燃气燃烧与设备设计

目录TOC\o"1-2"\h\z\u\h1设计原始资料 1\h1.1气源 1\h1.2设计热负荷 1\h2燃气燃烧计算 1\h2.1燃气的热值 1\h2.2华白数 2\h2.3理论空气量 4\h2.4过剩空气系数 4\h2.5实际空气量 5\h2.6烟气量 5\h3大气式燃烧器 7\h3.1大气式燃烧器的工作原理 7\h3.2设计计算 7\h3.3火焰高度 12\h总结 14\h参考资料 1411设计原始资料1.1气源天然气3T0成分见表1-1表1-1燃气成分类别类别体积分数%)(相对密度热值/(3mMJ)华白数/(3mMJ)燃烧势pc理论干烟气中2CO体积分数%)(1HhH1WhWT03CH4=32.5空气=67.50.88511.0612.2811.9513.2822.011.741.2设计热负荷本设计热负荷为：4.2kW燃气压力：2000Pa2燃气燃烧计算2.1燃气的热值气体中的可燃成分在一定条件下与氧气发生氧化作用，并产生大量的热和光的物理化学反应过程成为燃烧。3T0燃气完全燃烧所放出的热量称为该燃气的热值，单位为千焦每标准立方米。热值可以分为高热值和低热值。高热值是指3T0燃气完全燃烧后其烟气被冷至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量；低热值是指3T0燃气完全燃烧后其烟气被冷至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸汽状态时所放出的热量。实际使用的燃气是含有多种组分的混合气体，混合气体的热值可以直接用热量计测定，也可以有各单一气体的热值根据混合法则按下时进行计算：HH1r1H2r2Hnrn（2-1）式中：H—燃气（混合气体）的高热值或低热值（kJNm3）；H—燃气中各燃组分的高热值或低热值（kJNm3），由《燃气n燃烧与应用》附录2查得；r—燃气中各可燃组分的容积成分。n查附录得该燃气组分热值见表2-1：表2-1各个组分的热值燃气组分燃气组分甲烷空气高热值（3mNkJ）95998126915低热值（3mNkJ）88390117212则该设计的热值分别为:高热值为：H=0.325×95998+0.675×126915=116866.975kJNm3h低热值为：H=0.325×88390+0.675×117212=107844.85kJNm312.2华白数当以一种燃气置换另一种燃气时，首先应保证燃具热负荷（kW）在互换前后不发生大的改变。以民用燃具为例，如果热负荷减少太多，就达不到烧煮食物的工艺要求，烧煮时间也要加长；如果热负荷增加太多，就会使燃烧工况恶化。 当燃烧器喷嘴前压力不变时，燃具热负荷Q与燃气热值H成正比，与燃气相对密度的平方根成反比，而称为华白数：HWS （2-2）式中:W—华白数，或称热负荷指数；SH—燃气热值；S—燃气相对密度（设空气的s=1）。因此，燃具热负荷与华白数成正比：QKW（2-3）式中:K—比例常数。华白数是代表燃气特性的一个参数。如果两种燃气的热值和密度均不同，但只要它们的华白数相等，就能在同一燃气压力下和同一燃具上获得同一热负荷。欲求华白数，必先求出燃气的相对密度。燃气的平均分子量可由下式求得：MM1y1M2y2Mnyn（2-4）式中：M—混合气体的平均分子量；错误！未指定书签。、y2……错误！未指定书签。—各单一气体容积成分（%）；错误！未指定书签。、错误！未指定书签。……错误！未指定书签。—各单一气体分子量，可由《燃气燃烧与应用》附录2查得，结果见表2-2中；表2-2各个组分的密度燃气组分燃气组分甲烷空气分子量44.097058.1240则该设计燃气的平均分子量为：M=0.325×44.0970+0.675×58.1240=53.6（gmol）燃气的相对密度：混合气体的相对密度按下式计算：M S （2-5）Ma错误！未指定书签。式中：M—空气的平均分子量（gmol），M=29aa53.6 相对密度为：S 1.8529107844.851.85则华白数W的值为：W =79289MJm32.3理论空气量理论空气量是指每立方米（或千克）燃气燃料按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需要的空气量，单位为标准立方米每标准立方米或者标准立方米每千克。理论空气量也是燃气完全燃烧所需要的最小空气量。当燃气组成已知，可按下式计算燃气燃烧所需的理论空气量：V10.5H20.5COmn4CmHn1.5H2SO2（2-6）021式中:V—理论空气需要量；0H、CO、CH、HS—燃气中各种可燃组分的容积成分； 2 mn 2O—燃气中氧气的容积成分。2则3T0天然气的理论空气量为： 1 8 10 V0210.500.503432.54467.51.500 =28.6m3m32.4过剩空气系数理论空气需要量是燃气完全燃烧所需的最小空气量。由于燃气与空气存在混合不均匀性，如果在实际燃烧装置中只供给理论空气量，则很难保证燃气与空气的充分混合，因而不能完全燃烧。因此实际供给的空气量应大于理论空气量，即要供应一部分过剩空气。过剩空气的存在增加了燃气分子和空气分子碰撞的可能性，增加了其相互作用的机会，从而促使完全燃烧。实际供给的空气量V与理论供给的空气量V之比称为过剩空气系数，即0VV0（2-7）通常＞1。值的大小决定于燃气燃烧方法及燃烧设备的运行工况。在民用燃具中一般控制在1.3～1.8。本设计中取值为=1.5。过剩空气的存在增加了燃气分子和空气分子碰撞的可能性，增加了其相互作用的机会，从而促使燃烧完全。在燃烧过程中，正确选择和控制是十分重要的，过小和过大都将导致不良后果；前者使燃料的化学热不能充分发挥，后者使烟气的体积增大，燃烧室内温度下降，增加排烟的热损失，其结果都将使加热设备的热效率下降。因此，先进的燃烧设备应在保证完全燃烧的前提下，尽量使值趋近于1。2.5实际空气量如前所述，理论空气量是燃气完全燃烧所需要的最小空气量，为了保证燃气完全燃烧，因此实际供给的空气量应大于理论空气量。由过剩空气系数的关系可知，实际的空气量为：错误！未找到引用源。（2-8）则实际空气量为：V错误！未找到引用源。=1.5×28.6=42.90m3m32.6烟气量燃气燃烧后的产物就是烟气。当只供给理论空气量时，燃气完全燃烧后产生的烟气量称为理论烟气量。理论烟气量的组成时CO、SO、N和HO。前三者 2 2 2 2组分合在一起称为干烟气。包括HO在内的烟气称为湿烟气。当有过剩空气时，2烟气中除上述组分外尚含有过剩空气，这时的烟气量称为实际烟气量。如果燃烧不完全，则除上述组分外还将出现CO、CH、H等可燃组分。在实际的运用中，4 2由于为了使燃气能够充分燃烧，则过剩空气系数＞1，因此烟气必为实际烟气量。对于该设计中成分已知的燃气，燃气中各可燃组分单独燃烧后产生的实际烟气量可通过燃烧反应方程式来确定。（一）按燃气组分计算(1)实际烟气量（＞1）三原子气体的体积 V V V0.01COCOmCHHS RO CO SO 2 m n 2（2-9） 2 2 2V=0.01×（0+0+3×32.5+4×67.5+0）=3.675Nm3Nm3干燃气RO2水蒸气体积V2\0.01H2H2Sn2CmHn126.6dgV0da（2-10） HO V=0.01[0+0+4×32.5+5×67.5+126.6×（0+42.90×0.01)]=5.22HO2Nm3Nm3干燃气氮气体积，按下式求得V0.79V0.01N N 0 2（2-11）2V=0.79×42.90+0.01×0=33.891Nm3Nm3干燃气N2过剩氧气体积V0.21-1V O 0（2-12）2式中：V—实际烟气中过剩氧气体积（Nm3Nm3干燃气）O2V=0.21×（1.5-1）V（2-13） O 02V=3.00Nm3Nm3干燃气O2实际烟气总体积 VVV VVf RO HO N O（2-14） 2 2 2 2式中：V—实际烟气量（Nm3Nm3干燃气）fV=3.675+5.22+33.891+3.00=45.786Nm3Nm3干燃气f(2)对于液化石油气也可采用下式计算:0.252 -1VVH4.5f1000l0（2-15）带入低热值，得：0.252V=×107844.85+4.5+（1.5-1）×28.6=45.98Nm3Nm3干燃气f10003大气式燃烧器3.1大气式燃烧器的工作原理根据部分预混燃烧方法设计的燃烧器称为大气式燃烧器，其一次空气系数为0<<1。大气式燃烧器由头部及引射器两部分组成，工作原理是：燃气在一定压力下，以一定流速从喷嘴流出，进入吸气收缩管，燃气靠本身的能量吸入一次空气。在引射器内燃气和一次空气混合，然后，经头部火孔流出，进行燃烧，形成本生火焰。大气式燃烧器的一次空气系数为通常为0.45-0.75,被设计取为0.60。根据燃烧室工作状况的不同，过剩空气系数通常变化在1.3~1.8之间，本设计取=1.5。3.2设计计算设计计算的内容是确定燃烧器各部件的界面尺寸，并根据数据确定各部件的长度等尺寸。本设计燃烧器热负荷Q=4.2kW燃气低热值H=107844.85kJm3相对密度lS=0.885，理论空气需要量V=28.6Nm3Nm3,燃气压力2000Pa。0最佳工况引射定量空气而燃气压力损失最小的工况称为最佳工况，此时获得最高头部静压力。选取Ⅲ型的引射器，可使引射器的尺寸最小，其能量损失系数K=3。(1)计算燃气流量360H0qg g Hl （3-1）36004.2q==0.140m3g107844.85式中：q—燃气流量，m3hgH—燃烧器热负荷，kWgH—燃气低热值，kJm31d(2)计算喷嘴直径jL s 0.140 0.885j 0.0035H 0.00350.752000 d g 4 4（3-2）d=1.1mmj式中：d—喷嘴直径，mm；j—喷嘴流量系数，=0.7~0.8，取值0.75.故喷嘴的面积：F=0.95mm2j(3)计算混合管截面积与火孔总面积'Vu0=19.39（3-3）SFK1u1uS=1110.86（3-4）opFK1u1uSF=1055.317mm2（3-5） m j故，混合管直径D=54mmm式中：F-最佳燃烧器参数1opK-引射器能力损失系数，K=3K-头部能力损失系数，K=2.8 1 11K1KKFm（3-6）1opFfKKKK1FmF=1019.53mm2（3-7）fF m1op(4)计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围取值，在这个范围内是可采取提高喷嘴前燃气压力或适当减少一次空气系数以增大火孔出口速度。家用燃具火孔出口速度见表3-1表3-1家用燃具火孔出口速度燃燃气焦炉煤气天然气液化石油气火孔出口速度2.0~3.51.0~1.31.2~1.5q1'VvgO（3-8）f0.0036Ffv=0.69m2sf(5)核算最佳工况在最终确定混合管截面积与火孔总面积后，由此两个主要结构参数进行最佳工况核算。工况判别系数A可以判别引射式燃烧器工况，当A=1为最佳工况，当A＜1时为非最佳工况，A不可能大于1。2A（3-9）KKKFFKKFF1f1mfm2A==11019.532.31055.3172.81055.3172.81019.532.3(6)确定火孔尺寸与个数圆火孔最容易加工，被广泛采用。孔深增加可减少回火与离焰，在圆火孔周沿制成凸缘形，不但增加孔深，还利于二次空气供给给予冷却头部，一般孔深与火孔中心距为2~3倍孔径，凸缘圆孔孔深大于12mm时易出现黄焰。家用燃具火孔出口速度见表3-2：表3-2家用燃具火孔出口速度燃燃气焦炉煤气天然气液化石油气直径（mm）2.5~3.02.9~3.22.9~3.2大气式燃烧器常用设计参数见表3-3：表3-3大气式燃烧器常用设计参数燃燃气种类炼焦煤气天然气液化石油气火孔尺寸mm圆孔pd2.5-3.02.9-3.22.9-3.2方孔2.0×1.21.5×5.02.0×3.02.4×1.62.0×3.02.4×1.6火孔中心间距mms（2-3）pd火孔深度mmh（2-3）pd额定火孔热强度)//(2mmWqp11.6-19.85.8-8.77.0-9.3额定火孔出口口风速)//(smvp2.1-3.71.1-1.41.3-1.6一次空气系数'0.55-0.600.60-0.650.60-0.65d mm，故单火孔面积为：本设计取火孔的直径p=3.0 （3-10）Fd2 f 4pF=7.07mm2fFnf则共有 Ff'（3-11）n=144一般孔深与火孔中心距为2~3孔径，本设计取S=2.5d=2.5×3.0=7.5mm， p ph=6.5mmp火孔排数不宜大于两排，且各排火孔交叉排列，当两排以上时，每增加一排，一次空气系数需增加5%~7%。据此，本设计采用两排布置的形式，其中外排n=65，内排n=16。 1 2①外圈头部尺寸确定。火孔中心距燃烧器边缘的距离为10mm。注：燃烧器头部壁厚=3mm头部净宽b=20-2×3=14mmh由于气流在该处分成了两部分，故：头部净高hFf=73mm（3-12）h bh②内圈头部采用圆盖构造，火孔外缘距燃烧器边缘距离为5mm。其尺寸确定如下：头部直径d=53mmr头部净高h=15mmr(7)扩压管尺寸计算扩压管进口截面积与混合管截面积相同FnF（3-13） d mF=2.5×519=2638.3mm2d故，扩压管出口直径D=75mmd式中：F-扩压管出口截面积，mm2dn-扩压管扩张度，n=2~3，本设计取n=2.0。扩压管的长度取决于扩张角，长度按下列公式计算：D-D d mL2 （3-14）d tan2L=802mmd式中：a-扩压管扩张角，一般a=6~8°，本设计取a=7°。(8)其他结构参数见表3-4：表3-4其他结构参数名称名称结构参数数值吸气收缩管一般采用锥形收缩管，进口截面积为混合段截面积的4~6倍，吸气入口面积为火孔总面积的1.25~2.25倍，对热值高的燃气取大值，sD=58mm收缩管安装长度由安装长度确定。收缩管安装长度由安装长度确定。燃气喷嘴直径与孔深之比d/l=0.5~1.0，=60°。当一次空气口位于收缩管端部，喷嘴出口至混合段进口距离为混合段直径的1.0~1.5倍。喷嘴轴线应在混合管轴线上。D/l=0.75sI=26mm混合管长度为直径的1~3倍50mm头部进口截面积为火孔总面积的2倍以上，沿气流方向为减缩形，以保持压力均匀，任意截面积为其后火孔总面积的2倍以上。(9)核算一次空气系数设计计算中一次空气系数作为已知的设计参数出现在质量引射系数中，其影响燃烧器结构尺寸，因此当燃烧器结构尺寸正确时，由燃烧器结构尺寸计算而得的一次空气系数应与事先确定的数值一致，由下式确定：'FFFFKKFKASVVSVVSV2mj1mj2020000214f2V20S故，设计合适3.3火焰高度火焰内锥与冷表面接触时，由于焰面温度突然下降，燃烧反应中断，便形成化学不完全燃烧。这时对于民用燃具是不允许的。在设计燃烧器头部时，计算火焰高度是十分重要的。火焰内锥高度主要取决于燃气性质一次空气系数、 、火孔尺寸和火孔热强度，而与火孔间距及孔深无关。火焰内锥的高度由可下式计算：h0.86Kfq103（3-16）ic jp=0.86×0.15×7.07×7.77=7.1mm式中：hic—火焰内锥高度（m