燃氣燃燒與設(shè)備設(shè)計

1、目 錄1設(shè)計原始資料11.1氣源11.2設(shè)計熱負荷12燃氣燃燒計算12.1燃氣的熱值12.2華白數(shù)22.3理論空氣量42.4過?？諝庀禂?shù)42.5實際空氣量52.6煙氣量53大氣式燃燒器73.1大氣式燃燒器的工作原理73.2設(shè)計計算73.3火焰高度12總結(jié)14參考資料141設(shè)計原始資料1.1氣源天然氣3T0成分見表1-1表1-1 燃氣成分類別體積分數(shù)(%)相對密度熱值/()華白數(shù)/()燃燒勢理論干煙氣中體積分數(shù)(%)3T0CH4=32.5空氣=67.50.88511.0612.2811.9513.2822.011.741.2設(shè)計熱負荷本設(shè)計熱負荷為：4.2 燃氣壓力：20002燃氣燃燒計算2.1

2、燃氣的熱值氣體中的可燃成分在一定條件下與氧氣發(fā)生氧化作用，并產(chǎn)生大量的熱和光的物理化學反應(yīng)過程成為燃燒。3T0燃氣完全燃燒所放出的熱量稱為該燃氣的熱值，單位為千焦每標準立方米。熱值可以分為高熱值和低熱值。高熱值是指3T0燃氣完全燃燒后其煙氣被冷至原始溫度，而其中的水蒸氣以凝結(jié)水狀態(tài)排出時所放出的熱量；低熱值是指3T0燃氣完全燃燒后其煙氣被冷至原始溫度，但煙氣中的水蒸氣仍為蒸汽狀態(tài)時所放出的熱量。實際使用的燃氣是含有多種組分的混合氣體，混合氣體的熱值可以直接用熱量計測定，也可以有各單一氣體的熱值根據(jù)混合法則按下時進行計算： （2-1）式中：H 燃氣（混合氣體）的高熱值或低熱值（）； 燃氣中各燃組

3、分的高熱值或低熱值（），由燃氣燃燒與應(yīng)用附錄2查得；rn燃氣中各可燃組分的容積成分。 查附錄得該燃氣組分熱值見表2-1：表2-1 各個組分的熱值燃氣組分甲烷空氣高熱值（）95998126915低熱值（）88390117212則該設(shè)計的熱值分別為: 高熱值為：=0.325×95998+0.675×126915= 116866.975 低熱值為：=0.325×88390+0.675×117212=107844.852.2華白數(shù)當以一種燃氣置換另一種燃氣時，首先應(yīng)保證燃具熱負荷（）在互換前后不發(fā)生大的改變。以民用燃具為例，如果熱負荷減少太多，就達不到燒煮食物的

4、工藝要求，燒煮時間也要加長；如果熱負荷增加太多，就會使燃燒工況惡化。當燃燒器噴嘴前壓力不變時，燃具熱負荷Q與燃氣熱值H成正比，與燃氣相對密度的平方根成反比，而稱為華白數(shù)： （2-2）式中:W華白數(shù)，或稱熱負荷指數(shù)； H燃氣熱值； S燃氣相對密度（設(shè)空氣的s=1）。因此，燃具熱負荷與華白數(shù)成正比： （2-3）式中:K比例常數(shù)。 華白數(shù)是代表燃氣特性的一個參數(shù)。如果兩種燃氣的熱值和密度均不同，但 只要它們的華白數(shù)相等，就能在同一燃氣壓力下和同一燃具上獲得同一熱負荷。欲求華白數(shù)，必先求出燃氣的相對密度。燃氣的平均分子量可由下式求得： （2-4）式中：混合氣體的平均分子量；、各單一氣體容積成分（%）；

5、、各單一氣體分子量，可由燃氣燃燒與應(yīng)用附錄2查得，結(jié)果見表2-2中；表2-2 各個組分的密度燃氣組分甲烷空氣分子量44.097058.1240則該設(shè)計燃氣的平均分子量為：=0.325×44.0970+0.675×58.1240=53.6（）燃氣的相對密度：混合氣體的相對密度按下式計算： （2-5）式中：空氣的平均分子量（），=29相對密度為： 則華白數(shù)W的值為： =79289 2.3理論空氣量理論空氣量是指每立方米（或千克）燃氣燃料按燃燒反應(yīng)計量方程式完全燃燒所需要的空氣量，單位為標準立方米每標準立方米或者標準立方米每千克。理論空氣量也是燃氣完全燃燒所需要的最小空氣量。當燃

6、氣組成已知，可按下式計算燃氣燃燒所需的理論空氣量： （2-6）式中:V0理論空氣需要量；H2、CO、CmHn、H2S燃氣中各種可燃組分的容積成分；O2燃氣中氧氣的容積成分。則3T0天然氣的理論空氣量為： =28.62.4過剩空氣系數(shù)理論空氣需要量是燃氣完全燃燒所需的最小空氣量。由于燃氣與空氣存在混合不均勻性，如果在實際燃燒裝置中只供給理論空氣量，則很難保證燃氣與空氣的充分混合，因而不能完全燃燒。因此實際供給的空氣量應(yīng)大于理論空氣量，即要供應(yīng)一部分過剩空氣。過剩空氣的存在增加了燃氣分子和空氣分子碰撞的可能性，增加了其相互作用的機會，從而促使完全燃燒。實際供給的空氣量V與理論供給的空氣量V0之比稱

7、為過?？諝庀禂?shù)，即 （2-7）通常1。值的大小決定于燃氣燃燒方法及燃燒設(shè)備的運行工況。在民用燃具中一般控制在1.31.8。本設(shè)計中取值為=1.5。過剩空氣的存在增加了燃氣分子和空氣分子碰撞的可能性，增加了其相互作用的機會，從而促使燃燒完全。在燃燒過程中，正確選擇和控制是十分重要的，過小和過大都將導致不良后果；前者使燃料的化學熱不能充分發(fā)揮，后者使煙氣的體積增大，燃燒室內(nèi)溫度下降，增加排煙的熱損失，其結(jié)果都將使加熱設(shè)備的熱效率下降。因此，先進的燃燒設(shè)備應(yīng)在保證完全燃燒的前提下，盡量使值趨近于1。2.5實際空氣量 如前所述，理論空氣量是燃氣完全燃燒所需要的最小空氣量，為了保證燃氣完全燃燒，因此實際

8、供給的空氣量應(yīng)大于理論空氣量。 由過?？諝庀禂?shù)的關(guān)系可知，實際的空氣量為： （2-8）則實際空氣量為：=1.5×28.6=42.902.6煙氣量燃氣燃燒后的產(chǎn)物就是煙氣。當只供給理論空氣量時，燃氣完全燃燒后產(chǎn)生的煙氣量稱為理論煙氣量。理論煙氣量的組成時CO2、SO2、N2和H2O。前三者組分合在一起稱為干煙氣。包括H2O在內(nèi)的煙氣稱為濕煙氣。當有過剩空氣時，煙氣中除上述組分外尚含有過?？諝猓@時的煙氣量稱為實際煙氣量。如果燃燒不完全，則除上述組分外還將出現(xiàn)CO、CH4、H2等可燃組分。在實際的運用中，由于為了使燃氣能夠充分燃燒，則過剩空氣系數(shù)1，因此煙氣必為實際煙氣量。對于該設(shè)計中成

9、分已知的燃氣，燃氣中各可燃組分單獨燃燒后產(chǎn)生的實際煙氣量可通過燃燒反應(yīng)方程式來確定。（一） 按燃氣組分計算(1)實際煙氣量（1）三原子氣體的體積 （2-9） =0.01×（0+0+3×32.5+4×67.5+0）=3.675 干燃氣水蒸氣體積 （2-10） =0.010+0+4×32.5+5×67.5+126.6×（0+42.90×0.01)=5.22 干燃氣 氮氣體積，按下式求得 （2-11） =0.79×42.90+0.01×0=33.891 干燃氣 過剩氧氣體積 （2-12） 式中：實際煙氣中過剩氧

10、氣體積（干燃氣） =0.21×（1.5-1） （2-13） =3.00 干燃氣 實際煙氣總體積 （2-14） 式中：實際煙氣量（干燃氣） =3.675+5.22+33.891+3.00=45.786 干燃氣(2)對于液化石油氣也可采用下式計算: （2-15） 帶入低熱值，得： =×107844.85+4.5+（1.5-1）×28.6=45.98 干燃氣3大氣式燃燒器3.1大氣式燃燒器的工作原理根據(jù)部分預混燃燒方法設(shè)計的燃燒器稱為大氣式燃燒器，其一次空氣系數(shù)為0<<1。大氣式燃燒器由頭部及引射器兩部分組成，工作原理是：燃氣在一定壓力下，以一定流速從噴嘴流

11、出，進入吸氣收縮管，燃氣靠本身的能量吸入一次空氣。在引射器內(nèi)燃氣和一次空氣混合，然后，經(jīng)頭部火孔流出，進行燃燒，形成本生火焰。大氣式燃燒器的一次空氣系數(shù)為通常為,被設(shè)計取為0.60。根據(jù)燃燒室工作狀況的不同，過?？諝庀禂?shù)通常變化在1.31.8之間，本設(shè)計取=1.5。3.2設(shè)計計算設(shè)計計算的內(nèi)容是確定燃燒器各部件的界面尺寸，并根據(jù)數(shù)據(jù)確定各部件的長度等尺寸。本設(shè)計燃燒器熱負荷Q=4.2 燃氣低熱值Hl=107844.85 相對密度S=0.885，理論空氣需要量V0=28.6,燃氣壓力2000。最佳工況 引射定量空氣而燃氣壓力損失最小的工況稱為最佳工況，此時獲得最高頭部靜壓力。選取型的引射器，可使

12、引射器的尺寸最小，其能量損失系數(shù)K=3。(1)計算燃氣流量 （3-1）=0.140 式中：燃氣流量， 燃燒器熱負荷， 燃氣低熱值，(2)計算噴嘴直徑 （3-2） =1.1 式中：噴嘴直徑，； 噴嘴流量系數(shù)，=0.70.8，取值0.75.故噴嘴的面積：=0.95(3)計算混合管截面積與火孔總面積 =19.39 （3-3） =1110.86 （3-4） =1055.317 （3-5）故，混合管直徑=54式中： F1op-最佳燃燒器參數(shù) -引射器能力損失系數(shù)，=3 -頭部能力損失系數(shù)，=2.8 （3-6） =1019.53 （3-7）(4)計算火孔出口速度 一般家用燃具的火孔出口速度可按下表所列范圍

13、取值，在這個范圍內(nèi)是可采取提高噴嘴前燃氣壓力或適當減少一次空氣系數(shù)以增大火孔出口速度。家用燃具火孔出口速度見表3-1 表3-1 家用燃具火孔出口速度 燃氣焦爐煤氣天然氣液化石油氣火孔出口速度2.03.51.01.31.21.5 （3-8）=0.69 (5)核算最佳工況 在最終確定混合管截面積與火孔總面積后，由此兩個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行最佳工況核算。工況判別系數(shù)A可以判別引射式燃燒器工況，當A=1為最佳工況，當A1時為非最佳工況，A不可能大于1。 （3-9）=1(6)確定火孔尺寸與個數(shù) 圓火孔最容易加工，被廣泛采用?？咨钤黾涌蓽p少回火與離焰，在圓火孔周沿制成凸緣形，不但增加孔深，還利于二次空氣供給給

14、予冷卻頭部，一般孔深與火孔中心距為23倍孔徑，凸緣圓孔孔深大于12時易出現(xiàn)黃焰。家用燃具火孔出口速度見表3-2：表3-2 家用燃具火孔出口速度燃氣焦爐煤氣天然氣液化石油氣直徑（）2.53.02.93.22.93.2大氣式燃燒器常用設(shè)計參數(shù)見表3-3：表3-3 大氣式燃燒器常用設(shè)計參數(shù)燃氣種類煉焦煤氣天然氣液化石油氣火孔尺寸圓孔方孔2.0×1.21.5×5.02.0×3.02.4×1.62.0×3.02.4×1.6火孔中心間距（2-3）火孔深度（2-3）額定火孔熱強度額定火孔出口口風速一次空氣系數(shù)本設(shè)計取火孔的直徑=3.0，故單火孔面積

15、為： （3-10）=7.07則共有 （3-11）=144一般孔深與火孔中心距為23孔徑，本設(shè)計取=2.5=2.5×3.0=7.5，=6.5火孔排數(shù)不宜大于兩排，且各排火孔交叉排列，當兩排以上時，每增加一排，一次空氣系數(shù)需增加5%7%。據(jù)此，本設(shè)計采用兩排布置的形式，其中外排=65，內(nèi)排=16。外圈頭部尺寸確定?；鹂字行木嗳紵鬟吘壍木嚯x為10。 注：燃燒器頭部壁厚=3頭部凈寬 =20-2×3=14由于氣流在該處分成了兩部分，故：頭部凈高 =73 （3-12）內(nèi)圈頭部采用圓蓋構(gòu)造，火孔外緣距燃燒器邊緣距離為5。其尺寸確定如下：頭部直徑 =53頭部凈高 =15(7)擴壓管尺寸計

16、算 擴壓管進口截面積與混合管截面積相同 （3-13）=2.5×519=2638.3 故，擴壓管出口直徑=75 式中：-擴壓管出口截面積， n-擴壓管擴張度，n=23，本設(shè)計取n=2.0。擴壓管的長度取決于擴張角，長度按下列公式計算： （3-14） =802式中：a-擴壓管擴張角，一般a=68°，本設(shè)計取a=7°。(8)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3-4：表3-4 其他結(jié)構(gòu)參數(shù)名稱結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值吸氣收縮管一般采用錐形收縮管，進口截面積為混合段截面積的46倍，吸氣入口面積為火孔總面積的1.252.25倍，對熱值高的燃氣取大值，收縮管安裝長度由安裝長度確定。=58燃氣噴嘴直徑與孔深之

17、比d/l=0.51.0，=60°。當一次空氣口位于收縮管端部，噴嘴出口至混合段進口距離為混合段直徑的1.01.5倍。噴嘴軸線應(yīng)在混合管軸線上。D/l=0.75=26混合管長度為直徑的13倍50頭部進口截面積為火孔總面積的2倍以上，沿氣流方向為減縮形，以保持壓力均勻，任意截面積為其后火孔總面積的2倍以上。(9)核算一次空氣系數(shù) 設(shè)計計算中一次空氣系數(shù)作為已知的設(shè)計參數(shù)出現(xiàn)在質(zhì)量引射系數(shù)中，其影響燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸，因此當燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸正確時，由燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸計算而得的一次空氣系數(shù)應(yīng)與事先確定的數(shù)值一致，由下式確定： =60% （3-15）故，設(shè)計合適3.3火焰高度火焰內(nèi)錐與冷表面接觸時，由

18、于焰面溫度突然下降，燃燒反應(yīng)中斷，便形成化學不完全燃燒。這時對于民用燃具是不允許的。在設(shè)計燃燒器頭部時，計算火焰高度是十分重要的。 （1）火焰內(nèi)錐高度主要取決于燃氣性質(zhì)、一次空氣系數(shù)、火孔尺寸和火孔熱強度，而與火孔間距及孔深無關(guān)?；鹧鎯?nèi)錐的高度由可下式計算： （3-16） =0.86×0.15×7.07×7.77 =7.1式中：火焰內(nèi)錐高度（） 單個火孔的面積（） 火孔熱強度（） 與燃氣性質(zhì)及一次空氣系數(shù)有關(guān)的系數(shù)。本設(shè)計中使用的天然氣3T0的值見表3-5中：表3-5 天然氣3T0的值燃氣種類一次空氣系數(shù)0.20.30.40.50.60.70.80.9天然氣3T00.260.220.180.160.150.130.100.08（2）火焰外錐高度受周圍空氣流動狀態(tài)的影響很大，主要取決于燃氣性質(zhì)、火孔熱強度、火孔直徑、火孔排數(shù)及火孔間距。