Расчет инжекционных смесителей излучающих горелок с учетом гидравлического сопротивления насадка
Газовые излучающие горелки используют в основном при низ- жом давлении газа перед соплом. Коэффициент избытка первичного воздуха при сжигании газа в них, как указывалось выше, составляет «=1,05, это значит, что при работе на природном газе необходимо подсасывать 10-кратный, а при работе на сжиженном газе 26-кратный объем воздуха. При этом коэффициент инжекции должен оставаться в допустимых пределах даже при значительных колебаниях давления газа в сети, так как горелка должна работать без химического недожога. Обеспечение стехиометрического состава газовоздушной смеси — одна из главных задач при проектировании ГИГ. Эта задача выполнима при соответствующем расчете инжекционного смесителя.
В литературе описано большое число методов и приведено множество формул для расчета инжекционных смесителей [1, 24, 25, 33, 59, 61]. Предлагаемые различными авторами формулы (при всем их многообразии и различии) можно разделить на две группы. К первой относятся формулы, позволяющие определить такие размеры инжекционного смесителя при заданном гидравлическом сопротивлении на выходе из него, которые обеспечивают необходимый коэффициент инжекции при определенном давлении газа; ко второй — позволяющие определить размеры инжекционного смесителя, обеспечивающие получение максимального коэффициента инжекции при заданном относительном противодавлении или же преодоление максимально возможного противодавления при заданном коэффициенте инжекции. Такой метод расчета называется расчетом по оптимальным соотношениям. Формулы второй группы позволяют рассчитывать инжектор даже тогда, когда гидравлические сопротивления за ним неизвестны. При этом, если действительное гидравлическое сопротивление на выходе окажется меньше предельно допустимого, то рассчитанный инжектор будет обеспечивать больший, чем требуется для горения, коэффициент инжекции; это приводит к необходимости принимать дополнительные конструктивные меры для снижения коэффициента инжекции. Кроме того, размеры инжектора при этом оказываются завышенными по сравнению с полученными по формулам первой группы.
Воспользуемся основным уравнением для расчета смесителей при учете гидравлических сопротивлений на выходе из инжектора, приведенным в работе [33]:
При проектировании горелок ГИИ-1, ГИИ-3, ГИИ-8 и .других, разработанных ГипроНИИГазом, инжекторы газовых смесителей рассчитывались по оптимальным соотношениям, так как не были известны гидравлические потери в излучающих насадках и, следовательно, соответствующие им коэффициенты гидравлических сопротивлений. По формуле (2.99) были определены оптимальные соотношения площадей поперечного сечения цилиндрической камеры смешения и газового сопла для природного и сжиженного газов; при т = 10 &ОПт=198, а при т = 26 &Опт = 405. Как и следовало ожидать, коэффициент инжекции и размеры указанных выше горелок оказались несколько завышенными. При полностью открытом регуляторе первичного воздуха коэффициент инжекции при работе на природном газе составил т=13. Подсос воздуха приходилось уменьшать, создавая с помощью воздушной заслонки дополнительное местное сопротивление на входе воздуха в инжектор. Кроме того, не удалось обеспечить унификацию инжекционных смесителей для излучателей, работающих на природном и сжиженном газах [36]. В этой связи Саратовский экспериментальный завод «Газаппарат» выпускал одни горелки (ГИИ-3) для работы на природном газе, другие (ГИИ-8) —на сжиженном газе, имеющие равную тепловую мощность (7,424 кВт).
Для точного расчета инжекторов на заданный коэффициент инжекции автором были проведены исследования гидравлических сопротивлений ГИГ и определены коэффициенты гидравлического сопротивления огневых насадков с
Обработка экспериментальных данных по коэффициентам местных гидравлических сопротивлений излучающих насадков с каналами разного диаметра показала, что во всех случаях экспериментальная зависимость значения этого коэффициента ? от скорости газовоздушной смеси в огневых каналах может быть .представлена в следующем виде:
Ранее было показано [33], что изменение коэффициента инжекции в зависимости от давления газа перед соплом можно определить, находя для каждого значения /ц—ро значение ? по графику. Обработка экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что данную задачу можно решить аналитически.
Для упрощения уравнения (2.98) примем, что Ц2~0,71 (в действительности Ц2=0,765). Тогда
По уравнению (2.104) можно построить для имеющегося инжекционного смесителя зависимость коэффициента инжекции от давления газа. На рис. 2.18 построены соответствующие зависимости для различных значений k при работе на природном газе [б1 = 0,73 кг/м3 или qi=0,0744 кг-с2/м2 и pi = 0,9] для излучающего насадка с dorH=l,55 мм.
В конструкциях излучающих горелок, работающих на газе н низкого давления, следует предусматривать широкий диапазон возможного изменения давления газа перед соплом. Приняв в качестве номинального давление природного газа 1274 Па (130 мм вод. ст), поставим в виде дополнительного требования условие, чтобы необходимое значение коэффициента инжекции обеспечивалось при снижении удельной тепловой нагрузки с 20,88-104 до 9,28-104 Вт/м2, когда температура излучающего насадка снижается до минимальной рабочей 873 К. Уменьшению тепловой нагрузки и расхода газа в 2,25 раза соответствует уменьшение давления газа в 5,06 раза, следовательно, нижним пределом рабочего давления можно считать давление 252 Па (25 мм вод. ст.).
Решая уравнение (2.104) относительно k (подставляя значения 10; р 1—р0=25 мм вод. ст.), находим, что с= 140. Увеличение давления газа перед соплом до 1960 Па (200 мм вод. ст.) влечет за собой изменение коэффициента инжекции до 19,9, что соответствует а=1,14. Как видим, горелка с рассчитанным по вышеприведенной методике инжектором, работает удовлетворительно во всем рабочем диапазоне изменения давления.
При конструировании горелок ГК-23, ГК-27У, ГК-1-38 и других в ГипроНИИГазе пользовались предложенной методикой, что позволило создать унифицированные инжекторы горелок, способные удовлетворительно работать как на природном, так и на сжиженном газе. Данную методику использовали на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции СПИ при расчете инжекторов газовых высокотемпературных ГИГ беспламенного типа ВГИ/ГЦ, ГИ-01 и др. Предлагаемая методика позволяет решить и обратную задачу. По уравнению (2.104) можно построить для имеющегося инжекционного смесителя зависимость коэффициента инжекции от давления газа перед соплом и, следовательно, определить оптимальный диапазон работы ГИГ.
