматном порядке. При двухрядном расположении минимальная длина коллектора

где S – шаг между осями огневых отверстий.

Для обеспечения быстрого распространения пламени по всем каналам и предотвращения их слияния шаг должен укладываться в пределы определенные экспериментом при а1=0,6, d=2 – 6 мм, S=(2,4 – 2,8)∙dо мм. Для этой же цели расстояние между осями рядов каналов должно быть в 2 – 2,5 раза больше расстояния между рядами.

При выборе глубины огневых каналов (lD) следует исходить из того, что ее увеличение способствует устойчивости горения в отношении проскока пламени. Вместе с тем чрезмерное увеличение глубины канала приводит к повышению сопротивления трения, что в свою очередь способствует понижению коэффициента инжекции первичного воздуха (α1). Кроме того, это приводит к созданию приподнятых каналов, осложняющих изготовление горелок. По экспериментальным данным

Газовые горелки должны размещаться в топке так чтобы конусный фронт пламени не омывал теплообменных поверхностей, так как это приводит к появлению продуктов неполного сгорания

где k – отношение расчетной удельной тепловой нагрузки Полная длина горелки рассчитывается путем сложения длин конфузора горла смесителя диффузора и коллектора горелочного устройства

ГАЗ-12. Устройство и работа инжекционных горелок с а<1 и α<1

Инжекционные горелки – это горелки, в которых необходимый для горения воздух поступает полностью а>1 или частично a<1 в качестве первичного из окружающей среды. Подача его осуществляется засчет кинетич.энергии струи газа, истекающий из сопла.

1-сопло, 2- регулировочная шайба, 3- конфузор, 4 – горловина смесителя, 5 – диффузор, 6 – коллектор с огневыми отверстиями.

В инжекционных газовых горелках с а<1 газ вытекая из сопла с большей скоростью за счет кинет.энергии струи засасывает в инжектор из окр.пространства в-ха в количестве необходимом для сжигания 70-80% топлива.

Инжекционные горелки с а<1 обычно работают на низком давлении(Рном=1274кПа).

Инжектор состоит из след.основных элементов: сопла, из которого выходит газ; камеры смешения, состоящей из всасывающей и стабилизирующей частей, в которых осуществляется смешение газа с воздухом и стабилизация скоростного поля потока, и диффузора, где повышается давление газовоздушной смеси.

С увеличением значения а1 происходит переход в область кинет.горения, кот.характеризуется низкой устойчивостью пламени, а при малых а1 происходит разложение углеводородов с образованием сажи, что происходит к свечению пламени и химич.неполноте сгорания. Такая работа горелок с а1<1нежелательна.

К недостаткам инжекционных горелок относится повышенный к-т избытка в-ха, но такие горелки обладают большой устойчивостью к отрыву пламени и не требуют стабилизаторов.

Эти горелки используют при сжигании природных и сжиженных углевод.газов.

Инжекционные горелки с а1<1 применяется в бытовых газовых приборах, проточных и емкостных водонагревателях и т.д.