Раздел 1. Основные принципы горения.

Азбука горения.

Раздел 1. Основные принципы горения.

Основные реакции.

 

Процесс горения - это, по сути, быстро протекающая реакция окисления топлива. Реакция сопровождается видимым физическим явлением - "пламенем" и выделением большого количества тепловой энергии.

В результате реакции окисления, углерод соединяется с кислородом, образуя не ядовитый газ: двуокись углерода (углекислый газ) с выделением некоторого количества теплоты.

 

 

Таким же образом водород, вступая в реакцию с кислородом, образует водяной пар и некоторое количество теплоты.

 

 

Необходимо учитывать, что реакция окисления (горение) происходит нормально только при строго определенном "стехиометрическом" соотношении топлива и кислорода в топливной смеси.

В противном случае, те. при избытке топлива или недостатке кислорода в топливной смеси, сгорание топлива будет происходить не полностью. Одна часть топлива вступает в реакцию окисления с кислородом, а другая не получает достаточного количества кислорода и сгорает частично. При этом снижается количество выделяющейся теплоты по сравнению с тем, которое выделилось бы при полном сгорании. В результате неполного сгорания, как видно из нижеприведенной формулы, неполное окисление углерода, содержащегося в топливе, сопровождается образованием угарного газа (CO), который является высокотоксичным веществом.

 

 

Неполное сгорание иногда требуется в специальных промышленных термических процессах, но его следует избегать при любых других обстоятельствах.

Помимо двуокиси углерода и водяного пара при горении также образуются и другие вещества, но в меньшем количестве: оксиды серы, оксиды азота, угарный газ, оксиды металлов, - об этом будет рассказано ниже.

 

Рисунок 1. Условное изображение факела

 

 

Виды топлива.

Топливо - это вещество, при вступлении которого в реакцию с кислородом воздуха, образуется значительное количество тепловой энергии, а также небольшое количество электромагнитной энергии (свет), механической энергии (шум) и электрической энергии (ионы и свободные электроны).

Топливо можно классифицировать на основе его обычного физического состояния:

твердое,

жидкое,

газообразное

и на основе его происхождения:

природное,

искусственное,

производное топливо.

Наиболее распространенные виды топлива представлены в таблице 1.

Природное топливо сконцентрировано в подземных месторождениях, откуда его извлекают для дальнейшей переработки. Как правило, природное топливо нельзя использовать сразу, поскольку его химический состав и свойства могут очень сильно различаться в зависимости от месторождения и времени добычи. Для эффективного и безопасного использования топлива необходимо обеспечить постоянство его физико-химических характеристик на протяжении всего времени использования.

Типичные методы обработки (обогащения) природного топлива основаны на увеличении концентрации в единице массы или объёма горючих составляющих и удалении вредных и инертных примесей.

Древесный уголь получают из древесины, посредством медленного и частичного сжигания внутри специальной ямы, закрытой землей.

При дистилляции антрацита с низким уровнем жирности при умеренной температуре получают кокс.

Путём таких процессов синтеза, как сухая перегонка, частичное окисление или реакция с парами воды из угля можно получить различные виды искусственного газообразного топлива.

Всё искусственное жидкое или газообразное топливо можно получить при дистилляции нефти.

Перед использованием природного газа, посредством десульфуризации, из него необходимо удалить крайне загрязняющую составляющую - H₂ S, вместе с инертной фракцией - СO₂.

Все эти процессы направлены на то, чтобы сделать химический состав топлива однородным, - тогда его легче и выгоднее использовать.

В частности, жидкое и газообразное топливо легче транспортировать и очень легко дозировать - чтобы обеспечить полноту сгорания. По этой причине является предпочтительным для вентиляторных горелок именно данный тип топлива.

Все виды топлива характеризуются следующими основными показателями:

Теплотворная способность

Теплотворная способность - это количество тепла, произведённого при полном сгорании единицы массы или объёма топлива.

Теплотворная способность измеряется в кДж/Нм³ (1) для газа и в кДж/кг для жидкого и твердого топлива.

Существуют два значения теплотворной способности:

- высшая теплотворная способность (ВТС) учитывает количество теплоты, полученной при полном сгорании единицы массы или объёма топлива с учётом теплоты, полученной при конденсации водяных паров из дымовых газов;

- низшая теплотворная способность (НТС), учитывает количество теплоты, полученной при полном сгорании единицы массы или объёма топлива без учёта теплоты, полученной при конденсации водяных паров из дымовых газов;

ВТС и НТС связаны между собой следующим соотношением:

ВТС = НТС + количество теплоты полученное при конденсации водяных паров из дымовых газов.

Т.к. в теплогенераторах температура дымовых газов выше температуры конденсации водяных паров, в расчётах используются значение НТС (кроме конденсационных котлов, т.е. установок имеющих специальные устройства для конденсации водяных паров из дымовых газов, - в этих случаях в расчетах используются значения ВТС).

Точка росы

Это значение температуры, при достижении которой водяной пар, содержащийся в дымовых газах, начинает конденсироваться. Эта темпе­ратура может сильно отличаться от стандартного значения 100°С и зависит от кислотности дымовых газов и наличия в них водяного пара. Измеряется в градусах Цельсия (°С).

Взрывоопасная концентрация

Это диапазон концентрации газа в воздухе, выраженный в процентах, в котором данная смесь является взрывоопасной.

Число Воббе

Этот параметр определяет тепловую мощность газа. Оно определяется из соотношения между высшей теплотворной способностью и квадратным корнем относительной плотности газа.

 

Этот коэффициент очень полезен для оценки взаимозаменяемости газообразного топлива двух различных видов.

Если некоторый газ имеет отличные теплотехнические характеристики по сравнению с основным газом, но имеет такое же число Воббе, его можно использовать в системах, которые изначально были спроектированы для работы на основном газе.

Этот параметр также удобно использовать при расчёте потерь давления (при выборе газовой рампы), когда используются различные типы газов (см. руководство на горелку). Потери давления газа определяют по следующей формуле:

 

Для жидкого топлива имеют большое значение следующие основные физические характеристики:

Вязкость

Это межмолекулярное трение жидкости, а следовательно, макроскопическая величина, которая описывает степень сопротивления жидкости движению.

Динамическая вязкость (или абсолютная вязкость) - это тангенциальная составляющая силы на единицу площади двух параллельных плоскостей, отстоящих друг от друга на единицу расстояния, при условии, что расстояние между ними заполнено жидкостью и одна плоскость движется с единицей скорости по отношению к другой.

В системе Си единицей измерения динамической или абсолютной вязкости является (Н*/м²).

На практике используют кинематическую вязкость, которая равна абсолютной вязкости жидкости, делённой на её плотность.

В системе Си кинематическая вязкость измеряется в (м²/с). В технических системах кинематическую вязкость измеряют в (см²/с). Эта единица измерения называется "стокс» (Ст). Часто вместо стокса используют его сотую часть, называемую сантистокс (сСт), которая измеряется в (мм/с).

Для измерения вязкости жидкости используются самые разные вискозиметры.

Каждому из этих приборов соответствует своя единица измерений.

В Европе, помимо сантистоксов, наиболее распространённой единицей измерения является градус Энглера (°Е).

Вискозиметр Энглера - это термостатический контейнер с калиброванным отверстием, через которое вытекает 200 см³ тестируемой жидкости и измеряется время ее выливания. Соотношение между этим временем и временем выливания 200 см³ воды и дает °Е вязкости.

Из-за большого количества измерительных инструментов и соответственно - единиц измерения возникают затруднения при переводе из одной единицы в другую. В разделе 5 приведены номограммы и таблицы примерного перевода.

Рисунок 3. Пример вискозиметра

Температура воспламенения

Это минимальная температура, при которой воспламеняется смесь воздуха и паров, образовавшихся из жидкого топлива, при наличии соответствующего инициирующего заряда (искры). Она измеряется в градусах Цельсия °С.

Центробежное распыление.

 

Наиболее распространен механический метод, когда находящееся под давлением жидкое топливо распыляется через специальные форсунки с винтообразными каналами. При применении этого метода, благодаря резкому изменению потока и удара о препятствие под высоким давлением (10 - 30 бар), жидкий нефтепродукт разбивается на очень большое число мельчайших капель. Размер капель зависит от давления распыления, от типа форсунки и от вязкости топлива.

Другая система распыления, называемая "пневматической", состоит в том, что на выходе их механической форсунки, капли жидкого топлива распыляются на более мелкие с помощью воздуха или пара подаваемых под высоким давлением. Этот метод обеспечивает очень хорошее распыление густых нефтепродуктов, но в то же время диктует сложную конструкцию горелки и присутствие сжатого воздуха или пара с рабочим давлением 5-9 бар. Стоимость такой горелки превышает стоимость классических механических моделей.

Центробежное распыление используется в ротационных горелках. Формирование капель топлива осуществляется в специальной ротационной чаше, посредством центробежной силы. Такой тип распыления применяется на некоторых горелках промышленного назначения.

Помимо перечисленных систем распыления существуют системы механического распыления с использованием модифицированного жидкого топлива. Обычно модифицированное топливо представляет из себя эмульсию на основе жидкого топлива и воды. Попадая в факел, вода, содержащаяся в капле эмульсии, превращается в пар и разрывает её на более мелкие капли. Благодаря этому процессу достигается более эффективное распыление топлива.

Независимого от метода, с помощью которого достигается удовлетворительная степень распыления, жидкое топливо должно обладать достаточно низкой вязкостью.

Вязкость жидкого топлива тесно связана с температурой. Чем выше температура, тем ниже вязкость. Поэтому некоторые виды жидкого топлива необходимо предварительно подогревать.

Как правило, вязкость жидкого топлива, необходимая для получения хорошей степени распыления, намного меньше чем, та, которая требуется для его перекачивания. Иными словами для того, чтобы хорошо распылить жидкое топливо требуется намного более высокая температура, чем для того, чтобы его перекачать. Эта особенность учитывается при проектировании промышленных систем топливоподачи (см. главу 2.6).

Значение вязкости, необходимой для достижения нужной степени распыления жидкого топлива, зависит от типа горелки и от типа форсунок. Как правило, форсунки рассчитываются исходя из вязкости топлива от 1,5°Е до 2.5°Е при 50°С (в зависимости от типа топлива) Вязкость диктует температуру предварительного подогрева. Например, используется топливо с вязкостью 22°Е при 50°С. Для того, чтобы довести вязкость до 3°Е на форсунке топливо необходимо предва­рительно подогреть до температуры 90 - 100°С.

В таблице 3 приведены наименования жидкого топлива, используемые в разных странах, а в таблице 4 даны соответствующие теплотехнические характеристики.

 

 

Оксиды серы.

 

Оксиды серы - токсичные для человека вещества.

Диоксид серы (SO₂ ) вызывает раздражение глаз и слезотечение при концентрации в воздухе свыше 300 мг/Нм³. А опасный для жизни порог оценивается приблизительно в 500 мг/Нм³

Формирование оксидов серы происходит при умеренной температуре. В обычных условиях высокой температуры факела и избытка воздуха в 20% почти вся сера, содержащаяся в топливе, окисляется до SO₂.

Диоксид серы - это бесцветный газ с плотностью примерно в два с половиной раза больше плотности воздуха. В закрытых помещениях он стелется по земле.

Триоксид серы (SO₃ ) может образовываться при низкой температуре горения (400°С) например, в процессе наладки горелки, когда горение осуществляется при большом количестве избыточного воздуха или при использовании чистого кислорода.

Триоксид серы вступает в реакцию с водяными парами с образованием серной кислоты H₂SO₄, которая является коррозийной средой и может разъедать поверхности нагрева теплогенератора.

Меры по снижению содержания в выбросах SO₂ и SO₃, основаны преимущественно на превентивном воздействии на топливо на этапе его производства, где применяются каталитические десульфурирующие процессы.

На больших предприятиях, работающих с тяжелыми фракциями нефтепродуктов, оксиды серы удаляют с помощью абсорбции растворами на водной основе, которые могут задерживать до 90% вредных веществ.

 

 

Оксиды азота.

 

Монооксид азота (NO) - это бесцветный, без запаха, плохо растворимый в воде газ. Он составляет более 90% от всех оксидов азота, образуемых при высокотемпературном горении. Если концентрация находится в пределах от 10 до 50 ppm. он не является сильно токсичным раздражающим веществом.

Диоксид азота (NO₂ ) - это газ, который заметен даже при небольшой концентрации: он имеет коричневато-красноватый цвет и особый острый запах. При концентрации более 10 ppm. является сильным коррозийным веществом и сильно раздражает носовую полость и глаза. При концентрации более 150 ppm. вызывает бронхит, а свыше 500 ppm. - отек легких, даже если воздействие длилось всего несколько минут.

Монооксид азота NO, который присутствует в городском воздухе, может самопроизвольно переходить в диоксид азота NO₂ при фотохимическом окислении.

Существуют три пути образования оксидов азота, различающиеся по способу происхождения, но не по химическому составу:

1. тепловые оксиды азота (тепловые NOx);

2. быстрые оксиды азота (быстрые NOx);

3. топливные оксиды азота (топливные NOx).

 

Тепловые оксиды азота, составляющие большинство, образуются при высокой температуре (Т>1500 К) и при условии высокой концентрации кислорода при окислении атмосферного азота в процессе горения. Тепловые оксиды образуются при сжигании газообразного топлива (природный газ и сжиженный нефтяной газ) и топлива, в котором не содержатся вещества, имеющие в своем составе азот

Быстрые оксиды азота образуются при связывании атмосферного азота углеводо­родными частицами (радикалами), которые присутствуют в зоне факела. Этот метод образования оксидов протекает с очень высокой скоростью (отсюда их название; быстрые). Образование быстрых оксидов прежде всего зависит от концентрации радикалов в корневой части факела. При окислительном пламени (горение происходит с избытком кислорода) их вклад незначителен, но при сжигании обогащенных смесей и при низкотемпературном горении их доля может достигать 25% от общего содержания оксидов азота.

Топливные оксиды азота образуются при окислении азотосодержащих веществ, присутствующих в топливе в зоне факела. Концентрация топливных оксидов может достигать значительных размеров, если содержание в топливе азотосодержащих веществ превышает 0,1% от веса. Как правило, это касается только жидкого и твердого топлива.

На рис. 5 показано соотношение между NOx разных типов в зависимости от типа топлива (при стандартных условиях горения):

Доля быстрых оксидов азота более или менее постоянна, в то время как доля топливных оксидов азота увеличивается при горении видов топлива с более высоким молекулярным весом. При этом доля тепловых оксидов азота снижается.

Рисунок 5. Типы NOx для разного топлива

 

 

Ступенчатое сжигание

Оксиды азота образуются быстрее, когда соотношение топлива и поддерживающего горение воздуха приближается к стехиометрическому Для того чтобы снизить скорость образования оксидов азота, можно создать систему горения использующую коэффициент избытка воздуха близкий к идеальному Внутри факела этой системы должны присутствовать зоны с, сильнотличающимся от стехиометрического, соотношением топливо-воздух. Используя аэродинамические характеристики факела и распределение топлива можно создавать чередующиеся зоны с избытком и недостатком воздуха, поддерживая в общем условия близкие к стехиометрическим.

Угарный газ.

 

Угарный газ (CO) - это безвкусный газ без цвета и запаха. Угарный газ плохо рассеивается из-за плотности, близкой плотности воздуха.

Угарный газ токсичен, при вдыхании очень быстро вступает в реакцию с гемоглобином крови, нарушая нормальный процесс окисления крови.

Физиологическое влияние на организм зависит от концентрации угарного газа в воздухе и от длительности воздействия на человека при данной концентрации.

На рис. 8 показано влияние угарного газа в зависимости от двух указанных выше параметров.

Угарный газ образуется в дымовых газах в результате неполного окисления углерода. Его присутствие в дымовых газах является признаком неполноты сгорания. Если не весь углерод, окислился до СO₂, то это означает, что не была произведена дополнительная теплота.

Угарный газ образуется в дымовых газах, когда горение происходит при недостаточном, по сравнению со стехиометрическим, количестве воздуха. Иными словами, - когда имеющегося в воздухе кислорода не хватает для реакции полного окисления углерода. Как правило, в системах отопления теплогенераторами выбрасывается в атмосферу незначительное количество угарного газа: процесс горения обычно протекает при избыточном, по сравнению со стехиометрическим процессом, количестве воздуха.

Рисунок 8. Влияние угарного газа

 

 

1.4.4. Общее содержание взвешенных частиц.

 

В эту категорию загрязняющих веществ входят те выбросы, в которых присутствуют частицы инертных твердых веществ и металлов. Размер этих частиц меняется от минимального 0,01 микрон до максимального 500 микрон.

Частицы бывают органического и неорганического происхождения. Их можно разделить на три категории :

• Золы, включая неорганические, негорючие вещества (металлы и т.д.), попавшие в дымовые газы;
• Сажа, которая образуется из испарившихся, но не окислившихся остатков топлива;
• Пепел, состоящий из остатков топлива, которое было частично окислено, из-за того что сгорело до того как полностью испариться

Самая мелкая фракция частиц называется сажей. Опасность, которую представляют собой частицы, обратно пропорциональна их размеру. Вред, как правило, наносится дыхательному тракту и лёгким.

На рис. 9 показано, на какую глубину могут проникать эти частицы в человеческий организм, в зависимости от их размера.

Рисунок 9. Проникновение частиц в дыхательную систему

 

Кроме того, частицы могут переносить в лёгкие оксиды различных металлов (ванадий, никель и т.д.), которые образовываться в результате горения.

Реальную угрозу представляют только частицы с эквивалентным диаметром менее 10 микрон: они достаточно легки, и остаются в воздухе в виде взвеси в течение нескольких часов.

Выбросы оксидов металлов зависят от концентрации соответствующих металлов в топливе. В бытовых отопительных системах лучшим способом борьбы с ними является использование топлива со сниженным содержанием тяжелых металлов.

Сажа обычно образуется на особых участках поверхности факела, где мало кислорода или низкая температура. Для борьбы с ней надо обеспечить процессу горения равномерную температуру, хороший приток воздуха и турбулентность - чтобы топливо и кислород могли хорошо перемешиваться.

Пепел образуется, когда процесс распыления и испарения жидкого топлива в камере сгорания идет неправильно или ему препятствует слишком большая вязкость и низкая летучесть топлива.

Чтобы понизить вероятность образование этих компонентов, необходимо увеличить время их нахождения в камере сгорания и обеспечить топливо достаточным количеством кислорода.

Максимально допустимая концентрация загрязняющих веществ в дымовых газах, как правило, законодательно закрепляется и может различаться для отдельных регионов и/или областей.

 

 

1.4.5. Комментарии к выбросу CO₂.

 

Двуокись углерода СO₂ не рассматривалась в предыдущих параграфах, поскольку вместе с водяным паром является одним из основных продуктов горения любых углеводородов.

Накапливание двуокиси углерода в атмосфере является основной причиной явления, известного как "парниковый эффект". Скопившаяся двуокись углерода поглощает часть инфракрасного излучения, выделяемого землей в атмосферу, и таким образом задерживает теплоту В результате этого явления на Земле постепенно увеличивается средняя температура, что ведет к катастрофическим последствиям.

Абсолютное количество двуокиси углерода, образующееся при горении, зависит исключительно от количество углерода C в сжигаемом топливе. Чем выше в топливе соотношение С-Н, тем большее количество двуокиси углерода образуется.

Как правило, при равном количестве произведенной энергии, жидкое топливо дает больше двуокиси углерода, чем газообразное.

В следующих разделах, посвященных процессам управления горением будет показано, что для достижения высокого КПД процентное содержание СO₂ должно быть максимально высоким.

При одной и той же произведенной энергии чем меньше содержание СO₂ в дымовых газах, тем менее эффективно работает система и, следовательно, тем больше топлива сжигается.

При этом надо помнить, если изменить процентное содержание СO₂ в дымовых газах по отношению к другим газам, общее количество СO₂ остается более или менее постоянным.

 

 

КПД горения.

 

КПД горения - это соотношение между тепловой энергией, выделенной в результате горения и первичной энергией, затраченной на горение.

 

Первичная энергия равняется количеству использованного топлива, умноженное на его теплотворную способность. В параграфе 1.3 было определено два значения теплотворной способности: высшая теплотворная способность и низшая теплотворная способность. Поэтому когда определяется полнота сгорания, следует указывать, на какое из двух значений происходит ссылка.

Разница между затраченной первичной энергией и энергией, полученной при горении, равна тепловой энергии, содержащейся в дымовых газах. Коэффициент полезного действия теплогенератора можно рассчитать по следующей формуле:

 

где

η - КПД теплогенератора;

Ps - потери теплоты с дымовыми газами.

 

Для определения потери теплоты с дымовыми газами используют следующую формулу:

если известна концентрация углекислого газа в дымовых газах, или:

 

если известна концентрация свободного кислорода в дымовых газах.

 

Где:

Ps - потери теплоты с дымовыми газами [%];

Tf - температура дымовых газов (°С);

Та - температура воздуха, участвующего в горении (°С);

O₂ - концентрация кислорода в сухих дымовых газах [%];

СO₂ - концентрация углекислого газа в сухих дымовых газах [%];

А1, А2 и В - эмпирические коэффициенты, которые приведены в таблице 6.

 

Таблица 6. Коэффициенты для расчета КПД горения

Топливо	A1	А2	В
Метан	0,66	0,38	0,010
Сжиженный нефтяной газ	0.63	0,42	0,008
Дизельное топливо	0,68	0,50	0,007
Мазут	0,68	0.52	0,007

 

 

Вступление.

 

Горелка - устройство предназначенное для сжигания различных видов топлива в максимально близких к идеальному горению условиях, устанавливаемое на различное оборудование теплотехнического назначения. Через горелку в камеру сгорания теплогенератора подается топливо и воздух необходимый для горения. В головке горелки происходит образование топливо-воздушной смеси и последующее ее воспламенение.

Как правило, вентиляторные горелки состоят из нескольких основных элементов:

a. Головка горелки обеспечивает подачу и оптимальное смешивание топлива и воздуха перед сжиганием, а также придает факелу оптимальную форму;

b. Система подачи воздуха для горения включает в себя вентилятор и все необходимые воздуховоды для подачи воздуха к головке горелки;

c. Система подачи топлива включает в себя все необходимые компоненты для регулирования расхода топлива и обеспечения безопасности всей системы горения;

d. Электрика и элементы управления необходимы для воспламенения топлива, обеспечения безопасности эксплуатации, электропитания двигателей и регулирования тепловой мощности.

 

Вентиляторные горелки могут использовать разные виды газообразного топлива (природный газ, сжиженный нефтяной газ, городской газ) и жидкого топлива (дизельное топливо, мазут). Вентиляторные горелки, которые используют топливо только одного вида (либо жидкое, либо газообразное) называются "ОДНОТОПЛИВНЫЕ". Вентиляторные горелки, использующие и тот и другой вид топлива, называются "КОМБИНИРОВАННЫЕ". Таким образом, существуют три типа горелок:

I. газовые горелки - могут использовать только газообразное топливо;

II. жидкотопливные горелки - могут использовать только жидкое топливо;

III. комбинированные горелки - работающие и на жидком и на газообразном топливе.

 

В горелках моноблочного типа вентилятор и топливный насос (для жидкотопливных горелок) встроены в горелку.

В горелках блочного типа вентилятор, насос и/или другие основные части горелки отделены от основного корпуса (головки).

Моноблочные горелки, как правило, применяются там, где требуется мощность до нескольких МВт.

Если требуется более высокая мощность или есть ограничения по специфическому применению в промышленных процессах, рекомендуется применять блочные горелки.

По типу регулировки мощности вентиляторные горелки можно классифицировать следующим образом:

A. Одноступенчатые горелки.

B. Многоступенчатые горелки.

C. Горелки с плавным регулированием (модуляционные).

 

Одноступенчатые горелки имеют производительность, которая может принимать только одно значение, подача топлива не изменяется, а горелка может быть либо включена, либо выключена (ВКЛ - ВЫКЛ).

 

Многоступенчатые горелки, (как правило, двухступенчатые или трехступенчатые), могут работать либо с производительностью, уменьшенной в два или несколько раз, либо на максимальной мощности (ВЫКЛ - НИЗШАЯ -МАКСИМАЛЬНАЯ или ВЫКЛ - НИЗШАЯ -СРЕДНЯЯ - МАКСИМАЛЬНАЯ). Переключение с одной ступени на другую может происходить автоматически или осуществляться вручную.

Существуют также модели двухступенчатых горелок, которые называются прогрессивными двухступенчатыми. В них переключение с одной ступени на другую происходит не ступенчато, а плавно.

При подключении к таким горелкам электронного блока управления (модулятора) они получают возможность работать в модуляционном режиме.

 

Рисунок 11. Газовая моноблочная горелка

Вырабатываемая горелкой мощность изменяется автоматически от минимального до максимального значения, в зависимости от мощности, запрашиваемой системой потребления тепла. В качестве устройства, определяющего потребность системы в тепловой мощности, используются датчик температуры (для водогрейных котлов, генераторов тёплого воздуха и. т д.) или датчик давления (для паровых котлов).

На рис. 12 показаны диаграммы работы различных типов горелок.

Имеющиеся в данный момент на рынке вентиляторные горелки могут использоваться в паре с теплогенераторами, работающими под наддувом, без наддува, а также с небольшим разрежением в камере сгорания.

Рисунок 12. Варианты режимов работы горелок
 

а) одноступенчатая;

b) двухступенчатая;

c) прогрессивная двухступенчатая;

d) модуляционная.

 

На рис. 13 показана конфигурация моноблочной двухступенчатой дизельной горелки, моноблочной газовой горелки с плавным регулированием и блочной комбинированной (газ и жидкое топливо) горелки.

 

Рисунок 13. Схема двух моноблочных горелок (модели RL и RS) и блочной горелки (TI)

FR – фоторезистор;

V1,V2 - клапаны подачи топлива;

PV - держатель форсунки;

AD - воздушная заслонка;

М - эл. двигатель вентилятора и топливного насоса;

Р - насос с топливным фильтром и регулятором давления;

МТ - двухступенчатый гидравлический цилиндр;

V – вентилятор;

VS - предохранительный эл. маг. запорный клапан;

VTR - винт регулировки головки горелки;

U, U1, U2 - форсунки;

GF - газовый фильтр;

РА - реле давления воздуха;

PC - блок контроля герметичности клапанов

С - антивибрационная вставка;

PCV - стабилизатор давления газа;

PG - реле минимального давления газа;

PGM - реле максимального давления газа;

RG - регулятор расхода газа (дроссельная заслонка);

C1 - эксцентрик плавного регулирования подачи воздуха;

SM - серводвигатель эксцентриков;

VR - регулирующий газовый клапан;

RP - регулятор давления жидкого топлива;

VA - регулирующий клапан подачи воздуха на запальную горелку;

BP - растопочная (пилотная) горелка;

C2 - эксцентрик плавного регулирования подачи жидкого топлива;

C3 - эксцентрик плавного регулирования подачи газообразного топлива;

D - подпорная шайба;

LPG - редуктор высокого давления газа;

ММ - манометр на подаче топлива;MR манометр на обратном трубопроводе топлива;

РО - реле максимального давления топлива;

SI - датчик ионизации;

VP - эл. магн. запорные клапаны;

VU - предохранительный клапан форсунок.

В блочных горелках вентилятор и некоторые элементы, предназначенные для подачи топлива, отделены от основного корпуса горелки, но их функции при этом не изменяются. В данном пособии и моноблочные горелки и блочные горелки, за исключением некоторых технических аспектов, рассматриваются вместе.

 

 

Рабочий диапазон горелки.

 

Рабочий диапазон вентиляторных горелок -это область графика в декартовых координатах, на котором по оси Y указывается давление в камере сгорания, а по оси X - тепловая мощность горелки. Внутри данной области находятся точки, отражающие рабочие условия, при которых горелка обеспечивает горение, соответствующее теплотехническим требованиям. Этот диапазон строится на основании экспериментальных данных.

На рис. 14 показаны рабочие диапазоны некоторых моделей комбинированных моноблочных горелок.

Часто на одном графике изображают рабочий диапазон не одной горелки, а целого модельного ряда, - в нашем случае это семейство RLS.

Рисунок 14. Рабочий диапазон комбинированных горелок моделей RLS.

Мощность может выражаться в кВт или в кг/час сжигаемого топлива (для жидкотопливных горелок), а давление может измеряться либо в мбар, либо в Па

Рабочий диапазон рассчитывается в результате испытаний на специальных тестовых котлах в соответствии с методами, предусмотренными европейским законода­тельством, а именно:

· стандарт EN 267 для горелок на жидком топливе;

· стандарт EN 676 для горелок на газообразном топливе.

Эти стандарты определяют размеры испытательной камеры сгорания. На рис. 15 показан график с размерами испытательной камеры сгорания для вентиляторных жидкотопливных или газовых горелок. Если горелка предназначена для работы в камере сгорания, размеры которой значительно отличаются от указанных, рекомендуется предварительно провести испытания.

 

Рисунок 15. Испытательная камера сгорания для горелок

Рабочий диапазон определяют опытным путем при заданных значениях атмосферного давления и температуры воздуха, поддерживающего горение. Все графики рабочего диапазона должны сопровождаться пояснением, для какой температуры и давления они получены. Как правило, давление равно 1000 мбар (100 метров над уровнем моря), а температура воздуха для горения - 20°С.

Если рабочие условия значительно отличаются от тестовых, необходимо внести некоторые поправки (см. раздел 3 данного пособия).

Горелку необходимо подбирать таким образом, чтобы максимальная нагрузка попадала в рабочий диапазон данной горелки. Рабочая точка находится на пересечении вертикальной линии, соответствующей требуемой мощности и горизонтальной линии, соответствующей давлению в камере сгорания.

Точка пересечения этих двух линий и есть рабочая точка системы, включающей горелку и теплогенератор.

После того, как одноступенчатая горелка выбрана, рабочая точка может перемещаться как угодно внутри рабочего диапазона данной горелки.

У двухступенчатых горелок рабочий диапазон разделён на две части, правую (зона А) и левую (зона В), вертикальной линией, исходящей из точки соответствующей максимальному напору вентилятора горелки, как показано на рис. 16.

 

Рисунок 16. Рабочий диапазон комбинированной двухступенчатой горелки RLS 100, работающей на газе и дизельном топливе

 

Рабочую точку, соответствующую максимальной производительности и, следовательно, работе на 2-й ступени, необходимо выбирать в зоне А. Зона А показывает максимальную производитель­ность горелки в зависимости от давления в камере сгорания.

Мощность на первой ступени необходимо выбирать внутри диапазона MIN/MAX мощности, указанного в технической документации на горелку. Обычно эта точка находится в зоне В. Тем не менее, в некоторых случаях (например когда требуется использовать двухступенчатую горелку для бойлера ГВС), рекомендуется снижать мощность не более чем до 60 - 65% от максимальной мощности на первой ступени. Во избежание проблем с конденсацией рекомендуется также поддерживать темпе­ратуру дымовых газов в пределах 170 - 180°С при максимальной мощности и 140°С при работе на 65% от мощности.

Прогрессивные или модуляционные двухступенчатые горелки подбираются также, как и двухступенчатые. В горелках с плавной регулировкой (модуляционных) чем ближе находится рабочая точка к максимальному пределу рабочего диапазона, тем лучше осуществляется функция модуляции. Функция модуляции "работает" в диапазоне между максимальной и минимальной мощностью горелки, которые соотносятся друг с другом в разной пропорции (например, 3:1 или 5:1)

В декартовых координатах рабочий диапазон можно изобразить только для моноблочных вентиляторных горелок, где подбор вентилятора и горелки осуществляется производителем. Для блочных горелок ситуация иная: подбор головки горелки и вентилятора находится в компетенции инженера-проектировщика. В этом случае рабочий диапазон можно использовать только для головки горелки, и он определяется в зависимости от максимального и минимального расхода топлива, который допустим для данной горелки.

В качестве примера на рис. 17 показаны рабочие диапазоны для головок горелок серии TI. Тёмная область обозначает оптимальный выбор, рекомендуемый производителем.

Выбор головки горелки должен зависеть только от мощности и от температуры воздуха, поддерживающего горение.

Рисунок 17. Рабочий диапазон для головок горелок серии TI

 

 

Головка горелки.

 

Головка горелки смешивает воздух, участвующий в горении, с топливом и стабилизирует основание факела.

Головка горелки состоит из следующих основных элементов:

1) Дозатор топлива:

· форсунки - для жидкого топлива;

· сопла - для газообразного топлива.

Форсунки для жидкого топлива характеризуются тремя основным параметрами:

1) расход,

2) угол распыления,

3) тип распыления (форма).

2) Подпорная шайба (смешивает топливо и воздух и стабилизирует пламя, чтобы оно не пошло внутрь горелки);

3) Система розжига горелки, (использует электрическую дугу от высоковольтных электродов, которые зажигают топливовоздушную смесь напрямую или через пилотную растопочную горелку);

4) Датчик контроля пламени (отслеживает наличие пламени; в случае его пропадания дает сигнал на отключение подачи топлива на горелку;

5) Пламенная труба (изготавливается из профильного металлического цилиндра, позволяет задавать скорость истечения топливно-воздушной смеси).

Пламенная труба и подпорная шайба определяют геометрию факела. В частности, подпорная шайба задаёт вихревую характеристику потока топливо-воздушной смеси и, следовательно, форму факела. Математически вихревая характеристика потока топливно-воздушной смеси выражается числом завихрений, которое рассчитывается следующим образом:

 

где:

S - число завихрений;

Gf - угловой момент потока;

Gx - осевое усилие;

R - радиус выходного отверстия пламенной трубы.

Как правило, при увеличении числа завихрений увеличивается диаметр факела и уменьшается его длина.

Зазор между пламенной трубой и подпорной шайбой определяет количество вторичного воздуха, поступающего к факелу

 

Рисунок 32. Форсунки; распыление в виде полного конуса и пустого конуса; определение угла распыления

Рисунок 33. Чертеж головки комбинированной горелки RLS 100

Это количество равно нулю, когда шайба закрыта и касается трубы. В некоторых горелках расстояние между пламенной трубой и подпорной шайбой можно регулировать и изменять количество вторичного воздуха.

Головки горелок можно классифицировать по следующей схеме:

a) Нерегулируемые фиксированные головки, положение которых нельзя изменить;

b) Регулируемые головки, в которых положение подпорной шайбы может быть изменено наладчиком во время пуско-наладочных работ;

c) Головки с изменяемой геометрией, в которых положение подпорной шайбы изменяется автоматически во время плавного изменения режима работы горелки.

Горелки с нерегулируемой головкой - как правило, используются в промышленном производстве и разрабатываются индиви­дуально для конкретных теплогенераторов.

В горелках с регулируемой головкой, регулировка зависит от того, какую максимальную мощность будет развивать горелка в данном конкретном случае. Для правильной настройки горелки используется график, который показывает, в каком положении должна находиться подпорная шайба в зависимости от требуемой тепловой мощности. Такая конструкция горелки обеспечивает правильную настройку во всем рабочем диапазоне. Головку регулируемого типа, как правило, имеют вентиляторные горелки моноблочного типа малой и средней мощности.

Горелки с изменяемой геометрией головки - это, как правило, мощные модуляционные (с плавной регулировкой мощности) горелки. При любой промежуточной мощности в рабочем диапазоне обеспечивается правильное положение подпорной шайбы.

Правильное смешение топлива и воздуха, обеспечиваемое подпорной шайбой, оказывает большое влияние на снижение выбросов загрязняющих веществ, особенно NOx.

 

Рисунок 34. Потери давления в головке горелки со стороны подачи воздуха - блочная горелка TI 10

Вентилятор.

 

Вентилятор - это устройство, позволяющее подавать воздух для поддержания горения в необходимом для этого процесса количестве с напором, достаточным для преодоления аэродинамического сопротивления тепло­генератора, головки горелки и воздуховодов.

В зависимости от направления потока воздуха используются вентиляторы следующих типов:

A. Центробежные;

B. Осевые;

C. Тангенциальные.

В центробежных вентиляторах воздух входит параллельно направлению оси вращения и выходит по касательной к крыльчатке вентилятора.

В осевых вентиляторах направление воздуха параллельно оси вращения лопастей вентилятора.

В тангенциальных вентиляторах воздух входит и выходит по касательной к крыльчатке вентилятора.

Вентиляторы, встроенные в моноблочные горелки или установленные отдельно в блочных горелках, как правило, центробежного типа (рис. 37).

 

Рисунок 37. Вентилятор блочной горелки

Центробежные вентиляторы состоят из улиткообразного корпуса, внутри которого помещено насаженное на вал рабочее колесо. Вал может одновременно являться валом приводного электродвигателя или сообщаться с двигателем посредством соединительной муфты или ременной передачи. Рабочее колесо, установленное внутри корпуса вентилятора, может иметь различную форму лопастей, а именно:

· рабочее колесо с крыловидными лопастями;

· рабочее колесо с реверсивными лопастями;

· рабочее колесо с радиальными лопастями;

· рабочее колесо с выпуклыми лопастями.

На рис. 38 показан график зависимости и потребляемой мощности от производительности для разных видов вентиляторов.

Рисунок 38. Зависимость потребляемой мощности и производительности для вентиляторов разных типов

Технические характеристики вентиляторов, также как и насосов, описываются

Характеристической кривой.

Характеристическая кривая вентилятора представляет собой график в декартовых координатах, где по оси Y отложен напор, а по оси X отложена объёмная производительность (рис. 38).

Характеристические кривые могут дополняться другими графиками, например кривой коэффициента полезного действия и мощности, потребляемой электродвигателем (рис. 39).

 

Рисунок 39. Типичный график производительности центробежного вентилятора

Для каждого вентилятора существует множество характеристических кривых для разных скоростей вращения, как показано на рис. 40.

 

Рисунок 40. График производительности венти­лятора для разных скоростей вращения двигателя

Когда вентилятор работает в системе воздухоподачи, которая имеет некоторое аэродинамическое сопротивление, то полный развиваемый напор вентилятора должен превышать её аэродинамическое сопро­тивление. Данное состояние соответствует точке пересечения характеристической кривой вентилятора и характеристической кривой системы воздухоподачи, как показано на рис. 41.

 

Рисунок 41. График производительности венти­лятора и сопротивления системы воздухоподачи (рабочая точка вентилятора)

Для вентиляторных горелок системная характеристическая кривая изменяется в зависимости от регулировки головки горелки и от степени открытия воздушной заслонки. Для правильного подбора вентилятора кривая системы воздухоподачи должна соответствовать потребляемой мощности.

Для расчёта производительности и напора вентилятора нам требуется точная информация о потерях давления, которые происходят в системе воздухоподачи горелки, включая все воздуховоды, головку горелки и аксессуары.

Потери давления в системе воздухоподачи имеют параболическую зависимость от производительности вентилятора.

Общие потери давления в системе воздухоподачи можно разделить на две составляющие:

· потери давления в местных сопротивлениях;

· потери давления из-за трения (распределённые потери давления).

Потери давления в местных сопротивлениях возникают в головке горелки, где воздух проходит по сложной геометрической траектории, а также на регулируемой воздушной заслонке.

Производитель горелки должен приводить данные (графики) о динамике падения давления в зависимости от расхода воздуха через горелку и от тепловой мощности.

Распределённые потери давления можно рассчитать по формуле Дарси-Вайсбаха:

 

где:

Δpf - потери давления, вызванные трением (м);

f- коэффициент трения;

L - длина воздуховода (м);

D - диаметр воздуховода (м);

v - скорость воздуха в воздуховоде (м/с);

g - ускорение свободного падения 9,81 (м/с2);

Отношение v2/2g иначе называют динамическим давлением.

Коэффициент трения f можно определить по графику (рис. 42), если известно число Рейнольдса и относительная шероховатость.

Число Рейнольдса вычисляется по следующей формуле:

 

где:

Re - число Рейнольдса;

d - внутренний диаметр воздуховода (м);

V - скорость воздуха (м/с);

γ - кинематическая вязкость воздуха, равна 16,0*10-6 м²/с;

Относительная шероховатость e/D - это отношение, связывающее абсолютную шероховатость и диаметр воздуховода. Оба параметра выражены в мм. В таблице 9 приведены значения абсолютной шероховатости для некоторых стандартных воздуховодов.

 

Таблица 9. Значения абсолютной шероховатости для разных типов воздуховодов

Материал, из которого изготовлен воздуховод	Абсолютная шероховатость (мм)
Плоский воздуховод из гладкого металла	0,05
Воздуховод из ПВХ	0,01 -0,05
Плоский алюминиевый воздуховод	0,04 - 0,06
Воздуховод из металлических оцинкованных листов с поперечными стыками (шаг 1,2 метра)	0,05-0,1
Круглый воздуховод из металлических оцинкованных листов, спиралевидный с поперечными стыками (шаг 3 метра)	0,06-1,12
Воздуховод из металлических оцинкованных листов с поперечными стыками (шаг 0,8 метра)	0,15
Воздуховод из стекловолокна	0,09
Воздуховод из стекловолокна (внутреннее покрытие)	1,5
Воздуховод из защищенной стекловаты (внутреннее покрытие)	4,5
Гибкая металлическая труба	1,2-2,1
Гибкая неметаллическая труба	1 -4,6
Цементный канал	1,3-3

Рисунок 42. График для определения коэффициента трения f

Для облегчения расчётов, распределённых потерь существует целый ряд готовых графиков. Некоторые из них представлены в разделе 5.

Данные формулы изначально создавались для круглого сечения. Поскольку на практике часто используются воздуховоды

прямоугольного сечения, для удобства применения тех же формул было введено понятие эквивалентного диаметра Dэкв:

где:

Dэкв - эквивалентный диаметр (м);

a, b - размеры сторон прямоугольного воздуховода (м).

Потери давления в местных сопротивлениях (заслонки, теплообменники, решетки) рассчитываются как сумма потерь давления в каждом элементе. Потери давления в каждом стандартном элементе указываются производителем.

Потери давления в местных сопротивлениях (сужение воздуховода, изгиб воздуховода, и.т.д.) можно рассчитать по следующей формуле:

 

где:

Δpw - потери давления (Па);

ξ - безразмерный коэффициент потерь давления;

ρ - плотность (кг/м³ );

v - средняя скорость в воздуховоде (м/с).

В технических справочниках печатаются таблицы, где указывается значение ξ для различных элементов воздуховода (см. рис 43). Некоторые из них представлены в разделе 5.

 

Рисунок 43. Безразмерный коэффициент падения давления в воздуховодах

 

 

Подача газа.

 

Обычно газообразное топливо транспортируется от места хранения или добычи до потребителя посредством ряда более или менее разветвлённых трубопроводов (сеть газоснабжения). Внутри трубопровода газ находится под давлением: от нескольких десятков бар для магистрального газопровода до нескольких десятков миллибар в трубопроводе, по которому газ подводится к конечному потребителю.

Основной проблемой в сетях распределения газообразного топлива является нестабильность давления. Изменение давления газа может приводить к ненормальной работе горелки, вплоть до её отключения. При резких изменениях давления газа (особенно при снижении) может наблюдаться снижение мощности горелки, вплоть до ее отключения. Чтобы избежать подобных проблем, давление газа на головке горелки должно:

a) быть больше, чем минимально необходимое давление, которое может компенсировать потерю давления в головке горелки (смотри параграф 2.4.2) и аэродинамическое сопротивление в камере сгорания теплогенератора;

b) быть меньше, чем максимально допустимое давление, указанное производителем;

c) быть стабильным и соответствовать настройке.

 

Чтобы обеспечить такие условия, газообразное топливо подаёмся к горелке через ряд устройств управления и безопасности, которые в совокупности обычно называются "газовая рампа".

На рис. 46 показана функциональная схема газовой рампы.

 

Рисунок 46. Функциональная схема газовой рампы

Соединительный модуль состоит из ручного запорного вентиля и антивибрационной соединительной вставки, которая служит для того, чтобы вибрация, возникающая при работе горелки, не передавалась на подводящий газопровод.

Фильтр служит для задержания механических примесей, которые могут присутствовать в газообразном топливе. Эти частицы могут привести к неплотности при закрывании предохранительного и/или запорного клапана.

Стабилизатор давления служит для снижения давления газа, поступающего из основного газопровода, и для поддержания постоянного давления газа на выходе из него независимо от давления поступающего газа и независимо от производительности. Снижение и стабилизация давления осуществляется с помощью устройства мембранного типа, в котором посредством изменения степени сжатия пружины уравновешивается дроссельный клапан и устанавливается необходимое давление на выходе из стабилизатора. Стабилизатор давления такого типа применяется, если давление в газопроводе ниже 500 мбар.

При давлении в газопроводе выше 500 мбар. необходимо использовать редуктор высокого давления который дополнительно комплектуется ПЗК (предохранительно-запорным клапаном), ПСК (предохранительным сбросным клапаном) и манометрами, показывающими давление до и после него и служащими для визуального контроля давления.

Для стабилизатора существует максимально допустимые значения давления на входе и ряд значений давления на выходе, из которых можно выбрать нужное давление в зависимости от установленной в него пружины и фактической производительности.

Редуктор высокого давления и предохранительные устройства нужны тогда, когда давление в основном газопроводе выше максимально допустимой величины указанной производителями тех устройств, что стоят после редуктора.

 

Рисунок 47. Газовый фильтр

 

Рисунок 48. Стабилизатор давления

Рисунок 49. Блок клапанов

Рисунок 50. Реле давления газа

Рисунок 51. Блок контроля герметичности клапанов

Рисунок 52. Соединительный адаптер

Если давление в сети газоснабжения меньше, чем максимально допустимое давление, указанное производителем (как правило, в диапазоне от 300 до 500 мбар.), в редукторе высокого давления нет необходимости, а нужен только стабилизатор. Блок электромагнитных клапанов состоит из предохранительного запорного клапана, регулирующего клапана (с регулируемым плавным открыванием) и реле минимального давления газа.

Для горелок мощностью более 1200 кВт, стандарт ΕΝ676 предусматривает, чтобы блок клапанов был дополнен блоком контроля герметичности. Блок контроля служит для проверки герметичности закрытия обоих клапанов перед каждым розжигом и после каждой остановки горелки.

Для горелок малой и средней мощности все вышеописанные элементы газовой рампы, кроме соединительного модуля и редуктора высокого давления, могут быть скомпонованы в едином корпусе. Такое устройство выполняет функции стабилизатора и аварийного отключения и называется газовый мультиблок.

Блоки клапанов могут быть двух типов, в зависимости от конструкции горелки на которой они будут установлены:

1. одноступенчатые;

2. двухступенчатые.

Использование того или иного типа блоков клапанов зависит от конструктивных особенностей горелки.

В газовой рампе предусмотрено несколько штуцеров для замера давления на выходе из фильтра, на выходе из блока клапанов и давления на головке горелки.

Для того, чтобы присоединить газовую рампу к горелке, необходим соединительный адаптер.

Как уже говорилось, если давление газа в питающем газопроводе меньше, чем максимально допустимое значение, то редуктор высокого давления не требуется. В этом случае газовая рампа может поставляться в виде мультиблока.

Газовая рампа выбирается исходя из минимально необходимого давления газа на входе в рампу достаточного для преодоления сопротивления самой рампы, головки горелки и теплогенератора.

Причем, чем больше давление газа перед рампой, тем ниже (и, соответственно дешевле) типоразмер рампы. Более подробно подбор газовой рампы рассмотрен в разделе 3.

На горелке установлен ряд компонентов, которые играют важную роль в настройке и регулировании всей системы подачи газа теплогенератора. В частности в газовых и комбинированных горелках установлен дроссельный клапан (заслонка), регулирующий расход газа. Этот клапан приводится в действие серводвигателем посредством механического эксцентрика с изменяемым профилем.

В промышленных горелках серий MB, ΤΙ, ER применяются электронные системы управления подачей топлива и воздуха (электронный кулачек).

На газовых горелках большой мощности, как правило, устанавливается реле максимального давления газа. Оно отключает горелку в том случае, если давление в газопроводе на подаче превышает допустимое.

 

 

Выбор газовой рампы.

 

Для горелок малой и средней мощности (бытового и коммерческого применения) газовую рампу необходимо выбирать из каталога производителя (обязательно с учетом потерь давления на данной рампе).

Чтобы правильно подобрать газовую рампу необходимо просуммировать все потери давления, начиная от точки ввода газа и кончая горелкой. Эта сумма не должна превышать начальное давление в точке ввода газа.

По ходу движения газа суммарная потеря давления газа складывается из:

· Н1 - аэродинамическое сопротивление в камере сгорания;

· Н2 - потеря давления на головке горелки;

· Н3 - потеря давления на газовой рампе;

· Н4 - потеря на подводящем газопроводе.

Следует проверять выполнение следующего условия, где Η - минимальное давление в точке ввода газообразного топлива

 

Желая облегчить расчёты, некоторые производители предоставляют диаграммы потерь давления в газовой рампе в виде суммы потери давления на газовой рампе и на головке горелки (Н2 + НЗ).

Поэтому выбранная газовая рампа должна соответствовать следующему уравнению:

 

Зная максимально допустимое значение суммы Н2 + Н3 с помощью графика (рис. 55), несложно подобрать газовую рампу.

 

Рисунок 55. График для выбора газовой рампы

График характеристической кривой газовой рампы часто изображается вместе с рабочим диапазоном горелки, что облегчает выбор.

 

 

Топливопроводы

Поскольку дизельное топливо имеет небольшую вязкость, диаметр топливопровода подбирается с учётом скорости течения топлива в условиях турбулентности.

Потеря давления в топливопроводе складывается из суммы потерь давления (на трение) распределённых вдоль данного топливопровода и местных потерь давления в соединительных элементах и арматуры (фильтры, вентили и.т.д).

Местные потери давления в арматуре подсчитывается по методу эквивалентной длины. Каждому элементу системы, в котором происходят местные потери давления, соответствует прямолинейный отрезок топливопровода такой длины, на которой произошли бы такие же потери давления.

Чтобы правильно рассчитать диаметр топливопровода, используются следующие параметры:

Lфак - фактическая длина топливопровода(м);

Lэвиф - сумма эквивалентныx длин, которым были сопоставлены соединительные элементы и элементы арматуры с местными потерями давления (м);

Lобщ - общая длина топливопровода, равная сумме фактической и эквивалентной длины (м):

 

Эквивалентные длины, соответствующие местному гидравлическому сопротивлению элементов арматуры, должны браться из технических спецификаций, поставляемых производителем. Если таких данных нет, можно обратиться к таблицам, указанным в разделе 5, где даны эквивалентные длины, соответствующие основным видам элементов с местными сопротивлениями.

Все фильтры необходимо рассчитывать с учётом реальных потерь давления, которые указываются их производителем. Если точные потери давления не известны, фильтр можно сравнить с открытым вентилем.

Расчётная производительность будет равна производительности насосного агрегата, установленного на основном кольце.

При расчёте подающего топливопровода диаметр выбирается в зависимости от максимальной допустимой скорости движения топлива, которая равна 1 - 2 м/с, по формуле:

 

где:

dподача - внутренний диаметр подающего топливопровода

Q - объёмный расход жидкого топлива (м³ /с), который равен m/ρ, где ρ - это плотность дизельного топлива, расчёт которой приведён ниже, а m- это массовый расход дизельного топлива;

Чкдача - скорость потока жидкого топлива в подающем топливопроводе, которая равна 1,5 м/с.

Из стандартных типоразмеров выбирается трубопровод с диаметром, следующим за тем, который рассчитан по формуле 2.6.2-3.

После того, как определён диаметр топливопровода, необходимо рассчитать точную скорость потока в топливопроводе с помощью уравнения 2.6.2-3. Для определения реальных параметров гидравлической системы сначала вычисляется число Рейнольдса по следующей формуле:

 

где:

Re - число Рейнольдса;

dподача - внутренний диаметр подающего топливопровода (м);

Vподача - скорость потока жидкого топлива (м/с);

γ - кинематическая вязкость жидкого топлива при температуре его транспортировки, м²/с

Если Re > 2,320, то поток называется турбулентным, в противном случае ламинарным.

Размеры всасывающего топливопровода от ёмкости с топливом до насоса подбирается в зависимости от максимальных потерь давления, допустимых согласно проекту.

Максимальные проектные потери давления равняются:

 

где:

ΔPamn - абсолютное давление, допустимое на всасывании (высота столба жидкости под всасывающим патрубком насоса), которое указывается производителем насоса. Если оно не указано, это давление берётся не меньше, чем 50,660 Па (0,5 бар);

Δhasp - высота (столба жидкости) на всасывании (Па);

ΔРacc - потери давления, вызванные присутствием элементов арматуры, не учтённых при расчёте эквивалентной длины всасывающего топливопровода (фильтры и.т.д.) (Па).

Высота (столба жидкости) на всасывании равна:

 

где:

Δhgeom - разница высоты между контрольной точкой уровня топлива в ёмкости и центром нагнетательного насоса (м);

ρ - плотность дизельного топлива (кг/м³ ).

Значение Δhgeom будет положительным, если контрольная точка уровня топлива в ёмкости находится ниже, чем центр насоса, и отрицательным, если контрольная точка уровня топлива в ёмкости находится выше, чем центр насоса.

Плотность жидкого топлива связана с температурой следующей формулой:

где:

ρ - плотность жидкого топлива (кг/мЗ);

Ρ15, - плотность жидкого топлива при температуре 15°С, которая равна 865 кг/м³ ;

t - температура перекачиваемого топлива, которая равна 2°С;

β - коэффициент теплового расширения, равен 0,00064°С

Если поток топлива ламинарный, диаметр всасывающего топливопровода определяется по следующей формуле:

где:

dBC- внутренний диаметр всасывающего топливопровода (м);

γ - кинематическая вязкость жидкого топлива при температуре перекачивания (м²/с);

Lвсобщ - общая длина всасывающего топливопровода, равная сумме фактической и эквивалентной длин (м);

m - массовая производительность насосного агрегата (кг/с);

ΔРвс - максимальные потери давления (разрежение) предусмотренное проектом (Па).

На практике кинематическая вязкость выражается в сСт или в единицах измерения, зависящих от типа вискозиметра, используемого для измерения вязкости (Энглер, универсальный Сайболта, градусы Редвуда, и т.д.). Поэтому перед расчётом, с помощью таблиц и графиков перевода единиц, приведённых в разделе 5, кинематическую вязкость необходимо перевести в сСт.

При этом следует помнить, что:

Если поток турбулентный, диаметр всасывающего топливопровода определяется по следующей формуле:

где:

dвс - внутренний диаметр всасывающего топливопровода (м);

f - коэффициент трения, который определяется по графику, приведённому на рис. 59, в зависимости от Re и относительной шероховатости e/D, где е - это абсолютная шероховатость в мм;

Lвсобщ - общая длина всасывающего топливопровода, равная сумме фактической и эквивалентной длин (м);

m - массовая производительность насосного агрегата (кг/с);

ΔРвс - максимальные потери давления (разрежение) предусмотренное проектом (Па).

В таблице 15 приведены значения абсолютной шероховатости для некоторых типов трубопроводов.

 

Таблица 15. Абсолютная шероховатость трубопроводов

Материал	Вид стены	Абсолютная шероховатость, (мм).
Трубы, полученные методом вытягивания, новые (медь, латунь, бронза, легкий сплав). Трубы из синтетического материала, новые	Гладкая техническая стена	0,0013 - 0,0015
Не сварные трубы, новые	Прокатная пленка	0,02 - 0,06
	Травленая поверхность	0,03 - 0,04
	Оцинковка	0,07-0,16
Трубы, сваренные вдоль, новые	Прокатная пленка	0,4-0,1
	Просмоленная	0,01-0,05
	Оцинковка (гальваническая)	0,008
Стальные трубы после длительной эксплуатации	Умеренно ржавые или слегка покрытые накипью	0,15-0,2
	Сильно покрытые накипью	До 3

Рисунок 59. График для определения коэффициента трения f

Рисунок 60. Клапан регулирования давления

 

Рассчитанный таким образом диаметр в любом случае не должен быть меньше 6 мм.

Рассчитав вышеупомянутый диаметр, с помощью формулы 2.6.2-3 необходимо убедиться в том, что скорость потока не опускается меньше 0,15 м/с:

 

где:

dвс - внутренний диаметр всасывающего трубопровода (м);

Q - объёмный расход жидкого топлива (м³ /с).

Если скорость течения топлива меньше, чем предельное значение равное 0,15 м/с, необходимо действовать следующей схеме: • диаметр всасывающего топливопровода, который обеспечил бы эту минимальную скорость, рассчитывается по следующей формуле:

общая максимальная длина топливопровода (фактическая + эквивалентная) должна быть такой, чтобы не превысить проектные потери давления и рассчитывается по следующей формуле:

 

 

для ламинарного потока

 

для турбулентного потока

Насос должен находиться на таком расстоянии от ёмкости с топливом, которое не превышает Lвсобщ с учётом того, что данное расстояние складывается из фактической и эквивалентной длин.

Если полученный в результате расчётов диаметр будет меньше 6 мм, необходимо использовать топливопровод с внутренним диаметром 6 мм, но при этом использовать более мощный насос, чтобы скорость жидкости превышала 0,15 м/с.

 

Мкость для хранения топлива

При определении объёма топливной ёмкости необходимо найти компромисс между стоимостью перекачивания топлива, надёжной сохранностью и стоимостью установки.

В качестве грубого приближения можно взять следующие два типа:

· две ёмкости по 45000 кг;

· три ёмкости по 25000 кг.

Насосный агрегат Ρ (транспортное кольцо)

Данный агрегат устанавливается только в системах с рабочими баками.

Этот насосный агрегат, именуемый транспортным, должен иметь производительность, в 1,2+1,5 раза превышающую максимальный пиковый расход топлива. Насосный агрегат должен состоять из двух насосов с фильтрами с возможностью переключения через байпас.

Производительность насосного агрегата равна:

 

mi, - максимальный расход топлива на i-той горелке;

Mi - производительность насоса i-той горелки.

Фильтр на насосном агрегате должен устанавливаться самоочищающийся пластин­чатый или аналогичный ему, с подогревателем. Размер ячеек фильтра должен составлять от 400 до 600 микрон.

Насосы для жидкого топлива бывают шестерёнчатые или винтовые, моноблочного типа, либо с отдельно стоящим двигателем. Скорость вращения обычно низкая (900 - 1400 оборотов в минуту), и, как правило, чем выше вязкость топлива, тем меньше скорость вращения.

Обычно предлагается насосный агрегат уже укомплектованный фильтром, насосами, клапаном регулировки давления, манометром, обратным клапаном и запорным вентилем. Как правило, насос обеспечивает напор 100000 -600000 Па(1 -6 бар).

 

Рабочий бак SB 2

Рабочий бак действует как связующее звено между транспортным и кольцевым участками при окончательном подогреве топлива. Он позволяет накапливать некоторое количество топлива на участке между ёмкостью для хранения и горелкой. Рабочий бак должен удовлетворять следующим требованиям:

a) ёмкость бака должна в 2 - 3 раза превышать сумму максимального часового расхода всех горелок:

 

b) топливо должно подаваться в нижнюю часть рабочего бака;

c) в баке должны быть два совместно работающих подогревателя (электрический и паро/водяной) с возможностью аварийного отключения, установленные друг над другом выше точки поступления топлива;

d) отбор топлива должен производиться из точки расположенной выше подогревателей-

Бак должен быть оборудован следующими устройствами:

· Сливной патрубок для отвода воды и грязи из рабочего бака;

· Устройство контроля уровня топлива в рабочем баке, подающее аварийный сигнал при достижении минимального и максимального уровня и оборудованное системой самоконтроля;

· Патрубок соединения с атмосферой;

· Патрубок для слива топлива при переполнении рабочего бака, соединённый с ёмкостью для хранения топлива.

Рисунок 63. Рабочий бак

Расчёт топливопроводов

Потери давления в топливопроводе складывается из суммы потерь давления (на трение), распределённых вдоль данного топливопровода, и местных потерь давления в соединительных элементах и арматуре (фильтры, вентили и т.д.).

Чтобы правильно рассчитать размеры топливопровода используют следующие параметры:

Lфак - фактическая длина топливопровода (м);

Lэквив - сумма эквивалентных длин, которым были сопоставлены соединительные элементы и элементы арматуры с местными потерями давления (м);

Lобщ - общая длина топливопровода, равная сумме фактической и эквивалентной длины (м):

 

Эквивалентные длины, соответствующие местному гидравлическому сопротивлению элементов арматуры, должны браться из технических спецификаций, поставляемых производителем. Если таких данных нет, можно обратиться к таблицам в разделе 5, где даны эквивалентные длины, соответствующие основным видам элементов с местным сопротивлением.

Все фильтры необходимо рассчитывать с учётом реальной потери давления, которая указывается их производителем. Если точные данные не известны, фильтр можно сопоставить с открытым вентилем.

Следующую процедуру можно применять как к транспортному, так и к первичному контуру.

Чтобы правильно рассчитать топливопровод, кольцевой контур необходимо разделить на две части:

· всасывающий топливопровод;

· подающий топливопровод.

На подающем трубопроводе, как правило, не возникает каких-либо проблем, т.к. создаваемый насосом напор находится в пределах 300000 - 500000 Па (3 - 5 бар). Для всасывающего топливопровода существуют определённые пределы разрежения, за которые нельзя выходить. Иначе может начаться процесс газообразования (кавитации), который приведет к созданию в насосе газовых пробок. Это значение (высота столба жидкости под всасывающим патрубком насоса) сообщается производителем насоса, но в любом случае не может быть меньше 50000 Па (0,5 бар).

Диаметр всасывающего топливопровода подбирается в зависимости от следующих параметров:

· максимальные потери давления, предусмотренные проектом ΔPвсprog (Па);

· минимальная скорость Vвсmin, которая равна 0,15 м/с;

· минимальный внутренний диаметр dвсmin, который должен быть не меньше, чем 0,008 м.

Максимальные проектные потери давления равняются:

 

 

 

где:

ΔРamn - абсолютное давление, допустимое на всасывании (высота столба жидкости под всасывающим патрубком насоса), которое указывается производителем насоса. Если оно не указано, это давление берётся не меньше, чем 50000 Па (0,5 бар);

Δhasp - высота (столба жидкости) на всасывании (Па);

ΔРвсасс - потери давления, вызванные присутствием элементов арматуры, не учтённых при расчёте эквивалентной длины всасывающего топливопровода (фильтры и т.д.) (Па).

Высота столба мазута на всасывании равна:

 

где:

Δhgeom - Разница высоты между контрольной точкой уровня мазута в ёмкости и центром нагнетательного насоса (м);

ρ - плотность топлива (кг/м³ ).

Значение Δhgeom будет положительным, если контрольная точка уровня мазута в ёмкости находится ниже центра насоса, и отрицательным, если контрольная точка уровня мазута в ёмкости находится выше центра.

Плотность мазута связана с температурой следующей формулой:

 

где:

ρ - плотность мазута (кг/м³ );

р15 - плотность мазута при температуре 15°С, которая равна 990 кг/м³ ;

t - температура перекачиваемого мазута, °С;

β - коэффициент теплового расширения, равен 0,00063°С-1.

Температура транспортировки мазута определяется в зависимости от конструктивных ограничений насосного агрегата, которые не могут перекачивать мазут с вязкостью, большей предельного значения при данной температуре. Как правило, вязкость меняется в диапазоне от 30°? до 50°? (228 - 380 сСт), что соответствует температуре транспортировки мазута 50 - 60 °С. Существуют насосные агрегаты, которые могут перекачивать жидкость с вязкостью более 100°?. В любом случае не рекомендуется превышать вязкость 50°Е.

Диаметр всасывающего топливопровода определяется по следующей формуле:

 

где:

dвс - внутренний диаметр всасывающего топливопровода (м),

γ - кинематическая вязкость мазута при температуре перекачивания (м²/с); Lвсобщ - общая длина всасывающего топливопровода, равная сумме фактической и эквивалентной длин (м);

m - массовая производительность насосного агрегата (кг/с);

ΔΡвс - максимальные потери давления (разрежение), предусмотренные проектом (Па).

Необходимо обратить внимание на то, что на практике кинематическая вязкость выражается в сСт или в единицах измерения, зависящих от типа вискозиметра, используемого для измерения вязкости (Энглер, универсальный Сайболта, градусы Редвуда, и т.д.). Поэтому перед тем, как использовать предыдущую формулу, с помощью таблиц и графиков перевода единиц, приведенных в разделе 5, кинематическую вязкость необходимо сначала перевести в сСт. При этом следует помнить о том, что:

 

Чтобы определить минимальный внутренний диаметр всасывающего топливопровода, необходимо определить общую длину топливопровода и, следовательно, его эквивалентную длину которая, в свою очередь, зависит от внутреннего диаметра топливопровода.

Поэтому сначала необходимо взять какое-то начальное приблизительное значение диаметра будущего топливопровода и определить его эквивалентную длину Для того, чтобы взять это первое приближение диаметра, следует также определиться, какой будет скорость потока мазута. С этим значением диаметр связан следующей формулой:

 

где:

dвс - внутренний диаметр всасывающего топливопровода;

Q - объёмный расход мазута (м³ /с);

Vвс - скорость потока мазута, которая равна 0,15-0,20 м/с.

После того, как определилась эквивалентная и, следовательно, общая длина топливопровода, с помощью уравнения (2.6.2.21) можно рассчитать минимальный внутренний диаметр всасывающего топливопровода.

Если рассчитанный таким способом диаметр заметно отличается от того приблизительного диаметра, который мы взяли для расчёта эквивалентной длины, эти эквивалентные длины необходимо пересчитать, подставив в уравнение (2.6.2-23) новый диаметр. А затем снова рассчитать диаметр с помощью уравнения (2.6.2-21).

Из стандартного типоряда надо выбрать трубу такого диаметра, который будет ближе всего к диаметру, рассчитанному по формуле (2.6.2-21), с округлением в большую сторону.

Теперь можно проверить скорость во всасывающем топливопроводе по следующей формуле:

 

где:

dвс - внутренний диаметр всасывающего топливопровода (м);

Q - объёмный расход мазута (м³ /с).

Если скорость перекачки меньше, чем предельное значение, которое равно 0,15 м/с, необходимо действовать по следующей схеме: • диаметр всасывающего топливопровода, который обеспечил бы эту минимальную скорость, рассчитывается по следующей формуле:

 

общая максимальная длина всасывающего топливопровода (фактическая + эквивалентная), должна быть такой, чтобы не превысить проектные потери давления и рассчитывается по следующей формуле:

 

Расстояние между насосом и ёмкостью с топливом не должно превышать Lвс, которое является суммой фактической и эквивалентной длин.

Если полученный в результате расчетов диаметр будет меньше 0,008 м, то необходимо использовать трубу с внутренним диаметром 0,008 м и более мощный насос, чтобы скорость жидкости превышала 0,15 м/с.

При расчёте подающего топливопровода, необходимо с помощью формулы (2.6.2-23) подобрать его диаметр в зависимости от максимальной допустимой скорости, которая равна 0,6 м/с, а именно:

 

где.

dподача - внутренний диаметр подающего топливопровода

Q - объёмный расход мазута (м³ /с);

Vподача - скорость потока жидкого топлива, которая равна 0,6 м/с.

Из стандартного типоряда надо выбрать трубу такого диаметра, который будет ближе всего к диаметру рассчитанному по формуле (2.6.2-23), с округлением в большую сторону. После этого мы вычисляем потери давления во всем контуре (транспортном или первичном кольце) по следующей формуле:

где:

dподача - внутренний диаметр подающего топливопровода (м);

γ - кинематическая вязкость жидкого топлива при температуре перекачивания (м²/с);

Lподача - общая длина подающего топливопровода, равная сумме фактической и эквивалентной длин (м);

m - массовая производительность насосного агрегата (кг/с);

ΔРподача - расчётные потери давления (разрежение) предусмотренные проектом (Па).

К расчётным потерям давления необходимо добавить потери давления в различной арматуре (фильтры и т.д.), которая установлена на подающем топливопроводе, потери давления в подающем топливопроводе и разницу по высоте между всасывающим и подающим топливопроводами:

где:

ΔPtot - общие потери давления (Па);

ΔРподача - расчётные потери давления в подающем топливопроводе (Па);

ΔРасс - потери давления, в элементах арматуры, не учтённых при расчёте эквивалентной длины подающего топливопровода (фильтры и так далее) (Па);

ΔНтопшвопроводов - разница по высоте между всасывающим и подающим топливопроводом (м);

ρ - плотность жидкого топлива (кг/м³ );

g - ускорение свободного падения (м/с2).

Сумма полученного значения, и остаточного напора в контуре должна быть меньше, чем напор насоса:

 

где:

ΔРнасоса - напор насосного агрегата (Па);

ΔРконтура - напор, который должен поддерживаться в контуре, > 100000 Па (> 1 бар) (Па);

ΔPtot - общие потери давления в топливопроводах (Па).

Если результат отрицательный, необходимо выполнить одно из следующих действий:

· уменьшить длину подающего топливо­провода (и сократить потери давления);

· увеличить диаметр подающего топливо­провода (и сократить потери давления);

· использовать другой насосный агрегат, чтобы обеспечить требуемый напор.

Рекомендуется использовать для устройства топливопроводов стальные бесшовные трубы.

 

 

Дегазатор

Дегазатор состоит из вертикального цилиндра, разделенного по горизонтали круглой перегородкой с зазором. Топливо, циркулирующее в контуре подающего топливопровода, протекает через верхнюю часть цилиндра. В нижней части имеются два соединительных штуцера, к которым присоединяются гибкие топливные шланги, идущие от горелки. Через верхний штуцер в дегазатор возвращается мазут, не использованный в горелке. Этот штуцер заходит внутрь дегазатора почти до противоположной стенки. Это необходимо для того, чтобы горячий мазут не попал в верхнюю камеру через зазор в разделительной перегородке. Через нижний штуцер мазут поступает на насос горелки. Таким образом, во всасывающий топливопровод горелки попадает почти весь мазут, вернувшийся в дегазатор. Благодаря низкой скорости в мазуте образуются и выходят наружу пузыри газа.

На дне дегазатора должно быть два штуцера для слива и для установки электрического нагревательного элемента. Для удаления газов в верхней части дегазатора устанавливают специальное устройство.

 

 

Подогрев топливопроводов.

 

Во всех упомянутых вариантах топливоснабжения топливопроводы следует подогревать. Для расчёта электрического подогрева используется следующий метод.

При определении количества теплоты, которое необходимо подвести к транспортному топливопроводу, принимают во внимание два фактора:

· начальный прогрев топливопровода и его вывод на рабочий режим;

· компенсация потерь теплоты в окружающую среду в рабочем режиме.

Чтобы рассчитать количество теплоты для поддержания топливопроводов в рабочем режиме, используют формулу, в которой учитывается масса подогреваемого топлива и масса стального топливопровода в идеальных условиях, то есть при отсутствии потерь теплоты. Вот эта формула:

 

где:

е1 - удельная теплота на метр длины, которую необходимо подвести к топливопроводу (кДж/м);

q - объём топлива, содержащийся в одном метре топливопровода (м³ /м);

ρ - плотность мазута (кг/м³ );

се - удельная теплоёмкость мазута (приблизительно равна 1,88 кДж/кг*°С) (кДж/кг*°С);

Μ - вес одного погонного метра стального топливопровода (кг/м);

Cf - удельная теплоёмкость стали (приблизительно равна 0,46 кДж/кг*°С) (кДж/кг*°С);

ΔΤ - температурный перепад между топливопроводом и мазутом при переходе от режима ожидания (stand by) к рабочему режиму (приблизительно 50°С) (°С).

Общее количество теплоты, которую необходимо подвести, равна:

 

где:

Е1 - общее количество теплоты, которую необходимо подвести к топливопроводу (кДж);

- удельная теплота, которую необходимо подвести к одному погонному метру топливопровода (кДж);

L - фактическая длина топливопровода (м).

Общая необходимая мощность зависит от времени, затрачиваемого для выхода в рабочий режим:

где:

Е1 - общее количество теплоты, которую необходимо подвести к топливопроводу (кДж);

Р1 - мощность, необходимая для выхода на рабочий режим в топливопроводе (кВт);

t - время, затрачиваемое для выхода в рабочий режим (часы).

Удельная мощность на единицу длины равна:

 

где:

p1 - удельная мощность на единицу длины топливопровода, необходимая для выхода на рабочий режим работы (Вт/м);

P1 - мощность, необходимая для выхода на рабочий режим в топливопроводе (кВт);

L - фактическая длина топливопровода (м).

Для того чтобы рассчитать количество теплоты для компенсации потерь при рабочем режиме, можно воспользоваться следующей упрощённой формулой, в которой учитывается только термическое сопротивление теплоизоляции топливопровода (термическим сопротивлением самого топливопровода можно пренебречь):

 

где:

р2 - удельная мощность на единицу длины топливопровода, необходимая для компенсации тепловых потерь из топливопровода (Вт/м);

λ - теплопроводность изоляции топливо­провода (Вт/м-°С);

De - внешний диаметр стального топливопровода (мм);

Dtot - общий диаметр, равный De+2 · s, где s - зто толщина теплоизоляции (мм);

ΔΤ - температурный перепад между топливопроводом, мазутом и температурой окружающей среды (°С).

Общая установленная мощность равна:

 

где:

Р2 - общая мощность системы, необходимая для компенсации тепловых потерь а топливопроводе (кВт);

р2 - удельная мощность на единицу длины топливопровода, необходимая для компенсации тепловых потерь в топливопроводе (Вт/м);

L - фактическая длина топливопровода (м).

Предварительный подогрев топливопровода необходим при первичном заполнении системы топливом или после длительного простоя системы топливоснабжения. Система подогрева топливопровода должна обеспечивать предварительный подогрев и иметь большую мощность, чем та, которая необходима для компенсации тепловых потерь на топливопроводе.

Увеличение толщины изоляции позволяет уменьшить тепловые потери, а предварительный подогрев можно растянуть во времени, но нельзя отказаться от него совсем.

Когда выход на рабочий режим происходит быстрее (за 0,5 - 1 часа), тепловые потери составляют минимальную часть от общего количества теплоты, затрачиваемого на предварительный подогрев.

Учитывая высокую стоимость подогрева топливопровода и прерывистость операций по выводу системы в рабочий режим рекомендуется задавать время предварительного подогрева, от 4 до 5 часов. Тем самым, используя имеющуюся мощность наиболее рационально.

В расчёте общей установленной мощности, используется половина мощности, необходимой для компенсации тепловых потерь в топливопроводе:

 

где:

Ptot - общая мощность системы, необходимая для выхода на нормальный рабочий режим и для компенсации тепловых потерь в топливопроводе (кВт);

Р1 - мощность системы, необходимая для выхода топливопроводов в рабочий режим (кВт);

P2 - мощность системы, необходимая для компенсации тепловых потерь в топливопроводе (Вт/м);

 

Топливопровод можно подогревать тремя различными способами:

· с помощью электрообогрева;

· с помощью горячей или перегретой воды;

· с помощью пара.

В данном пособии мы рассмотрим только первый способ. Он легко реализуется и при необходимости легко трансформируется.

Обычно топливопровод подогревается с помощью электрической термоленты или греющего кабеля.

Электрическая термолента - это гибкая полиэфирная лента, содержащая электрические нагревательные элементы, которые имеют индивидуальную изоляцию из ПВХ. Она поставляется в виде мотка нарезанных кусков определённой длины или в виде катушки, от которой пользователь должен сам отрезать куски необходимой длины.

Рисунок 65. Саморегулирующаяся электрическая термолента

КПД системы электрического подогрева всегда меньше 100%. Во первых, из-за недостаточного плотного контакта с топливопроводом. Во вторых, из-за неизбежных тепловых потерь в окружающую среду

Как правило КПД систем электрообогрева достигает:

· при электрических термолентах η = 85%;

· при греющих кабелях η = 70%.

Общая мощность электрообогрева равна:

 

где:

Peff - общая мощность системы электрообогрева (кВт);

Ptot - общая мощность системы, необходимая для выхода на рабочий режим и для компенсации тепловых потерь в топливопроводе (кВт).

Выбор термоленты производится в зависимости от максимальной температуры нагрева топливопровода (например, 65°С). Термоленты бывают двух типов: саморегулирующиеся (у них вырабатываемая мощность снижается обратно пропорционально температуре обогрева - вплоть до достижения 60-80°С) и нерегулирующиеся (при их использовании необходимо установить ещё и предельный термостат).

Нерегулирующиеся термоленты имеют постоянную мощность, которая не зависит от температуры. Их необходимо выбирать в зависимости от требуемой мощности:

 

где:

peff - удельная мощность на единицу длины топливопровода, которую должна развивать система электрического обогрева (Вт/м);

Peff - общая мощность, которую должна развивать система электрического обогрева (кВт);

L - фактическая длина топливопровода (м).

Обозначим удельную мощность нагревания нерегулирующейся ленты Pленты и рассчитаем длину термоленты на один метр топливопровода по формуле;

 

где:

lленты - длина термоленты на единицу длины топливопровода;

peff - удельная мощность на единицу длины топливопровода, которую должна развивать система электрического обогрева (Вт/м);

Pленты - удельная мощность нагревания нерегулирующейся термоленты на метр её длины (Вт/м).

Удельная мощность термоленты может меняться от нескольких Вт/метр до нескольких сотен Вт/метр. Как правило, используются термоленты с удельной мощностью от 20 до 40 Вт/м.

Рассчитав длину термоленты, можно рассчитать шаг спирали, по которой эта лента будет наматываться на топливопровод. Для этого используются графики от производителей термолент.

Один из них показан на рис. 66.

 

Рисунок 66. Шаг оборотов электрической термоленты

По оси X откладывается длина термоленты на один метр топливопровода, по оси Υ - число оборотов. Этот график используется следующим образом:

· из точки на оси X соответствующей значению ленты. проводится вертикальная линия до пересечения с кривой, которая соответствует диаметру топливопровода;

· напротив точки пересечения будет находиться число оборотов, необходимое для достижения требуемой мощности.

Если рассчитанное таким образом количество витков получилось слишком большим, его можно уменьшить, увеличив удельную мощность термоленты.

Удельную мощность Pленты саморегулирующихся термолент необходимо выбирать в зависимости от минимально возможной температуры мазута (обычно 10°С). В остальном выбор производится также, как и для нерегулирующихся термолент.

Греющие кабели представляют из себя многожильный кабель, покрытый изоляцией. При подаче электропитания, проводник выделяет тепло благодаря т.н. "эффекту Джоуля". Рассеянная мощность зависит от сопротивления кабеля и от напряжения, подаваемого на него. Как правило, производители указывают сопротивление кабеля в виде эталонной таблицы. Удельная мощность вычисляется по закону Джоуля для постоянного напряжения:

 

где:

Pкабеля - удельная мощность нагревания на единицу длины греющего кабеля (Вт/м);

Rкабеля - удельное сопротивление греющего кабеля длиной один метр (Ом/м);

Lкабеля - длина греющего кабеля (м).

Обычно удельная мощность греющего кабеля составляет 20 - 40 Вт/м².

Иногда греющий кабель прокладывают внутри медной трубки малого диаметра, расположенной вдоль нагреваемого топливопровода. Так легче осуществлять его установку или замену.

Для соединения основного контура и вторичного контуров насоса горелки используются гибкие топливные шланги, покрытые теплоизоляцией. В них установлены нагревательные электрические элементы фиксированной мощности, управление которыми, осуществляется с помощью специального термостата. Подогрев топливных шлангов необходим для сокращения времени предварительного прогрева контура подачи топлива после остановки горелки.

 

 

Серия MB

Промышленные моноблочные горелки серии MB покрывают диапазон мощностей от 2,375 до 10 МВт. и имеют четыре типоразмера: 4; 6; 8; 10 МВт

В качестве топлива в горелках серии MB используется дизельное топливо и газ. Причём газ может быть природный или сжиженный нефтяной (пропан-бутан). Кроме того, выпускаются горелки с комбинированным использованием топлива, (соответственно: дизельное топливо - природный газ и дизельное топливо - сжиженный газ). При необходимости все типоразмеры горелок MB могут быть произведены в исполнении с пониженными выбросами оксидов азота NOx. Отличительные особенности:

· компактность;

· низкий уровень шума;

· хорошие эргономические характеристики; простота монтажа и обслуживания.

Область применения

Горелки серии MB, как правило, устанавливаются на водогрейные и паровые жаротрубные котлы теплофикационного или промышленного назначения.

 

Рисунок 76. Моноблочная горелка серии MB

 

Серии TI-ER

Промышленные блочные горелки серии TI покрывают диапазон мощностей от 0,93 до 13 МВт и выпускаются в пяти типоразмерах 10; 11; 12; 13; 14.

Промышленные блочные горелки серии ER покрывают диапазон от 2,5 до 20 МВт. и выпускаются в шести типоразмерах 4; 6; 9; 12; 16; 20.

В качестве топлива в горелках серий TI и ER используются: газ (природный и сжиженный нефтяной), дизельное топливо, мазут. Кроме этого выпускаются двухтопливные горелки (газ - дизельное топливо, газ - мазут).

 

Рисунок 77. Блочная горелка серии TI

Рисунок 78. Блочная горелка серии ER

 

Горелки серий 71 и ER являются блочными, т.е. в отличие от обычных горелок комплектуются из нескольких отдельных блоков: голова горелки, дутьевой вентилятор, пульт управления и газовая рампа и/или блок подготовки жидкого топлива. Благодаря этому становится возможным подбирать комплект оборудования, наиболее точно отвечающий требованиям заказчика.

Отличительные особенности горелок серии TI – ER:

· возможность использования для горения воздуха с температурой 150°С;

· низкий уровень шума;

· возможность использования горелок в экстремальных условиях (повышенная температура, влажность, пыль, и т. д.)

Область применения:

· Горелки серии 71 используются с теплогенераторами теплофикационного и промышленного назначения. Как правило, это жаротрубные паровые или водогрейные котлы или установки для нестандартных технологических процессов с экстремальными окружающими условиями.

· Горелки серии ER используются с теплогенераторами теплофикационного или промышленного назначения с укороченной топочной камерой (т.е. там, где нельзя применять обычные горелки со стандартной длиной пламени).

Помимо прочего в промышленных горелках RIELLO внедрён ряд современных технологий направленных на оптимизацию процесса горения и управления. Эти технологии требуют установки дополнительных подсистем, а именно:

· систему контроля содержания O₂ в дымовых газах;

· предварительный подогрев воздуха, участвующего в горении;

· регулирование подачи воздуха для горения посредством изменения частоты вращения вентилятора;

· система дистанционного управления и контроля производственных процессов котельной (Burner Management System).

 

 

2.9.1. Контроль содержания O₂ в дымовых газах

Как уже говорилось в разделе 1, для того, чтобы добиться полного окисления топлива, при горении требуется определённое количество избыточного, по сравнению со стехиометрическим процессом, воздуха. Однако слишком большого избытка тоже быть не должно, т.к. эффективность горения все равно пострадает

Определить, какое количество избыточного воздуха необходимо, можно только тогда, когда известны средние рабочие параметры горелки и измерено относительное количество кислорода или углекислого газа в дымовых газах. Помимо этого, оптимальное количество избыточного воздуха меняется во время работы горелки в зависимости от количества кислорода, необходимого для идеального окисления топлива.

Поэтому точное количество воздуха, которое необходимо подать на горелку, зависит от количества кислорода, содержащегося в воздухе, и от свойств используемого в данный момент топлива. В частности, количество воздуха зависит от следующих параметров:

· Температура воздуха, участвующего в горении, увеличение температуры воздуха на 10°С соответствует уменьшению плотности воздуха на 3%, а содержание кислорода в воздухе уменьшается приблизительно на 0.6%;

· Атмосферное давление воздуха, при уменьшении атмосферного давления на 10 мбар плотность воздуха уменьшается примерно на 1% и, следовательно, содержание кислорода в воздухе снижается примерно на 0,2%;

· Теплота сгорания топлива: при увеличении теплоты сгорания топлива на 5%, потребность в кислороде увеличивается на 1%;

· Расход, температура и давление топлива;

· Тяга в дымоходе и аэродинамическое сопротивление в камере сгорания;

· Температура распыления.

Все упомянутые выше параметры влияют на горение: от них зависит необходимое количество кислорода и, следовательно, избыточного воздуха. Чтобы лучше управлять процессом горения, количество подаваемого воздуха необходимо постоянно менять так, чтобы количество кислорода в дымовых газах всегда было оптимальным. Для этого используются датчик, который устанавливается в дымоходе теплогенератора, а также электронный блок - газоанализатор EGA (рис. 80)

 

Рисунок 79. Содержание кислорода в дымовых газах для газовой горелки

Рисунок 80. Блок-газоанализатор EGA с датчиком

Обычно используют циркониевые датчики (ZrO₂ ). они надёжны, дают точные показания и имеют сравнительно быструю реакцию.

С помощью датчика, блок EGA определяет процентное содержание кислорода в дымовых газах и передаёт эту информацию на блок управления горелкой AUTOFLAME (рис. 81).

Рисунок 81. Блок управления горелкой AUTOFLAME

 

Блок управления AUTOFLAME обнаруживает разницу между измеренным количеством кислорода и номинальным заданным значением, и определяет необходимость изменения количества воздуха подаваемого к горелке. Изменяя с помощью серводвигателя положение воздушной заслонки горелки, блок управления обеспечивает нужное количества воздуха, в зависимости от мощности, развиваемой горелкой.

Контроль содержания кислорода в дымовых газах позволяет определить, какое количество избыточного воздуха будет соответствовать максимальному КПД горения.

В системах сжигания без контроля содержания O₂ в дымовых газах, чтобы учитывать изменчивые условия работы системы, необходимо подавать заведомо большее количество избыточного воздуха. Система сжигания с регулировкой O₂ в дымовых газах позволяет поддерживать минимальное значение O₂ при изменяющихся окружающих условиях. Количество избыточного воздуха подаваемого на горение значительно снижается.

При этом благодаря отсутствию избыточного кислорода уменьшается выброс оксидов азота.

Минимизация избыточного воздуха уменьшает количество дымовых газов и, следовательно, их температуру. В результате КПД горения повышается.

На рис. 82 показано изменение КПД при изменении процентного содержания O₂ в дымовых газах при различной температуре.

 

Рисунок 82. Тепловые потери с дымовыми газами при разном процентном содержании O₂

Помимо определения процентного содержания O₂ в дымовых газах блок EGA может фиксировать и передавать на блок управления горелкой ряд важных параметров для контроля процесса горения (температура дымовых газов, температура окружающего воздуха, процентное содержание в дымовых газах СO, СO₂, NO, SO₂ ). Постоянный контроль за этими параметрами позволяет определять и устранять неполадки в работе системы не дожидаясь аварийной остановки системы.

Блок-газоанализатор EGA имеет 6 аналоговых каналов для передачи информации. Выходной сигнал может быть представлен в виде силы тока от 4 до 20 мА или напряжения от 0 до 10 В.

 

 

Общие положения.

 

Для правильного подбора горелки необходимо знать некоторые технические характеристики теплогенератора, системы топливоподачи и характеристики системы теплоснабжения. Список этих параметров приведен ниже:

1. полная или полезная тепловая мощность теплогенератора;

2. аэродинамическое сопротивление теплогенератора;

3. тип теплогенератора;

4. топливо;

5. метод регулирования установленной мощности;

6. минимальное давление газа в питающем газопроводе;

7. высота над уровнем моря (в метрах над уровнем моря) и средняя температура воздуха в месте установки теплогенератора.

 

Первые три параметра относятся к характеристикам теплогенератора и сообщаются производителем. Параметры 4 и 5 определяются инженером-проектировщиком. Параметры 6, 7 зависят от местонахождения системы производства тепла.

 

Тип теплогенератора.

 

При выборе горелки очень важно знать конструкцию теплогенератора, особенно это важно при выборе длины головки горелки. Действительно, у различных теплогенераторов могут быть разные параметры камеры сгорания. Следовательно, требования к форме пламени будут отличаться. Камеры сгорания можно разделить на две категории:

· с прямым ходом дымовых газов (3-х ходовые котлы, котлы с прямоточным или змеевиковым теплообменником);

· с инверсионным потоком дымовых газов (2-х ходовые котлы).

Для теплогенераторов обоих типов производитель должен сообщать минимальную длину головки горелки, необходимую для создания оптимальных условий для горения. Это значение определяется в лаборатории экспериментальным путем.

При отсутствии таких данных, на основе предположений можно выбрать наиболее подходящую длину головки горелки:

· для чугунных и стальных водогрейных котлов с тремя полными ходами дымовых газов головка может выступать только за внутренний край передней дверцы;

· в теплогенераторах с инверсионной камерой сгорания головка горелки должна заканчиваться за той точкой, где дымовые газы совершают второй поворот.

Это необходимо для того, чтобы дымовые газы не попадали раньше времени в дымогарные трубы.

В бытовых горелках заглубление головки внутрь камеры сгорания можно регулировать изменяя положение подвижного фланца или используя стандартные комплекты для удлинения головок. Горелки средней и большой мощности штатно изготавливаются с короткой или длинной головкой. Для адаптации головки горелки к имеющемуся теплогенератору можно использовать ограничительную вставку (заказывается по каталогу как принадлежность к горелке).

На прохождение дымовых газов через теплогенератор значительное влияние оказывает тип используемого дымохода и его состояние в момент пуска (прогретый или нет).

При установке горелки в теплогенератор между огнеупорной прокладкой котла и головкой горелки необходимо проложить защитный огнеупорный изолирующий материал (номер 11 на рис. 92), а между фланцем горелки и обшивкой котла прокладку (номер 8 на рис. 92).

Рисунок 90. Теплогенератор с инверсионной камерой сгорания

Рисунок 91. Теплогенератор со змеевиковым теплообменником

 

Рисунок 92. Крепление горелки к теплогенератору

В теплогенераторах с камерами сгорания, из огнеупорного материала необходимо учитывать эффект прямого теплового излучения. Головку горелки испытывает повышенную тепловую нагрузку вызванную повышенной температурой внутренних стенок теплогенератора.

Меры предохранения горелки при работе с конкретным теплогенератором необходимо согласовывать с производителем последнего.

 

 

Топливо.

 

Как правило, вид применяемого топлива задаётся изначально и диктует особенности проектируемой системе теплоснабжения. Иными словами, у инженера-проектировщика редко бывает выбор, какое топливо лучше использовать - в зависимости от его стоимости, требуемой мощности и сложности системы подачи.

 

 

Режим работы горелки.

 

Режим работы горелок (одноступенчатый, двухступенчатый, трехступенчатый, модуляци­онный) определяется инженером-проектировщиком зависит от того, какого типа регулирование требуется конкретной системе теплоснабжения и какова тепловая инерция теплогенератора.

 

 

Пример подбора моноблочной горелки.

 

Выбор модели горелки.

Итак, у нас запрашивают горелку которая должна использовать два вида топлива (природный газ + дизельное топливо). Этим требованиям для данной мощности

удовлетворяют комбинированные двухступен­чатые горелки серии RLS.

Выбор мы должны сделать в рамках рассчитанного нами виртуального рабочего диапазона, начав с реальной полной тепловой мощности. Как мы помним она зависит от высоты установки над уровнем моря.

Из таблицы 22 следует что для высоты 1000 метров над уровнем моря и температуры 20°С корректирующий коэффициент F равен 0,898. Реальная мощность горелки будет равна:

 

Из каталога или графиков подбора выбираем те модели горелок, у которых параметр Qгорелки равен 501,1 кВт

Из таблицы 25 следует, что этим требованиям удовлетворяют две горелки: RLS 50 и RLS 70.

Выбор между этими двумя моделями должен быть сделан с учетом аэродинамического сопротивления котла. Это необходимо проверить с помощью графика рабочего диапазона горелки.

 

Таблица 23. Пример уменьшения аэродинамического сопротивления в горелке

Рисунок 93. Комбинированная горелка (диз. топливо - газ) серии RLS

 

Таблица 25. Технические характеристики моноблочных горелок серии RLS

Модель		RLS28	RLS 38	RLS50	RLS70	RLS 100	RLS 130
Тепловая мощность (*) (2-я ступень)	кВт	163-325	232-442	290-581	465-814	696-1163	930-1395
	Мкал/час	192-378	270-513	337-676	541-947	812-1352	1081-1622
Расход топлива (2-я ступень)	кг/час	13,7-27,4	18,6-37,3	24,5-49	39-69	59-98	78-118
Тепловая мощность (*) (мин 1-я ступень)	кВт	100	116	145	232	349	465
	Мкал/час	116	135	169	270	406	541
Расход топлива (мин 1-я ступень)	кг/час	8,5	8.8	12,3	19	29,5	39
Топливо	Дизельное топливо, вязкость при 20°С: 6 мм²/с макс (1.5°? - 6 сСт)
	Природный газ: G20 (метан) - G21 - G22 - G23 - G25
	Сжиженный нефтяной газ GPL - G30 (пропан) - G31 (бутан)
Давление газа при максимальном расходе: G20/G25/G31	мбар	11/16,2/9,5	13/19,2/12	14/20,8/10.5	6.2/7,5/7,8	10/13/12	11,5/14,4/15
Температура среды	°С	0-40
Макс, температура поддерживающего горение воздуха,	°С	60
Электропитание	Фаза - Гц -В	1 - 50 -230		3 N - 50 - 400/230
Электрические двигатели	Об/мин	2800
Двигатель вентилятора	Вт	250	420	650	1100	1500	2200
	А	2,1	2,9	3-1,7	4,8-2,8	5,9-3,4	8,8-5,1
Двигатель насоса	Вт	90			370
	А	0.8			2,4
Насос
Производительность (при 12 бар)	кг/час	67			164
Диапазон давлений	Бар	4-18			10-20
Максимальная температура топлива	°С	60
Расход электроэнергии	Вт макс.	530 760 810 1800 2200 3000
Электрическая защита		IP44
Аттестация	СЕ	0063AR4637			0063AS4863
	DIN				5G835/97M
Уровни шума (**)	ДБ	68	70	72	74	77,5	80
Соответствие директивам ЭЕС (СЕЕ)		90/396 - 89/336 - 73/23 - 92/42			90/396 - 89/336 - 73/24
(*) Базовые условия: Температура среды 20Х Атмосферное давление 1000 мбар- Высота над уровнем моря 1000 метров. (**) Звуковое давление измерено в лаборатории производителя, горелка была установлена на тестовый котел на максимальной мощности.

 

На графике для выбранных моделей вертикальную линию необходимо провести из точки, соответствующей максимальной требуемой мощности 501,1 кВт. Отсюда мы получим максимально возможное аэродинамическое сопротивление котла, которое может преодолеть вентилятор горелки.

Из графика диапазона применения горелок мы получаем следующие максимальные значения напора:

· RLS 50. Рmax = 4 мбар

· RLS 70. Рmax = 9 мбар

Теперь максимальный напор необходимо скорректировать на коэффициент F, который зависит от высоты расположения установки над уровнем моря, после чего мы получим следующие значения:

Для горелки RLS 50:

 

Для горелки RLS 70:

 

Аэродинамическое сопротивление котла равно 4,5 мбар (450 Па), это больше, чем может развить горелка модели RLS 50 и меньше, чем напор, который может развить горелка RLS 70.

Возможны два варианта:

1. Можно использовать горелку RLS 50, но необходимо уменьшить максимальную мощность, которую она может развивать, за счёт уменьшения максимального напора;

2. Можно использовать горелку RLS 70.

 

Используя итерационный метод (см. табл. 26) мы можем рассчитать, насколько в первом случае уменьшится тепловая мощность.

 

 

Таблица 26. Итерационная таблица

Qполное (кВт)	R (%)	Qуменьш. (кВт)	Pуменьш. (мбар)	Qгорелки (кВт)	Pмакс. (мбар)	Pгорелки (мбар)
450	1%	446	4,41	496	4,1	3,68
450	2%	441	4,32	491	4,2	3,77
450	3%	437	4,23	486	4,3	3,86
450	4%	432	4,15	481	4,4	3,95
450	5%	428	4,06	476	4,5	4,04
450	6%	423	3,98	471	4,6	4,013
450	7%	419	3,89	466	4,7	4,22

 

Максимальная мощность, которую может развить горелка, указана в той строчке, где напор горелки перекроет аэродинамическое сопротивление в камере сгорания котла:

Числа в столбцах имеют следующие значения:

(1) исходная полная мощность Qполная;

(2) процент уменьшения полной мощности R;

(3) уменьшенная полная мощность

(4) напор котла при уменьшенной мощности;

 

(5) мощность, которую должна развивать горелка

 

(6) максимальный развиваемый напор, соответствующий Qгорелки. обозначаемый Pmax; (7) реальный напор горелки

 

Отсюда следует: чтобы напор вентилятора стал больше, чем аэродинамическое сопротивление теплогенератора, мощность надо уменьшить на 6%.

Если система выдержит такое уменьшение максимальной мощности, то можно применить горелку RLS 50.

На графике диапазона работы горелки (см. рис. 14) рабочая точка указана для стандартных условий (высота установки -100 метров над уровнем моря, температура - 20°С) не требующих корректировки.

Из примера видно, что максимальную требуемую мощность можно достичь и с помощью горелки меньшего типоразмера RLS 50, не теряя в производительности. Это показывает, насколько важно оценить геодезические параметры места установки, и насколько это влияет на величину мощности и давления.

Для дальнейших расчётов воспользуемся всё-таки горелкой RLS 70.

 

 

Проверка длины пламени.

Прежде чем перейти к системе подачи топлива, давайте проверим размеры камеры сгорания, не сильно ли они отличаются от размеров камеры сгорания тестового котла, на котором испытывали горелку

Для этого воспользуемся изображённым на рис. 96 графиком. По одной оси отложена тепловая мощность, а по другой - длина и диаметр камеры сгорания. По этим значениям мы сможем определить рекомендуемые диаметр и длину камеры сгорания. Горелка и котёл подобраны правильно, когда их собственные реальные параметры попадают в полученные нами границы.

Рисунок 96. Длина и диаметр пламени в зависимости от мощности горелки

В нашем случае камера сгорания имеет диаметр 700 мм, а длину 1600 мм, поэтому горелка RLS 70 к ней подходит.

Если бы размеры очень сильно отличались от размеров тестового котла, то геометрия пламени (длина и ширина) могла бы получиться такой, что горелка не подошла бы для данного котла. Если бы камера сгорания оказалась слишком короткой, то пламя контактировало бы с задней стенкой и вызвало бы её тепловое напряжение (а возможно и повреждение).

 

 

Выбор газовой рампы.

При подборе газовой рампы необходимо учитывать, что сумма потерь давления газа не должна превышать имеющееся давление газа.

Потери давления происходят на следующих элементах:

1. Н1 - аэродинамическое сопротивление котла;

2. Н2 - головка горелки;

3. Н3 - газовая рампа;

4. Н4 - система подачи топлива, вплоть до точки отбора.

Обозначим минимально допустимое давление в точке отбора газа Н. Должно соблюдаться следующее условие:

 

Для облегчения расчётов потери давления в газовой рампе измерены заранее и представлены в виде графиков и таблиц. В них уже учтены и потери давления на головке горелки (Н2 + Н3). Но для полноты картины, на этих графиках потери давления на головке горелки (Н2) указываются отдельно. Потери давления на газовой рампе это разница двух значений.

Выбранная газовая рампа должна удовлетворять следующему условию:

 

Примем, что: Η = 2800 Па (28 мбар); Η1 = 450 Па (4,5 мбар); Н4 = 1000 Па (10 мбар).

Потери давления на газовой рампе и на головке горелки не должны превышать следующего значения:

 

Потери давления газа пропорциональны его расходу. Расход природного газа можно рассчитать по следующей формуле:

 

 

где:

Q_полное - полная тепловая мощность котла (кВт);

I.C.V. - низшая теплотворная способность природного газа (кВт-ч/м³ ).

 

 

Расход газа равен:

 

С горелками RLS 70 применяются двухступенчатые газовые рампы. На графике от точки, соответствующей полной тепловой мощности котла, откладывают вертикальную линию. Пересечение этой линии с характеристической кривой газовой рампы и даст нам потери давления (с учётом потерь давления на головке горелки).

Для разных газовых рамп могут быть следующее потери давления:

Голова горелки + рампа MBD 415/2: 1650 Па (16,5 мбар);

Голова горелки + рампа MBD 420/2: 1250 Па (12,5 мбар);

Потери давления на головке горелки: 600 Па (6 мбар);

Видно, что газовая рампа модели MBD 420/2 удовлетворяет ограничениям на максимальные потери давления и подходит для нашей системы.

В данном случае для соединения газовой рампы с горелкой не нужно никаких переходников. Для других сочетаний газовых горелок и рамп существуют стандартные переходники - адаптеры. Необходимость использования того или иного адаптера указывается в комментариях к графикам подбора газовых рамп в каталоге "Горелки RIELLO".

Рисунок 97. График выбора газовой рампы

 

 

Пример подбора блочной горелки.

 

Типичным требованием для котлов, работающих на диатермическом масле, является предварительный подогрев воздуха. В связи с этим обстоятельством, нам необходима горелка с отдельно стоящим дутьевым вентилятором. Этим требованием отвечает блочная горелка серии ΤΙ.

Рисунок 99. Блочная горелка серии TI

Для нашего случая подойдет комбинированная промышленная горелка серии ΤΙ, которая работает на двух видах топлива (газ + мазут) и имеет модуляционную регулировку мощности.

Типоразмер горелки зависит от требуемой полной тепловой мощности теплогенератора. Как правило, она указывается на табличке с техническими характеристиками, прикреплён­ной на теплогенераторе - если таковой уже установлен. Или её можно найти в каталогах производителя, - если речь идёт о новой системе. Если известна только полезная тепловая мощность, получить полную тепловую топочную мощность можно по формуле 3.1.1.

 

Если котёл будет установлен на высоте 50 метров над уровнем моря, то никакой корректировки мощности не требуется, и поэтому из приведённой ниже таблицы с техническими характеристиками мы получим, что первой моделью, удовлетворяющей данным условиям, будет горелка ΤΙ 11.

После того, как мы сделали этот предварительный выбор, необходимо проверить соответствие рабочего диапазона горелки.

Рабочий диапазон блочных горелок представлен в виде гистограммы, где показаны их минимальная и максимальная мощности.

На рис. 100 показаны рабочие диапазоны горелок моделей TI, (для газа и для жидкого топлива (мазут). На этих схемах показаны рабочие диапазоны для двух стандартных значений температуры: 50°С - когда воздух не подогревается, и 150°С - он предварительно подогревается.

Рисунок 100. Рабочий диапазон для головки горелки серии ΤΙ

На рис 100 мы видим, что горелка TI 11 может развить полную тепловую мощность, равную 6640 кВт, только при температуре воздуха 50°С. Это значит, что мы вынуждены обратиться к горелке TI 12, т.к., по исходным условиям, воздух для горения должен подогреваться до 150°С.

 

 

Выбор вентилятора.

 

Для выбора вентилятора необходимо знать расход воздуха и минимальный напор, который должен создать вентилятор для преодоления аэродинамического сопротивления системы подачи воздуха и газовоздушного тракта котла.

Итак, рассчитаем, каким должен быть расход участвующего в горении воздуха.

 

Расчёт расхода воздуха

Расход воздуха пропорционален расходу топлива. Поэтому:

 

Вентилятор должен обеспечивать устойчивую работу горелки на обоих видах топлива. В нашем случае из двух значений расхода за основу берём больший, а именно Gвоздуха = 7848 м³ /час.

При работе котла на высоте 1000 метров над уровнем моря при температуре 40°С для подачи необходимого количества кислорода требуется увеличить расход воздуха на корректирующий коэффициент F (таблица 22).

 

Если производитель предоставил характеристические кривые вентилятора, которые уже скорректированы для реальной температуры воздуха, то необходимо скорректировать расход воздуха учитывая только высоту над уровнем моря.

 

 

Расчёт напора вентилятора

Напор вентилятора представляет собой сумму напора на выходе из головки горелки и потерь давления на отдельных участках системы воздухоподачи и головки горелки.

Обозначим полезный напор вентилятора Hвент и проверим, выполняется ли следующее условие:

 

где:

Η1 - аэродинамическое сопротивление в камере сгорания котла;

Н2 - потери давления в головке горелки;

Н3 - потери давление в воздуховодах;

Н4 - потери давления в воздухоподогревателе.

Все потери давления берутся для реальной температуры воздуха и высоты над уровнем моря.

Камера сгорания

Аэродинамическое сопротивление в камере сгорания является проектным значением и равно Н1 = 1500 Па.

Головка горелки

Потери давления в головке горелки мы можем получить из графиков, предоставляемых производителем горелок, как зависимость от расхода воздуха или тепловой мощности.

Если головка горелки регулируемая, то мы должны опираться на ту характеристическую кривую, которая получена в лаборатории (для такого же положения головки, при котором она будет реально работать).

В нашем случае потери давления на головке горелки равны Н2 = 27 мбар = 2700 Па.

Это значение соответствует стандартной температуре 20°С. Поэтому полученное значение надо скорректировать на коэффициент Кc (см. таблица 30), соответствующий температуре 150°С.

Рисунок 101. Потери давления на головке горелки серии ΤΙ - сторона воздуха

Скорректированное значение потери давления будет равно:

 

Воздух, поступающий в головку горелки, берётся с высоты над уровнем моря большей, чем стандартная. Поэтому потери давления надо скорректировать ещё раз разделив Н2 на коэффициент F (таблица 22), соответствующий высоте над уровнем моря 1000 метров.

Следовательно, реальные потери давления на головке горелки будут равны:

 

 

Воздуховоды

Сечение воздуховодов должно удовлетворять следующим требованиям:

· ограничивать напор на вентиляторе;

· ограничивать внутреннюю скорость воздуха;

· соответствовать реальным габаритам системы.

Поскольку в нашем случае нет никаких ограничений по размерам, установим максимальную скорость 20 м/с и по окончании расчётов проверим, не превышает ли потеря давления в воздуховоде 500 Па. Из приведённого ниже графика (рис. 100), для скорости 20 м/с и расхода 2586 л/с (9331 м³ /час), диаметр сечения воздуховода должен равняться 450 мм.

Если снова обратиться к графику, то увидим, что относительные потери давления е = 9 Па/м.

В воздуховоде предусмотрены два плавных поворота на 90°, безразмерный коэффициент потерь которых равен ξ = 1. Теперь мы можем подсчитать потери давления в местных сопротивлениях по уже известной формуле:

 

Предположим, что длина воздуховода составит 20 метров. Потери давления Н3 будут равны:

 

Однако воздух попадает в воздуховод при температуре и высоте над уровнем моря, которые отличаются от стандартных значений. Из-за этого изменяются плотность воздуха и потери давления. Поэтому полученное выше значение Н3 необходимо скорректировать на коэффициент Кс = 1,19, который соответствует характеристикам воздуха (40°С, 1000 метров над уровнем моря).

 

Таблица 30. Корректирующий коэффициент Кс для расчета напора и производительности вентилятора горелки (в зависимости от температуры и высоты над уровнем моря)

Высота над уровнем моря	Коэффициент Кс
	ВОЗДУХ, °С
Μ	0	20	30	40	50	60	70	80	90	100	120	140	150
0	0,920	0,987	1,021	1,055	1,088	1,122	1,156	1,189	1,223	1,257	1,324	1,391	1,425
100	0,932	1,000	1,034	1,068	1,102	1,136	1,171	1,205	1,239	1,273	1,341	1,409	1,443
500	0,976	1,047	1,083	1,119	1,154	1,190	1,226	1,261	1,297	1,333	1,404	1,476	1,511
750	1,006	1,079	1,116	1,153	1,190	1,227	1,263	1,300	1,337	1,374	1,448	1,521	1,558
1000	1,038	1,114	1,152	1,190	1,228	1,266	1,304	1,342	1,379	1,417	1,493	1,569	1,607
1250	1,067	1,145	1,184	1,223	1,262	1,301	1,340	1,379	1,418	1,457	1,535	1,613	1,653
1500	1,101	1,182	1,222	1,263	1,303	1,343	1,384	1,424	1,464	1,505	1,585	1,666	1,706
1750	1,136	1,220	1,261	1,303	1,344	1,386	1,428	1,469	1,511	1,552	1,636	1,719	1,760
2000	1,174	1,259	1,302	1,345	1,388	1,431	1,474	1,517	1,560	1,603	1,689	1,775	1,818
2250	1,206	1,294	1,339	1,383	1,427	1,471	1,515	1,559	1,604	1,648	1,736	1,824	1,869
2500	1,251	1,342	1,388	1,434	1,480	1,525	1,571	1,617	1,663	1,709	1,800	1,892	1,938
2750	1,284	1,378	1,425	1,472	1,519	1,566	1,613	1,660	1,707	1,755	1,849	1,943	1,990
3000	1,321	1,417	1,466	1,514	1,562	1.611	1,659	1,708	1,756	1,804	1,901	1,998	2,046

Рисунок 102. Потери давления в воздуховодах с круглым сечением

Воздухоподогреватель

Для подбора воздухоподогревателя необходимо знать три параметра:

1. расход воздуха через воздухоподогреватель;

2. расход дымовых газов через воздухоподогреватель;

3. разность температур на входе и выходе воздуха из подогревателя.

Давление в воздухоподогревателе может меняться по двум причинам:

1. изохорное преобразование (при постоянном объёме), когда происходит теплообмен между дымовыми газами и воздухом;

2. механическое сопротивление трубного пучка.

Производители воздухоподогревателей дают характеристическую кривую для каждою теплообменника при высоте над уровнем моря и температуре воздуха на входе и выходе.

Значение это необходимо скорректировать, если температура воздуха на входе и выходе будет отлична от расчётной и если воздухоподогреватель будет смонтирован на другой высоте над уровнем моря.

На установленном в данной системе воздухоподогревателе происходят потери давления, соответствующее расходу 9331 м³ /час, при этом температура увеличивается на 110°С (с 40°С до 150°С). Допустим, что стандартный воздухоподогреватель при таких условиях имеет потери давления Н4 = 500 Па.

Поскольку воздухоподогреватель установлен на высоте 1000 метров над уровнем моря, эти потери давления необходимо скорректировать на коэффициент Кс, в результате чего получим:

Реальный напор вентилятора. Итак, полезный напор, который должен обеспечивать вентилятор, равен:

Из таблиц, предоставляемых производителем (например см. таблицу 31), выбираем модель вентилятора.

В данном случае производитель предоставил характеристическую кривую при условии работы на воздухе с температурой 40°С, поэтому для реального напора и для скорректированной производительности по воздуху Gскорректированное(H) 8739 м³ /час, мы получим модель вентилятора: GBJH07120. Для него необходимо выбрать направление нагнетательного патрубка по отношению к всасывающему патрубку

Таблица 31. Таблица выбора вентилятора

	Расход (м³ /час)
Модель вентилятора	3000	4000	5000	6000	7000	8000	9000	10000	11000	12000	13000	14000	15000	16000	17000	18000	19000	20000
	Статическое давление воздуха (мм вод. столба)
GBJH06630	600	550	500	450	400	300
GBJI06310	650	625	600	550	525	500
GBJH06320	710	700	675	650	600	550
GBJH06380			760	710	680	640
GBJI06340			700	675	650	630
GBJI06320			650	600	575	535	490	450	390	330
GBJI06360			740	700	660	625	590	550	500	450	400
GBJH07120					840	810	790	750	700	650	600
GBJI07100					830	875	850	825	800	770	740
GBJH07170					940	910	880	850	800	750	700	625	560	490	410
GBJI07080					810	780	755	725	695	650	610	585	530	490	425	390	330
GBJI07120						895	875	850	820	790	750	720	690	640	585	545	495	440
GBJI0800A								1025	1005	990	875	845	910	885	855	815	790	750

Рисунок 103. График производительности вентиляторов серии GBJ

Реальную рабочую точку вентилятора необходимо проверить по характеристической кривой.

Как видно из графика на рис. 103, рабочая точка попадает на середину характеристической кривой вентилятора. Это означает, что мы сделали правильный выбор. Далее необходимо проверить, правильно ли выбрана модель вентилятора. При увеличении высоты над уровнем моря и температуры нагнетаемого воздуха производительность вентилятора снижается. Для расчета номинальной мощности эл. двигателя вентилятора необходимо воспользоваться таблицей 32, в которой указаны коэффициенты расчёта номинальной мощности двигателя в зависимости от высоты над уровнем моря и температуры нагнетаемого воздуха. Мощность двигателя всегда должна быть больше, чем мощность, потребляемая вентилятором при реальной производительности. Необходимо помнить, что потребляемая вентилятором мощность уменьшается на тот же коэффициент F, который мы предварительно взяли для повышенной высоты над уровнем моря и повышенной температуры.

 

Таблица 32. Коэффициент коррекции мощности, в зависимости от температуры воздуха и высоты над уровнем моря

	Высота над уровнем моря, м
Температура (°С)	4000	3000	2000	0-1000
0	1,98	1,2	1,3	1,3
10	1	1.1	1.2	1,3
20	0,9	1	1,1	1.2
30	0,8	0,9	1	1,1
40	0,7	0,8	0,9	1
50	0,6	0,7	0,8	0,9
60	0,5	0,6	0,7	0,8

 

 

Выбор газовой рампы.

 

Как правило, газовая рампа для горелок такой мощности состоит из двух элементов:

1. блок клапанов (предохранительный и регулирующий);

2. редуктор давления.

Блок клапанов выбирается в зависимости от потерь давления на головке горелки со стороны газа. Для горелок серии ΤΙ далее приведены характеристические кривые, для природного газа.

Если полная тепловая мощность равна 6410 кВт, сумма потерь давления на дроссельной заслонке и на головке равна 24 + 6 = 30 мбар (3000 Па).

С помощью графика на рис. 105 мы можем выбрать типоразмер блока клапанов DMV100/1, потери давления на котором равны приблизительно 30 мбар (3000 Па).

 

 

Поэтому сумма потерь давления на головке и на блоке клапанов равна:

 

Давление подачи газа равно 2 бар. Поэтому нам потребуется блок редуктора высокого давления. Он должен обеспечивать давление на выходе, равное 60 мбар. Расход газа через него будет равен:

 

Из таблицы 33 на редукторы высокого давления для горелок Riello (>500 мбар - макс 4 бар) мы можем выбрать редуктор HPRT 750 с пружиной типа BP, которая обеспечивает давление на выходе из редуктора в диапазоне от 60 до 110 мбар.

Таблица 33. Таблица выбора редуктора высокого давления

Группа регулирования высокого давления ( Pi > 500 мбар - макс 4 бар)
Модель	Версия	Давление на выходе мбар.	DN вход	Per. Клапан	DN выход	Макс, давление [бар]	Давление на входе, [бар]	Макс, расход [Нм³ /час]	Макс. расход сжиж. нефт. газ [Нм³ /час]
HPRT	80	27-60	1"1/2	D50	1"1/2	4	1,5	74	45
HPRT	160	27-60	1"1/2	D100	2"	4	1,5	148	90
HPRT	250	65-120	2"	D 160/32	65	4	1,5	237	145
HPRT	500	100-200	65	D 250/40	65	4	1,5	445	371
HPRT	750	100-200	80	D 250/50	80	4	1,5	807	493
HPRT	1000	155-230	100	N50	100	4	1,5	1212	739
HPRT	1500	150-220	100	N65	100	4	1,5	1424	869
HPRT	2000	150-220	125	N80	125	4	1,5	2489	1519

Рисунок 104. Потери давления на головке горелки и дроссельной заслонке для горелок серии TI - сторона газа

Рисунок 105. Потери давления на блоке клапанов DMV

 

 

Выбор форсунок

Форсунки выбирают в зависимости от типа распыления мазута и размеров камеры сгорания. В нашем случае распыление автоматическое, регулирование мощности плавное (модулирующее) и камера сгорания имеет стандартное соотношение длина/ диаметр.

Для выполнения этой задачи обратимся к таблице 35. Надо помнить, что номинальный расход мазута через форсунку должен немного превышать теоретический расход мазута на горелку.

 

Итак, необходимая форсунка - это модель ВЗ-45-АА на 650 кг/час, код 3009817.

По графику от производителя форсунок (рис. 106), проверим, будет ли соблюдаться пропорция регулирования расхода 1:5 (в зависимости от минимального и максимального давления мазута в обратном топливопроводе). В нашем случае соотношение равно 650/130 = 5. Пропорция соблюдается.

Рисунок 106. Расход мазута через форсунки для горелок с плавным регулированием

Таблица 35. Таблица выбора форсунок

Форсунки с обратным перепуском топлива для механического распыления
2-х ступенчатый режим работы - плавное регулирование
Модель	Область использования	Угол распыления	Максимальный расход (кг/час)	код
В5-45-АА	ΤΙ10-ΤΙ11-ΤΙ12-ΤΙ13	45	250	3009802
В5-45-АА	ΤΙ10-ΤΙ11-ΤΙ12-ΤΙ13	45	275	3009803
Β5-45-ΑΑ	ΤΙ10-ΤΙ11 -ΤΙ12-ΤΙ13	45	300	3009804
Β5-45-ΑΑ	ΤΙ10-ΤΙ11 -ΤΙ12-ΤΙ13	45	325	3009805
Β5-45-ΑΑ	ΤΙ10-ΤΙ11 -ΤΙ12-ΤΙ13	45	350	3009806
Β5-45-ΑΑ	ΤΙ10-ΤΙ11-ΤΙ12-ΤΙ13	45	375	3009807
Β5-45-ΑΑ	ΤΙ10-ΤΙ11-ΤΙ12-ΤΙ13	45	400	3009808
Β5-45-ΑΑ	ΤΙ10-ΤΙ11-ΤΙ12-ΤΙ13	45	425	3009809
Β5-45-ΑΑ	ΤΙ10-ΤΙ11-ΤΙ12-ΤΙ13	45	450	3009810
Β5-45-ΑΑ	ΤΙ10-ΤΙ11-ΤΙ12-ΤΙ13	45	475	3009811
Β5-45-ΑΑ	ΤΙ11-ΤΙ12-ΤΙ13	45	500	3009812
Β5-45-ΑΑ	ΤΙ11-ΤΙ12-ΤΙ13	45	525	3009813
Β5-45-ΑΑ	ΤΙ11-ΤΙ12-ΤΙ13	45	550	3009814
Β5-45-ΑΑ	ΤΙ11-ΤΙ12-ΤΙ13	45	575	3009815
В5-45-АА	ΤΙ11-ΤΙ12-ΤΙ13	45	600	3009816
В5-45-АА	ΤΙ11-ΤΙ12-ΤΙ13	45	650	3009817
В5-45-АА	ΤΙ12-ΤΙ13	45	700	3009818
В5-45-АА	ΤΙ12-ΤΙ13	45	750	3009819
В5-45-АА	ΤΙ12-ΤΙ13	45	800	3009820
В5-45-АА	ΤΙ 13	45	850	3009821
В5-45-АА	ΤΙ 13	45	900	3009822
В5-45-АА	ΤΙ 13	45	950	3009823

 

3.2.5. Выбор компонентов для контура подачи мазута.

Показанный на рис. 107 контур подачи является наиболее предпочтительным для мазута с вязкостью от 7°E до 65°E при температуре 50°С.

Рисунок 107. Схема контура для подачи мазута

Данная система подачи топлива состоит из двух кольцевых контуров (первичный и вторичный) и одного транспортировочного. По транспортировочному контуру мазут поступает из ёмкости для хранения в рабочий бак. В первичном контуре мазут циркулирует через рабочий бак. По вторичному контуру мазут подаётся непосредственно на горелку. В каждом контуре работает свой собственный насосный агрегат. Насосные агрегаты для первичного и транспортировочного контура выбираются проектировщиком в зависимости от индивидуальных особенностей и общей мощности системы топливоснабжения, а насосный агрегат для вторичного контура поставляется вместе с горелкой.

Если мы возьмём первичный и транспортировочный контуры, то предел вязкости при перекачивании обычно составляет примерно 70°? при температуре 50°С. Поэтому температура мазута 50 - 60 °С для этих контуров будет достаточной, чтобы предотвращать закупоривание топливопроводов и осуществлять перекачивание.

На форсунке горелки, у мазута должна быть температура, достаточная для правильного распыления и последующего сжигания в камере сгорания. Для правильного распыления вязкость мазута должна находиться в пределах от 2°? до 5°? при 50°С. Для этого мазут необходимо подогревать до температуры 130°С.

Мазутные горелки оборудованы электрическими подогревателями с плавным регулированием мощности, которыми управляют ряд предохранительных и регулировочных термостатов. Термостаты отслеживают температуру, необходимую для распыления топлива.

Применяя вязкий мазут, следует прибегать к специальным ТЭНам - для насоса вторичного контура подачи.

На подбор компонентов контура подачи топлива влияют следующие факторы: Фактическая длина всасывающего топливопровода - (Lвсфак) = 15 м, Эквивалентная длина всасывающего топливопровода - (Lвсэкв) = 10 м; Фактическая длина подающего топливопровода - (Lподфак) = 30 м; Эквивалентная длина подающего топливопровода - (Lподэкв) = 20 м; Разница по высоте между насосом и ёмкостью - (Δh) = 1 м,

Проектная температура -(t) = 60°С;

Плотность мазута при базовой температуре (15°С) = 990 кг/м³ ;

Вязкость γ при 50°С = 50°? (приблизительно 400*10-6 м²/с);

Вязкость γ при 60°С = 40°? (приблизительно 200*10-6 м²/с);

Производительность насосного агрегата для перекачивания мазута 1200 кг/час = 20,7 л/мин.

 

 

Рабочий бак

 

Рабочий бак, который выполняет функции газоотделителя, является гидравлическим разъединителем между транспортировочным и первичным контуром. Рабочий бак должен удовлетворять следующим требованиям:

· Подача мазута должна производиться в нижнюю часть бака;

· В баке должны быть два совместно работающих подогревателя (электрический и паро/водяной) с возможностью аварийного отключения, установленные друг над другом выше точки поступления мазута;

· Отбор мазута должен производиться из точки, расположенной выше подогревателей;

· Ёмкость рабочего бака должна превышать в 2-3 раза максимальный часовой расход топлива через горелку.

В нашем случае, объём рабочего бака равен:

 

К полученному объёму следует добавить 10% для выделяющихся из топлива газов.

Кроме того, на рабочем баке должны быть установлены следующие устройства:

· штуцер в нижней части бака для слива воды и осадка;

· устройство контроля уровня с аварийными сигнализаторами минимального и максимального уровня и системой самоконтроля;

· трубка соединения с атмосферой;

· устройства контроля "переполнения", соединённое трубопроводом с ёмкостью для хранения мазута.

 

 

Выбор пульта управления.

Тип электрического питания и системы управления для блочных горелок зависит от эл. мощности компонентов, которые составляют систему топливоснабжения и от типа регулирования тепловой мощности.

У производителей есть таблицы для выбора типа электрического питания и пульта управления в зависимости от типа горелки, её максимальной мощности и типа регулирования.

В нашем случае в таблице 36 по максимально требуемой мощности горелки TI 12 (7800 кВт) подходит пульт управления типа QA12 PNM. Но окончательное решение о модели пульта управления принимается проектировщиком системы электроснабжения котельной.

Таблица 36. Таблица выбора пульта управления для блочной комбинированной горелки ΤΙ

Модель	Мощность горелки [кВт]	Потребля­емая мощность вентиля­тора [кВт]	Потребля­емая мощность ТЭНов [кВт]	Потребля­емая мощность насоса [кВт]	Тип нагрева
ΟΑ10ΡΝΜ-1Α	TI10 max 3900	11	20	1.5	ЕР
QA10PNM-1B	TI10 max 3900	11	15	1.5	EV
QA10PNM-2A	TI10 max 4600	11	28	2,2	ЕР
QA10PNM-2B	TI10 max 5000	11	15	2,2	EV
QA11PNM-1A	TI11 max 5400	15	28	2,2	ЕР
QA11PNM-1B	TI11 max 5400	15	15	2,2	EV
QA11PNM-2A	TI11 max 6200	15	40	2,2	ЕР
QA11PNM-2B	TI11 max 6200	15	20	2,2	EV
QA11PNM-3A	TI11 max 7000	22	40	3	ЕР
QA11PNM-3B	TI11 max 7000	22	25	3	EV
QA12PNM-1A	TI12 max 7700	22	20	3	ЕР
QA12PNM-1B	TI12 max 7700	22	25	3	EV
QA12PNM-2A	TI12 max 6500	30	42	3	ЕР
QA12PNM-2B	TI12 max 8500	30	30	3	EV
QA13PNM-1A	TI13 max 9300	30	42	3	ЕР
QA13PNM-1B	TI13 max 9300	30	30	3	EV
QA13PNM-2A	TI13 max 10600	37	60	5,5	ЕР
QA13PNM-2B	TI13 max 10600	37	40	5,5	EV
QA14PNM-1A	TI14 max 11600	55	60	5,5	ЕР
QA14PNM-1B	TI14 max 11600	55	40	5,5	EV
QA14PNM-2A	TI14 max 12400	55	во	7,5	ЕР
QA14PNM-2B	TI14 max 12400	55	50	7,5	EV

Приборы.

 

Для правильного измерения КПД горения требуются следующие приборы:

1. Прибор для измерения двуокиси углерода СO₂ или прибор для измерения O₂;

2. Прибор для измерения монооксида углерода CO (только для газового топлива);

3. Прибор для измерения сажевого числа по шкале Бахараха (только для жидкого топлива);

4. Термометр для измерения температуры участвующего в горении воздуха;

5. Термометр для измерения температуры продуктов горения;

6. Термометр для измерения температуры воды в котле;

7. Хронометр.

Инструменты, перечисленные в пунктах 1-5, можно заменить многофункциональным устройством - газоанализатором (рис. 108).

Рисунок 108. Образец прибора для измерения КПД горения

 

 

Предварительные операции.

 

Первоначально следует определить реальную полную тепловую мощность теплогенератора. Это можно сделать перемножив реально замеренный расход топлива с известной величиной низшей теплотворной способности используемого топлива.

В случае невозможности определения реального расхода топлива описанными ниже способами можно использовать заявленное производителем значение полезной тепловой мощности.

Найденное значение полной тепловой мощности должно быть меньше или равно максимальной полной тепловой мощности теплогенератора.

Методы измерения расхода как жидкого, так и газообразного топлива описаны далее.

 

 

Условия и методы измерения.

 

Измерения должны проводиться при устойчивом рабочем режиме теплогенератора (для водогрейных котлов - температура воды в котле 70°С) на максимальной мощности.

Для проведения измерений следуйте приведенным ниже инструкциям:

1. Проделайте в дымоходе отверстие для измерительного зонда диаметром приблизительно 10 мм на расстоянии двух диаметров дымохода от теплогенератора (рис. 109).

2. Перед проведением измерений убедитесь в том, что через зазор между измерительным зондом и краями отверстия в дымоход не попадает воздух из атмосферы (герметизируйте все щели, т.к. результаты измерений станут неточными).

3. Выведите теплогенератор на устойчивый рабочий режим (температура воды в котле 70°С для водогрейных котлов).

4. Для каждого отдельного параметра проводите не менее трёх измерений через равные интервалы времени, но не менее чем через 2 минуты.

5. После окончания измерений герметизируйте отверстия, проделанные для испытаний.

6. Запишите дату, когда проводились измерения. В качестве замеренного значения каждого отдельного параметра берётся среднее арифметическое от первых трех значащих измерений (измерения с аномальным отклонением от нормы не учитываются).

Рисунок 109. Точки для замера состава дымовых газов

 

Расчет кпд горения.

 

КПД теплогенератора рассчитывается по следующей формуле (потери теплоты через теплоизоляцию теплогенератора принимается равным нулю).

 

где:

η - КПД теплогенератора;

Ps - тепловая мощность, теряемая уходящими дымовыми газами;

±2% - допуск, связанный с неточностью измерений и считывания результатов измерения параметров.

Как мы уже видели в параграфе 1.5.1, для определения потерь теплоты с уходящими дымовыми газами используется традиционная формула:

 

если известна концентрация свободного кислорода в дымовых газах, или:

 

если известна концентрация углекислого газа в дымовых газах;

где:

Ps - потери тепловой мощности с уходящими дымовыми газами [%];

Tf - температура дымовых газов (°С);

Та - температура воздуха, участвующего в горении (°С);

O₂ - концентрация кислорода в сухих дымовых газах [%];

СO₂ - концентрация углекислого газа в сухих дымовых газах [%];

А1, А2 и В - это эмпирические коэффициенты, которые приведены в таблице 37.

 

Таблица 37. Коэффициенты для расчета КПД горения

Топливо	А1	А2	В
Метан	0,66	0,38	0,010
Сжиженный нефтяной газ	0,63	0,42	0,008
Дизельное топливо	0,68	0,50	0,007
Мазут	0,68	0,52	0,007

 

Оставим пока измеренное значение КПД горения и проверим концентрацию CO в дымо­вых газах. Концентрация CO измеряется для сухих продуктов горения при отсутствии воздуха. Чтобы процесс горения считался удовлетво­рительным она должна быть менее 0,1 %.

Концентрация CO в сухих дымовых газах без воздуха вычисляется по следующей формуле:

 

где:

СOm - это измеренное количество угарного газа;

СO₂ теоретическое - это теоретическое количество углекислого газа;

СO₂ измеренное - это измеренное количество углекислого газа.

В таблице 5 указан максимальный и рекомендуемый уровень СO₂ для разных видов топлива.

Для теплогенераторов, работающих на жидком топливе, сажевое число по шкале Бахараха должно быть не больше 2 для дизельного топлива и не больше чем 6 для мазута.

 

 

Пример расчёта КПД горения.

 

Давайте проверим следующие измеренные значения:

Измеренное СO₂ - 9,6%

Температура дымовых газов Tfc - 170°С

Температура воздуха, участвующего в горении

Tа - 30°с

Измеренное СO - 80 ppm Теоретическое значение СO₂ - 11,7%

Поскольку мы знаем количество СO₂, присутствующего в дымовых газах, мы можем рассчитать потерю тепловой мощности с уходящими дымовыми газами:

 

КПД горения теплогенератора для полной тепловой мощности, при которой было произведено измерение, равно:

 

В заключение проверим концентрацию СO при условии сухих продуктов горения без воздуха:

 

Неравенство 0,0098% < 0,1% выполняется.

Азбука горения.

Раздел 1. Основные принципы горения.

Основные реакции.

 

Процесс горения - это, по сути, быстро протекающая реакция окисления топлива. Реакция сопровождается видимым физическим явлением - "пламенем" и выделением большого количества тепловой энергии.

В результате реакции окисления, углерод соединяется с кислородом, образуя не ядовитый газ: двуокись углерода (углекислый газ) с выделением некоторого количества теплоты.

 

 

Таким же образом водород, вступая в реакцию с кислородом, образует водяной пар и некоторое количество теплоты.

 

 

Необходимо учитывать, что реакция окисления (горение) происходит нормально только при строго определенном "стехиометрическом" соотношении топлива и кислорода в топливной смеси.

В противном случае, те. при избытке топлива или недостатке кислорода в топливной смеси, сгорание топлива будет происходить не полностью. Одна часть топлива вступает в реакцию окисления с кислородом, а другая не получает достаточного количества кислорода и сгорает частично. При этом снижается количество выделяющейся теплоты по сравнению с тем, которое выделилось бы при полном сгорании. В результате неполного сгорания, как видно из нижеприведенной формулы, неполное окисление углерода, содержащегося в топливе, сопровождается образованием угарного газа (CO), который является высокотоксичным веществом.

 

 

Неполное сгорание иногда требуется в специальных промышленных термических процессах, но его следует избегать при любых других обстоятельствах.

Помимо двуокиси углерода и водяного пара при горении также образуются и другие вещества, но в меньшем количестве: оксиды серы, оксиды азота, угарный газ, оксиды металлов, - об этом будет рассказано ниже.

 

Рисунок 1. Условное изображение факела

 

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: