《燃气燃烧与应用》课程设计

题目燃气燃烧与应用课程设计说明书学生姓名陈明友学号1008020130教学院系土木工程与建筑学院专业年级建筑环境与设备工程2010级指导教师张鹏 2013年11月目录第一章 设计原始资料11.1气源11.2设计热负荷1第二章 燃气燃烧计算12.1燃气的热值12.2华白数22.3理论空气量32.4过剩空气系数42.5实际空气量42.6烟气量5第三章大气式燃烧器63.1大气式燃烧器的工作原理63.2设计计算73.3火焰高度10心得体会11参考资料：11精品文档交流 第一章 设计原始资料1.1气源表1 燃气成分燃气种类氢气甲烷氮气丙烷丁烷20Y75251.2设计热负荷本设计热负荷为：4.55 kW、空气含湿量：10g/Nm3干空气第二章 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。20Y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。由于本设计燃料为液化石油气，热值单位也可以用千焦每公斤来表示。热值可以分为高热值和低热值。高热值是指20Y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20Y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： 式中：H 燃气（混合气体）的高热值或低热值（KJ/Nm3）； Hn燃气中各燃组分的高热值或低热值（KJ/Nm3），由燃气燃烧与应用附录2查得；rn燃气中各可燃组分的容积成分。 查附录2得该燃气组分热值如下表2：表2 各个组分的热值燃气组分丙烷丁烷高热值（KJ/Nm3）95998126915低热值（KJ/Nm3）88390117212则该设计的热值分别为:高热值为：Hh=0.7595998+0.25126915=103727.25 KJ/Nm3 低热值为：Hl=0.7588390+0.25117212=95595.5 KJ/Nm32.2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：式中:W华白数，或称热负荷指数； H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： 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： 式中：混合气体的平均分子量；、各单一气体容积成分（%）；、各单一气体分子量，可由燃气燃烧与应用附录2查得，结果列于表3中；表3 各个组分的密度燃气组分丙烷丁烷分子量44.097058.1240则该设计燃气的平均分子量为：=0.7544.0970+0.2558.1240=47.6（g/mol）燃气的相对密度：混合气体的相对密度按下式计算： 式中：空气的平均分子量（g/mol），=29相对密度为： 则华白数W的值为： =743212.3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，单位为标准立方米没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： 式中:V0理论空气需要量；H2、CO、CmHn、H2S燃气中各种可燃组分的容积成分；O2燃气中氧气的容积成分。则20Y号液化石油气的理论空气量为：=25.6m3/m32.4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V0之比称为过剩空气系数，即 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1.31.8。本设计中取值为=1.6。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： 则实际空气量为：=1.625.6=40.96m3/m32.6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CO2、SO2、N2和H2O。前三者组分合在一起称为干烟气。包括H2O在内的烟气称为湿烟气。当有过剩空气时，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、CH4、H2等可燃组分。在实际的运用中，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 =0.01（0+0+375+425+0） =3.25 Nm3/Nm3干燃气水蒸气体积 =0.010+0+475+525+126.6（0+40.960.01） =4.77 Nm3/Nm3干燃气 氮气体积，按下式求得 =0.7940.96+0.010 =32.36 Nm3/Nm3干燃气 过剩氧气体积 式中：实际烟气中过剩氧气体积（Nm3/Nm3干燃气） =0.21（1.6-1）25.6 =3.22 Nm3/Nm3干燃气 实际烟气总体积 式中：实际烟气量（Nm3/Nm3干燃气） =3.25+4.77+32.36+3.22 =43.6 Nm3/Nm3干燃气2.对于液化石油气也可采用下式计算: 带入低热值，得：V0=95595.5+4.5+（1.6-1）25.6=43.95 Nm3/Nm3干燃气第三章大气式燃烧器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01。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1.31.8之间，本设计取=1.6。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=4.55kW 燃气低热值Hl=95595.5 KJ/m3 相对密度S=1.64，理论空气需要量V0=25.6Nm3/Nm3,燃气压力2700Pa。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。1）计算燃气流量 Lg=0.171m3 式中：qg燃气流量，m3/h; Hg燃烧器热负荷，KW; Hl燃气低热值，KJ/m3.2）计算喷嘴直径dj =1.3mm式中：dj喷嘴直径，mm； 喷嘴流量系数，=0.70.8，取值0.75.故喷嘴的面积：Fj=1.33mm23）计算混合管截面积与火孔总面积=9.37=390=519mm2故，混合管直径Dm=26mm式中： F1op-最佳燃烧器参数 K-引射器能力损失系数，K=2.3 K1-头部能力损失系数，K1=2.8 =572.64mm24）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 表4燃气焦炉煤气天然气液化石油气火孔出口速度2.03.51.01.31.21.5 =1.36m2/s 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A1时为非最佳工况，A不可能大于1。 = =16）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23倍孔径，凸缘圆孔孔深大于12mm时易出现黄焰。家用燃气火孔尺寸见下表： 表5燃气焦炉煤气天然气液化石油气直径（mm）2.53.02.93.22.93.2本设计取火孔的直径dp=3.0mm，故单火孔面积为：=7.07mm2则共有 =81一般孔深与火孔中心距为23孔径，本设计取Sp=2.5dp=2.53.0=7.5mm，hp=6.5mm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n1=65，内排n2=16。 、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 =20-23=14mm由于气流在该处分成了两部分，故：头部净高 =17mm 、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 dr=53mm头部净高 hr=15mm7）扩压管尺寸计算 扩压管进口截面积与混合管截面积相同 =2.5519=1297.5mm2 故，扩压管出口直径Dd=37mm 式中：Fd-扩压管出口截面积，mm2 n-扩压管扩张度，n=23，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： =123mm式中：a-扩压管扩张角，一般a=68，本设计取a=7。8）其他结构参数如下表： 表6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46倍，吸气入口面积为火孔总面积的1.252.25倍，对热值高的燃气取大值，收缩管安装长度由安装长度确定。Ds=58mm燃气喷嘴直径与孔深之比d/l=0.51.0，=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1.01.5倍。喷嘴轴线应在混合管轴线上。D/l=0.75IB=26mm混合管长度为直径的13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：=60%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。 （1）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： =0.860.157.077.77 =7.1mm式中：hic火焰内锥高度（mm）fp单个火孔的面积（mm2）qp火孔热强度（KW/mm2） K与燃气性质及一次空气系数有关的系数。本设计中使用的液化石油气的值列于表7中：燃气种类一次空气系数0.20.30.40.50.60.70.80.9液化石油气0.260.220.180.160.150.130.100.08液化石油气的K值 表7（2）火焰外锥高度受周围空气流动状态的影响很大，主要取决于燃气性质、火孔热强度、火孔直径、火孔排数及火孔间距。火焰的外锥高度可由下式计算： =45mm式中：h火焰的外锥高度；n火孔排数；n1表示燃气性质对外锥高度的影响系数（对液化石油气，n11.02）；s表示火孔净距对外锥高度影响的系数（见下表8）；系数s 表8火孔净距2468101214161820s1.471.221.040.910.860.830.790.770.750.74心得体会本设计通过对设计燃烧器的分析和计算，使我们了解到燃气的组分、性质对燃气的燃烧的影响。燃气性质中影响燃烧的主要有燃气的热值H、相对密度s及火焰传播速度，其中、华白数是燃气的综合系数。通过本设计，我们也对燃气的燃烧过程，燃气的燃烧方法，燃气的燃烧器具有了一个更加深入直观的认识。“实践是检验真理的唯一