IV. 5. Расчет инжекционной газовой горелки

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 (Q^н_р=38194 кДж/м³), его плотность (r_г=0,882 кг/м³) и объем воздуха (V_в). 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, (IV.5.1)

 

где q-номинальная теплопроизводительность установки, кДж/ч;

Q^р_н- низшая теплота сгорания газа, кДж/ч;

N- число принимаемых к установке однотипных горелок с одинаковым расходом газа;

h-КПД прибора.

Давление газа (P_г) 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:

Па (IV.5.2)

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

м/с (IV.5.3)

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

, м² (IV.5.4)

, м, (IV.5.5)

где m-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 0. В этом случае количество движения газо-воздушной смеси можно записать как:

, (IV.5.6)

где:W₃-скорость ГВС в горловине смесителя, м/с;

n-объемная кратность инжекции (*количество воздуха инжектируемого 1м³газа);

Уравнение сохранения количества движения тогда запишется:

(IV.5.7)

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

(IV.5.8)

(IV.5.9)

получим: (IV.5.10)

Так как кратность инжекции определяется:

(IV.5.11)

то , м (IV.5.12)

Последняя формула показывает, что a₁ 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 a₁ должно приниматься таким, чтобы не происходило проскока пламени внутрь смесителя при минимально необходимом расходе газа:

(IV.5.13)

Одновременно a₁ должно быть больше такого, при котором возможно образование желтых языков пламени:

(IV.5.14)

где: m-число углеродных атомов в молекуле;

n –число водородных атомов в молекуле.

Диаметр конфузора D₂ и диффузора D₄ принимается примерно одинаковым:

(IV.5.15)

Длина горловины смесителя и длина конфузора:

(IV.5.16)

(IV.5.17)

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

Длина диффузора - смесителя:

, (IV.5.18)

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

Суммарная площадь огневых каналов в коллекторе (f_D)

, (IV.5.19)

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

(IV.5.20)

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:

(IV.5.21)

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

минимальная длина коллектора:

, (IV.5.22)

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 a₁=0,6, d=2 – 6 мм, S=(2,4 – 2,8)∙d_о 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 (l_D) 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 (a₁). Кроме того, это приводит к созданию приподнятых каналов, осложняющих изготовление горелок. По экспериментальным данным:

(IV.5.23)

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

, (IV.5.24)

 

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

Расчет газовой горелки.

1. Номинальный расход газа:

, м³/ч

2. Скорость истечения газа из сопла:

, м/с

, Па

3. Площадь поперечного сечения газового сопла:

м²

4 Диаметр сопла:

м = 2 мм

5. Диаметр горла смесителя:

=15 мм

6. Диаметр конфузора D₂ и диффузора D₄.

мм

мм

7. Длина конфузора: мм

8 Длина горла смесителя: мм

9. Длина диффузора при угле расширения b=8⁰

мм

10. Суммарная площадь огневых отверстий горелочного насадка:

м² = 4,8 см²

Зададимся диаметром огневого отверстия d_огн=3 мм и скоростью выхода газа из огневых отверстий W_огн=1,5 м/с

11. Число огневых отверстий:

12 При a₁=0,6 расстояние между осями огневых отверстий:

мм

13 Длина коллектора горелочного насадка при двухрядном расположении горелок:

мм

14. Оптимальное расстояние l₀ от обреза сопла до входного сечения сопла смесителя: мм

15 Длина горелки: мм

IV.6. РАСЧЕТ ДЫМОХОДА.

В курсовом проекте рассчитывается дымоход от газового водонагревателя. Установка колонки и устройство дымоходов показано в приложении 10.

Расчет выполняется по наихудшим условиям работы для верхнего этажа проектируемого здания в летнее время.

При расчете дымохода определяют размер поперечных сечений дымохода и присоединительной трубы, а также величину разряжения перед газовыми приборами. Поперечными сечениями предварительно задаются, принимая скорость уходящих газов 1,5….2 м/с. О достаточности принятых размеров сечений судят по полученной величине разряжения перед приборами. Тягу рассчитывают по уравнению:

 

, Па, (IV.6.1)

где Dр_т – тяга, создаваемая дымовой трубой, дымоходом или вертикальным участком присоединительной трубы, Па;

Н – высота участка, создающего тягу, м;

t_нв – температура наружного воздуха, ^°С;

t_т – средняя температура газов на участке, ⁰С;

р_б – барометрическое давление, Па.

Для определения средней температуры газов следует знать снижение их температуры в результате остывания при движении по соединительным трубам и дымовым каналам. Из сравнения уравнения теплопередачи от уходящих газов к воздуху, окружающему дымоход,

, Вт (IV.6.2)

и уравнения теплового баланса для участка газохода:

, Вт (IV.6.3)

получаем следующую зависимость для расчета остывания уходящих газов:

, ^°С (IV.6.4)

где: k – среднее значение коэффициента теплопередачи для стенок дымохода,

отнесенное к внутренней поверхности, Вт/(м²∙°С);

F_в – внутренняя площадь поверхности расчетного участка дымохода, м²;

t_ух – температура уходящих газов при входе в дымоход, ^°С;

t_ов – температура воздуха, окружающего дымоход, °С;

Dt – падение температуры уходящих газов в расчетном участке, °С;

Q – количество теплоты, отдаваемой уходящими газами при остывании на величину Dt, Вт;

1,38 – средняя объемная теплоемкость дымовых газов, кДж/(м³·^°С);

Q_пс – расход продуктов сгорания через дымоход, м³/ч, отнесенный к нормальным условиям.

Примерные значения падения температуры уходящих газов на 1 м дымохода следующие: в кирпичном дымоходе, расположенном во внутренней стене – 2…6 ⁰С; в кирпичном дымоходе, расположенном снаружи здания – 3…7 ⁰С; в стальных соединительных трубах – 6…12 ⁰С.

Разряжение перед газовым прибором определяется по формуле:

, Па, (IV.6.5)

где Dр_газ – разрежение перед газовым прибором, Па;

Dр_тр, Dр_мс – потери давления на трение и местные сопротивления при движении газов по соединительным трубам, дымоходам и дымовой трубе (величина Dр_мс включает потери давления, связанные с созданием скорости при выходе из трубы).

Потери на трение рассчитывают по формуле:

, Па (IV.6.6)

Потери на местные сопротивления рассчитывают по уравнению:

, Па. (IV.6.7)

Расчета дымохода.

Рассчитать дымоход, отводящий продукты сгорания от быстродействующего водонагревателя. В водонагревателе сжигается природный газ, для которого величина Q^c_н=38194 кДж/м³.

Расчет выполняем по наихудшим условиям работы для верхнего этажа проектируемого здания №1 в летнее время. Средняя максимальная температура воздуха наиболее теплого периода – 20,9°С (табл. 2 СНиП 23-01-99* «Строительная климатология»).

В расчете принимаем действительный коэффициент избытка воздуха α =1,05.

Соединительная труба газовой колонки диаметром 130 мм имеет длину 3 м, вертикальный участок, равный 0,3 м, и три поворота. Высота дымохода во внутренней кирпичной капитальной стене сечением 125х125 мм имеет высоту 5 м до чердака. Дымоход на чердаке и сверх кровли сечением 125х125 мм имеет толщину стены 0,5 кирпича, высоту 4 м и над оголовком металлический зонт.

1. Предположим, что разряжение перед тягопрерывателем водонагревателя составляет 3 Па, поэтому подсос воздуха не учитываем. Основные показатели работы водонагревателя: Q=18 кВт; a=1,05; t_ух=170 ⁰С.

2.Рассчитываем охлаждение газа в вертикальном участке присоединительной трубы:

t_ов=20 ⁰С

Количество продуктов сгорания при a=1,05: 11,99+(1,05-1)·10,15=12,5м³/м³

Расход газа: м³/ч

Температура уходящих газов после вертикального участка:t₁=170-8,97=161,02^° С

3. Охлаждение газа в присоединительной трубе длиной L=3-0,3=2,7м

Температура газов в начале дымохода: t₂=161,02-61,26=99,75 ^° С

4. Охлаждение во внутреннем дымоходе:

Температура в конце дымохода: t₃=99,75-44,24=55,51 ^° С

5. Охлаждение в наружном дымоходе

Температура газов, уходящих из трубы: t₄=55,51-16,26=39,25 °С

Температура точки росы t_т.р.=31 ^°С не должна превышать температуры уходящих газов, т.е. t₄ > t_т.р.

6. Тяга, создаваемая вертикальным участком соединительной трубы:

р_б=100 000 Па

Тяга, создаваемая дымоходом

Н=5+4=9 м

Суммарная тяга: Dр_т=14,99+1,16=16,15 Па

7. Определим потери на трение.

а)в присоединительной трубе

f=0,0133 м² – сечение присоединительной трубы

Коэффициент трения принимаем равным 0,02, а плотность продуктов сгорания - r=0,85 кг/м³. Потери давления на трение Dр_тр рассчитываем

б) в дымоходе

- сечение дымохода

l=0,04; d_э=0,125 м

8. Определим потери на местные сопротивления:

а) в присоединительных трубах

КМС: - на входе в тягопрерыватель x=0,5

- на повороте x=0,9·3=2,7

- на входе в кирпичный дымоход x=1,2

б) в дымоходах

КМС на выходе x=1,5

9. Разряжение перед газовым прибором

Разрежение превышает минимально необходимое (3 Па), следовательно, дымоход обеспечит нормальную работу водонагревателя.

V.Список литературы

 

1. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология. Госстрой России. М.: 2003.

2. СП 42.13330.2011. Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений. – М.: Госстрой России, 2011г.

 

3. Ионин А.А. Газоснабжение: Учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1989. – 439 с..

 

4. СП 42-101-2003. Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб. ЗАО «Полимергаз». М., 2003.

 

5. СП 41-110-2005. Проектирование тепловых сетей. – М.: «Объединение ВНИПИэнергопром» 2005.

 

6. Жила В.А., Ушаков М.А., Брюханов О.Н. Газовые сети и установки: Учеб. пособие. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 272с.

 

7. Газорегуляторные пункты и установки. Справочник под.ред. И В Мещанинова, В.А.Жилы, О.В.Платонова. М.-ЗАО «Полимергаз», 2000.– 452с.

 

8. Стаскевич Н.Л., Северинец Д.Д., Вигдоргин Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л.: Недра, 1990-762с.

 

9. СП 62.13330.2011 Газораспределительные системы. "Полимергаз". М.: 2011.

 

10. ПБ 03-445-02 «Правила безопасности при эксплуатации дымовых и вентиляционных промышленных труб».

 

 

VI. Графическая часть