Особенности расчета газовых горелок

Для существующей горелки, если заданы располагае­мые давления газа и воздуха, расчет производится для оп­ределения производительности горелки. Возможен также случай, когда необходимо определить давления газа и воз­духа, достаточные для достижения определенной произво­дительности горелки.

При проектировании новой горелки первоначально вы­бирают желаемый тип горелки, обеспечивающий получе­ние длинного или короткого, светящегося или несветящего­ся факела. Далее при заданном давлении газа и воздуха рассчитывают скорость их выхода из горелки и определя­ют размеры проходных сечений, обеспечивающих необхо­димую тепловую производительность горелки. Если давле­ние газа и воздуха требуется определить, то задаются ско­ростью их выхода из горелки.

Рис. 22. Принципы организации сжигания газового топлива:

о — без предварительного смешения газа и окислителя; б — с полным предва­рительным смешением с образованием однородной смеси; в — с неполным пред­варительным смешением без образования однородной смеси; г — с частичным предварительным смешением с недостатком окислителя; К — фронт кинетиче­ского горения; Д — фронт диффузионного горения

При реализации диффузионного принципа сжигания, т. е. когда газ и окислитель из горелки выходят раздельно (см. рис. 22, а), скорости выхода газа и воздуха из горелки вы­бирают из соображений наилучшего их перемешивания в топочной камере. Так, при сжигании доменного газа ре­комендуемая скорость воздуха и газа для щелевых горе­лок находится в пределах 20—30 м/с, для угловых горелок (см. рис. 22) —30—40 м/с.

При реализации кинетического (см. рис. 22,б) или смешанного (см. рис. 22, в и г) принципов сжигания, когда газ и воздух предварительно полностью, не полностью или частично смешиваются в горелке, скорость выхода из нее газовоздушной смеси должна быть больше скорости распространения пламени в этой смеси при данных усло­виях. Соблюдение указанного правила необходимо, чтобы избежать проскок пламени в горелку.

Видимая скорость распространения пламени, применя­емая при расчетах горелочных устройств, зависит от со­става газовоздушной смеси и тем больше, чем больше в ней водорода и выше ее температура. Она зависит также от скоростного поля смеси и увеличивается при увеличении диаметра горелки и разогреве стенок ее выходной части. Чтобы исключить проскок пламени в горелку, скорость ис­течения из нее газовоздушной смеси при сжигании газа с низкой теплотой сгорания принимается не ниже 10—15, а с высокой теплотой сгорания — не ниже 20—30 м/с.

Для оценки необходимой по условиям смесеобразования длины факела применяют различные полуэмпирические со­отношения. Отметим лишь, что длина факела уменьшается с уменьшением выходного размера горелки. Увеличение теплоты сгорания газа приводит к увеличению необходи­мой длины факела, так как на единицу топлива приходит­ся большее значение V°_B и для перемешивания газа и воз­духа требуется больший путь. Повышение концентрации окислителя в воздухе приводит к уменьшению значения V°_t что определяет и получение более короткого факела.

Длина факела в ламинарной области Re<Re_Kp увели­чивается пропорционально тепловой нагрузке (скорости выхода газа из горелки), в турбулентной же области Re>Re_KP длина факела мало зависит от нагрузки. Подогрев газа приводит к увеличению скорости его выхода (увели­чению количества движения), что ускоряет процесс пере­мешивания и укорачивает факел. Увеличение скорости воз­душного (облегающего) потока и повышение его темпера­туры также приводят к сокращению длины факела.

Горелки с предварительным смешением газа с возду­хом (см. рис. 22,б), в которых имеет место полное или ча­стичное подсасывание одной среды другой, рассчитывают как обычные струйные аппараты.

Значительное распространение получили газовые горел­ки, в которых воздушный поток поперечно пересекается мелкими газовыми струями как при центральной (рис. 23,а), так и при периферийной (см. рис. 23,б) раздаче газа. Для улучшения смесеобразования развитие газовых струй в воздушном потоке может быть организовано в два-три слоя (рис. 23,б).

Желаемая относительная глубина проникновения газо­вых струй в воздушный поток может быть определена по формуле

 

Рис. 23. Развитие газовых струй в воздушном потоке:

а — центральная раздача газа; б— периферийная

где d_г — диаметр отверстий для выхода газа, м; ω_г — дей­ствительная скорость газа на выходе из отверстий, м/с; ω_в — действительная скорость воздушного потока, м/с; ρ_г и ρ_в — плотности газа и воздуха при данных условиях, кг/м³; K_s — коэффициент пропорциональности, зависящий от отношения шага s между отверстиями к диаметру отвер­стий d_г [при изменении s/d_г от четырех до бесконечности (одиночная струя) K_s изменяется от 1,6 до 2,2]; η — коэф фициент, характеризующий отношение суммарного и набе­гающего потоков, т.е. массы смеси и массы воздуха:

здесь В и У_в — расходы газа и воздуха, м³/с.

Газообразное топливо может применяться для котлов любой мощности. Общая производительность всех горелок должна обеспечивать полную тепловую мощность установ­ки, т. е. соответствовать расчетному расходу топлива (за­пас 10—20%). С увеличением количества горелок единич­ная их производительность уменьшается. При этом имеется возможность более плавно регулировать производитель­ность установки путем отключения отдельных горелок. Вместе с тем усложняются воздушные и газовые коммуни­кации и несколько усложняется эксплуатация агрегата.

Для сжигания доменного газа рекомендуется приме­нять щелевые горелки со смесительными кирпичными ка­налами при встречной установке горелок на боковых или фронтовой и задней стенах топки. Применяют также вих­ревые и комбинированные горелки. Рекомендуются следу­ющие расчетные характеристики: коэффициент избытка воздуха на выходе из топки α_т=1,1; объемная плотность тепловыделения q_v = 0,2…0,25 МВт/м³; потеря теплоты от химического недожога q_х.н = 1,5%.

При организации «беспламенного» сжигания доменного газа для установок малой паропроизводительности (до 5,5 кг/с) принимают α_т= 1,05…1,1; q_v = 0,3…0,75 МВт/м³; q_х.н = 0…1%•

Для сжигания природного газа применяются горелки с центральной или периферийной подачей газа при встречном, угловом и фронтовом их расположении. Ре­комендуются следующие расчетные характеристики про­цесса:α_т =1,1; q_v=0,35…0,47 МВт/м³; q_х.н =0,5%.

Для котельных установок с газоплотными цельносвар­ными экранами расчетный коэффициент избытка воздуха в топке может быть снижен до 1,05. При сжигании газа в неэкранированных топках с целью защиты обмуровки от высокой температуры коэффициент избытка воздуха может быть увеличен до 1,2.

Следует отметить, что значение q_v часто выбирают из условия размещения в топке необходимого количества эк­ранных поверхностей нагрева для снижения температуры газа перед конвективными поверхностями. Применение повышенного напора дутья и специальных устройств для улуч­шения перемешивания газа с воздухом дает возможность значительно повысить объемную плотность тепловыделения q_v при сохранении высокой экономичности топочного про­цесса. Примером этого является организация сжигания га­за в циклонных камерах, где значение q_v составляет 5— 10 МВт/м³ и более.

 

ЛЕКЦИЯ 10