Расчет горелок

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

КАЗАХСКИЙ АГРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. С. СЕЙФУЛЛИНА

 

КАФЕДРА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

ПО ДИСЦИПЛИНЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА

     

 

НА ТЕМУ: Расчет горелок

                                                                  

 

 

 

 

 

                                                                      Выполнил(а): студент(ка) _ курса

                                                                                                          

    _____________________

                                                                                 (Ф.И.О)

                                                          Проверил(а):  ____________________

                                                                                                      (ученая степень, Ф.И.О преподавателя)

 

 

 

Курсовая работа допущена к защите ________________________________

(подпись преподавателя)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                         АСТАНА 2017

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Курсовая работа предназначена для закрепления теоретических знаний по лекционным занятиям. Основная цель работы рассчитать основные параметры и режимы работы сожигательных устройств при сжигании газообразного, жидкого и твердого топлива, провести расчет тепловых и конструктивных параметров сожигательных устройств, методикой выбора оптимальных типов горелок и форсунок.

Расчет проводится на основании формул, представленных в основной литературе. Для более подробного и глубокого изучения отдельных вопросов и в помощь при решении задач необходимо использовать дополнительную литературу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Расчет  основных размеров горелок без  предварительного смешения

 

1.1 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


 

1.2 Пример  расчета горелки

Расчитать горелку типа «труба в трубе» для сжигания объемов VОГ=0,0091 м3/с природного газа с теплотой сгорания =34 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 = 0,82 кг/м3 ; Lо=9,32 м3/м3, ρВ = 1,29 кг/м3.

      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

 

            мм2

 

1.2.6 Диаметр газового сопла

 

                   

 

1.2.7 Диаметр коридора

 

    .

 

1.2.8 Скорость газа на выходе

 

                 м/с.

 

      1. Скорость воздуха

 

                м/с.

 

1.2.10 Диаметр носика горелки

 

              мм.

 

1.2.11 Соотношение скоростей

 

                             

 

1.2.12 Общий расход

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Расчет  инжекционных горелок

 

2.1 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 .

Расчет инжекционных горелок основан 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

 

      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)

 

 

2.2 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 = 0,0026 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 9,32 м3/м3. Плотность газа 0,733 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 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Горелки имеют важную конструктивную роль. Сущность работы газовых горелок состоит в обеспечении стабильного и непрерывного сжигания топлива в топочной камере котла. Суть рабочего принципа устройства проста: подготовить смесь газа и кислорода для горения, обеспечить стабильную подачу смеси и ее сгорания. При выборе горелки нужно смотреть на ее технические параметры, способ подачи топлива и принцип смешивания газа и кислорода, а также на совместимость с теми или другими приборами.  В данной курсовой работе я произвел расчет основных размеров горелок. На основании полученного расчета мы имеем конструктивные параметры сожигательных устройств. Следовательно данные парамерты будут необходимы при подборе оптимальных типо горелок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

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.

9 Горелочные 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

 

 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

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

Таблица В.1 – Средний состав природного газа, его теплота сгорания, плотность, объемы воздуха и продуктов сгорания при =1

№№

газопровода

(вариант)

Состав газа, %

, МДж/м3 (ккал/м3)

, кг/м3

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12 (более)

N2

CO2

м3/ м3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

1 Брянск-Москва

92.8

3.9

1.1

0.4

0.1

1.6

0.1

37.31 (8910)

0.775

9.91

1.06

7.84

2.20

11.11

2 Бухара-Урал

94.2

2.5

0.4

0.2

0.1

2.6

-

36.17 (8640)

0.752

9.54

1.01

7.56

2.14

10.72

3 Газли-Каган-Ташкент

94.0

2.8

0.4

0.3

0.1

2.0

0.4

36.26 (8660)

0.751

9.64

1.03

7.64

2.16

10.83

4 Газли-Каган

95.4

2.6

0.3

0.2

0.2

1.1

0.2

36.59 (8740)

0.750

9.72

1.04

7.69

2.18

10.91

5 Гоголева-Полтава

8.5

0.2

0.1

0.1

0

13.7

0.1

30.98 (7400)

0.789

8.26

0.87

6.66

1.86

9.39

6 Дашава-Киев

98.9

0.3

0.1

0.1

0

0.4

0.2

35.88 (8570)

0.712

9.52

1.00

7.52

2.15

10.68

7 Джаркак-Ташкент

95.5

2.7

0.2

0.2

0.1

1.0

0.1

36.68 (8760)

0.748

9.74

1.04

7.70

2.18

10.92

8 Игрим-Пунга-Серов-Нижний Тагил

95.7

1.9

0.3

0.3

0.1

1.3

-

36.47

(8710)

0.741

9.68

1.03

7.66

2.17

10.86

9 Карабулак-Грозный

68.5

14.5

3.5

3.5

1.0

3.5

1.4

45.85    (10950)

1.036

12.21

1.41

9.68

2.54

13.63


 

Продолжение приложения В

Продолжение таблицы В.1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

10 Карадаг-Тбилиси-Ереван

93.9

3.1

0.3

0.3

0.1

1.3

0.2

37.09 (8860)

0.766

9.85

1.05

7.79

2.19

11.04

11 Коробки-Жирное-Камышин

81.5

8.0

2.3

2.3

0.5

3.2

0.5

41.45 (9900)

0.901

10.95

1.22

8.68

2.35

12.25

12 Коробки-Лог-Волгоград

93.2

1.9

0.3

0.3

0.1

3.0

0.7

35.84 (8560)

0.766

9.51

1.02

7.54

2.13

10.69

13 Кумертау-Ишимбай-Магнитогорск

71.7

5.3

0.9

0.9

0.3

8.8

0.1

36.80 (8790)

0.858

9.74

1.06

7.79

2.13

10.98

14 Лижво-Кологривовка-Вольск

93.2

2.6

1.2

0.7

-

2.0

0.3

37.01 (8840)

0.782

9.81

1.05

7.74

2.18

11.00

15 Оренбург-Совхозное

91.4

4.1

1.9

0.6

-

0.2

0.7

38.02 (9080)

0.883

10.05

1.08

7.94

2.28

11.25

16 Первомайск-Сторожевка

62.4

3.6

2.6

0.9

0.2

30.2

0.1

28.30 (6760)

0.952

7.51

0.82

6.24

1.64

8.70

17 Промысловка-Астрахань

97.1

0.3

0.1

0

0

2.4

0.1

35.04 (8370)

0.733

9.32

0.98

7.38

2.11

10.47

18 Рудки-Минск-Вильнюс, Рудки-Самбор

95.6

0.7

0.4

0.2

0.2

2.8

0.1

35.51

(8480)

0.740

9.45

1.0

7.49

2.12

10.62

19 Саратов-Горький

91.9

2.1

1.3

0.4

0.1

3.0

1.2

36.13 (8630)

0.786

9.57

1.03

7.59

2.13

10.75

20 Саратов-Москва

78.2

4.4

2.2

0.7

0.2

14.2

0.1

34.16 (8160)

0.879

8.99

0.98

7.25

1.98

10.20


Продолжение приложения В

Продолжение таблицы В.1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

21 Саушино-Лог-Волгоград

96.1

0.7

0.1

0.1

0

2.8

0.2

35.13 (8390)

0.741

9.32

0.98

7.39

2.10

10.48

22 Серпухов-Ленинград

89.7

5.2

1.7

0.5

0.1

2.7

0.1

37.43 (8490)

0.799

10.0

1.0

7.93

2.21

11.22

23 Средняя Азия-Центр

93.8

3.6

0.7

0.2

0.4

0.7

0.6

37.56 (8970)

0.776

9.91

1.07

7.84

2.21

11.11

24 Ставрополь-Невинномысск-Грозный

98.2

0.4

0.1

0.1

0

1.0

0.2

35.63

(8510)

0.728

9.47

1.0

7.4

2.14

10.63

25 Ставрополь-Москва:

1-я нитка

 

 

93.8

2.0

0.8

0.3

0.1

2.6

0.4

36.09

(8620)

0.764 

9.58 

 

1.02  

 

 

7.60

2.14

 

 

10.76 

2-я нитка

 

92.8

2.8

0.9

0.4

0.1

2.5

0.5

(8730) 

36.55

0.772

9.68

1.04

7.67

2.16

10.86

3-я нитка

 

91.2

3.9

1.2

0.5

0.1

2.6

0.5

(8840)

37.01

0.786

9.81

1.06

7.78

2.18

11.01

26 Угерско-Стрый, Угерско-Гнездичи, Угерско-Львов

98.5

0.2

0.1

0

0

1.0

0.2

35.50

(8480)

0.722

9.43

0.99

7.46

2.13

10.59

27 Урицк-Сторожевка

91.9

2.4

1.1

0.8

0.1

3.2

0.5

36.47 (8710)

0.789

9.70

1.04

7.70

2.16

10.89

28 Хаджи-Абад-Фергана

85.9

6.1

1.5

0.8

0.6

5.0

0.1

38.35 (9160)

0.832

10.03

1.09

7.97

2.20

11.26


Продолжение приложения В

Продолжение таблицы В.1

29 Щебелинка-Острогожск, Щебелинка-Днепропетровск, Щебелинка-Харьков

92.8

3.9

1.0

0.4

0.3

1.5

0.1

37.31

(8910)

0.781

9.93

1.07

7.88

2.21

11.16

30 Щебелинка-Брянск-Москва

94.1

3.1

0.6

0.2

0.8

1.2

-

37.87 (9045)

0.776

9.98

1.07

7.90

2.22

11.19

31 Смесь из Западной Сибири

92.66

5.04

0.45

-

1.85

-

-

36.84 (8800)

0.800

-

-

-

-

-

32 Якутск-Усть-Вилюй

94.8

2.3

0.8

0.5

0.1

0.3

1.2

34.37 (8210)

0.764

-

-

-

-

-

Примечания:

1 Для сжиженного природного газа МДж/м3 (22000-23000 ккал/м3).

2 Номер варианта курсовой  работы выбирается в зависимости  от номера газопровода


 

 

 

 

 


Расчет горелок