Расчет беспламенных излучающих инжекционных горелок инфракрасного излучения сводится к определению следующих величин: площади поперечного сечения форсунки, основных раз­меров инжекционного смесителя и суммарного сечения отвер­стий в керамических плитках. Исходными данными для расчета являются: расход газа QH0M. r м*/ч тепловая нагрузка горелки Q ккал/ч; давление газа перед горелкой р в мм вод. ст.; удель­ный вес смеси газа Yo в кг/м3; коэффициент избытка воздуха а= 1,05-И,1; теоретический расход воздуха LT в м3/мъ; коэффи­циент инжекции A’=aLT ; удельная тепловая нагрузка керами­ческой плитки, принимаемая по опытным данным gy=ll-f — — н14 ккал/см2 • ч, и химический состав газа.

Площадь поперечного сечения форсунки Fф (рис. 25, а) при избыточном давлении газа перед форсункой менее 1000 мм вод. ст. Определяется по формуле

= 62.7^їі "і/ Ye. ММ2 11 У р

Где — Qhom-г— номинальный расход газа в мг]ч Ц— коэффициент расхода; Yo—удельный вес смеси газа в кг/м3; Р—давление газа перед горелкой в мм вод. ст.

С) 0 "

Рис. 25. Профили форсунок А — конический с цилиндрической выходной частью; б — расширяющийся (Лаваля)

Коэффициент расхода ц зависит от формы форсунки. Для форсунки с внутренним углом конуса аф=30°; ц=0,8; для фор­сунки с внутренним углом конуса аф=90°; fx =0,7.

Длина цилиндрической чэсти форсунки принимается равной диаметру.

Площадь поперечного сечения форсунки с внутренним углом конуса аф = 30° определяется по формуле

^♦ = 78,4QBOM.R • ■

Зная площадь поперечного сечения форсунки, можно опре­делить ее диаметр по формуле

Если давление газа перед форсункой больше 1000 мм вод. ст., Но меньше критического, т. е.

; f->tv

(Ркр—критическое отношение давления), то расчет ведется по формулам истечения при адиабатическом расширении:

46

Т. ■

• М

Q ном. г

У

К-1 К —

К

ЈL Yo

1—

3600

К—1

Где QHoM. r~ номинальный расход газа § м3/ч;

Ц—коэффициент расхода принимается по графику (рис. 26);

G— ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/сек2) K— показатель адиабаты;

Ру— абсолютное давление газа на входе перед форсун­кой в ага;

Ръ— абсолютное давление газа на выходе, равное 1 ата У0—удельный вес смеси газа в кг/ж3. ‘

150 а ф Рис. 26. Значение коэффициента расхода i для форсунок А — коническая форсунка с цилиндрической выходной ‘ частью; б — простая коническая форсунка

Значения К, ркр и а приведены в табл. 8.

Наконец, в тех случаях, когда — <ркр. приходится устанав-

Pi

Ливать расширяющуюся форсунку Лаваля (см. рис. 25, б) и вес­ти расчет по формуле

________________________________ Янон. г .,2

3600 а

Ф — ————————————————————— М"

Pi Ya Yo

Т а б л и ц>а 8 Значения К, р крИА Газ К 9 А Воздух……………………………………………….. 1,4 0,528 2,14 Метан……………………………………………….. 1,31 0,537 2,08 Этан………………………………………………….. 1,2 0,563 1,97 Пропан…………………………………………….. 1,13 0,57 1,95 Бутан…………………………………………………. 1,11 0,572 1,95 Пентан……………………………………………… 1,09 0,573 1,95 Природный………………………………………. 1,31 0,538 2,07

Где а = у 2g {—т—1 — коэффициент, принимаемый по л + 1 К + 1 /

Табл. 8;

Yr — удельный вес смеси газа перед форсункой, определяемый по формуле

273 (760 + р) , „ У _ —V————- LЛ> кг мъ,

(273+0 760

Где р— давление смеси газов перед форсункой в мм рт. ст.’, 1— температура смеси газов в °С;

Yo—удельный вес смеси газов (при 0°С и 760 мм рт. ст.)

В кг/м3.

Остальные обозначения такие же, как указано выше. Выходное сечение форсунки определяется по формуле

Р — ________________________ Qhom-Г___________ м2

Длина расширяющегося насадка определяется по формуле

^ D — di

Где аф—угол между образующими расширяющегося насадка, составляет 6—12°.

/ = (Ю— 16) (d — dx) мм.

Диаметр подводящего патрубка следует принимать не менее 4—^5 диаметров форсунки

Для хорошо выполненной форсунки коэффициент расхода, практически равный коэффициенту скорости, должен быть не менее 0,95—0,98.

При сжигании сжиженного газа следует иметь в виду, что при работе на среднем давлении газ получает большую скорость на выходе из форсун — ки. Часть потенциальной І6 С Энергии газа переходит в кинетическую. Температу­ра ее понижается и воз­никает опасность конден­сации паров сжиженного газа.

Минимальная темпе­ратура газа перед фор­сункой, необходимая для работы без конденсации паров сжиженного газа, определяется по графику (рис. 27).

В горелках инфра­красного излучения ин — жекционного типа струя газа, выходящая из фор­сунки с большой скоростью, инжектирует всйдух, необходимый для сгорания газа (см. рис. 13).

Длина пути смешивания газа с воздухом, которая зависит от расположения форсунки по отношению к смесительной каме­ре, определяется по формуле

І ________________________________ ^см DФ

‘см У

А

Где Ам— параметр смешения в струе;

А— коэффициент структуры в струе, примерно рав­ный 0,07. , 4

Параметр смешения определяется по формуле

(A‘ — f 1) Уас С

Aru—

3,217

Где А’ — кратность инжекции;

Ас—коэффициент сжатия струи, равный 0,7—0,87; С— коэффициент различия плотности воздуха и газа (С = 0,8 ч-0,9).

Практически длина пути смешения газа с воздухом получа­ется несколько меньше и определяется по формуле

Р 8 кГс/сиг

Рис. 27. Зависимость минимальной тем­пературы сжиженного газа от давления газа перед форсункой

4м = (0,6- 0,7) 1СШ.

Площадь сечеиия для поступления воздуха fB определяется — из условия У<1 м/сек.

Размеры инжектора принимаются следующие: диаметр горловины

Dr — (12 — f — 14)

Длина горловины

К = (2,5-1-3)4;

Диаметр диффузора

D-д = 1,45 dr;

Длина диффузора в зависимости от угла раскрытия (угол раскрытия диффузора ад равен 4—7°)

_ Ла — АТ.

H————————————————————— ,

Ая

Диаметр конфузора составляет: cfK = (1,8 — ь 2)Dr, а длина кон — ■фузора определяется при угле конфузора 25° по формуле

/к = 2,255 (dK — dT).

Диаметр выходных отверстий керамической плитки в зави­симости от состава сжигаемого газа равен 0,8—1,6 мм. При этом скорость выхода газовоздушной смеси должна быть в пре­делах 0,1—0,16 м/сек.

•Суммарная площадь керамической насадки определяется по формуле

Г ^НОМ. Г^Н о

F = ———————————————————————————————————————— См

Яу

Где Qhom. t—номинальный часовой расход газа в м3/ч Qp—низшая теплота сгорания газа в ккал/м3 Qy— удельная тепловая нагрузка керамической плит­ки, равна 11—14 ккал/см2 • Ч..

Суммарная площадь сечения отверстий в плитке составляет примерно 45—48% всей рабочей поверхности плитки. Количество керамических плиток равно:

N= А

Fnn

Где Fax — площадь одной плитки.

Пример. Определить конструктивные элементы беспламенной излучаю­щей горелки с тепловой нагрузкой 3400 ккал/ч, предназначенной для сжига­ния газа следующего химического состава: СН4=97,24%; С2Нв=0,6%; СзНв= =0,17%; С4Н1о=0,18%; С02 = 1%; N2=l,71%.

Тепловая нагрузка горелки Q=3400 Ккал/ч;. давление газа перед горел­кой р= 130 мм вод. ст.; удельный вес газа Vo=0,74 Кг/м3; коэффициент из­
бытка воздуха а=1,05; теоретический расход воздуха LT =9,015 л3/ж3; низ­шая теплота-сгорания газа QjJ=8500 Ккал/мъ удельная тепловая нагрузка ке­рамической плитки 9у=11ч-14 ккал/см2-ч. Расход газа определяется по формуле

Q 3400 <Зном. г = -^- = -^Г — = 0,4 мЧч. QP 8500

Площадь поперечного сечения форсунки определяется по формуле

F 0,74

F^ = 78,4-0,4 у и 2,36 мм

. .-2,36 , „ <*ф= 1/ ~ 1‘7 мм—

Откуда

Vі3,1

,14

Коэффициент инжекции определяется по формуле Л’= 1,05-9,015 X 9,376 м3/м3.

Коэффициент С различия плотностей воздуха и газа в первом прибли­жении принимается равным 0,8.

Параметр смешения находим из формулы

(9,376 +

См 3,217

«

Длина пути смешения определяется по формуле

2,414-1,7

/см = ——:———————————————————- = 58,5 мм.

0,07

Практическая длина смешения принимается:

*практ. см = (0,6— 0,7) /см = 0,6-58,5 « 35 мм.

Площадь сечения для поступления воздуха fB определяется, если ско­рость м/сек (принимается и =0,5 м/сек) по формуле

= D^Ho-r = 9,376-0.4.10» = 2]00

/в 3600V 3600-0,5

Диаметр горловины определяем по формуле

Dr — (12— 14) йф= 14-1,7 я: 24 мм.

Длину горловины находим из формулы

/І = (2,5 — 3)Dt — 2,8-24 = 67,2 мм;

/і « 67 мм.

Диаметр диффузора находим по формуле

Гід = 1,45dr = 1,45-24 и 35 мм.

Длина диффузора равна;

DK — dr 35—24

12 = —2————————————- =———— —— te 105 Мм,

Аа , 6

2tg—— 2 Tg — 6 2 2

А диаметр конфузора составит:

DK = (1,8 — 2) Dr = 2-24 = 48 мм.

Если конфузор смонтирован под углом 25", его длина определяется по формуле

/к = 2,255 (dK — Dr) = 2,255 (48 — 24) = 54 мм.

Далее находим суммарную площадь керамической насадки по формуле

3400

FH = ————————————— = 243 см.

14

Приняв площадь одной плитки FПл=6,9 • 4,7=32,4 см2, можно определить количество плиток:

243

N =————————————— ж 8 шт.

32,4

Количество тепла на одну плитку составит:

Q 3400 А = — =———————— = 425 ккал ч.

N 8

Расход газа на одну плитку составит:

425

9ном’г = "850^ = 0,05 МЧЧ~

Скорость вылета газовоздушной смеси от отверстий плитки определяется по формуле

?ном. г(1 +А’) 10° 0,05(1 +9-376) 10* Исм =——- 2 = = 0,12 м сек.

3600-0,785.4 п 3600-0,785-1,52-682

Полученная скорость укладывается в пределах допускаемых скоростей 0,1—0,16 м/сек.

Экспериментальная проверка горелок инфракрасного излу­чения с металлическими сетками показывает, что они могут ра­ботать на газе низкого и среднего давлений любой теплоты сго­рания, если

Аргв. с > 2 Арг,

Где ЛРгв. с— располагаемый напор газовоздушной смеси;

2Дрг—суммарные потери напора на преодоление сопро­тивления по всему тракту горелки.

Суммарные потери напора в горелке складываются из по­терь энергии во всасывающей камере (А к)> в инжекторе (Арннж) и в излучающей панели (Аризл п), т. е. в металлических сетках:

2Дрг = Арвк + А рннж + Дрнзл_п.

Из трех составляющих потёрь напора большая часть падает на преодоление гидравлического сопротивления сеток, располо­женных в зоне высоких температур. Так как объем раскаленных продуктов сгорания, протекающих через металлические сетки, более чем в 4 раза превышает объем холодной газовоздушной
смеси, то гидравлическое сопротивление сеток может возрасти примерно в 16 раз. Гидравлическое сопротивление сеток опре­деляется по формуле

Где £— коэффициент гидравлического сопротивления сеток; И— скорость выхода газовоздушной смеси в м/сек-, Р — плотность газовоздушной смеси в кг • сек2/м4, опреде­ляется по формуле

Рг + трв

Н 1 ( ‘

1 — f- Т

Где рг — плотность смеси газа в кг- сек2/м4 Рв— плотность воздуха в кг • сек2/м4; Т—отношение расхода воздуха к расходу газа, равное аЬТ;

А— коэффициент избытка воздуха для обеспечения бес­пламенного сжигания газа а= 1,05; LT— теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м3 газа. Во всех случаях скорость выхода смеси находим по формуле

"см = ——————————————————————- М/СЄК,

FCu■3600 ‘

Где QCm— расход газовоздушной смеси в м3{ч; Fcu—площадь живого сечения сетки в м2.

Значения коэффициентов гидравлического сопротивления могут определяться по формуле

При

T — 2А" =*„(!-/) (-Г -1

2 " 4 If

Р^см V ‘

Re = ^^Е > 400, а при Re < 400

V

£ =

Где I— коэффициент гидравлического сопротивления сетки; F — коэффициент живого сечения сетки:

F0— площадь живого сечения сетки в м2

Fе — общая площадь сетки в м2

Re — число Рейнольдса;

Бср— средний диаметр проволоки сетки в ж;

KRe— коэффициент, учитывающий влияние характера дви­жения на потери давления; KRe—определяется по графику, приведенному на рис. 28; Ко= 1,3 для сеток, бывших в эксплуатации, а для новых

Проведенные экспериментальные данные показывают, что для определения коэффициентов гидравлического сопротивле-

Ния можно пользоваться приведенными формулами и графиче­скими данными И. Е. Идельчика.

Однако коэффициент гидравлического сопротивления сеток, расположенных одна на другой, не равен сумме коэффициентов гидравлического сопротивления отдельных сеток. При располо­жении сеток на расстоянии 10 мм друг от друга суммарный коэффициент гидравлического сопротивления несколько увели­чивается, так как при этом возникает дополнительное сопротив­ление от внезапного расширения потока.

Следовательно, организация беспламенного сжигания газа в горелках с металлическими сетками требует или изменения конструкции горелок в части снижения их сопротивления, или увеличения давления газа перед горелками.

Расчет излучающих горелок с пористыми плитками произ­водится по формулам для инжекционных горелок среднего дав­ления.

Для природного газа отношение диаметра горловины к диа­метру форсунки составит:

— =14-н 16,

D<b

А для сжиженного газа будет равно:

— = 22-f — 24, D<b

Где dr— диаметр горловины смесителя; d^— диаметр форсунки горелки.

Испытания излучателей при сжигании природного и сжи­женного углеводородного газа показали, что они удовлетвори­тельно работают на обоих видах газа без каких-либо сущест­венных переделок.

Для давлений до 7500 мм вод. ст. кратность инжеКции при­нимается

А’ = 1,05 LT м3/м3 Для давлений больше 7500 мм вод. ст.

А’ = (1,1-8- 1,2)LT м! м3.

Диаметры конфузора и диффузора определяются по фор­муле

DK = £ІД = (1,8-*-2) d,..

Количество пористых излучающих плиток размером 115Х XI15X40 мм находят как частное от деления номинальной теп­ловой нагрузки горелки на фактическую — номинальную тепло­вую нагрузку одной плитки, равную примерно 1590—1760Ккал/ч.