Лекции по "Газоснабжению"

Регуляторы предназначены  для автоматического поддержания  давления на заданном уровне. Классифицируются по назначению, характеру регулирующего воздействия, связи между входной и выходной величинами, способу воздействия на регулирующий клапан. По характеру регулирующего воздействия регуляторы делят на пропорциональные (статические) и астатические. Мембрана астатического регулятора имеет поршневую форму и ее активная площадь, воспринимающая давление газа, практически не меняется при любых положениях регулирующего клапан. Астатические регуляторы после возмущения приводят регулируемое давление к заданному значению независимо от величины нагрузки и положения регулирующего клапана. В статических регуляторах подмембранная полость отделена от коллектора сальником и соединяется с ним импульсной трубкой. Вместо грузов на мембрану действует сила сжатия пружины.

По способу воздействия на регулирующий клапан различают регуляторы прямого и непрямого действия. В регуляторах прямого действия регулирующий клапан находится под действием регулирующего параметра прямо или через зависимые параметры и при изменении величины регулируемого параметра приводится в действие усилием, возникающим в чувствительном элементе регулятора. В регуляторах непрямого действия чувствительный элемент воздействует на регулирующий клапан посторонним источником энергии.

Выбор типа и размера  регулятора давления зависит от расхода газа, его входного и выходного давления. Основными параметрами, определяющими пропускную способность регулятора, являются условный диаметр проходного сечения дросселирующего органа и соответствующий ему коэффициент пропускной способности. Коэффициент пропускной способности характеризует пропускную способность дросселирующего органа и зависит от его проходного сечения и гидравлического сопротивления. Численно он равен количеству воды в тоннах, которое пропускает данное исполнительное устройство при перепаде давлений на его дросселирующем органе 1 кг/см² за 1 час, то есть единицей его измерения является т/ч. Способ определения коэффициента зависит от вида истечения газа через дросселирующее устройство: докритическое, критическое или сверхкритическое. Под критическим понимается истечение газа с максимальной скоростью равной скорости звука, которая может быть достигнута на выходе из дросселирующего органа регулятора при критических или сверхкритических отношениях входного и выходного давлений. В регуляторе давления, который поддерживает низкое давление 200 мм.вод ст. при входном избыточном давлении 0,1МПа и более наступает критический режим истечения газа.

Пропускная способность  регулятора при нормальных условиях:

,

где φ – коэффициент, зависящий от р₂/р₁;

      f_с – площадь седла, см²;

      р₁ – входное абсолютное давление, МПа.

Учитывая значительные потери в корпусе регулятора, действительный расход газа через регулятор будет  меньше теоретического, и для его определения вводят поправочный коэффициент a меньше единицы.

 

 

7. Горение газов.  Концентрационные пределы воспламенения,  температура воспламенения, 

стехиометрические уравнения горения углеводородов,

понятие коэффициента избытка воздуха,

теоретического  объема воздуха.

 

Горение газообразного  топлива представляет собой сочетание  следующих физических и химических процессов: смешение горючего газа с воздухом, подогрев смеси, термическое разложение горючих компонентов, воспламенение и химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха, сопровождаемое образованием факела (пламени) с интенсивным тепловыделением.

Устойчивое горение  газовоздушной смеси возможно при  непрерывном подводе к фронту горения необходимых количеств  горючего газа и воздуха, их тщательном перемешивании и нагреве до температуры воспламенения или самовоспламенения.

Воспламенение газовоздушной  смеси может быть осуществлено:

• нагревом всего объема газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения. В этом случае газовоздушная смесь воспламеняется и горит без постороннего источника зажигания. Такой способ применяют в двигателях внутреннего сгорания, где газовоздушную смесь нагревают быстрым сжатием до определенного давления;
• применением посторонних источников зажигания (высоконагретых тел, запальников и т.д.). В этом случае до температуры воспламенения нагревается не вся газовоздушная смесь, а только ее часть. Данный способ применяется при сжигании газов в горелках газовых приборов;
• существующим факелом (пламенем) непрерывно в процессе горения.

Химическая формула  сгорания газового топлива с указанием  всего механизма реакции, связанного с возникновением и исчезновением большого количества свободных атомов, радикалов и других активных частиц, сложна. Поэтому для упрощения используют уравнения, выражающие начальное и конечное состояние реакций горения газа. Стехиометрическими называют уравнения реакций, в которых отношение количеств исходных веществ строго соответствует условию получения конечных продуктов. Если углеводородные газы обозначить C_mH_n, то уравнение химической реакции горения этих газов в кислороде примет вид

,

где m – количество атомов углерода в газе;

      n – количество атомов водорода в газе;

    - количество кислорода, необходимое для полного сгорания газа.

Чаще всего сжигание газов (и других топлив) происходит не в чистом кислороде, а в кислороде воздуха, где на 21 объем кислорода приходится 79 объемов азота (пренебрегая незначительным количеством СО₂ и редких газов). Следовательно, на 1 м³ кислорода воздуха приходится м³ азота, или 1 м³ кислорода содержится в м³ воздуха.

В связи с этим предыдущее уравнение горения углеводородов  в атмосфере воздуха можно написать таким образом:

. 

Для того чтобы могли протекать  реакции горения, необходимо создать  условия для воспламенения смеси топлива и окислителя.

Воспламенение может быть самопроизвольным и вынужденным. Под самовоспламенением понимается самоускорение химических реакций, в результате которого медленно протекающий в начальной стадии процесс достигает больших скоростей и на завершающей стадии протекает мгновенно. При этом способе вся смесь доводится до такой температуры, при которой она сама воспламенится.

Вынужденное воспламенение (зажигание) обусловлено внесением  в реагирующую смесь источника теплоты, температура которого выше ее температуры воспламенения.

Процесс воспламенения характеризуется  тем, что имеются определенные границы (пределы), вне которых воспламенение ни при каких условиях. Известно, что газовоздушные смеси воспламеняются только в том случае, когда содержание газа в воздухе находится в определенных (для каждого газа) пределах. При незначительном содержании газа количество теплоты, выделившейся при горении, недостаточно для доведения соседних слоев смеси до температуры воспламенения, то есть для распространения пламени. То же наблюдается и при слишком большом содержании газа в газовоздушной смеси. Недостаток кислорода воздуха, идущего на горение, приводит к понижению температурного уровня, в результате соседние слои смеси не нагреваются до температуры воспламенения. Этим двум случаям соответствуют нижний и верхний пределы воспламеняемости. Разбавление горючих газов балластными примесями (N₂, CO₂) ухудшает условия их воспламенения.  

 Пределы воспламенения технических газов, состоящих из смеси различных горючих компонентов и не содержащих балластных примесей, определяются по правилу Ле Шателье:

где l – верхний или нижний предел воспламенения газовой смеси, состоящей из n горючих компонентов, %;

a₁, a₂,…, a_n – содержание горючих компонентов в газовой смеси, %;

l₁, l₂,…, l_n – верхний или нижний предел воспламенения отдельных горючих компонентов, %.

Коэффициент избытка воздуха, соответствующий верхнему или нижнему пределам воспламенения газовоздушной смеси, определяется по формуле:

где V₀ – теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания, м³/м³.

Наименьшее количество воздуха, потребное для полного  сжигания газа, называется теоретическим расходом воздуха и обозначается L_Т, то есть если низшая теплота сгорания газового топлива равна 33520 кДж/м³, то теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м³ газа составит

 м³.

Зная состав технического газа, можно подсчитать теоретический расход сухого воздуха по следующей формуле

где Н₂, СО, СН₄, - содержание горючих компонентов технического газа, %.

Теоретическое количество воздуха может быть определено из соотношения

.

Однако действительный расход воздуха всегда превышает теоретический. Объясняется это тем, что очень трудно достигнуть полного сгорания газа при теоретических расходах воздуха. Поэтому любая газовая установка работает с некоторым избытком воздуха.

Итак, действительный расход воздуха составит

,

где a - коэффициент избытка воздуха.

Коэффициент избытка  воздуха всегда больше единицы. Для  природного газа он составляет a=1,05…1,2. Коэффициент a показывает, во сколько раз действительный расход воздуха превышает теоретический, принимаемый за единицу. Если a=1, то газовоздушная смесь называется стехиометрической. Коэффициент избытка воздуха показывает отношение поступившего в установку воздуха к объему воздуха, необходимому для полного сгорания топлива в соответствии со стехиометрическими уравнениями

.

.

Содержание избыточного воздуха в сухих продуктах полного сгорания равно (h-1) м³ на 1м³ сухих продуктов сгорания, не разбавленных воздухом. А содержание избыточного воздуха в пересчете на 1м³ влажных продуктов полного сгорания равно (h-1)×В, м³. Коэффициент разбавления сухих продуктов полного сгорания равен

.

=11,8%.

При a=1,2 сжигание производится с избытком воздуха на 20%.

Воздух, принимающий участие в горении, бывает первичным и вторичным. Первичным называется воздух, поступающий в горелку для смешения в ней с газом, а вторичным – воздух, поступающий в зону горения не в смеси с газом, а отдельно.

 

 

 

 

8. Методы сжигания газа

Классификация горелок. Пересчет горелок

 

 

В зависимости от способа  образования газовоздушной смеси  методы сжигания газа (рис.1.) можно разделить на диффузионный, смешанный и кинетический.

При диффузионном методе сжигания к фронту горения газ  поступает под давлением, а необходимый для горения воздух – из окружающего пространства за счет молекулярной или турбулентной диффузии. Смесеобразование здесь протекает одновременно с процессом горения, поэтому скорость процесса горения в основном определяется скоростью смесеобразования.

Процесс горения начинается после образования контакта между  газом и воздухом и образованием газовоздушной смеси необходимого состава. К струе газа диффундирует воздух, а из струи газа в воздух – газ. Таким образом, вблизи струи газа создается газовоздушная смесь, в результате горения которой образуется зона первичного горения газа 2. Горение основной части газа происходит в зоне 3, а в зоне 4  движутся продукты сгорания.

Выделяемые продукты сгорания осложняют взаимную диффузию газа и воздуха, в результате чего горение протекает медленно с образованием частиц сажи. Этим и объясняется, что диффузионное горение характеризуется значительной длиной и светимостью пламени.

Одно из достоинств диффузионного  метода сжигания газа – возможность  регулирования процесса горения в широком диапазоне. Процесс смесеобразования легко управляем при применении различных регулировочных элементов. Площадь и длину факела можно регулировать дроблением струи газа на отдельные факелы, изменением диаметра сопла горелки, регулированием давления газа и т.д.

Преимущества диффузионного  метода сжигания: высокая устойчивость пламени при изменении тепловых нагрузок, отсутствие проскока пламени, равномерность температуры по длине пламени. Недостатки этого метода – вероятность термического распада углеводородов, потребность в больших топочных объемах, низкая интенсивность горения, вероятность неполного сгорания газа.

При смешанном методе сжигания горелка обеспечивает предварительное  смешение газа только с частью воздуха, необходимого для полного сгорания газа, остальной воздух поступает из окружающей среды непосредственно к факелу. В этом случае сначала выгорает лишь часть газа, смешанная с первичным воздухом, а оставшаяся часть газа, разбавленная продуктами сгорания, выгорает после присоединения кислорода вторичного воздуха. В результате факел получается более коротким и менее светящимся, чем при диффузионном горении.