Расчет форсунки высокого давления
Nbsp;
Баубеков Куат Талгатович
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К практическим занятиям по дисциплине
Специальные вопросы сжигания топлива»
Для специальности «Теплоэнергетика»
Астана 2014
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина
Рассмотрено и одобрено Утверждаю
к изданию на заседании Председатель МС Казахского
методического совета Казахского агротехнического
агротехнического университета им. С. Сейфуллина
университета им. С. Сейфуллина __________ Абдыров А.М.
протокол № _5_ от_21.05.2014 г. «_____» _________2014 г.
Автор: Баубеков Куат Талгатович, д.т.н., зав. кафедрой теплоэнергетики
Методические указания составлены в соответствии с рабочими учебными планами и рабочими программами и включает все необходимые сведения по выполнению расчета горелок и форсунок.
Методические указания предназначены для студентов специальности 5В071700- Теплоэнергетика
Рецензенты: Достияров А.М., доктор технических наук, профессор кафедры теплоэнергетики
Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры теплоэнергетики
Протокол №__9__ от «_10_» _01_ 2014 г.
Рассмотрено и рекомендовано на заседании методической комиссии энергетического факультета.
|
|
|
Протокол №__4__ от «__17___» __01________ 2014 г.
© Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина, 20014 г.
Введение
Данные методические указания составлены в соответствии с рабочей программой по курсу «Специальные вопросы сжигания топлива» для студентов специальностей 050717 «Теплоэнергетика» и предназначены для закрепления теоретических знаний по лекционным занятиям.
Согласно рабочей учебной программы:
- в результате усвоения объема теоретических положений и проблем студенты должны уметь: рассчитывать основные параметры и режимы работы сожигательных устройств при сжигании газообразного, жидкого и твердого топлива.
- в результате изучения курса студенты должны владеть:методикойрасчётов тепловых и конструктивных параметров сожигательных устройств, методикой выбора оптимальных типов горелок и форсунок.
Методические указания содержат методику расчета некоторых видов сожигательных устройств, а также примеры данных расчетов.
Материал курса изучают по основному учебнику. Для более подробного и глубокого изучения отдельных вопросов и в помощь при решении задач рекомендуется дополнительная литература. При самостоятельной работе необходимо добиваться отчетливого представления о физической сущности изучаемых явлений и процессов.
|
|
|
Расчет основных размеров горелок без предварительного смешения
Расчет горелок
Расчет горелок без предварительного смешения (рисунок 1) состоит в определении проходных сечении газа – dг, для воздуха – dкор, и для газа газовоздушной смеси dнг. или в определении пропускной способности горелки (расходы газа, воздуха и смеси) при известных геометрических размерах.
Обычно при расчете бывают заданы:
параметры газа ( 
);
параметры воздуха ( 
);
пропускная способность горелки по газу Vог.
Рисунок 1 – Расчетная схема горелки без предварительного смешения
1.1.1 Количества воздуха Vов которое нужно для сжигания данного объема газа можно определить по формуле
, (1.1),
где α – коэффициент расхода воздуха, α > 1,1÷1,5;
Lо – стехиометрическое количество воздуха на единицу объема газа (при α =1,0). Определяется из таблиц.
1.1.2 Так как в горелке поступает воздух и газ низкого давления, то в расчетах их можно считать несжимаемыми. Поэтому скорость
|
|
|
газа или воздуха на выходе можно определить по формуле
(1.2),
где ξ - коэффициент сопротивления горелки, отнесенный
к скорости в самом узком сечении; для газа ξг =1,5, для воздуха ξв = 1,0.
Таким образом, скорость газа
. (1.2 а)
1.1.3 Скорость воздуха на выходе
. (1.3)
1.1.4 Площадь выходного сечения:
для газа
(1.4),
для воздуха
. (1.5)
1.1.5 Зная площади F, можно найти диаметры горелочного туннеля dг и коридора для воздуха dкор
, (1.6),
. (1.7)
1.1.6 Действительные скорости на выходе из горелки
(1.8),
(1.9)
|
|
|
1.1.7 Диаметр носика горелки
. (1.10)
Расчеты и опыт работы показывают, что скорость истечения газа не должно превышать 80-100 м/с.
Действительная скорость воздуха должна быть меньше скорости газа примерно в два раза, для сокращения длины факела, но не более чем 3-4 раза. Для получения длинного факела скорость воздуха и газа можно принимать одинаковыми. Скорость смеси в носике горелки при максимальном расходе газа и воздуха может быть 25-30 м/с.
Этот расчет производится, если известно расход газа и параметры газа и воздуха с целью определение геометрических размеров горелки.
Если, наоборот, известны геометрические размеры горелки и надо определить ее пропускную способность (Vов, Vог ) тогда:
1.Определяем скорость по формуле (2).
2.Определяем расход по формуле (3).
Замечание: если давление газа и воздуха не известны, то скорости газа и воздуха можно взять из таблицы 1.
Таблица 1 - Рекомендуемые скорости для горелок типа «труба в трубе»
| Характерное место | Рекомендуемая скорость, м/с | ||
| воздух | газ | смесь | |
| Трубопровод перед горелкой | 8-10 | 10-15 | |
| Входные сечения горелки: при избытке давления при недостатке давления Газовое сопло до выходного сечения Газовое сопло в выходном сечении Носик горелки: максимальная минимальная | 18-20 5-7 - - - | 18-20 5-7 20-25 80-100 - - | 25-30 4-5 |
Пример расчета горелки
Расчитать горелку типа «труба в трубе» для сжигания объемов VОГ=0,0085м3/с природного газа с теплотой сгорания 
=28,30 МДж/м3. Давления газа перед горелками РГ =5,3 кПа, РВ=0,5 кПа, tГ = 20°С. Воздух подогрет до 400°С, коэффициент расхода воздуха α =1,1; плотность ρОГ = 0,952 кг/м3 ; Lо=7,51м3/м3, ρВ = 1,29 кг/м3.
1.2.1 Необходимое количество воздуха
.
1.2.2 Скорость газа
.
1.2.3 Скорость воздуха на выходе
.
1.2.4 Площадь выходного сечения для газа
1.2.5 Площадь выходного сечения для воздуха
1.2.6 Диаметр газового сопла
1.2.7 Диаметр коридора
.
1.2.8 Скорость газа на выходе
м/с.
1.2.9 Скорость воздуха
м/с.
1.2.10 Диаметр носика горелки
мм.
1.2.11 Соотношение скоростей
1.2.12 Общий расход
Расчет инжекционных горелок
Расчет горелок
Горелки с предварительным смешением представляют собой горелки, в которых газ полностью смешиваются с воздухом и эта смесь сгорает при выходе из горелки или сгорает внутри горелки. Самыми распространенными горелками с предварительным смешением являются инжекционные горелки.
При расчете обычно бывают заданы:
параметры газа ( );
параметры воздуха ( 
);
пропускная способность горелки по газу Vог;
коэффициент расхода воздуха;
противодавление – сумма давления в топке и сопротивления на пути подсасываемого воздуха 
.
Расчетинжекционных горелокоснован на уравнении количества движения и основных уравнений истечения газа. Различают методы расчета для:
газа низкого давления (< 20 кПа);
газа докритического давления (< 90 кПа);
газа сверхкритического давления (>90 кПа).
Цель расчета: определение конструктивных размеров форсунки.
Схема расчета представлена на рисунке 2.
1-газовое сопло; 2–входной конфузор; 3–смеситель; 4-диффузор;
5-носик горелки
Рисунок 2 – Расчетная схема инжекционной горелки
2.1.1 Теоретическая скорость истечения газа из сопла:
для газа низкого давления (< 20 кПа)
(2.1),
где РГ – абсолютное давление газа, Па; рГ - избыточное давление, Па;
для газа докритического давления (< 90 кПа)
(2.2)
По этим формулам построены графики (Рисунок Б1, приложение Б) по которому можно определить скорость истечения газов в зависимости от давления pг .
Для газа сверхкритического давления (>90 кПа)
. (2.3)
2.1.2 Диаметр газового сопла
. (2.4)
2.1.3 Оптимальное соотношение площадей смесителя fc и газового сопла fГ можно найти из соотношения
(2.5),
где А можно определить по (2.6) или из таблиц по значению отношения Ро/РГ (Таблица А1, приложение А), или по номограмме (рисунок А1, приложение А)
(2.6)
Объемную кратность инжекции m (отношение объема смеси к объему газа после истечения) определим по формуле
(2.7),
где Lo – стехиометрическое количество воздуха.
Массовая инжекция n (отношение массы смеси к массе газа)
(2.8)
В – коэффициент, характеризующий сопротивление на пути движения газовоздушной смеси в горелке
(2.9)
С - коэффициент, характеризующий сопротивление на пути движения газовоздушной смеси в горелке
(2.10)
Можно принять В = 1,15; С = 0,425.
2.1.4 Диаметр смесителя
(2.11)
2.1.5 Оптимальное соотношение площадей носика горелки fН.Г и смесителя fС можно найти из соотношения
(2.12),
где 
- коэффициент сопротивления носика горелки; 
=0,2;
- повышение давления в горелке
(2.13),
где 
- при докритическом давлении;
- при сверхкритическом давлении.
Коэффициент D также можно определить из таблицы А1 по величине отношения Ро/РГ. При давлении р < 20 кПа можно принять
(2.14)
При отсутствии противодавления (ΔрВ +Δртоп=0) формула упрощается
(2.15)
2.1.6 Диаметр носика горелки
(2.16)
Остальные конструктивные размеры инжекционной горелки определяются из экспериментально найденных соотношений:
2.1.7 Длина смесителя равна длине диффузора
(2.17)
2.1.8 Длина конфузора
(2.18)
2.1.9 Угол сужения входного конфузора принимаем 
45.
2.1.10 Угол раскрытия диффузора принимаем 
.
2.1.11 Начальный диаметр входного конфузора
(2.19)
2.1.12 Конечный диаметр диффузора
(2.20)
2.1.13 Угол сужения носика горелки принимаем 
.
2.1.14 Длина носика горелки
(2.21)
2.1.15 Скорость истечения смеси из носика горелки
(2.22)
2.1.16 Температура смеси
(2.23)
Пример расчета горелки
Рассчитать инжекционную горелку для сжигания газа с низкой теплотой сгорания 35,27 мДж/м3. Избыточное давление газа 19 кПа. Объем газа V = 0,011 м3/с. Газ и воздух холодный с температурой 20°С. Коэффициент расхода воздуха 
=1,07. Избыточное давление печи 32 Па. Теоретическое количество воздуха необходимого для горения 7,51м3/м3. Плотность газа 0,952 кг/м3. Плотность воздуха 1,29 кг/м3.
2.2.1 Теоретическая скорость газа
2.2.2 Диаметр газового сопла
2.2.3 Объемная кратность инжекции
2.2.4 Массовая инжекция n (отношение массы смеси к массе газа)
2.2.5 Оптимальное соотношение площадей смесителя fc и газового сопла fГ
,
где 
; 
; 
; 
.
2.2.6 Диаметр смесителя
2.2.7 Повышение давления в горелке для докритического давления (р < 20 кПа)
2.2.8 Оптимальное соотношение площадей носика горелки и смесителя
,
где - коэффициент сопротивления носика горелки; =0,2;
2.2.9 Диаметр носика горелки
2.2.10 Длина смесителя равна длине диффузора
2.2.11 Длина конфузора
2.2.12 Угол сужения входного конфузора принимаем 
о.
2.2.13 Угол раскрытия диффузора принимаем 
.
2.2.14 Начальный диаметр входного конфузора
2.2.15 Конечный диаметр диффузора
2.2.16 Угол сужения носика горелки принимаем 
.
2.2.17 Длина носика горелки
2.2.18 Скорость истечения смеси из носика горелки
2.2.19 Температура смеси
.
Расчет форсунки высокого давления
Расчет форсунок
Расчет форсунок основан на формулах истечения. Цель расчета: определения проходных сечений для мазута распылителя и воздуха идущего на сгорание. Расчет проходного сечения воздуха идущего на сгорание аналогичен расчету проходного сечения воздуха в горелках без предварительного смешения.
Рассмотрим методику расчета форсунок высокого давления:
3.1.1 Исходные данные:
а) параметры мазута: давление, температура, плотность;
б) параметры распылителя: абсолютное давление, температура, плотность;
в) расход мазута;
г) расход распылителя (удельный).
3.1.2 Цель расчета: определение конструктивных размеров форсунки.
Схема расчета представлена на рисунке 3.
1- мазут; 2 – распылитель первичный; 3 - распылитель вторичный
Рисунок 3 – Расчетная схема форсунки высокого давления
3.1.3 Порядок расчета:
3.13.1 Скорость истечения мазута из сопла
(3.1),
где μ - коэффициент истечения мазута из сопла, μ=0,2;
ρм – плотность мазута, ρм=960 кг/м3.
3.1.3.2 Диаметр мазутного сопла
(3.2)
По этой формуле построен график (Рисунок Б2, приложение Б) по которому можно определить dм в зависимости от расхода Вм и давления pм.
Диаметр мазутного сопла dм должен быть не меньше 3мм (чтобы избежать засорения).
3.1.3.3 Скорость распылителя в критическом (в узком) сечении сопла Лаваля
(3.3),
где φ – коэффициент истечения для сопла Лаваля, φ=0,8;
М-масштаб: для воздуха М=0,685; для сухого пара М=0,635; для перегретого пара М=0,667; ρор – плотность распылителя: для воздуха ρор=1,29 кг/м3; для сухого пара ρор=0,804; для перегретого пара ρор=0,804; Рр - абсолютное давление распределителя; То – температура окружающей среды, Ро – атмосферное давление.
3.1.3.4 Площадь сечения сопла Лаваля
(3.4)
3.1.3.5 Площадь выходного (конечного) сечения сопла Лаваля
(3.5)
где А – коэффициент, который определяется из таблицы А1 (Приложение А) для воздуха или пара по значению их давления.
3.1.4 Расчет смесителя
3.1.4.1 Плотность распылителя, поступающего в смеситель
(3.6),
где П – коэффициент, который определяется из таблицы А1 (Приложение А) для воздуха или пара по значению их давления.
3.1.4.2 Скорость распылителя поступающего в смеситель
(3.6 а)
3.1.4.3 Суммарная кинетическая энергия в начальном сечении смесителя, отнесенная к 1кг мазута, складывается из кинетической энергии мазута и распылителя
(3.7)
3.1.4.4 Расход энергии на смешение, отнесенный к 1кг мазута
(3.8)
3.1.4.5 Радиус капли распыленного мазута
(3.9)
3.1.4.6 Расход энергии на распыление 1кг мазута
(3.10),
где σ – коэффициент поверхностного натяжения (берется в пределах 0,024-0,033 Н/м).
Кинетическая энергия в выходном сечении смесителя, отнесенная к 1кг мазута
(3.11)
где 
- к.п.д. смесителя, 
= 0,8-0,9.
3.1.4.7 Скорость смеси на выходе
(3.12)
3.1.4.8 Температура распылителя, поступающего в смеситель
(3.13)
3.1.4.9 Энтальпия мазута и распылителя, поступающих в смеситель, отнесенная к 1 кг мазута
, Дж/кг (3.14),
где см – теплоемкость мазута; см = 1880-2050 Дж/кг·°С;
ср- теплоемкость распылителя.
3.1.4.10 Тепло смешения и трения, отнесенное к 1 кг мазута
(3.15)
3.1.4.11 Температура смеси на выходе
(3.16)
3.1.4.12 Плотность смеси на выходе
(3.17)
3.1.4.13 Площадь смеси на выходе
(3.18)
Пример расчета форсунки
Рассчитать форсунку высокого давления для сжигания мазута, BМ = 0,028 кг/с. Давление мазута перед форсункой рМ = 200 кПа, температура t = 90 °С. Распылитель - компрессорный воздух по давлением РР = 600 кПа с температурой tр = 50 °С. Удельные расходы первичного и вторичного распылителя одинаковы и равны q = 0,65 кг/кг мазута.
3.2.1 Скорость истечения мазута из сопла
3.2.2 Диаметр мазутного сопла
3.2.3 Скорость распылителя в критическом (в узком) сечении сопла Лаваля
3.2.4 Площадь сечения сопла Лаваля
3.2.5 Площадь выходного (конечного) сечения сопла Лаваля
3.2.6 Плотность распылителя, поступающего в смеситель
3.2.7 Скорость распылителя поступающего в смеситель
3.2.8 Суммарная кинетическая энергия в начальном сечении смесителя
3.2.9 Расход энергии на смешение
.
3.2.10 Радиус капли распыленного мазута
3.2.11 Расход энергии на распыление 1кг мазута
3.2.12 Кинетическая энергия в выходном сечении смесителя
3.2.14 Скорость смеси на выходе
3.2.15 Температура распылителя поступающего в смеситель
3.2.16 Энтальпия мазута и распылителя, поступающих в смеситель
3.2.17 Тепло смешения и трения, отнесенное к 1 кг мазута
3.2.18 Температура смеси на выходе
3.2.19 Плотность смеси на выходе
3.2.20 Площадь смеси на выходе
3.2.21 Диаметр выходного сечения смесителя
Принимается dсм = 13 мм
Литература
1 Маслов В.И., Винтовкин А.А., Дружинин Г.М. Рациональное сжигание газообразного топлива в металлургических агрегатах. – М.: Металлургия, 1987. – 112 с.
2 Спейшер В.А., Горбаненко А.Д. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 184 с.
3 Сожигательные устройства нагревательных и термических печей. Справочник Гусовский В.Л., Лифшиц А.Е., Тымчак М.М. – М.: Металлургия, 1981. – 272 с.
4 Адамов В.А. Сжигание мазута в топках котлов. – Л. : Недра, 1989. – 304 с.
5 Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства. – М. : Энергия, 1976. – 488 с.
6 Мадоян А.А., Балтен В.Н., Гречаный А.Н. Эффективное сжигание низкосортных углей в энергетических котлах. – М., Энергоатомиздат, 1991. – 199 с.
7 Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов. – М., Энергоатомиздат. 1990. – 104 с.
8 Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. – Л.: Недра, 1987. – 337 с.
9Горелочные устройства промышленных печей и топок (конструкции и технические характеристики).Справочник. / А.А. Винтовкин, М.Г. Ладыгичев, В.Л. Гусовский, Т.В. Калинова. – М.: "Интермет Инжиниринг", 1999. – 560 с.
Приложение А
(обязательное)
Таблица А.1 - Значения коэффициентов А, П и D
Продолжение приложения А
Продолжение таблицы А.1
Продолжение приложения А
Окончание таблицы А.1
Рисунок А.1- Значения коэффициентов А, П и D
Приложение Б
(обязательное)
а – при ρОГ = 1,29 кг/м3, t = 0oC; б – поправка на плотность газа;
в – поправка на температуру газа
Рисунок Б.1 - Скорость истечения газа из сопла
Рисунок Б.2 - Определение диаметра мазутного сопла
Приложение В
(обязательное)
Таблица В.1 – Средний состав природного газа, его теплота сгорания, плотность, объемы воздуха и продуктов сгорания при 
=1
| №№ газопровода (вариант) | Состав газа, % |
|
|
|
|
|
|
 Мы поможем в написании ваших работ! | |||||||||||||||||||||||
, МДж/м3 (ккал/м3)
, кг/м3
