1. Коэффициент первичного воздуха

Для диффузионных горелок коэффициент первичного воздуха равен нулю (а'_т = 0). У горелок беспламенного типа весь воздух, необходимый для горения, подается, как первичный, т. е. а'_т = а.

Коэффициентом первичного воздуха (а'_т) для атмосферных горелок задаются из ряда соображений, и принятое его значение ложится в основу дальнейшего расчета. Горелки этого типа работают с коэффициентом первичного воздуха от 0,3 до 0,8. Значения а'_т менее 0,3 не применяются из-за того, что при малых коэффициентах первичного воздуха пламя принимает коптящий характер. Для коэффициентов первичного воздуха больше 0,8 сильно сближаются пределы отрыва и проскока пламени, т. е. уменьшается зона устойчивой работы горелки. Это сильно усложняет эксплуатацию горелки, требует установки специальных автоматов, гарантирующих работу горелки в устойчивой зоне, и понижает надежность ее работы. Желание принять больший коэффициент первичного воздуха объясняется тем, что с его увеличением падает необходимый коэффициент избытка воздуха и увеличивается тепловое напряжение объема топки. Учитывая вышеизложенные соображения, можно считать, что оптимальное значение коэффициента первичного воздуха лежит в пределах 0,6…0,8, в зависимости от состава газа и конструкции топки.

2. Определение к. П. Д. Топки

Коэффициент полезного действия газовой топки (η_т) выражается формулой:

где: q₃ % - потери с химической неполнотой сгорания;

% - потери топкой в окружающую среду.

К.п.д. называется условным, так как не учитывается влияние избытка воздуха, отражающегося на величине потери с отходящими газами.

Потери от механической неполноты сгорания (q₄) для газообразного топлива равны нулю.

зависит от конструкции котла, топки, а также от форсировки котла и не зависит от рода сжигаемого топлива. Поэтому имеет те же значения, что и для твердого топлива (обычно потери в окружающую среду принимают равными 0,5%).

Правильно сконструированные и хорошо эксплуатируемые топки работают со следующими потерями от химической неполноты сгорания:

а) для топок, оборудованных диффузионными горелками q₃ = 0,5- 1,0%

б) для топок с атмосферными горелками q₃ = 0,0 - 0,8 %

в) для топок с горелками беспламенного типа q₃ = 0,0 %

3. Расчет и конструирование головки горелки

Метод расчета головок диффузионных и атмосферных горелок принципиально одинаков. Как те, так и другие имеют аналогичные конструктивные формы и размещаются в поперечном сечении топки.

Отличие их заключается в том, что для диффузионных горелок а'_т =0, а для атмосферных — а'_т = 0,2 - 0,8. Поэтому в дальнейшем расчет и конструирование головок диффузионных и атмосферных горелок рассматривается одновременно.

Первая задача, которая ставится при проектировании головки, заключается в том, чтобы при всех режимах работы котла обеспечивалось устойчивое горение газа.

Зная коэффициент первичного воздуха, нужно задаться диаметром выходных отверстий головки горелки и выбрать оптимальное значение теплового напряжения отверстия горелки Q/Σf_от. Принятое тепловое напряжение должно обеспечивать максимальные пределы колебания нагрузки котла, которые не вызывают потери устойчивости горения газа.

Для смешанного газа, имеющего большую скорость распространения пламени, следует задаваться относительно меньшими диаметрами отверстий, чем для природного газа. Чем больше, давление газа перед горелкой, тем большие диаметры отверстий могут быть приняты с соблюдением максимальной устойчивости горения газа. Числовые значения тепловых напряжений Q/Σf_от следует выбирать на основании испытаний аналогичных конструкций горелок. Если сжигается смешанный или природный газ, тогда при выборе Q/Σf_от можно ориентироваться на графики приведенные на рисунках, а также в табл. 1 и 2.

Диаметр отверстий диффузионных горелок рекомендуется выбирать в пределах 0,5…5,0 мм. При выборе малого диаметра необходимо учитывать его легкую засоряемость.

Диаметр отверстий атмосферных горелок выбирается от 2,0 до 10,0 мм. Диаметры более 10 мм для того, чтобы не было проскока пламени, требуют больших тепловых напряжений Q/Σf_от а, следовательно, и повышенных давлений газа.

В большинстве случаев головка диффузионной горелки представляет собой трубу с просверленными в ней отверстиями, поэтому глубина выходного канала зависит от толщины стенки трубы. Для горелок атмосферного типа глубину выходных каналов рекомендуется принимать в пределах 2,5…3,0 диаметров отверстия.

При больших коэффициентах первичного воздуха для понижения предела проскока пламени рекомендуется заменять цилиндрические каналы суживающимися коническими каналами.

Приняв тепловое напряжение отверстий Q/Σf_от можно определить их площадь для одной горелки:

, [м²]

где: Q_гор [ккал/час] — тепловая производительность горелки;

[м²] — общая площадь выходных отверстий для одной горелки;

Q/Σf_от — тепловое напряжение отверстий головки горелки.

Число отверстий определяется, исходя из их диаметра:

где: N — число отверстий в головке горелки; d [мм] — диаметр отверстий.

При расположении отверстий по головке горелки необходимо учитывать следующие соображения:

1. вторичный воздух должен иметь непосредственный подход к язычкам пламени, хотя бы с одной стороны;

2. если отверстия располагаются в два ряда, то предпочтительнее шахматное расположение, чем коридорное;

3. для лучшего омывания каждого язычка пламени вторичным воздухом рекомендуется располагать выходные каналы в отдельных сосках, выступающих над верхней плоскостью головки горелки;

4. максимальный шаг отверстий диктуется возможностью передачи пламени от отверстия к отверстию. Из этих соображений шаг отверстий не следует брать больше 3,0 - 4,0 диаметров. При выборе шага отверстий для диффузионных горелок можно ориентироваться на данные табл. 2;

5. при малом шаге отверстий соседние язычки пламени будут сливаться, в результате чего будет увеличиваться высота пламени;

6. в случае необходимости увеличения сечения для прохода газовоздушной смеси можно перейти от отдельных отверстий к щелям. Однако при этом необходимо учитывать, что щелевые горелки имеют более высокие пределы проскока, а также отрыва пламени и большую высоту пламени, чем горелки с отдельными отверстиями.

Расположив отверстия по головке горелки, можно выявить ее габариты. При определении этих габаритов следует учитывать величину ее поперечного сечения. Для более равномерного распределения газовоздушной смеси по отверстиям горелки рекомендуется принимать поперечное сечение головки в 1,7…2,5 раза больше суммарного сечения выходных отверстий Σf_от. Для диффузионных горелок эта величина может быть доведена до 1,0.

Выходное сечение головки беспламенной горелки выбирается также из условий устойчивого сжигания газа.

Как показывает опыт эксплуатации этих горелок, отрыв пламени бывает при скоростях выхода газовоздушной смеси больших 30-45 м/сек.

Чтобы избежать проскока пламени, эту скорость не следует принимать ниже 6-12 м/сек.

Задавшись скоростью выхода газовоздушной смеси, можно определить площадь выходного отверстия горелки:

[см²]

где: F_от [cм²] - площадь выходного отверстия головки горелки;

u - весовой коэффициент инжекции;

s - удельный вес газа относительно воздуха;

W_om [м/сек] - скорость газовоздушной смеси в выходном отверстии.

Головка горелки рекомендуется коническая, суживающаяся. Такая форма головки лучше выравнивает выходное поле скоростей и повышает устойчивость горения газа. Для понижения предела проскока пламени головку горелки часто делают с водяным охлаждением.

У беспламенных горелок непосредственно за головкой располагается огнеупорный насадок. При проектировании этого насадка необходимо стремиться к тому, чтобы максимально развивать застойные зоны продуктов горения, служащие устойчивым источником зажигания смеси. В процессе работы насадок сильно раскаляется, поэтому материал, из которого он изго­товлен, должен выдерживать высокие температуры. Более подробные данные о насадках беспламенных горелок можно найти книге проф. М. Б. Равича.