З намi у вашай хаце зауседы будзе цёпла!

 Подписаться на обновления

Проектирование и расчет самодельного шахтного котла Glaz6,50

Расчет газового окна

Наиважнейшим элементом шахтного котла является газовое окно. Именно от этого элемента зависит горение в котле и именно от него зависит как будет работать ваш котел. Либо он будет работать красиво и с чистым выхлопом, либо коптить и захлебываться в собственном дерьме.
В этой статье мы постараемся собрать воедино все имеющиеся наработки и знания и рассчитать газовое окно.

Если у вас возникли вопросы по работе сайта звоните по телефону

+375-29-677-53-35

По этому номеру вы можете получить бесплатные консультации.

Для начала давайте разберемся какие процессы происходят перед газовым окном на колосниках.
Пройдя колосники воздух в первую очередь контактирует и вступает в реакцию с раскаленным углем который представляет собой ни что иное как чистейший углерод. Конечно, раньше это был кусок древесины, но под действием высокой температуры из него сначала испарилась влага, а потом в виде газов ее покинули различные органические соединения, а на решетку колосников лег уже обычный древесный уголь.
Итак наш воздух коснулся первых, лежащих на решетке угольков, и конечно же часть кислорода из него с ними тут же прореагировала. В воздухе уменьшится содержание кислорода и появятся первые проценты углекислого газа. Вся эта смесь идет дальше вверх, встречается с новыми кусочками угля и наступает такой момент, когда весь кислород, находящийся до этого в воздухе, прореагировал и уступил свое место углекислому газу.
Температура получившихся газов достигает своего апогея и именно сейчас потоку этих самых газов нужно уходить в газовое окно. Все это потому, что раскаленный углекислый газ настолько хитер , что встречаясь с углеродом порождает новое соединение- угарный газ. Если бы эта реакция шла с выделением энергии, то все было бы отлично. Но здесь наоборот энергия затрачивается. Это сопровождается понижением температуры факела и выпадением сажи.
За тот момент когда газы должны покинуть слой и уйти в газовое окно и отвечает так называемый порожек. Высота этого порожка зависит от многих факторов, но в основном от размеров кусков топлива и его влажности. Самая распространенная ощибка многих котлостроителей- делать окно без порожка, а потом фанатично гоняться за появившимся неизвестно откуда избытком воздуха.(Альфа). Некоторые котлы вообще не хотят гореть, но мы то знаем, что порожек необходим, хотя бы для создания шапки углей на колосниках.
В умных книгах и статьях написано, что высота кислородной зоны (считай порожка) составляет от 2 до 10 величин размера топлива. Для дров этот показатель склоняется к нижнему пределу и поэтому предлагаю принять высоту порожка перед газовым окном 10 см. Правильность нашего направления подтверждает опыт эксплуатации других котлов.
Теперь перейдем непосредственно к сечению газового окна. Нам конечно неизвестен состав газов на входе в окно, но мы можем вполне допустить, что там может быть и угарный газ и не до конца сгоревшие углеводородные газы, которые только и успели, что распасться на более простые. Но очевидно главное- нужен дожиг, а точнее подача вторичного воздуха в факел.
Для того, чтобы не наступать на грабли откровенно неудачных шахтных котлов мы в нашей конструкции соберем факел в тонкую струю и в самом узком месте подадим вторичный воздух. Согласитесь, что в этом случае результат будет более предсказуем и гарантирован, нежели делать газовое окно на всю ширину шахты, где с одной стороны будет факел, а где-нибудь с другой просто проскакивать паразитный поток вторички.
Профиль нашего окна мы сделаем по всем законам гидрогазодинамики в виде сопла-диффузора. Между ними и подадим вторичный воздух.(см рисунок) В авторитетных источниках пишут, что свободная изотермическая струя имеет угол раскрытия от 15 до 26 градусов. В силу того, что скорости у нас относительно малы мы примем угол раскрытия максимальным, то есть 26 градусов. Так как дело мы все таки имеем с факелом и высокой температурой то газовое окно мы будем изготавливать из шамотного кирпича.
Ширина стандартного кирпича ША-5 составляет 114 мм, а толщина 65мм. Вот и получается, что высота нашего газового окна составит 114 мм, а глубина сопла и диффузора по 65 мм. Угол сужения сопла и раскрытия диффузора как мы уже договаривались составит 26 градусов, то есть от оси потока каждая сторона струи отклонится на 26/2=13 градусов.

tg13=0,231

Если большой катет импровизированного треугольника составляет 65 мм, то малый катет составит

65*0,231=15 мм

Теперь осталось найти ширину нашего газового окна. В идеале конечно было бы круто сделать из газового окна тонкую щелевую форсунку, но мы тогда не пролезем по аэродинамике. Поэтому будем ориентироваться на понятие теплонапряженности газового окна, которое путем проб определено в 1000 квт/кв метр. Исходя из этого показателя площадь сечения газового окна составит

Sо=6,5/1000=0,0065 кв метра (65 кв сантиметров)

тогда ширина окна в самом узком месте составит:

Ш=65/11,4=5,7 см или 57 мм;

Очень даже неплохо. Для подвода вторички между соплом и диффузором предварительно оставим щель 10мм и путем несложных расчетов оценим, а хватит ли? Но для начала отвлекемся на теоретическое отступление. Представим, что на колосниках идут настолько бурные процессы которые сопровождаются сильной газацией лров и для полного сгорания этих газов кислорода катастрофически не хватает. Не настолько конечно, что прет сажа, но СО там явно в зашкале. Все потому, что молекулы водорода более цепкие и если вдруг они остаются свободными, то они с легкостью могут отобрать кислород у углекислого газа. Например так:

Н2+СО2=СО+Н2О

Или вообще по жестокому с выделением сажи

2Н2+СО2=С+Н2О.

Будем считать, что весь СО2 или углекислый газ превратился в СО. Его и будем дожигать. Внимательно смотрим реакцию

2СО+О2=2СО2

1 моль углерода весит как мы знаем 12 грамм, а 1 моль кислорода 32 грамма. Глядя на реакцию нетрудно сообразить, что 24 грамма углерода, находящихся в угарном газе, потребуют себе 32 грамма кислорода. Если в абсолютно сухой древесине содержится 51 процент углерода, то в свежеспиленных дровах 60 процентной влажности его содержание будет:

С=51*(100-60)/100=20,4 процента.

Если за час наш котел сжигает 4,85 кг таких дров, то углерода в них горит:

Сг=4,85*0,204=0,989 кг или 989 грамм.

Тогда на дожиг потребуется кислорода

О=989*32/24=1318 грамм

Зная, что в нашей атмосфере доля кислорода составляет 21 процент мы получим, что нам необходимо подать

Мв=1318/0,21=6,276 кг воздуха в час

При атмосферном давлении и температуре в 0 градусов плотность воздуха составляет 1,293 кг/куб метр, тогда во вторичку должно войти

Vвт=6,276/1,293=4,853 куба в час или
vвт=4,853/3,6=1,35 литра в секунду.

Проходя через весь котел к газовому окну вторичный воздух конечно же подогреется. Немного конечно, но градусов до 50 точно. Объемный его расход конечно же увеличится и станет

vвт=1,35*(50+273)/273=1,6 литр/сек

К факелу вторичка будет подаваться с трех сторон (снизу через отверстия и с боков). Поэтому необходимо прикунуть суммарную площадь отверстий вторички исходя из условия, что скорость истечения воздуха из них не будет превышать 1,5 м/с или 15 дм/сек Данная скорость приблизительна и позже мы проверим ее аэродинамическим расчетом.
Под газовым окном в котле будет находиться камера вторичного воздуха из которой вторичка и будет поступать в нижнюючасть окна и боковые щели через отврстия диаметром 10 мм. Суммарная площадь отверстий составит:

S=1,6/15=0,106 кв. дециметра или 10,6 кв. сантиметра

Площадь одного отверстия диаметром 10мм составляет 0,785 кв. сантиметра, тогда из камеры вторичного воздуха в щель будет поступать воздух по:

n=10,6/0,785=14 отверстиям.

Если отверстия сверлить с шагом 15мм то суммарная длинна камеры вторичного воздуха получится как минимум:

L=14*15=210мм

Из книг по сжиганию твердого топлива во взвешенном состоянии я нашел информацию, что в среде с хорошим перемешиванием и достатком кислорода летучие вещества сгорают с видимым факелом всего за 0,1 секунды. От углей на колосниках пламя некоторое время двигалось к газовому окну и хоть не в идеальных условиях, но все же горело. Поэтому предлагаю время горения летучих разделить на 2 равные части по 0,05 секунд. Примем пока за аксиому, что после газового окна частицы газа дают видимый спектр излучения всего 0,05 секунд. Если глубина камеры дожига равна в нашем котле 20см или 0,2 метра то скорость газов на выходе из газового окна не должна превышать:

Скр=0,2/0,05=4 м/сек

Теперь снова обратимся к статье про расчет дымоходов. Оттуда и возьмем данные что плотность уходящих газов при атмосферном давлении и 0 градусов составляет 1,202 кг/куб метр. Как мы уже считали ранее котел в час будет поглощать 4,85 кг дров и требовать для их сжигания 15,7 кг воздуха. Соответственно в час получится

4,85+15,7=20,55 кг уходящих газов.

Эти газы, покидая окно будут иметь температуру порядка 1000 градусов и их плотность для этой температуры составит:

r=1,202*273/(1000+273)=0,258 кг/куб

Тогда объемный расход на выходе из газового окна составит:

Gv=20,55/0,258=79,6 куб. метров в час

Переводим в более понятные литры в секунду

gv=79,6/3,6=22,12 л/сек

Теперь нетрудно найти скорость истечения потока газов из газового окна

С=22,12/(1,14*0,57)=34 дм/сек или 3,4 м/сек

Как видим в принятые ранее 4 м/сек мы с легкостью вписались. Посчитать длинну факела с достоверной точностью- сложнейшая задача и поэтому после постройки котла и проведения испытаний мы сможем данный вопрос дополнить более существенными фактами. К тому же в конструкции котла будет предусмотрена возможность замены кирпичей, что позволит изменять сечение газового окна в широчайших пределах.

Наша группа В Контакте

Подписаться на обновления

Все права защищены