Исходные данные для задания 8

№ варианта	Топливо	Начальная температура топлива , oС	Длина топочной камеры , м	Средняя скорость полета капли , м/с
	Ацетальдегид
	Ацетон
	Бензол
	Гексан
	Гептан
	Диэтилэфир
	Изопентан
	Изопропилбензол
	Метиловый спирт
	н –Пентан
	н –Пропиловый спирт
	Толуол
	Уксусная кислота
	Хлорбензол
	Циклогексан
	Этиловый спирт

Окончание табл. 4.2

№ варианта	Топливо	Начальная температура топлива , oС	Длина топочной камеры , м	Средняя скорость полета капли , м/с
	Ацетон
	Бензол
	Гексан
	Гептан
	Диэтилэфир
	Изопентан
	Изопропилбензол
	Метиловый спирт
	Ацетальдегид

4.4. Методы сжигания газа и классификация горелок

Основными функциям газовых горелок являются:

– подача газа и воздуха в область их смешения;

– смесеобразование газа и воздуха для получения гомогенного состава;

– воспламенение газовоздушной смеси;

– стабилизация фронта горения (факела) и исключение нештатных ситуаций при горении;

– обеспечение требуемой интенсивности (заданной тепловой мощности горелки) и процесса горения газа.

При проектировании огнетехнических и теплосиловых агрегатов необходимые газовые горелки подбирают по справочникам, отраслевым нормалям и каталогам с учетом их тепловой мощ­ности и пределов регулирования, располагаемых давлений газа и окислителя и т. п. Вместе с тем иногда типо­вые горелки не могут быть применены из-за существенного от­личия необходимых параметров от справочных: несоответствие тепловой мощности: недостаточный диапазон регулирования горелки; невозможность установить горелку в топочную камеру из-за ее габаритных размеров; сильное отличие параметров сжигаемого газа от рекомендуемых для типовой горелки и др. Кроме того, в некоторых специфических слу­чаях при организации сжигания газа в промышленных условиях применение типовых горелок становится затруднительным. Например, при местном скоростном нагреве металла, керамики, различных заготовок, термической обработке изделий и т. п. В этих случаях приходится про­ектировать и использовать другие горелки или реконструировать типовые под условия их работы.

При проектировании горелок стараются обеспечить:

– полноту сгорания газа;

– устойчивость горения газа при различных режимах подачи газа;

– надежность эксплуатации горелки;

– компактность;

– удобство обслуживания и другие.

Для повышения устойчивости процесса горения газа в горелках используют различные огнеупорные насадки, которые устанавливают на выходе газа из горелки. При сжигании газа эти насадки раскаляются и служат зажигательными элементами, если случайно произойдет погасание пламени. Сжигание газа в топочных камерах обычно идет с образованием малосветящегося факела. Это позволяет в современных конструк­циях газовых горелок значительно повысить эффективность ис­пользования газа. Малая светимость факела при сжигании газа методом беспламенного горения может быть компенсирована излучением от раскаленных огнеупорных материалов.

Газовоздушная смесь для горения, образующаяся в горелке, должна приготавливаться с неболь­шим избытком воздуха по отношению к теоретически необходимому для горения. Эта смесь поступает в раскаленные огнеупорные каналы горелки, где интенсивно нагревается и сгорает.

При работе горелки обычно наблюдается два режима горения газовоздушной смеси: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме обычно наблюдается спокойный режим сжигания (например, горение газа в бытовой печи), при турбулентном – хаотическое интенсивное сжигание подготовленной газовоздушной смеси (например, горение газа в топке котла).

Устойчивый ламинарный режим горения газовоздушной смеси может быть осуществлен только в определенном диапазоне скорости потока газа на выходе из горелки. Эти два предельных режима горения газа в горелке (рис. 4.3), которые обычно справедливы для атмосферных горелок, определяются следующим образом.

Если скорость потока газовоздушной смеси на выходе из горелки, т. е. в устье горелки в зоне зажигающего кольца, окажется меньше нормальной скорости распространения пламени , то пламя зайдет внутрь горелки. Такой заход пламени внутрь горелки при называют проскоком пламени. Такой предельный режим будет наблюдаться при условии .

Предел по минимальной скорости потока газа в горелке, ниже которой происходит проскок пламени, называется нижним пределом устойчивости горения по скорости.

Если скорость потока газовоздушной смеси на выходе из горелки окажется выше максимальной нормальной скорости распространения пламени , то поток оторвет пламя от устья горелки, и пламя может погаснуть. Это называют отрывом пламени. Такой предельный режим будет наблюдаться при условии .

w

Рис. 4.3. Пределы устойчивого горения в горелках атмосферного типа: – скорость истечения струи газовоздушной смеси; − коэффициент избытка воздуха для газовоздушной смеси

Проскок пламени внутрь горелки или его отрыв от устья горелки нарушают ее нормальную работу и могут привести к нештатной ситуации или аварии. Эти же явления ограничивают производительность горелки по минимальному и максимальному пределу устойчивости ее горения. Поэтому необходимо чтобы горелка все время работала в области устойчивого режима горения, как показано на рис. 4.3. Для расчета этих предельных режимов горения используют табличные значения нормальной и максимальной нормальной скорости распространения пламени по газовоздушной среде, которые приводятся в справочной литературе. Для некоторых газов эти скорости приведены в прил. 5 и 6.

Сжигание газа в горелках может быть осуществлено тремя методами, как показано на рис. 4.4.

а б в

Рис. 4.4. Методы сжигания газа: а − диффузионное горение (сжигание без предварительного сме­шения газа с воздухом); б − кинетическое горение (сжигание при полном предварительном смешении газа с воздухом); в − диффузионно-кинетическое горение (сжигание с незавершен­ным предварительным смешением газа с воздухом)

В зависимости от метода сжигания газа горелки подразделяются на следующие типы:

– без предварительного смешения газа с воздухом – диффу­зионные;

– с полным предварительным смешением газа с воздухом – ки­нетические;

– с неполным предварительным смешением газа с воздухом – диффузионно-кинетические.

Газовые горелки можно классифицировать по разным признакам: методу сжигания газа; тепловой мощности; способу подачи воздуха на горение; по давлению газа, идущего на горение; по типу смешения газа с воздухом и др.

Широко распространена классификация горелок по способу подачи воздуха. По этому признаку все горелки подраз­деляются на:

– бездутьевые, у которых воздух на горение поступает за счет разрежения в горелке (обычно эти горелки используются в горелочных устройствах небольшой мощности, в быту, в жилищно-коммунальном хозяйстве и т. п.);

– инжекционные, у которых воздух на горение засасывается в горелку за счет энергии струи газа (эти горелки по сравнению с предыдущим типом имеют большую тепловую мощность и используются в жилищно-коммунальном хозяйстве, в небольших промышленных топочных устройствах);

– дутьевые, у которых воздух на горение подается в горелку с помощью дутьевого устройства, например вентилятора (обычно эти горелки используются в промышленных топочных устройствах, где необходимо получить большую тепловую мощность – топки котлов, печей и т. п.).

Общие положения расчета газовых горелок

Теоретический расчет газовых горелок является весьма сложным и трудоемким, так как связан с комплексными расчетами процессов смешения, горения и теплоотдачи, которые должны обеспечивать не только высокую эффективность сжигания газо­вого топлива, но и минимально возможную концентрацию вредных компонентов в продуктах сгорания. Поэтому такие расчеты ведутся в специализированных организациях. На производстве при необходимости расчета небольшой горелки из-за сложности расчетов приходится пользоваться рядом приближенных данных, полученных из практики или отдельных экспериментов. Ниже будут приведены наиболее упрощенные и вместе с тем оправдавшие себя на практике методики расчета двух газовых горелок первых двух типов, как наиболее распространенных.

На малые и средние промышленные предприятия газовое топливо (обычно это природный газ) подают из газопроводов при низком давлении. При этом обычно используют для сжигающих устройств газовые диффузионные горелки. При более высоком давлении газа (низком или среднем) могут быть применены инжекционные газовые горелки.

Инженерный рас­чет газовых горелок может быть двух типов: поверочный или конструктивный.

При поверочном расчете конкретной горелки, когда конструкция и размеры горелки уже известны, уточняют ее тепловую мощность и пределы регулирова­ния по заданным значениям давления, составе газа и др. известным параметрам. Поверочные рас­четы обычно проводятся при существенном отклонении ха­рактеристик горелки и давления газа от паспортных данных горелки. Методики расчета горелок приводятся в справочной литературе.

При конструктивном расчете, когда неизвестны основные конструктивные параметры горелки, по заданной тепловой мощности и тре­буемым пределам ее регулирования определяются необходимое номинальное давление газа перед горелкой и размеры проточ­ной части горелки. А дальше проводят проектирование горелки и определяют ее основные конструкционные размеры.

Важнейшей характеристикой любой газовой горелки является ее тепловая мощ­ность (не путать с полезной тепловой мощностью топочного устройства), кВт

, (4.23)

где –низшая теплота сгорания сухого газа, кДж/нм³; – объемный расход газа через горелку, нм³/с.

Различают максимальную, минимальную и номинальную тепловые мощности газовых горелок.

Максимальная тепловая мощность достигается при длительной работе горелки с наибольшим расходом газа, при этом не должно происходить отрыва пламени от устья горелки.

Минимальная тепловая мощ­ность возникает при устойчивой работе горелки при наименьших расходах газа, при этом не должно быть проскока пламени внутрь горелки.

Номинальная тепловая мощ­ность горелки соответствует режиму работы топочного устройства с расчетным расхо­дом газа, т. е. расходом, обеспечивающим максимальный КПД при наиболее полном сжигании газа. В паспортах горелок обычно указывают ее номинальную тепловую мощность.

Важной характеристикой горелки является также предел регулирования ее тепловой мощности, т. е. отношения максимальной тепловой мощности к минимальной

. (4.24)

Для большинства горелок значение предела регулирования лежит в пределах от 2 до 5.

При расчете горелок расход газа и его плотность могут определяться при нормальных физических условиях ( = 0 ^оC, = 0, 1013∙ 10⁶ Па). Объясняется это тем, что давление газа, подаваемого в горелку, мало отличается от атмосферного, а его температура для зимнего расчетного периода близка к 0 ^оC. При тех же условиях с допустимой для практики точностью могут определяться теоретиче­ский расход воздуха и его плотность. Если температура подаваемого на горение воздуха другая, то плотность воздуха, кг/м³, может быть рассчитана по следующему соотношению:

, (4.25)

где – температура подаваемого в горелку воздуха, ^оС.

При расчете горелок можно также не учитывать содержание в газе и воздухе водяных паров, так как оно очень мало влияет на объем и плотность, а также теплоту сгорания газа.

Расход газа, идущего на горение в горелку , нм³/с, можно определить по формуле:

, (4.26)

где – номинальная тепловая мощность топливосжигающей установки, кВт; – низшая теплота сгорания газа, кДж/нм³; – число принимаемых к установке однотип­ных горелок с одинаковым расходом газа; – КПД установки.

Теоретический расчет газовых горелок, как было отмечено выше, является весьма сложным по многим причинам. Поэтому инженерный расчет обычно проводится с использованием ряда приближенных данных, полученных из практики или с использованием данных экспериментов.