Басниев К.С. Энциклопедия газовой промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

8.2.

ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ

8.2.1.

Истечение флюидов

горелках

8.2.1.1.

Истечение на выходе инжек-

тора

8.2.1.1.1.

О режимах истечения

Тип течения

флюидов

трубопроводе опреде-

ляется

характерным числом, называемым числом

Рейнольдса, которое записывается:

где:

скорость газа, м/с;

диаметр трубопровода, м;

кинематическая вязкость,

Если

— Re

2000: истечение осуществляется парал-

лельными

струями со скоростью, изменяющей-

ся прогрессивно от стенки к центру трубы. Исте-

чение (течение) называется ламинарным.

— Re > 3 000: течение называется турбулентным;

скорость

изменяется резко у стенки и остается

затем приблизительно постоянной.

— 2 000 < Re < 3 000: течение очень нестабильное

может

быть

либо ламинарным, либо турбу-

лентным,

неожиданным переходом из одного

в другое.

Ламинарное течение имеет место

зоне

горе-

ния кухонных горелках, газовых резаков и почти во

всех горелках с выходными отверстиями порядка

миллиметра, снабжаемых газом при очень низком

давлении.

Напротив, почти во всех промышленных горел-

ках встречается турбулентный режим истечения.

8.2.1.1.2.

Коэффициент расхода инжектора

Форма,

принимаемая флюидами при истечении

через отверстие, представлена на схеме. Замече-

но,

что струя

флюида

подвергается сжатию, что

и////////////////.

делает

ее диаметр меньше диаметра инжектора,

сжатие зависит от формы инжектора и в меньшей

степени от входного давления.

Принимая во внимание это явление,

также

трение о стенки, определяют общий коэффициент

расхода, который представляет отношение реаль-

ного

расхода и теоретического, который прошел

бы через идеально профилированный инжектор.

Этот коэффициент расхода обозначается бук-

вой С. На практике С составляет 0,6 -1,0 (величи-

на приблизительная для соответственно обрабо-

танного инжектора, когда давление на входе выше

0,8 бар и мало изменяется в зависимости от типа

флюида. На рисунке с. 676 приведены наиболее

часто встречающиеся величины.

Свыше

1 бар "С"

может использоваться для практических расчетов

в соответствующей размерности.

8.2.1.1.3.

Уравнение расход-давление Бер-

нулли

для

очень

низкого давления

Изменение расхода в зависимости от

давления

в сопле показано на рисунке с. 677.

Для определения связи, существующей между

давлением на входе в сопло и расходом, рассмот-

рим

три зоны давления:

— зона низкого давления, где можно пренебречь

сжимаемостью газа;

— зона высокого давления, где истечение осуще-

ствляется со звуковой скоростью

выходном

сечении сопла;

— промежуточная зона.

Когда

можно пренебречь сжимаемостью газа от-

ношение расход-давление

сопле описывается

уравнением Бернулли, которое в упрощенной фор-

ме

для 15°С записывается следующим образом:

Истечение флюидов

через

отверстие

тонкой

стенке

где:

объемный расход, м

/ч;

коэффициент расхода сопла

1);

сечение сопла, мм

;

»Ф

давление эффективное, мбар;

абсолютная температура газ (Т = 273 + t).

Это соотношение точно только до

давления

при-

мерно

100 мбар. Тем не менее, оно может

быть

при-

менено при оценочных расчетах до

давления

2 бар

с ошибкой в 2% для воздуха. Ошибка достигает 7%

для природного газа и 14% для пропана.

8.2.1.1.4.

Отношение расход-давление

для

звукового режима

Звуковой

режим истечения достигается в сопле

при

истечении

воздух, когда эффективное

675

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

60°

0,90

0,95

120°

Y//////X/,

У/////М

0,80 к 0,85

Y////////777.

D, >2D

V77////////

е-0

0,60

Пример

величин

средних

коэффициентов

расхода инжек-

торов

при давлении от Одо

бар.

давление

равно следующим критическим величи-

нам:

— 0,76 бар

для пропана;

— 0,85 бар

для природного

газа;

— 0,91 бар

для воздуха.

Абсолютное критическое давление определяет-

ся из следующего соотношения:

»т

где:

критическое абсолютное давление

барах,

равное

(Р,ф+Р.™);

отношение массовой теплоемкости при посто-

янном давлении и объеме соответствующего

газа;

пропан

у = 1,14; природный газ

у = 1,3;

воздух и водорода

у = 1,4;

Р.™

атмосферное давление, равное 1,013 бар при

звуковом

режиме, расход пропорционален

абсолютному давлению, т.е. возрастанию раз-

ницы между эффективным давлением и атмо-

сферным, при истечении в воздух. Это соотно-

шение иллюстрируется на с. 677.

Уравнение расход-давление при 15°С представ-

лено

в виде:

где:

д„

объемный расход, нм

/ч;

плотность газа по отношению к воздуху;

сечение сопла, мм

;

абсолютное давление, бар (Р

= Р^ +

1,013).

В том случае, если температура газа t отличает-

ся от 15°С, результат умножается на величину

273 + 15

"27377

8.2.1.1.5.

Соотношение расход-давление при

дозвуковом

режиме

Речь

идет о промежуточном режиме истечения,

находящимся между двумя предыдущими (с.

677).

В этом

случае

выражение расход-давление для

температуры 15°С принимает очень сложную

форму

0,969

1,013

_2у_

у-1

При другой температуре газа t, результат дол-

жен

быть

умножен на величину

273 + 15

273 +

Графики (с. 678 и 679) позволяют подобрать ин-

женктор

с коэффициентом расхода, равным едини-

це,

в зависимости от

давления

и мощности в

P.C.I.

676

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗА

K,VPe

Промежуточная

зона

Избыточное

дав/мнив

Абсолютное

давлв»

бар

- К

Ра

Звуковое

исте

Избыточное

давление,

бар

Изменение

расхода

скорости

газа

сопле

зависииости

от

давления:

пример

-воздух.

8.2.1.1.6.

Отношение тяга инжектора-давле-

ние

Исследование аэродинамических процессов,

вызываемых струями газа, выходящими

из

сопла

показывает важность инжектирующей способнос-

ти (напора) сопла. Этот напор

называемый

так-

же "импульсом",

общем виде, если предположить

равномерные скорости, принимает следующий

вид:

где:

G -вНьютонах;

расход массовый, кг/с;

скорость флюидов

на

выходе из сопла;

Р, -

давление

выходном сечении сопла;

Р, -

давление

на

выходе;

площадь выходного сечения сопла.

При дозвуковом режиме, второй

член

равен

ну-

лю

напор равен количеству движения через соп-

ло:

Для очень низкого давления имеем уравнение:

(§8.2.1.1.3)

677

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

|Газпри15°д

50 100 150

Избыточное давление (мбар)

200 250

Диаграмма

удельная

мощность-давление

(низкое

давление).

|Газпри15°д

Избыточное

давление

(мбар)

100 200300400500600 700 800900 1000

Диаграмма

удельная

мощность-давление

(среднее

давление).

678

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

80-

Газпри15°С|

Избыточное

•(мбар)

Диаграмма

удельная

мощность-давление

(высокое

давление).

где

АР -

перепад

давления

сопле, Паскаль

(Па);

площадь выходного сечения сопла,

;

коэффициент расхода сопла.

В практических единицах

G«2x10-»APSA

где:

-Ньютоны;

ДР

мбар;

-мм

8.2.1.1.6.1.

Истечение дозвуковое

Уравнение импульсов

для

сопла принимает

вид:

Y-1

8.2.1.1.6.2. Звуковое истечение

Уравнение имеет

вид

G =

где:

-Ньютоны,

-мм

абсолютное давление

на

входе

сопло,

Р, -

абсолютное давление

на

выходе

из

сопла.

Примечание: напор сопла

не

зависит

от

темпе-

ратуры газа

для

данного давления, изменяется

зависимости

от

свойств

газа.

8.2.1.1.7.

Коэффициент уменьшения

Ар в за-

висимости

от

давления

Анализируя отношения расход-напор-давление

можно

выделить

безразмерное выражение,

даю-

щее изменение характеристик газовых потоков

сопле

при

изменении давления.

Это

выражение,

называемое коэффициентом уменьшения

Ар, по-

казывает,

что

напор

данном инжекторе

не

возра-

стает пропорционально росту рабочего давления.

679

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗА

Это выражение имеет вид: 8.2.1.1.7.2. Звуковое истечение

GS,273

Ар = —- —-или Ар =

273

где:

G - напор в инжекторе, в Ньютонах,

S/ - сечение сопла, м

- расход объемный в трубопроводе, нм

/с,

- массовый расход, кг/с,

- объемная масса при нормальных условиях,

- абсолютная температура

газа.

Ар равно 1 при давлении равном нулю и умень-

шается с увеличением давления.

Он зависит только от давление и у (§ 8.2.1

..1.4.),

но не зависит от температуры.

8.2.1.1.7.1.

Дозвуковое истечение

Имеем

1,013 2 Р„ Т+1 т-1 1 т+1 р

где:

- абсолютное давление на входе в сопло, бар.

Примечание:

Можно также написать:

удельный объемный

нормативный напор

удельный массовый расход

с удельным напором и удельным массовым расхо-

дом,

отнесенными к единице поверхности сечения

выхода сопла.

8.2.1.1.8. понятие об удельном напоре

Так как поток на выходе из сопла - это топлив-

ный газ, предназначенный для сжигания, интерес-

но (целесообразно) связать напор с мощностью,

развиваемой при

горении,

и выраженной в

P.C.I.

Ар]

1,0

0,9

0,8

0,6

(

Истгмни*

заукоаоа

*^УЧ.

Бутан

Воздахи^ч

аодород /N

Пропан коммерческий

Газ

природный

Давлеь

ив избыточное (бар)

3 4 5

Коэффициент

уменьшения

Ар в

зависимости

от давления в сопле.

680

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗА

Удельная

мощность вводится

выражение

па-

раметров подобия пламени,

котором смесь топ-

лива

окислителя создает аэродинамический

эф-

фект, выраженный одним

или

несколькими пото-

ками топлива.

Удельный

напор, выраженный

зависимости

от

мощности,

G.S.P.,

имеет

вид:

Н/МВт

(P.C.I.).

Можно

выделить выражение для

Ар

G.SP.

= !'

где:

удельный

объемный расход

трубопроводе,

нм

/м

с;

р„

объемная масса газа при нормальных усло-

виях;

P.C.I.

низшая теплота сгорания газа, Дж/нм

;

абсолютная температура газа.

Удельный

напор стремится

пределу при увели-

чении давления. Этот предел

результат эволю-

ции противоположностей

д„

который возрастает,

Ар, который стремится

нулю.

Этот предел равен:

" ЕИГ

Размерности

те же.

Для практических размерностей:

•Jd

/у+1 / .

2у

где:

G.S.P.

Н/МВт

(P.C.I.),

P.C.I.

кВтч/нм

При

15°С

имеем:

G.S.P.,,,,»

9.8

Н/МВт

(P.C.I.)

пропан,

14,6

Н/МВт

(P.C.I.)

газ Лака,

17,6

Н/МВт

(P.C.I.)

газ

Гронинга.

Примечание:

Эти величины носят индикаторный характер,

т.е.

повышением

давления

не остается постоян-

ным

некоторые газы сжижаются.

8.2.1.2.

Смешение

аксиальных пото-

ках

8.2.1.2.1.

Свободная струя. Явление индук-

ции

Свободная струя

- это

струя, вытекающая

из

сопла

спокойную

бесконечную атмосферу.

Свободная

турбулентная

струя

обладает

следу-

ющими свойствами:

— струя

- это

конус

углом раскрытия

основа-

ния около

20°,

независимо

от

свойств

плотно-

сти

флюидов.

Она

изобарная.

— струя втягивает окружающую атмосферу,

ко-

торая разбавляет рабочую струю.

— переходной зоной, длина которой около пяти

диаметров сопла, скорость

концентрация

рабочей среды снижаются обратно пропорцио-

нально

расстоянию

от

основания конуса.

— распределение скорости

концентрации оста-

ется схожим

от

сечения

сечению,

массовый расход, проходящий через сечение

струи пропорционален расстоянию

от

сечения

до основания конуса.

e-Oi

Со

~J ^мрр»^

H^9 х

».»._!_

i.JT"

и» о» u' n '

-0,9

5 10 20 30 x/Di

Свободная

турбулентная

струя.

Изменение

скорости

концентрации

по

оси

зависимости

от

дистанции

инжекторе.

Свободная

турбулентная струя.

Радиальное

распреде-

ление

скорости

концентрации.

8.2.1.2.2.

Ограниченная турбулентная струя

Так как струя находится зажатой

цилиндриче-

ской

трубе, всасывание окружающей среду ограни-

чено

между трубой

струей создается зона

ре-

циркуляции,

которой струя всасывает сама себя

(см.

рисунок с. 686).

В результате этого точка

на

оси,

где

получается

данное разбавление рабочей среды, находится

дальше

от

сопла,

чем в

случае

свободной струи.

681

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

Расход рециркуляции qr

qr максимальная

Границы зоны рециркуляции

Инжектор — Предел струи

Ось

Ограниченная

турбулентная

струя:линии истечения создают

рециркуляции.

8.2.2.

Горелки

предварительного

смешения.

Топливо-окислитель

8.2.2.1.

Стабильность пламени

Горелка Бунзена дает картину наиболее про-

стой горелки предварительного смещения: пламя

стабилизируется на

выходе

одного отверстия,

снабжаемого

частично предварительно смешан-

ной смесью, когда появляются некоторые условия

истечения;

— ниже определенного расхода, скорость стано-

вится

очень

малой, горение может передви-

нуться

в смеситель (проскок);

— для большого расхода, пламя может стать на-

сыщенным воздухом и "задуться" (оторваться).

На с. 683 иллюстрируется этот феномен, так же

как

и приспособления, применяемые для сглажи-

вания этих недостатков:

— прикрытие

выходного

отверстия, использова-

ние свойств отверстий малых диаметров, ох-

лаждение,

препятствующее продвижению пла-

— вспомогательное "пилотное" пламя, производи-

мое

дополнительным отверстием, в котором

скорость истечения меньше, чем в основном от-

верстии.

8.2.2.2.

Горелки

предварительного смешения

за

счет давления

газа

Горелки инжекционного типа используют свой-

ство струй увлекать окружающую среду, описаны

для турбулентных струй в §

8.2.1.2.

Примером такой горелки является горелка Бун-

зена,

которая включает (см. рисунок на с. 684):

— газовое сопло;

— смеситель, состоящий из сходящейся и расхо-

дящейся частей в форме венту

ре;

— головку стабилизации сжигания.

В рисунках 8.12, 8.13 дается пример многосо-

пельных

горелок, используемых для водонагрева-

телей.

Отметим, что на горелках данной конфигу-

рации,

коэффициент аэрации смеси п (инжекции),

изменяется в соответствии с рис. 8.14, т.е.:

— при ламинарном истечении в сопле "л" пропор-

ционально мощности;

— при турбулентном течении в сопле "гГ медленно

уменьшается.

Рабочая зона таких горелок соответствует тур-

булентному течению в сопле.

682

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

Зона

голубого турбулентного конуса

Голубой ламинарный конус

пилотных

факелов

Одинаковый расход

Частичное предварительное

смешение

Отрыв

пламени

Голубые

ламинарные факелы

Предельное положение фронта

пламени

перед проскоком

Частичное предварительное

смешение

Маленький расход: риск

проскока

пламени

Частичное предварительное

смешение

Стабилизация

с помощью

пилотных

факелов

ААШААААША

Niililllli

Частичное предварительное

смешение

Деление

выходного

отверстия

на

отверстия

размером,

меньшим

дистанции безопасности.

Пример

средств

стабилизации

пламени

предварительного

смешения

факельных

горелок.

683

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГАЗА

Кольцо регулировки

поступления еоздоса

Голоска

Пилотные отверстия

Оогешов

выходное

отирстие

Принципиальная схема

Мощность

Режим

истечения

• сопле

(К)

Ламинарный режим

(g)

Дозвуковой турбулентный режим

(6)

Турбулентный мукоаой режим

Изменение

степени аэрации а зависимости от расход»

Пример горелки индукции

атмосферного

воздуха.

А: сопло

В: питательный

коллектор

Многосопельная

горелка

индукции

атмосфернрго

воздуха.

В этих

условиях

коэффициент инжекции

воз-

духа

определяется соотношением:

где:

п - коэффициент инжекции воздуха, d - относи-

тельная

плотность газа,

D, - диаметр сопла,

D, - эквивалентный диаметр горелки,

Ар- коэффициент смягчения (§ 8.2.1.1.7.),

Va- теплотворная способность газа.

Эквивалентный диаметр горелки равен:

D, - гидравлический диаметр головки сгорания

(диаметр одного отверстия, имеющего в равных ус-

ловиях

те же потери давления, что и все

выходные

отверстя).

- коэффициент расхода сопла,

- коэффициент инжекции воздуха (К < 1),

вели

чина которого зависит от отношения

—

представлена на рисунке с. 685 (D

- диаметр

входного отверстия смесителя).

"К"

обычно равно 0,75 - 0,95 для 85% коммерче-

ских

горелок, соответствующих оптимальным раз-

мерам 0,55 D

< D

< 0,95D

Для промышленных горелок использование ука-

занного

соотношения показывает,что максималь-

ная мощность, которую можно получить, значи-

тельно

ниже предела стабильности пламени пред-

варительно подготовленной

смеси:

количество

подсасываемого воздуха

является

лимитирующим

фактором работы горелок на одном давлении газа.

Показано, что мощность W, которую можно полу-

чить на таких горелках, отнесенная к единице по-

верхности выходного сечения S

, равна:

W _

G.S.P.

273

P.C.I.

•

Максимальная мощность рассчитывается для

максимального удельного напора,

G.S.Pmax,

опи-

санного в § 8.2.1.1.8.

8.2.2.3.

Замена

топлива

в атмосферных горелках

Если

необходимо заменить топливо в атмосфер-

ной горелке с сохранением мощности и коэффици-

ента инжекции воздуха, находят в предыдущем

уравнении выражение, характеризующее топливо,

которое имеет размерность мощности на единицу

поверхности:

P.S.R.

G.S.P.

(P.C.I.)'

~d~

Это выражение в

случае

замены топлива мало

отличается от выражения для диффузионного

пламени.

Сохранение параметров при переходе от одно-

го

газа к другому позволяет сохранить условия

работы:

— мощность,

— аэрацию (коэффициент икжекции воздуха),

после соответствующей замены сопла и

давления

газа.

Величина этого параметра, называемого

удель-

ной поверхностной мощностью, дается на рисунках

с. 685, 686, для п = 1.

684