17.2. Расчет инжекционных горелок

Инжекционные горелки являются наиболее распространенным типом горелок с полным предварительным смешением. Для отопления нагревательных и термических печей применя­ют нормализованные инжекционные горелки следующих типов:
 

ТАБЛИЦА 17.3. ВНУТРЕННИЕ РАЗМЕРЫ НОРМАЛИЗОВАННЫХ ИНЖЕКЦИОННЫХ ГОРЕЛОК КОНСТРУКЦИИ СТАЛЬПРОЕКТА

1 Все линейные размеры выражены в долях диаметра смесителя.
Н — для сжигания доменного и смесей доменного и коксового газов с Q_H^P=3,75 ÷ 4 - 9,20 МДж/м³ и работы на холодном возду­хе и холодном или подогретом (для газов с Q_H^P≤5,85 МДж/м³) газе до 300 °С;
П — для сжигания доменного и смесей доменного и коксового газов с Q_H^P=3,754-8,40 МДж/м³ при работе на подогретом воздухе и на холодном или подогретом газе;
В и ВП — для сжигания природного, коксового, смесей природного и коксового, а также других газов с высокой теплотой сгорания при работе на холодном воздухе и хо­лодном газе.

Вакуумные сушильные шкафы для низкого вакуума

Все нормализованные горелки имеют оптимальные размеры и рассчитаны для работы на оптимальном режиме.
Расчетная схема инжекционной горелки дана на рис. 17.2. Методика расчета инжекционных горелок подробно приведена в справоч­нике.
В табл. 17.3 приведены внутренние раз­меры нормализованных инжекционных горелок типов Н, П и В, которые были рассчитаны по изложенной в этом справочнике методике. Линейные размеры выражены через диаметр смесителя dc.
Для выбора нормализованных горелок и диаметров сопел к ним построены приведен­ные в том же справочнике графики пропускной способности горелок по газу и составлены таблицы диаметров газовых сопел. Однако по этим графикам и таблицам можно выбрать горелку и диаметр газового сопла к ней только при тех параметрах газа и воздуха, коэффициентах расхода воздуха и противодавлениях, которые указаны на соответствующих графиках и таблицах.
При работе инжекционной горелки в условиях, отличающихся от принятых для нормализованных горелок, необходимо выполнить расчет. При этом следует иметь в виду, что у нормализованных горелок можно менять только диаметр газового сопла, а соотношение размеров смесителя и носика горелки, характеризуемое величиной
F̅₁= F_н.г/F_c = (d_н.г/d_c)². (17.7)
уже выбрано. Поэтому отношение площадей смесителя и газового сопла следует вычислять по формуле

Здесь коэффициент А, который при докритическом давлении газа равен 1, а при сверхкритическом определяется по формуле (16.18) или по таблице IV.2 (k =1,3);
коэффициент В' определяют по формуле
B' = B + (1 + ξ_н.г) / F̅₂², (17.9)
где В — коэффициент, характеризующий сопро­тивление на пути газовоздушной смеси в горелке:
В=1+∑ξ_с; (17.10)

коэффициент С характеризующий сопро­тивление на пути движения воздуха:
С=1-∑ξ_в;  (17.11)
для инжекционных горелок с оптимальной конфигурацией В=1,15, С=0,425;
коэффициент D,определяют по формулам (16.20), (16.21) или по табл. IV.2;
т— объемная кратность инжекции (отно­шение объема смеси к объему газа после истечения) :
m= 1+αL₀ · (Т_в/Т_г) · (Р_в/Р_г )^-0,23= 1 + αL₀· (Т_в/Т_г) · П (17.12)
п — массовая кратность инжекции (отно­шение массы газовоздушной смеси к массе газа) :
n= 1 + αL₀ ρ_ов/ρ_ог ; (17.13)
П — коэффициент, определяемый по табл. IV.2, при давлении газа <20 кПа можно принимать П=1;
p_печ — давление в рабочем  пространстве  печи  на уровне горелки, Па;
Δp_в потеря давления на пути движе­ния инжектируемого воздуха, Па;
∑ξ_в и ∑ξ_c — сумма коэффициентов сопро­тивления на пути движения воздуха, газовоз­душной смеси в горелке;
ξ_н.г. — коэффициент сопротивления носика горелки (для горелки с носиком оптимальной конфигурации ξ_н.г. = 0,2);
φ — коэффициент истечения из сопла (для сходящихся сопел можно принимать φ =  0,85).
При давлении газа ниже 20 кПа можно принимать
F̅₁=(B´mn — C(m — 1)(n— 1))/(1+√(1-(∆p_в+p_печ)/(φ² p_г )) [B´mn — C(m — 1)(n— 1)] ) (17.14)
При отсутствии противодавления ( Δp_в + p_печ = 0) формула упрощается:
F̅₁ = (B´mn — C(m — 1)(n— 1))/2. (17.15)
Диаметр смесителя, мм:
d_c=d_г √(F̅₁ )- (17.16)
Как видно из табл. 17.3, у нормализованных горелок для газов низкой теплоты сгора­ния (типа Н и П) принято d_н.г= d_c, откуда F̅₂=1,0 и В'=2,35, а у нормализованных горелок для газов высокой   теплоты сгорания
(тип В) d_н.г = l,25 d_c, откуда F̅₂=1,56 и В' = 1,65.
Скорость истечения газа из сопла, м/с, определяют:
при давлении газа до 20 кПа

ω_0г = φ √((2Т₀ Р_г)/(ρ_0г Т_г Р₀ )) p_г (17.17)
при докритическом давлении газа
= 2,944 φ Р_г √(Т₀/(Т_г Р₀ ) [(Р₀/Р_г )^1,54 - (Р₀/Р_г )^1,77 ] ); (17.18)
при сверхкритическом давлении газа
ω_0г= 0,213 φ₀ Р_г √(Т₀/(ρ_0г Т_г Р₀ )) (17.19)
По формулам (17.17) и (17.18) построены графики рис. 17.3, по которым можно определить скорость истечения газа из сопла в зависимости от давления газа p_г(P_г), его плотности ρ_0г температуры t_г. Сначала по графику рис. 17.3, а определяют скорость истечения газа при ρ_0г =1,29 кг/м3 и t_г = 0°С, а затем полученную величину умножают на поправки определяемые по графикам рис. 17.3, би 17 3, в. Коэффициент истечения из сопла φ =0,85.

Рис. 17.3. Скорость истечения газа из сопла:
а— при ρ_0г= 1,29 кг/м3, t_г=0°С; б —поправка на плотность газа; в - поправка на температуру газа

ТАБЛИЦА 17.4. РАСЧЕТ ИНЖЕКЦИОННОЙ ГОРЕЛКИ ТИПА Н

Температура газовоздушной смеси в но­сике горелки, °С:
t_см = (t_г + αL₀ t_в) / ( 1 + αL₀ ). (17.20)

Скорость смеси в носике горелки, м/с:
ω_н.г=(V_0г (1 + αL₀)Т_см 10³) / (2,826 α_н.г² + αT₀) (17.2.1)

При использовании холодных газа и воздуха следует иметь в виду, что за счет излуче­ния из камеры сгорания и разогрева корпуса горелки смесь может нагреваться в горелке до 100 °С.

Пределы регулирования горелки
ϑ=ω_н.г/ω_пр. (17.22)
где ω_пр — скорость проскока, м/с, определя­ется по рис. 17.5 в зависимости от вида при­меняемого газа, диаметра носика горелки d_к.г. и температуры смеси t_см.
Сначала по рис. 17.5, а определяют скорость проскока для холодной смеси, а затем полученную величину умножают на поправку, которую находят по графику рис. 17.5,б.
Для горелки с известными размерами можно определить, с каким коэффициентом расхода воздуха она будет работать при заданных условиях:

 (17.23)

ТАБЛИЦА 17.5. РАСЧЕТ ИНЖЕКЦИОННОЙ ГОРЕЛКИ ТИПА П

ТАНЛИЦЛ 17.6. РАСЧЕТ ИНЖЕКЦИОННОЙ ГОРЕЛКИ ТИПА В

Здесь
М= (ρ_0г/ρ_0в) П + Т_г/Т_в (17.24)

ϴ=(2F̅₁/А)[1 - F̅₁ (∆р_в + р_печ)/φ² DP_г] + (17.25)

При давлении газа ниже 20 кПа можно принимать
ϴ=2F̅₁ - F̅₁² (∆р_в + р_печ) / φ² р_г (17.26)

При отсутствии противодавления (∆р_в + р_печ = 0)
ϴ=2F̅₁ (17.27)

Для инжекционных горелок с оптимальными размерами значение коэффициента расхода воздуха можно определить по графикам рис. 17.4 в зависимости от характеристики применяемого газа и воздуха, величины противодавления ∆р_в + р_печ и отношения d_c/d_г. При построении графика принято П=1, что справедливо для низкого давления газа. Однако и при высоком давлении газа расчет по графикам дает достаточную точность.
Пример1. Подобрать горелку для сжигания V´_oг=325 м³/ч водяного газа с теплотой сгорания 10,1 МДж/м³, ρ_0г=0,71 кг/м3, L₀= 2,12 м³/м³ газа.
Давление газа перед горелкой р_г=20,0 кПа (Р_г=123,3 кПа), ), t_г = t_в=20°C , α = 1,05, Δр_в+р_печ = 0.
Расчет сводим в табл. 17.4.
Пример2.Пересчитать горелку типа П с диаметром носика d_н.г.= 100 мм (d_c = 100 мм) для сжигания генераторного газа с теплотой сгорания 5,45 МДж/м³, р_0г=1,11 кг/м3, L₀ =  1,13 м3/м3 газа, t_г=200°С, t_в = 500 °C, р_г= 15,0 кПа (Р_г= 118,3 кПа), α=1,05. Сопротивление на пути воздуха Δp_в=150 Па, давление в печи р_печ=30 Па. Расчет сводим в табл. 17.5.
Пример3. Пересчитать горелку типа В с d_н.г.=100 мм (d_c = 80 мм), предназначенную для работы на смеси природного и коксового газов с Q_H^P=26,85 МДж/м³ при нулевом давлении в камере сгорания, для работы при давлении в камере сгорания р_печ=50 Па. Давление газа перед горелкой р_г=40 кПа (Р_г =  143,3 кПа), t_г = t_в =20° C, α=1,05.
По рис. 11.30 находим плотность газа р_0г=0,605 кг/м3 и L₀=6,87 м3/м3 газа.
Расчет сводим в табл. 17.6.