КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу: «Горение топлива и снижение вредных

выбросов»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Исходные данные

1. Физико-химические свойства горючих газов

1.1 Плотность газа

1.2 Теплота сгорания газа

2. Расчёт показателей горения топлива

2.1 Расчёт расхода воздуха

2.2 Расчёт объёма продуктов сгорания

2.3 Концентрационные пределы воспламенения

2.4 Скорость распространения пламени

3. Расчёт газовых горелок

3.1 Расчёт эжекционных горелок низкого давления

3.2 Расчёт эжекционных горелок среднего давления

3.3 Расчёт подовых горелок

Заключение

Список литературы

Приложение 1 Схема горелки низкого давления

Приложение 2 Схема горелки среднего давления

Приложение 3 Схема подовой горелки

Введение

В настоящее время наибольшее распространение в производстве получили газовые печи. Потому, как газообразные топлива имеют ряд преимуществ перед другими видами топлив. Это особенно относится к природному газу. Себестоимость природного газа ниже себестоимости кокса и мазута. Кроме того, газообразные топлива полнее сгорают при минимальном избытке воздуха, благодаря чему достигается более высокий КПД печи. Для сжигания газообразного топлива используются горелки.

Различают три основных принципа технического сжигания газового топлива.

Принцип частичного внутреннего смешения газа и воздуха, когда в зону горения поступают раздельные потоки: с одной стороны - поток из газовой горелки однородной газовоздушной смеси, содержащей первичный воздух (₁ 1), а с другой - поток добавочного, вторичного воздуха.

Принцип полного внутреннего смешения, когда в зону горения из горелки поступает поток однородной газовоздушной смеси, содержащей весь необходимый для горения воздух.

Принцип внешнего смешения, когда из горелки в зону горения поступает поток горючего газа, а воздух подается раздельным потоком в зону горения, смешивание же газа и воздуха происходит вне горелки, непосредственно в пределах пламени.

В соответствии с этими принципами сжигания классифицируются газовые горелки, применяемые в настоящее время:

Горелки частичного смешения, чаще всего эжекционного типа. Используют газ низкого давления, широко применяются в технике благодаря простоте устройства, удобствам и надежности в эксплуатации, удовлетворительному качеству сжигания газа..

Эжекционные горелки полного смешения, не требующие подачи в топку вторичного воздуха. Эти горелки могут обеспечить эжектирование всего необходимого для горения воздуха только при использовании газа среднего давления.

Горелки внешнего смешения с поступлением воздуха в топку только за счет разрежения в ней, без применения дутьевых устройств. Такие горелки часто применяются в отопительных котлах под названием «подовые».

Дутьевые (смесительные) горелки внешнего, а также неполного и полного внутреннего смешения с подачей в горелку с помощью дутьевого вентилятора всего необходимого для горения воздуха или части его.

Целью данной курсовой работы является расчёт эжекционных горелок низкого и среднего давления и подовой горелки, при заданных характеристиках газа.

Исходные данные

Газ 07В

Месторождение-Джаркак- Ташкент.

Состав газа, в % по объёму: Объёмные доли, м3/м3:

СН4 - 95.5;

С₂Н₆ - 2.7;

С₃Н₈ - 0.4;

V₀ - 9.74;

С4Н10 - 0.2.;

VRO2 - 1.04;

С₅Н₁₂ - 0.1;

V⁰ _N2 - 7.70;

N₂ - 1.0;

V⁰_H2O - 2.18;

СО₂ - 0.1;

V⁰_Г - 10.92;

Q^C_H = 36.68 МДж/м³;

с = 0.748 кг/м³;

Нормальные параметры:

Р = 101,3 кПа;

t₁ = 0 ⁰С;

V^р_г = 10 м³/ч;

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

Рассмотрим основные физико-химические свойства горючих газов, которые используются в расчетах газогорелочных устройств.

1.1. Плотность газа

Плотность газа определяется при нормальных параметрах (0 ⁰С и 101,3 кПа) как сумма произведений плотности компонентов на их объемные доли, кг/м³ :

_г = 0,01 r_{i i} , (1)

где r_i - объемное содержание отдельных компонентов газа, %, _i - плотность компонентов при нормальных параметрах, кг/м³.

Плотность компонентов можно вычислить по их молекулярной массе и числу Авогадро, кг/м³:

с_i = ,

или взять непосредственно из [1, табл. 1], где приведены некоторые физические характеристики газов.

с_г = 0,01 · (95,5 · 0,716 + 2,7 · 1,342 + 0,4 · 1,969 + 0,2 · 2,595 +

+ 0,1 · 3,22 + 1,0 · 1,25 + 0,1 · 1,965) = 0,7508 кг/м³;

Плотность газа при температуре t₁ = 20 ⁰C и давлении р₁ = 1,3 кПа, отличающихся от нормальных, определяют по формуле, кг/м³:

с₁ = с_г

с₁ = 0,7508 · 273 / (273 + 20) · 1,3 / 101,3 = 0,00898 кг/м³;

Относительную плотность газа (по отношению к воздуху) определяют по формуле:

, (2)

где 1,293 - плотность воздуха при нормальных параметрах.

S = 0,7508 / 1,293 = 0,58;

1.2 Теплота сгорания газа

Важнейшей теплотехнической характеристикой горючих газов является их теплота сгорания, представляющая собой тепловой эффект реакции полного горения 1 м³ газа при постоянном давлении и исходной температуре газовоздушной смеси 0 ⁰С. Часть этой теплоты содержится в продуктах сгорания в виде скрытой теплоты водяного пара, который образуется при сгорании газа и обычно в инженерной практике удаляется вместе с дымовыми газами. Оставшееся количество теплоты представляет собой низшую теплоту сгорания топлива.

Теплота сгорания газовой смеси зависит от ее состава и может быть определена по формуле, кДж/м³:

, (3)

где r_i - объемные доли содержания компонентов, %.

Q_н = 0.01 · (95.5 · 35830 + 2.7 · 63770 + 0.4 · 91270 +

+ 0.2 · 118680 + 0.1 · 146120) = 36688 кДж/м³.

Следует учитывать, что при наличии в смеси газов негорючих компонентов сумма r_i 100 %.

2. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Цель расчетов горения - найти количественные соотношения между сжигаемым газом, расходуемым на горение воздухом и образующимися продуктами сгорания при условии полного горения. Показатели горения рассчитывают стехиометрическим уравнениям горения компонентов горючей смеси.

Расчет ведут на 1 м³ сухого газа и все объемы относят к нормальным условиям.

2.1 Расчет расхода воздуха

Теоретически необходимое количество воздуха для полного горения газа определяют по следующей формуле, м³/м³:

(4)

где H₂, CO, CH₄ и т.д. - содержание соответствующих компонентов в топливе, объемных долей, % ; О₂ - содержание балластного кислорода в составе топлива, объемных долей, % .

V₀ = 1/21(2 · 95.5 + 3.5 · 2.7 + 5 · 0.4 + 6.5 · 0.2 + 8 · 0.1) = 9.74 м³/м³.

При расчете расхода воздуха учитывается, что соотношение между азотом и кислородом

Во многих случаях, когда точный состав топлива неизвестен, но известна его теплота сгорания Q_н, можно использовать следующую приближенную, но дающую весьма удовлетворительные результаты формулу, м³/м³:

V₀ = 0.27 · 36688 / 1000 = 9.9 м³/м³.

Горение не может быть полным, если воздух подается только в теоретически необходимом количестве, так как из-за неполного перемешивания воздуха с газом часть топлива не сгорает. Вследствие этого воздух в топку подается всегда в избытке - в количестве, достаточном для полного сгорания газа, м³/м³:

V_д = V₀,

где - коэффициент избытка воздуха, = 1,05 выбираем с учётом эффективности процесса горения.

V_д = 1.05 · 9.74 = 10.23 м³/м³.

В зависимости от конструкции газовых горелок величина составляет от 1,05 до 1,7. Наилучшие конструкции газовых горелок обеспечивают полное горение газа при = 1,05 ... 1,15. Принимаем б = 1.05.

2.2 Расчет объема продуктов сгорания

Количество двуокиси углерода, образующееся при полном сгорании

1 м³ газа, зависит только от содержания в нем компонентов, в состав которых входит углерод и от содержания самой двуокиси углерода (в качестве балластной примеси), м³/м³.

).

V_CO2 = 0.01(95.5 + 2 · 2.7 + 3 · 0.4 + 4 · 0.2+ 5 · 0.1 +0.1) = 1.035 м³/м³.

Количество водяного пара как образующегося при полном сгорании 1 м³ топлива, так и переходящего в продукты сгорания из воздуха и из самого топлива определяется на основании стехиометрического уравнения горения по формуле, м³/м³:

],

где d_г и d_в - влагосодержание соответственно газообразного топлива и воздуха, г/м³, а числовое значение коэффициента 0,124 представляет собой объем 1 г водяного пара, м³.

V_H2O = 0.01(0 + 2 · 95.5 + 3 · 2.7 + 4 · 0.4 + 5 · 0.2 + 6 · 0.1 +

+ 0.124(0 + 1.05 · 9.74 · 10)) = 2.14 м³/м³.

Влагосодержание воздуха при температуре 20 ... 25 ⁰С и относительной влажности его = 50 % и составляет 8-12 г/м³. Таким его обычно и принимают в расчетах.

Что касается влагосодержания газообразного топлива, то, поскольку газ в населенные пункты попадает осушенным, величину d_r принимают равной нулю и учитывают только в случаях сжигания заведомо влажного газа, в котором состояние водяного пара близко к насыщению.

Учитывая, что азот, содержащийся как в воздухе, так и в самом топливе в горении участия не принимает и полностью переходит в продукты сгорания, его количество на 1 м³ газа можно определить по формуле, м³/м³:

V_N2 = 0,79 V₀ + 0,01 N₂

V_N2 = 0.79 · 1.05 · 9.74 + 0.01 · 1 = 8.089 м³/м³.

Количество кислорода, которое по завершении процесса горения оказывается избыточным и переходит в продукты сгорания, составляет, м³/м³:

V_O2 = 0,21( - 1) · V_O2

V_O2 = 0.21(1.05 - 1) · 9.74 = 0.1022 м³/м³.

Общее количество продуктов сгорания 1 м³ газа, м³/м³:

V_ПС = V_CO2 + V_H2O + V_O2 + V_N2;

V_ПС = 1.035 + 2.14 + 0.1022 + 8.089 = 11.3662 м³/м³.

2.3 Концентрационные пределы воспламенения

Концентрационные пределы воспламенения для смесей, состоящих из нескольких горючих компонентов без балластных примесей, вычисляют по формулам Ле-Шателье, %:

L_н = ?r_i / ?(r_i / L_нi);

L_в = ?r_i / ?(r_i / L_вi);

Где L_н и L_в - нижний и верхний пределы воспламенения,

r_i - объёмные доли компонентов,

L_нi и L_вi - нижний и верхний пределы воспламенения каждого из

компонентов смеси [1, c.7, табл. 2.]

Следует отметить, что концентрационные пределы воспламенения вычисляют по объемным долям r_i компонентов, в горючей части газа без балластных примесей, поэтому сумма r_i в формулах (5) и (6) должна быть равна 100 %.

Горючая часть газа:

100 - (СО₂ + N₂) = 100 - (0.1 + 1) = 98.9 %.

Расчёт объёмных долей компонентов:

r_CH4 = 95.5 · 100 / 98.9 = 96.56;

r_С2Н6 = 2.7 · 100 / 98.9 = 2.73;

r_C3H8 = 0.4 · 100 / 98.9 = 0.4;

r_C4H10 = 0.2 · 100 / 98.9 = 0.2;

r_C5H12 = 0.11 , т.к. ?r_i = 100 %;

L_н = 100 / (96.56 / 5 + 2.73 / 3.22 + 0.4 / 2.37 + 0.2 / 1.86 + 0.11 / 1.4)

L_н = 4.87 %.

L_в = 100 / (96.56 / 15 + 2.73 / 12.45 + 0.4 / 9.5 + 0.2 / 0.41 + 0.11 / 7.8)

L_в = 14.84 %

2.4 Скорость распространения пламени

Скорость распространения пламени в смеси горючего газа с воздухом непосредственно связана с содержанием в ней горючего газа. Для каждого горючего компонента смеси максимальная скорость распространения пламени соответствует определенному соотношению между газом и воздухом. Объемное содержание этих компонентов в смеси с воздухом L_i^max, дающее максимальную для них скорость распространения пламени U_тр^max в трубке диаметром 25 мм. [1, с. 6, табл. 2.]

Если горючая составляющая газовоздушной смеси состоит из нескольких горючих компонентов, то ее содержание в смеси, дающее максимальную скорость распространения пламени, обычно определяют по формуле Ле-Шателье, %:

,

где r_i - объемные доли отдельных компонентов в процентах горючей части газа, т.е. r_i = 100 %.

L_см^max = 100 / (96.56 / 9.8 + 2.73 / 6.5 + 0.4 / 4.6 + 0.2 / 3.6 + 0.11 / 2.8);

L_см^max = 9.56;

Максимальную скорость распространения пламени в смеси сложного горючего газа (без балластных примесей) с воздухом при этом определяют по формуле, м/с:

.

U^max = (9.56 / 100) · (9.853 · 0.67 + 0.42 · 0.85 + 0.087 · 0.82

+ 0.055 0.82 + 0.039 · 0.82) = 0.679 м/с;

При наличии в горючей составляющей газовоздушной смеси балласта в виде азота и двуокиси углерода в значение максимальной скорости распространения пламени должна быть внесена поправка, для чего рекомендуется применять формулу, м/с:

U^max_действ = U^max(1-0,01N₂ - 0,012CO₂),

где U^max - скорость распространения пламени в горючей смеси без балластных примесей; N₂ и CO₂ - содержание в горючей составляющей соответственно азота и двуокиси углерода, объемных долей, %.

U^max_действ = 0,679 · (1 - 0,01 · 1 - 0,012 · 0,1) = 0,671 м/с;

Влияние температуры газовоздушной смеси учитывается умножением на поправочный коэффициент

,

где t_см - температура смеси, ⁰С.

К_t = ((273 + 20) / 273)² = 1,152;

3. РАСЧЕТ ГАЗОВЫХ ГОРЕЛОК

3.1 Расчет эжекционных горелок низкого давления

Низкое давление газа не позволяет эжектировать весь воздух, необходимый для полного сжигания, поэтому коэффициент избытка первичного воздуха в этих горелках принимается ₁ = 0,5 ... 0,65. При таких значениях ₁ можно не опасаться проскока пламени внутрь горелок.

Рис. 1. Эжекционная трубка горелки низкого давления, укороченная,

К = 3.0

Рекомендуется следующий прядок расчёта эжекционной горелки низкого давления:

Подготовка исходных данных. Обычно задаются следующие араметры:

Расход газа V_г, м³/ч;

Состав сжигаемого газа, объёмных долей, %;

Давление газа перед горелкой (избыточное) ДP_г, кПа.

По этим исходным данным необходимо определить:

Плотность газа с_г, кг/м³;

Теплоту сгорания газа, Q_н, кДж/м³;

Теоретически необходимое для полного сгорания количество воздуха V₀, м³/м³;

Относительную плотность газа S

Выбираем значение коэффициента избытка первичного воздуха б₁. Целесообразно принимать для коксового газа б₁ = 0.55…0.60, для природных и сжиженных газов б₁ = 0.6…0.65.

Рассчитываем скорость выхода газа из сопла, м/с:

W_c = м_c · (2ДP_г / с_г)^1/2;

где м_с - коэффициент расхода сопла; ДР_г - избыточное давление газа перед соплом, Па.

Коэффициенты м_с расхода зависят от конструкции сопла. Коническое сопло с углом конусности 13⁰ имеет м_с = 0.95.

Расход газа V_г = 10 т/ч;

б₁ = 0.6;

W_c = 0.95 · (2 · 1300 / 0.748)^1/2 = 56.009 м/с;

Определяем площадь сопла, см², и его диаметр, см:

F_c = V_г · 10⁴ / (3600 · W_c);

F_c = 10 · 10⁴ /(3600 · 56.009) = 0.496 см²;

d_c = (4F_c / р)^1/2;

d_c = (4 · 0.496 / 3.14)^1/2 = 0.79 см = 7.9 мм;

Рассчитываем коэффициент эжекции горелки:

U = б₁ · V₀ / S;

U = (0.6 · 9.74) / 0.58 = 10.07;

Принимаем укороченный тип эжекционной трубки, К = 3.0.

[1, стр. 12].

Вычисляют коэффициент потерь в головке горелки:

К₁ = ж₀ + 2Т_см / 273 - 1;

где ж₀ = (1 - м₀²) / м₀² - коэффициент сопротивления выходных отверстий головки; Т_см - температура газовоздушной смеси.

Принимаем м₀ = 0.7, Т_см = 373 К;

ж₀ = (1 - 0.7²) / 0.7² = 1,04;

К₁ = 1.04 + 2 · 373 / 273 - 1 = 2.77;

Определяем оптимальную площадь выходных отверстий горелки, см²:

F₀ = (КК₁)^1/2(1 + U)(1 + US)F_c;

F₀ = (3 · 2.77)^1/2.(1 + 10.07)(1 + 10.07 · 0.58) 0.496 = 108,3 см².

Вычисляем скорость газовоздушной смеси на выходе из отверстий головки, м/с:

W₀ = V_г(1 + б₁V₀) / (3600 · F₀ · 10^-4);

W₀ = 10(1 + 0.6 · 9.74) / (3600 · 108.3 · 10^-4) = 1.75 м/с.

Полученная скорость W₀ должна быть примерно в 1.4…1.6 раза меньше предельной скорости отрыва пламени от выходных отверстий горелки.

Значение предельных скоростей отрыва пламени W_отр выбираем в зависимости от диаметра огневых отверстий d₀, коэффициента избытка первичного воздуха б₁ и состава газа:

W_отр ? 1.6 · W₀;

W_отр ? 1.6 · 1.75 = 2.8 м/с.

Выбираем диаметр выходного отверстия, при б = 0.6 - d₀ = 8 мм[1. с.14,табл 3]

W_отр принимаем равное 2.95 м/с, [1. с. 14,табл 3]

Для выбранных отверстий определяем глубину регулирования газовой горелки (отношение предельной скорости W_отр отрыва пламени к скорости W₀ выхода смеси из отверстий): 2.95 / 1.75 = 1.7 раз.

10. Находим количество выходных отверстий в головке горелки, шт.:

n₀ = 2F₀ / рd₀²;

n₀ = 108.3 · 4 / (3.14 · 0.6²) = 384 шт.

11. Выбираем расстояние между осями отверстий в одном ряду (шаг S₁). Минимальный шаг S_1min определяют из условия предупреждения слияния языков пламени, чтобы не затруднять подвод вторичного воздуха к каждому факелу. Максимальный шаг S_1max обеспечивает возможность передачи пламени от отверстия к отверстию при розжиге горелки.

Принимаем S₁ = 14 мм. [1, с. 14, табл. 4].

Увеличение глубины выходных отверстий горелки до определённого значения повышает устойчивость её работы, увеличивай пределы проскока и отрыва пламени. Это объясняется стабилизацией поля скоростей. Глубину выходных отверстий рекомендуется принимать равной (2…3)d₀.

При расположении отверстий в несколько рядов расстояние между рядами следует выбирать в 2…2.5 раза больше продольного шага отверстий. Отверстия располагают в шахматном порядке.

Для выбранного шага отверстий S₁ и количества рядов отверстий N_ряд=6, длина головки горелки, мм:

L_k = S₁(n₀ - 1) / N_ряд + 2S₁;

L_k = 14 · (384 - 1) / 6 + 2 · 14 = 922 мм;

12. Находим оптимальную величину горловины смесителя, см²:

F_г = к(1 + U)(1 + US)F_c;

F_г = 3(1 + 10,07)(1 + 10.07 · 0.58) · 0.496 = 112.6 см²;

13. Диаметр горловины смесителя, мм:

d_г = (4F_г / р)^1/2;

d_г = (4 · 112.6 / 3.14)^1/2 = 120 мм;

14. Определяем все остальные размеры эжекционного смесителя горелки как величины, кратные d_г, в соответствии с формой эжектора на [1, c.12 рис. 2].

d_в = 2.2d_г = 2.2 · 120 = 264 мм;

l_в = 0.2 · 120 = 24 мм;

l_д = 3.8 · 120 = 456 мм;

l_см = 1.6 · 120 = 192 мм;

д_г = 1.4 · 120 = 168 мм;

l_эж = 5.6 · 120 = 672 мм;

R = 2.4 · 120 = 288 мм;

L_гор = L_k + l_эж = 922 + 672 = 1594 мм;

15. В практике конструирования эжекционных горелок низкого давления встречаются случаи, когда вследствие тех или иных причин принимается значение суммарной площади F₀ выходных (огневых) отверстий, не совпадающее с оптимальным значением. К таким случаям относятся, например, повышенное давление газа перед горелкой или крайне ограниченные размеры топочной камеры и т.п. При этом возможно уменьшить размеры горелки или целесообразно рассчитать горелку на неоптимальный режим роботы по расходу.

В этих случаях поступают следующим образом.

Вычисляют следующий коэффициент А по формуле:

A = k₁(1 + U)(1 + US)Ф_1опт F_с / F_o

A = 2.77(1 + 10.07)(1 + 10.07 · 0.58) · 1.040688 · 0.486 / 108.3 = 1

Где Ф_1опт - оптимальное значение параметра головки.

Ф_1опт = (к / к₁)^1/2 = (3 / 2.77)^1/2 = 1.040688

При А = 1 горелка работает в оптимальном режиме.

16. Определяем высоту внутреннего конуса пламени по эмпирической формуле, мм:

h_в = 0.86 · 10^-7 к_вRd₀²;

где к_в - коэффициент, зависящий от состава газа и коэффициента избытка первичного воздуха б₁ = 0.6, принимаем к_в = 0.95 (для природного газа), [1, с.16, табл. 5]; R - тепловое напряжение выходных отверстий горелки,

R = 0.353 · 10⁶V_гQ_н / n₀d₀², Вт/м²;

V_г - производительность горелки, м³/ч; Q_н - низшая теплота сгорания газа, кДж/м³; n₀ - количество выходных отверстий головки; d₀ - диаметр выходного отверстия, мм.

R = 0.353 · 10⁶ · 10 · 36688 / 384 · 6² = 9.4 · 10⁶ Вт/м²;

h_в = 0.86 · 10^-7 · 0.95 · 9.4 · 10⁶ · 6² =27.65 мм;

Внутренний конус пламени не должен соприкасаться с холодными поверхностями, так как это приводит к химическому недожогу топлива.

Наружный конус пламени может касаться холодных поверхностей нагрева. Высоту наружного конуса можно определить по формуле, мм:

h_н = 0.86 · 10^-7к_нRd₀^3/2;

Коэффициент к_н зависит от расстояния между краями соседних отверстий (рис. 2) t = S₁ - d₀; t = 14 - 6 = 8 мм; принимаем к_н = 7.2, [1, с. 17, табл. 6].

Рис.2. Расстояние между краями соседних отверстий.

При диаметре отверстия более 7 мм высота h_н наружного конуса пламени зависит от коэффициента б₁ первичного воздуха, однако, в практических расчётах этой зависимостью пренебрегают.

h_н = 0.86 · 10^-7 · 7.2 · 9.4 · 10⁶ · 6^3/2 = 85.5 мм.

18. При изменении, например, состава газа, подаваемого в горелку, величины Q_н^/, S^/, и V₀^/ имеют другие значения. В этом случае рекомендуется следующий порядок определения новых параметров горелки:

Принимаем Q_н^/ = 93370 кДж/м³: S^/ = 1.562; V₀^/ = 23.8 м³/кг;

а) определяем постоянную горелки:

с = 2.48 F_гµ_с / k + k₁ Ф₁²

с = 2.48 · 112,6 · 10^-4 · 0.95 / (3 + 2.77 · 1.04²) = 4,4 · 10^-3

Где параметр головки Ф₁ = F_г / F₀ =112,6 / 108,3 = 1.04

б) при сохранении теплопроизводительности горелки расход газа нового состава, м³/ч:

V_г^/ = V_гQ_н / Q_н;

V_г^/ = 10 · 36688 / 93370 = 3,93 м³/ч.

в) новое значение коэффициента эжекции получаем, задаваясь величиной б₁ (целесообразно значение б₁ принимать таким же, как и для расчетных условий эксплуатации горелки):

U^/ = б₁V₀^/ / S^/;

U^/ = 0.6 · 23.8 / 1.562 = 9.14.

г) определяем необходимое давление газа перед горелкой (для газа нового состава), Па:

Если заданное давление газа нового состава больше необходимой величины, следует увеличить коэффициент эжекции или расход газа;

д) рассчитываем необходимую площадь и диаметр сопла горелки соответственно:

F_c^/ = 3,93 · (1.562 · 1.293)^1/2 / 3600 · 0.95 · 10^-4 (2 · 2307,2)^1/2 = 0,24 см.

d₀^/ = (4 · 0.24 / 3.14)^1/2 = 0.55 см.

е) проверяем устойчивость работы горелки на новом газе, для чего вычисляем скорость выхода газовоздушной смеси из огневых отверстий, м/с:

W₀^/ = 3,93 · (1 + 0.6 · 23.8) / (3600 · 108,3 · 10^-4) = 1,439 м/с.

и сравниваем с предельно допустимыми значениями скоростей отрыва и проскока пламени.

Проскока пламени не наблюдается, так как W_отр = 2,95 м/c,

больше W₀^/.

3.2 Расчет эжекционных горелок среднего давления

Эжекционные горелки среднего давления работают по принципу полного внутреннего смешения газа и воздуха. Наиболее распространенные типы таких горелок - туннельные горелки. В смесительной части эта горелка мало, чем отличается от атмосферных, ее эжектор имеет такое же устройство, но отношение диаметра горловины к диаметру сопла значительно больше и, кроме того, горловина и диффузор имеют относительно большую длину. Это связано с увеличенным подсосом воздуха и с необходимостью улучшения перемешивания газа с воздухом. Высокое качество смешения газа с воздухом в эжекторе - предпосылка полноты сгорания его в дальнейшем, поэтому эжекционные горелки полного внутреннего смешения требуют наименьших по сравнению с другими горелками избытков воздуха. Практически коэффициент избытка воздуха = 1,04...1,05 бывает уже достаточным для обеспечения полноты сгорания газа.

Расчет эжекционной горелки среднего давления.

По рекомендации [1, с. 21] увеличим расход газа V_г = 40 м³/ч, давление газа ДР_г = 50 кПа, Q_м, t_г, V₀ - по 3.1 и К₁ = 1,3 для горелки.

Определяем скорость адиабатического истечения газа из сопла, м/с:

где _с = 0,95 - коэффициент расхода сопла;

k = 1,3 - показатель адиабаты;

Р₁ = 151,3 кПа - абсолютное давление газа перед горелкой;

Р₂ - абсолютное давление после эжектора, Па (обычно принимается равным атмосферному давлению, Р₂ = = 101,3 кПа);

₁ - плотность газа, приведенная к параметрам перед горелкой, кг/м³.

По известному значению плотности _г газа при нормальных параметрах величину, ₁ можно вычислить по уравнению, кг/м³:

,

где t₁ - температура газа перед соплом, ⁰С.

Показатель адиабаты k зависит от состава газа: для воздуха он равен 1,4; для метана и природного газа k = 1,3; для коксового газа k = 1,37.

Для суживающихся сопел коэффициент расхода принимается аналогично горелкам низкого давления: для сопел с углом конусности 45⁰ и цилиндрическим участком l_c/d_c = 0,5 величина _с = 0,9 , а для сопла с углом конусности 13⁰

_с = 0,95.

с₁ = 0,7508 · (273/(273 + 20)) · 151,3 / 101,3 = 1,04 кг/м³.

W_с = 0,95 · (2 · 1,3 / (1,3 - 1) · 151300 / 1,04 [1 - (101300 / 151300])^(1,3-1)/1,3)^1/2;

W_с = 316,4 м/с.

Зная расход V_г газа, м³/ч, и скорость W_c истечения, определяем площадь F_с поперечного сечения сопла, мм², и диаметр d_с газового сопла, мм:

F_c = 40 · 10⁵ / 3600 · 316.4 = 35.11 мм².

d_c = (4 · 35.11 / 3.14)^1/2 = 6,7 мм.

Задаваясь коэффициентом избытка воздуха ₁ = 1,04...1,1 по известной относительной плотности газа s = _г/_возд и теоретически необходимому для полного сгорания количеству V₀, м³/м³, воздуха, определяем массовый коэффициент эжекции

U = 1,05 · 9,74 / 0,58 = 17,63.

Рассчитываем коэффициент В, входящий в основное уравнение горелки по формуле

B = 17,63² · 0,58 / ((17,63 + 1)(1 + 17,63 · 0,58)) = 0,862.

5. Оптимальное значение параметра горелки Ф₁, который представляет собой отношение площади F_г горловины эжекторного смесителя к площади F₀ кратера горелки (Ф₁ = F_г/F₀), определяем по формуле

где к, к₁, к₂ - коэффициенты потерь соответственно в эжекторе горелки, энергии в головке и огневой части горелки, во всасывающем конфузоре горелки, заданные в первом приближении.

Ф_1опт = (1,6 / 1,2)^1/2(1 - 0,7 / 1,6 · 0,862)^1/2 = 0,911.

6. Рассчитываем площадь выходного отверстия (кратера) горелки по формуле, см²:

.

F₀ = (1,2 · (1 + 17,63)(1 + 17,63 · 0,58) · 0,911· 35.11 · 10^-2) / (101300 / 151300)^(1,3-1)/1,3;

F₀ = 88,02 см²

Диаметр кратера, см:

d_o = = (4 · 88,02 / 3,14)^1/2 = 10,59 cм = 105.9 мм

7. Определяют скорость выхода газовоздушной смеси из кратера горелки, м/c:

.

W_пр^max принимаем 3,3 м/с [1, с.23, табл. 7].

W₀ = 40 · (1 + 1,05 · 9,74) / (3600 · 88,02 · 10^-4) = 14,17 м/с.

Полученная скорость должна быть больше предельной скорости W_пр, при которой происходит проскок пламени в отверстие диаметром d_o.

Обычно соотношение между расчетным значением скорости в сечении кратера W_o и значением предельной максимальной скорости проскока пламени в кратере должно выражаться равенством, м/c:

W_o = m₁ m₂ m₃ W_пр^max ,

где m₁ - коэффициент, учитывающий свойства газа; m₂ - температурный коэффициент, учитывающий увеличение скорости распространения пламени при повышении температуры газовоздушной смеси; m₃ - коэффициент глубины регулирования.

Коэффициент m₁ для природного газа равен 1; Коэффициент m₂ для неохлаждаемых туннельных головок принимается m₂ = 1,2...1,5 при отсутствии подогрева смеси, принимаем m₂ = 1,25.

Коэффициент глубины регулирования m₃ представляет собой отношение максимальной производительности горелки к минимальной производительности:

.

Коэффициент m₃ зависит от режима эксплуатации газопотребляющего оборудования, для которого предназначена рассчитываемая горелка. Для промышленных печей и котлов обычно можно принимать m₃ = 2...4.

Если известны скорости W_o и W_пр^max , то коэффициент глубины регулирования определяют по формуле

= 14,17 / (1 · 1,25 · 3,3) = 3,43 .

Диаметр горловины смесителя определяют по формуле, мм

.

d_г = 0,911^1/2 · 105.9 = 101,08 мм.

Диаметр диффузора эжекционного смесителя, мм:

d_д = 1,25d_o.

d_д = 1,25 · 105.9 = 132,4 мм.

При этом рекомендуется не выходить за пределы оптимальной формы смесителя, характеризующейся отношением d_д/d_г = (1,2...1,6).

d_д/d_г = 132,4 / 101,08 = 1,3

По графику [1, с.21, рис.5] определяют коэффициент к потерь эжектора во втором приближении к = 1,6, что совпадает с ранее принятым.

Рис.3. Оптимальная форма эжекционной трубки туннельной горелки среднего давления. Коэффициент потерь к=0,7.

R_в=0,5d_г d_д=(1,2 … 1,6)d_г D_т=(2,4 … 3,0)d₀

l_см=4,75d_г l_д=8(d_д- d_г) L_т=(2,4 … 2,7)D_т

Назначают конструктивные размеры головки и эжекционного смесителя горелки, мм, (рис. 3)

d_в = 2 · 101,08 = 202,2;

R_вн = 0,5 · 101,08 = 50,5;

l_см = 4,75 · 101,08 = 480,1;

l_д = 8 · (132,4 - 101,08) = 250,6;

l_эж = 5 · 101,08 + 250,6 = 756;

D_т = 2,5 · 105.9 = 264,8;

L_г = 2,4 · 264,8 = 635,4;

Значение теплового напряжения поверхности туннеля, кВт/м²:

.

Е_т = 40 · 36688 / (3600 · 3,14 · 0,2648 · 0,6354) = 771,6 кВт/м².

Нормальное тепловое напряжение внутренней поверхности туннеля должно находиться в пределах 230...815 кВт/м².

3.3 Расчет подовых горелок

Подовые горелки относятся к горелкам внешнего смешения, поскольку подача первичного воздуха внутрь горелки отсутствует, а весь необходимый для горения воздух подается непосредственно в топочное пространство за счет разрежения в топке.

Горелка представляет собой, как правило, перфорированную трубу диаметром 35..100 мм, установленную в щели различной конфигурации. Щель устраивается в поду так, чтобы поступающий снизу воздух распространялся равномерно по всей длине горелки. Огневые отверстия в трубе располагаются обычно в шахматном порядке в два ряда с углом между осями в 25...180⁰. Взаимное пересечение воздушного потока и газовых струй в узком канале обеспечивает хорошее их смешение, а раскаленные стенки канала - надежное воспламенение смеси. Оптимальная скорость выхода природного газа из отверстий коллектора составляет 25...80 м/с, а скорость воздуха в плоскости коллектора - 2,5...8 м/с.

Глубиной проникания струи газа h в воздушный поток называется расстояние от плоскости выхода струи до ее оси, принявшей направление движения воздушного потока (рис.3).

Расчет диффузионных подовых горелок:

Принимаем V_г = 40 м³/ч, ДР = 1,3 кПа.

По заданному давлению газа определяем скорость выхода газа из огневых отверстий коллектора, м/с:

W_г =

где - коэффициент расхода отверстий (обычно = 0,7); Р_г - давление газа, Па; _г - плотность газа, кг/м³.

W_г = 0,7 · (2 · 1300 / 0,7508)^1/2 = 41,19 м/с.

Рис.3. Схема подовой горелки

2. По заданному расходу газа V_г, м³/ч, находим суммарную площадь отверстий горелки, мм²:

F₀ = 40 · 10⁶ / 3600 · 41,19 = 269,75 мм².

Поперечное сечение трубы коллектора F_тр рекомендуется принимать в 1,5...2,5 раза больше суммарного сечения выходных отверстий, мм²:

F_тр = (1,5...2,5)F₀.

F_тр = 2,5 · 269,75 = 674,38 мм².

Толщина стенки трубы д = 4 мм;

d_вн = (4 · 674,38 / 3,14) = 29,3 мм.

По поперечному сечению выбираем стальную бесшовную трубу для коллектора (ГОСТ 8734-66).

d_вн = 38 - 2 · 4 = 30 мм.

Скорость движения газа в коллекторе рекомендуется принимать не более 20 м/с:

W_тр= ( м/с ).

W_тр = 4 · 40 · 10⁶ / (3600 · 3,14 · 30²) = 15,72 м/с < 20 м/с

Определяем ориентировочную длину щели для размещения горелки по формуле, м:

l_щ =

где Q_н - теплота сгорания газа, кДж/м³; N - количество газовых горелок в котле; q_к - удельная тепловая нагрузка на 1 м длины горелки, кВт/м.

Для отопительных котлов q_к - 230..460 кВт/м; для котлов малой производительности с высотой топки до 3 м величина q_к = 1150...1750 кВт/м; для котлов средней производительности с высотой топки более 3 м рекомендуют q_к = 2300...3500 кВт/м, принимаем q_к = 350 кВт/м

l_щ =40 · 36688 / (3600 · 350) = 1,16 см.

Рассчитываем скорость воздуха в узком сечении щели между стенкой и трубой коллектора, задаваясь значением разрежения в топке Р_топ = 8 Па, м/с:

Коэффициент расхода _в принимаем равным 0,7.

W_в = 0,7 · (2 · 8 / 1,29)^1/2 = 2,46 м/с.

Рассчитываем длину щели по формуле, м:

где - коэффициент избытка воздуха; Т_в = 273К - температура воздуха;

d_н - наружный диаметр коллектора, м.

d = 1,1 · 9,74 · 40 · 273 / (3600 · 2,46 · 1,16 · 273) + 0,038 = 0,0797 м.

Принимаем d = 80 мм.

Находим глубину проникания газовой струи из условия стабильности горения по формуле

h = 0,45 (80 - 38) = 18,9 мм.

Вычисляем диаметр газовых отверстий, используя формулу (14), мм:

d₀ =

коэффициент к принимаем к = 1,75. Угол атаки выбираем 30⁰.

d₀ = (18,9 · 2,46 / (1,75 · 41,19)) · (1,29 / 0,7508)^1/2 · (sin30)^-1 = 1,69 мм.

Принимаем d₀ = 1,7 мм.

Шаг газовых отверстий определяем по эмпирической формуле, мм:

S = 0,75 h + (2...5) = 0,75 · 18,9 + 3,5 = 17,675 мм.

Вычислем относительный шаг S/d₀,

S/d₀ = 17,675 / 1,7 = 10,39.

Находим коэффициент к [1, с.27, рис. 7] к = 1,75, что совпадает с ранее принятым.

Определяем количество газовых отверстий в коллекторе горелки, шт:

= 4 · 269,75 / (3,14 · 1,7²) = 118,9 шт.

Принимаем n₀ = 120 шт.

где F₀ - суммарная площадь выходных отверстий горелки; f₀ - площадь одного газового отверстия,

Рассчитывают длину коллектора горелки, мм:

l = ((120 - 1) / 2 ) · 17,675 + 2 · 17,675 = 1087,01 мм.

Полученная длина l коллектора должна отличаться от предварительно принятой не более чем на 10 %, т.е:

((l_щ - l ) /l_щ) · 100 < 10%

((1160- 108,01/ 1160 · 100 = 6,28% < 10%.

В данном случае нет необходимости повторно пересчитывать горелки.

Заключение

В результате выполнения данной курсовой работы изучили строение и типы горелок для сжигания газообразного топлива, ознакомились с их техническими характеристиками. Рассчитали показатели горения топлива:

Расход воздуха;

Объём продуктов сгорания;

Концентрационные пределы воспламенения;

Скорость распространения пламени.

Рассчитали основные размеры следующих газовых горелок:

Эжекционной горелки низкого давления;

Эжекционной горелки среднего давления;

Подовой горелки.

Вычертили рассчитанные горелки.

Список литературы

Лиходиевский В.Л., Овсянник Н.В., Иванова Е.М. Практическое руководство к выполнению курсовой работы и проведению практических занятий по курсу «Горение топлива и снижение вредных выбросов» для студентов специальности Т.01.02.00 «Теплоэнергетика». - ГГТУ, 2000. - 32 с.

Несенчук А. Жмакин Н. Теплотехнические расчёты пламенных печей для нагрева и термообработки металла - Мн.: Высш. Шк., 1974.

Иванов Ю.В. Газогорелочные устройства - М.: недра, 1972.

Мурзаков В.В. Основы теории и практики сжигания газа в паровых котлах. - М.: Энергия, 1969.

5. Стаскевич Н.Л. Справочное руководство по газоснабжению. - М.: Гостоптехиздат, 1960.

6. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. - Л.: Недра, 1987.

Долотов Г.П. Кондаков Е.А. Печи и сушила литейного производства - М.: Машиностроение, 1990.