Výpočet plynových hořáků je komplexní problém řešený na základě teoretického a experimentálního výzkumu. Jako příklad níže zvážíme zjednodušenou metodu pro výpočet nízkotlakých a středotlakých vstřikovacích hořáků.
Počáteční údaje pro výpočet:
– jmenovitý tepelný výkon Qnom , kW nebo jmenovitý průtok plynu Qг m3/h;
– jmenovitý tlak plynu před tryskou hořáku p1 , Pa;
– koeficient vstřikování primárního vzduchu 1;
– objemové složení paliva a jeho nižší výhřevnost Qн kJ/m3;
– hustota plynu při teplotě 0 0 C a tlaku 101325 Pa – г , kg/m3.
3.4.1 Výpočet nízkotlakých vstřikovacích hořáků
S ohledem na konstrukční schéma (obr. 1) a na něm přijatá označení se výpočet nízkotlakého vstřikovacího hořáku (tlak ne více než 5 kPa) provádí v následujícím pořadí.
1) Průměrná rychlost proudění plynu z trysky je určena vzorcem
kde – odtokový koeficient;
p – pokles tlaku, Pa.
Obrázek 1 Konstrukční schéma nízkotlakého vstřikovacího hořáku
Pokles tlaku plynu před tryskou hořáku je určen vzorcem
kde p1 – absolutní tlak plynu před tryskou, Pa;
p2 – absolutní tlak média, do kterého plyn proudí, Pa.
Pro nízkotlaké vstřikovací hořáky p2 rovná se tedy atmosférickému tlaku p=p1 (hodnota p1 přebytek se přijímá) .
Koeficient , který zohledňuje rozložení rychlostí proudění plynu po průřezu trysky a odpor proudění, závisí na tvaru trysky a je vybrán z referenčních knih. Pro kuželovou trysku lze tento koeficient považovat za rovný 0,85. Pro běžné válcové trysky s úhlem =45 0 (viz obrázek 1) při l/D1 = 0,18 – = 0,75; na l/D1= 0,55 – =0,87; na l/D1= 1,0 – = 0,85.
2) Jmenovitá spotřeba plynu hořáku se určí (pokud je nastaven tepelný výkon hořáku) pomocí vzorce
3) Plocha průřezu trysky a průměr trysky jsou určeny vzorci
4) Průměr hrdla kohoutku D3 určeno vzorcem
kde n – objemový vstřikovací poměr, m3/m3;
в – hustota vzduchu, kg/m 3 (hustota vzduchu je akceptována za podmínek, za kterých je akceptována hustota plynuг ).
Pro atmosférické hořáky na zemní plyn, n= (0,4–0,6)V, na zkapalněné – n=(0,5 – 0,7)VKde V – teoretické množství vzduchu, m 3 / m 3 (viz vzorec 66).
5) Průměry zmatku D2 a difuzoru D4 jsou konstruktivně přijímány v následujících mezích:
D2= (1,5 – 2,0) D3 , mm, (87),
D4=(2,0 – 2,2) D3 , mm, (88).
6) Délka zmatku l1 závisí na celkovém úhlu zúžení v rozmezí 45-90°. Pro zmenšení úhlu setkání proudů plynu a vzduchu je lepší použít menší celkový úhel zúžení. S tímto vědomím
l1=(1,5 – 2,0) D3, mm, (89).
7) Délka krku faucetu
l2=(1,0 – 2,0) D3, mm, (90).
Délka difuzoru l3 závisí na celkovém úhlu roztažení . Pro zajištění nepřetržitého proudění směsi plynu a vzduchu odeberte =6-8. Pak
9) Celková plocha požárních otvorů trysky hořáku je určena vzorcem
kde woheň– rychlost výtoku směsi plynu a vzduchu z vypalovacích otvorů, m/s.
hodnota woheň při daném průtoku směsi plyn-vzduch závisí na průměru požárních otvorů a musí být v mezích, které vylučují oddělení plamene a průnik. V praktických výpočtech pro směsi zemního plynu s daným průtokem vzduchu (hodnota tohoto koeficientu se rovná číslu at V při výpočtu hodnoty n) průměry vypalovacích otvorů doheň lze akceptovat na základě podmínek pro zabránění oddělení plamene a průniku podle obrázku 2 a dodatku 8.
Obrázek 2 Rychlosti odlamování plamene v otevřené atmosféře směsí zemního plynu se vzduchem v závislosti na velikosti požárních otvorů a obsahu primárního vzduchu.
a – vícenásobná světlice; b – hořák s jedním hořákem
10) Podle zvolené velikosti doheň určete počet otvorů pomocí vzorce
11) Délka rozdělovače trysek hořáku je určena vzorcem
kde s je vzdálenost mezi osami otvorů hořáku (rozteč otvorů), mm;
m – počet řad otvorů, ks.
Volbu optimální vzdálenosti mezi osami otvorů hořáku pro zajištění plynulosti hoření, ale bez vzájemného slučování jednotlivých hořáků, lze provést s ohledem na následující podmínky:
Hodnoty smin и smax jsou přijímány podle přílohy 9.
12) Optimální vzdálenost l od okraje trysky ke vstupní části hrdla směšovače
3.4.2 Výpočet středotlakých plynových hořáků se vstřikováním
Činnost vstřikovače středotlakého hořáku (obrázek 3) je v zásadě podobná činnosti vstřikovače nízkotlakého hořáku, ale vyznačuje se výrazně vyššími průtoky plynu z trysky, dosahujícími kritických hodnot.
Výpočet hořáku začíná určením průtoku plynu Qг , pokud není specifikován průtok plynu (viz vzorec 83).
Další výpočty se provádějí v následujícím pořadí:
1) S poměrem absolutních tlaků za a před tryskou p2/p10,5, průměrná rychlost proudění plynu z trysky je určena vzorcem
kde k – adiabatický index se rovná zemnímu plynu 1,3 a pro zkapalněný uhlovodíkový plyn 1,13;
p1 – absolutní tlak plynu před tryskou, Pa;
p2 – absolutní tlak plynu na výstupu z trysky, Pa (ve výpočtech se bere jako rovný 103300 Pa);
1 – hustota plynu při tlaku plynu p1, kg/m3;
– výfukový koeficient (bráno podobně jako u nízkotlakých hořáků).
Obrázek 3 Konstrukční schéma středotlakého vstřikovacího hořáku
2) Plocha průřezu trysky fD1 a průměr trysky D1 určeno podle vzorců 84 a 85.
3) Průměr hrdla kohoutku D3 je určena vzorcem (86), přičemž násobek nástřiku je určen vzorcem
n=1 V , m 3 /m 3, (96),
kde V – teoretické množství vzduchu, m 3 / m 3 (viz vzorec 66);
1 – koeficient spotřeby vzduchu u středotlakých hořáků 1,05 – 1,1.
4) Průměr konfuzoru je určen vzorcem
D2= (1,7 – 2,0) D3 , mm, (97).
5) Průměr difuzoru je určen vzorcem
D4 = (1,5 – 1,7) D3 , mm, (98).
6) Průměr kráteru (požární díry) je určen vzorcem
Dcr = (1,07 – 1,1) D3 ,mm, (99).
7) Délka konfuzoru je určena vzorcem
l1 = (1,5–1,7) D3 , mm, (100).
Délka hrdla směšovače hořáku je určena vzorcem
l2 = (3 – 4) D3 , mm, (101).
9) Délka kráteru (požární trysky) je určena vzorcem
l4 = (1,0 – 1,5) D3 , mm, (102).
Pokud je jako stabilizátor použit tunel, pak se jeho rozměry berou podle poměrů:
DТ = (2,5 – 2,6) Dcr , mm, (103).
lТ = (2,5 – 6,0) Dcr , mm, (104).
Rychlost výstupu směsi plynu a vzduchu z kráteru hořáku by měla být v rozmezí 10 – 20 m/s. Tato rychlost může být určena vzorcem
kde Qcm – objem směsi plynu a vzduchu, m3/h, který je určen vzorcem
Pokud rychlost Wcm překročí zadanou mez, je nutné při určování průměrů změnit přijaté hodnoty a výpočet opakovat.
Poté zkontrolujte stabilitu hořáku při maximálním a minimálním tlaku plynu před tryskou. Maximální tlak v projektu kurzu je brán z podmínky trojnásobného přetížení, tzn. pmax=3p1 (význam p1 překročení je akceptováno), ale ne více než 90 kPa. Předpokládá se minimální tlak pmin= 0,1 p1, ale ne méně než 5 kPa.
Poté se pomocí vzorce 95 určí průtok plynu z trysky a vypočte se průtok plynu hořákem pomocí vzorce
Vzorce 105 a 106 se používají k určení rychlosti odchodu směsi plynu a vzduchu z kráteru hořáku Wcm . S pmin určit hodnotu kdy pmax – význam . Hodnota minimální rychlosti se porovnává s rychlostí pronikání plamene, která je určena podle obrázku 4, a hodnota maximální rychlosti se porovnává s rychlostí separace plamene, která je určena podle obrázku 2; tunelu se bere rychlost 100 m/s.
Obrázek 4 Maximální průrazné rychlosti plamene v jednoramenných vstřikovacích plynových hořácích pro směsi zemního plynu se vzduchem
1- hořák v otevřené atmosféře;
2 – hořák s keramickým tunelem
Na listu grafické části projektu by mělo být nakresleno schéma hořáku se všemi rozměry.
Přesný výpočet plynových hořáků je úkol nepřiměřeně složitý, takže praxe vyvinula různé metody přibližného výpočtu, které dávají docela přijatelné výsledky.
Rýže. 1. Schémata pro přívod plynu do vzduchu s příčným prouděním
a) v centru, b) z periferie
V elektrárnách se hojně používají plynové hořáky, u kterých je proud vzduchu příčně protínán malými proudy plynu, plyn lze přivádět centrálním potrubím (hořák „trubka v trubce“) (obr. 1a) nebo z periferii (obr. 1b).
Proud plynu, který proniká proudem vzduchu, bude tímto proudem unášen. Po dosažení určité vzdálenosti od stěny rozdělovače plynu h středová osa proudu plynu se bude shodovat se směrem proudícího vzduchu. Tato vzdálenost se nazývá hloubka průniku paprsku do driftového proudu a závisí na průměru trysky dc vytékající proud a poměr rychlosti (Wг, Wв) a hustoty (ρг, ρв) plyn a vzduch. Pro rovnoměrnější rozložení proudů plynu po průřezu hořáku a pro lepší promíchání plynu se vzduchem jsou vyrobeny plynové trysky ve dvou řadácha první (podél vzduchu) řada trysek má větší průměrnež ten druhý.
Základním vzorcem pro výpočet takových hořáků je závislost získaná na základě četných experimentů Yu.V. Ivanova pro stanovení relativní hloubka průniku proudů plynu v příčném proudění vzduchu:
kde Кs – empirický koeficient v závislosti na relativní rozteči mezi tryskami umístěnými ve stejné řadě.
Obrázek 2 ukazuje přibližnou povahu geometrie plynových trysek proudících do příčného proudu vzduchu.
Vlivem proudění vzduchu se trajektorie paprsku zakřiví a samotný paprsek se díky rozostření difuze rozšíří. V úseku, kde osa proudu plynu nabírá směr proudění vzduchu, je jeho jmenovitý průměr podle experimentálních údajů:
dstránku= 0,75h . (2)
Rýže. 2. Schéma šíření plynového paprsku
v příčném proudění vzduchu
Otvory (trysky) pro výstup plynu musí být umístěny tak, aby trysky v úseku, kde nabírají směr proudění, pokrývaly celý úsek.
Při výpočtu plynových hořáků pro určení hloubky průniku paprsku pomocí vzorce (1) je nutné předem nastavit hodnoty rychlostí plynu a vzduchu a vycházet z doporučení získaných experimentálně.
Metoda výpočtu plynového hořáku
Schéma hořáku typu „pipe-in-pipe“ je znázorněno na obr. 3.
Rýže. 3. Koaxiální hořák typu „pipe-in-pipe“.
1 – požární tryska se špetkou, 2 – lopatky, 3 – vzduchová komora, 4 – rozdělovač plynu
Počáteční data pro výpočet
Poměr přebytečného vzduchu α
Rychlost vzduchu Wв , slečna
Rychlost plynu na výstupu z trysek Wг , slečna
Teplota horkého vzduchu tв , ºC
Teplota plynu tг , ºC
Objemový průtok plynu na hořák (u č.) G о г , m 3 / h
Rychlost plynu v potrubí (v plynovém potrubí) Wg.tr. , slečna
Složení plynu podle objemu, %: CH4 C2H6 C3H8 C4H10 , N2 , CO2
Hustota plynu (při 0 o C) ρ о г , kg/m3
Spalné teplo plynu Qi d , MJ/m 3
Postup výpočtu
1. Podle materiálové bilance procesu spalování plynu (viz poznámky k přednášce) jsou určeny:
1.1. Objem vzduchu teoreticky potřebný ke spálení plynu V o , m 3 / m 3
1.2. Teoretický objem spalin:
1.2.1. Objem tříatomových plynů , m3/m3
1.2.2. Objem dusíku, m 3 / m 3
1.2.3. Objem vodní páry , m3 / m3
1.2.4. Celkový teoretický objem spalin V o г , m3 / m3
1.3. Skutečný objem vzduchu V , m 3 / m 3
1.4. Skutečný objem spalin:
1.4.1. Objem tříatomových plynů: , m 3 / m 3
1.4.2. Objem dvouatomových plynů: , m 3 / m 3
1.4.3. Objem vodní páry , m3 / m3
1.4.4. Celkový skutečný objem spalin Vг , m3 / m3
2. Skutečný objemový průtok vzduchu (při dané teplotě vzduchu) Gв m3/s
3. Skutečný objemový průtok plynu (při dané teplotě plynu)
4. Z rovnice proudění plynu se určí vnitřní průměr potrubí přívodu plynu (plynového potrubí) (obr. 2) dext :
kde Wg.tr – rychlost plynu v zásobníku.
5. Vnější průměr rozdělovače plynu
dн =dext +2umění.,
kde tloušťka stěny kolektoru plynu δumění. = 4 mm.
6. Z rovnice proudění vzduchu
je určen vnitřní průměr vnějšího přívodního potrubí vzduchu Dext.
9. Definice hloubka průniku velké и malé proudy plynu do proudu vzduchu.
Při výpočtu hloubky průniku proudů plynu proudících z velkých a malých trysek se předpokládá, že v úseku, kde velký a malý proud nabírají směr proudění vzduchu, se dostanou do vzájemného kontaktu a vnější hranice velké proudy dosahují vnější hranice prstencového kanálu. V tomto případě průměry trysek podle vzorce (2):
Dstránku = 0,75H и dstránku = 0,75h .
Z diagramu šíření paprsku v prstencovém kanálu (obr. 2) vyplývá, že hloubka průniku velké trysky
10. Pomocí vzorce (1) se určí průměry velké dб и malé trysky dм (je přijímáno Кs= 1,6)
11. Za předpokladu, že podle doporučení je při centrálním přívodu plynu 80 % jeho objemu přiváděno velkými tryskami a 20 % malými tryskami, jsou určeny geometrické charakteristiky hořáku:
