Расчет и обоснование безопасной работы топочного устройства (стр. 4 )

. (9)

Зная диаметр устья горелки (рис. 2) и число устанавливаемых горелок , можно рассчитать скорость газовоздушной смеси в устье горелки по формуле, м/с

. (10)

4.2. Образующиеся при горении объемы

и состав продуктов сгорания

При расчетах топочных устройств часто требуется знать количество и состав образующихся при горении продуктов сгорания. Это необходимо для правильного расчета теплопереноса к поверхностям нагрева, подбора размеров газоходов и скорости движения по ним газов, выбора тягодутьевых устройств и т. п. Расчет количества образующихся продуктов сгорания ведут на единицу сжигаемого топлива, исходя из уравнения материального баланса процесса горения в топочном устройстве.

Теоретические объемы азота, водяных паров, трехатомных газов и продуктов сгорания при рассчитывают для газообразного топлива по формулам, м3/нм3:

;

(11)

;

;

,

где d - влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м3 сухого газа, г/нм3; при расчетах принимают d = 10 г/нм3. Следует отметить, что природный газ подается на месторождении в газопровод сухим, т. е. его там специально осушают. Делается это для того, чтобы в газопроводе не образовывался конденсат, а при отрицательных температурах и лед. Поэтому к потребителю газ всегда подается сухим.

При величине коэффициента избытка воздуха >1 объем образующихся в топочном устройстве продуктов сгорания будет больше на величину объема избыточного воздуха (-1)Vо и заключенных в нем водяных паров 0,0161(-1)Vо, т. е.

. (12)

Объемный секундный расход образующихся в топочном устройстве продуктов сгорания может быть определен по формуле, м3/с,

, (13)

где - температура уходящих из топочного устройства продуктов сгорания, оС. Эта температура обычно находится из уравнения теплового баланса топочного устройства. Так как тепловой баланс для топочного устройства не составляется, то при расчетах эту температуру можно принять равной 1000 оС.

5. МАКСИМАЛЬНАЯ НОРМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ

ГОРЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

Процесс интенсивного сжигания газообразного топлива в топочном устройстве можно осуществить только после предварительного смешения газа с воздухом в горелке. Тогда на выходе из горелки газовоздушная смесь будет активно гореть. Такое горение называют кинетическим. Для оптимальной и безопасной работы горелки нужно, чтобы скорость горения газовоздушной смеси не превышала максимальную нормальную скорость распространения пламени. В противном случае может произойти отрыв пламени от устья горелки и возникнуть нештатная ситуация, когда прекращается процесс горения. При последующей подаче газа и воздуха в топочную камеру в ней может создаться взрывоопасная газовоздушная смесь (см. гл. 6).

Таблица 1

Максимальная нормальная скорость распространения пламени

в смесях различных газов с воздухом

при давлении 101,3 кПа и температуре 20 oС [8]

Горючий газ	Химическая формула	Смесь с максимальной нормальной скоростью распространения пламени
Содержание компонента в смеси по объему, %	, м/с
газа	воздуха
Метан		10,5	89,5	0,37
Этан		6,3	93,7	0,40
Пропан		4,3	95,7	0,38
Н-Бутан		3,3	96,7	0,37
Пентан		2,7	96,8	0,37
Водород		42,0	58,0	2,67
Окись углерода		43,0	57,0	0,42
Ацетилен		10,0	90,0	1,35
Этилен		7,0	93,0	0,63
Пропилен		4,8	95,2	0,44

Под максимальной нормальной скоростью распространения пламени понимают линейную максимальную скорость перемещения элемента фронта пламени относительно свежей газовоздушной смеси по направлению нормали к поверхности этого элемента фронта.

Значения максимальной нормальной скорости распространения пламени для отдельных газов можно найти в справочной и учебной литературе [1, 5, 8]. Для некоторых газов эти значения приведены в табл. 1.

Максимальная нормальная скорость распространения пламени используется при определении пределов устойчивой работы горелки. Здесь под пределом устойчивой работы горелки (нижним или верхним) понимают такую ее работу, при которой не возникает погасание, срыв, отрыв, проскок пламени и не появляются недопустимые вибрации.

Максимальная нормальная скорость распространения пламени в смеси сложного газа (например, природного) с воздухом может быть определена по формуле, м/с:

, (14)

где ,,…,- максимальные нормальные скорости распространения пламени горючих компонентов сложного газа в смеси с воздухом (приведены в табл. 1), м/с;

, , …, - содержание отдельных горючих компонентов (газов) в сложном газе по объему, %. Для природных газов они приведены в прил. 3.

6. РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРЕДЕЛОВ

ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

6.1. Концентрационные пределы воспламенения

При использовании в технологических процессах горючих газов вопросы обоснования и обеспечения взрывопожарной безопасности становятся чрезвычайно важными, т. к. от этого зависит жизнь и здоровье работников. Нарушение технологических режимов сжигания органических топлив может приводить к взрывам в оборудовании.

Газовоздушные смеси могут воспламеняться (взрываться) только в том случае, если содержание газа в воздухе находится в определенных (для каждого газа) пределах. В связи с этим различают нижний (НКПР) и верхний (ВКПР) концентрационные пределы воспламенения, которые соответствуют минимальному и максимальному количеству газа в газовоздушной смеси. В этих концентрационных пределах происходит воспламенение газовоздушной смеси и дальнейшее ее горение при удалении источника зажигания. Для наглядности взрывоопасная область газовоздушной смеси в зависимости от концентрационных пределов воспламенения показана на рис. 3.

 

Рис. 3. Расположение области воспламенения газовоздушной смеси в зависимости от концентрационных пределов воспламенения