大气式燃烧器

大气式燃烧器大气式燃烧器 按照部分预混燃烧原理 0a 1 设计的燃气燃烧器称为大气式 燃烧器 一 大气式燃烧器的构造及工作原理一 大气式燃烧器的构造及工作原理 大气式燃烧器均为引射式 主要由引射器和头部组成 如 图 3 6 13 所示 通常是利用燃气引射一次空气 即燃气在一 定压力下以一定的流速从喷嘴流出 进入吸气收缩管 靠燃气 的能量吸入一次空气 在引射器内二者混合成为预混可燃气 然后经头部流出 进行部分预混式燃烧 形成本生火焰 大气式燃烧器的 通常在 0 45 0 75 范围 根据燃烧室 工作状况不同 总的空气过剩系数 变化在 1 3 1 8 范围 根据燃气压力不同 大气式燃烧器又可分为低压与高 中 压 两种 前者多用于民用燃具 后者多用于工业装置 当燃气压 力不足时 也可利用加压空气来引射燃气 以低压引射式为例 说明这类燃烧器的各部构造及作用 图图 3 6 133 6 13 大气式燃烧器示意图大气式燃烧器示意图 1 高风板 2 次空气口 3 引射器喉部 4 喷嘴 5 火孔 1 引射器 引射器的作用有以下三方面 第一 以高能量的气体引射低能量的气体 并使两者混合 均匀 第二 在引射器末端形成所需的剩余压力 用来克服气流 在燃烧器头部的阻力损失 使燃气一空气混合物在火孔出口获 得必要的速度 以保证燃烧器稳定工作 第三 输送一定的燃气量 以保证燃烧器所需的热负荷 为了完成上述作用 引射器由四部分组成 见图 3 6 14 图图 3 6 14 引射器示意图引射器示意图 1 喷嘴 2 吸气收缩管 3 混合管 4 扩压管 1 喷嘴 其作用是输送所要求的燃气量 并将燃气的势能转 变成动能 依靠引射作用引射一定的空气量 喷嘴的结构分固定喷嘴和可调喷嘴两种 固定喷嘴结构简单 阻力较小 引射空气性能较好 但出 口截面积不能调节 因此 只能适应一种燃气 如果燃气性能 改变 就需要更换喷嘴 与固定喷嘴相比 可调喷嘴结构复杂 阻力较大 引射空 气的性能较差 但能适应燃气的性质变化 2 吸气收缩管 其作用是为了减少空气进入时的阻力损失 它可以做成流线型或锥型 实验证明 两者相差无几 为了制 造方便 一般可选用锥型收缩管 吸气收缩管的进口截面积一 股比出口截面积 喉部面积 大 4 6 倍 即进口直径等于 2 2dt dt为喉部直径 3 一次空气吸入口 它设在吸气管收缩管上 其开口面积一 般为燃烧器火孔总面积的 1 25 2 25 倍 吸入口处的空气流 速不超过 1 5m s 4 混合管 其作用是使燃气与空气进行充分混合 达到燃气 空气混合物在进入扩压管之前 速度场 浓度场及温度场的 均匀分布 实验证明 采用渐缩管有利于截面上速度场均匀分 布 而不利于浓度场及温度场的均匀分布 采用渐扩管 则有 利于浓度场及温度场均匀分布 而不利于速度场的均匀分布 为此 常采用圆柱形混合管 使速度场 浓度场及温度场均达 到一定程度的均匀分布 在某些情况下也可不用混合管 5 扩压管 其主要作用是使部分动压变为静压 以提高气体 的压力 其次是使燃气与空气进一步混合均匀 扩压管张角为 6 8 时 阻力损失最小 通常取 7 在某些情况下也可不用 扩压管 2 燃烧器头部 燃烧器头部的作用是将燃气 空气混合物均匀的分布到各 火孔上 并进行稳定和完全的燃烧 为此要求头部各处混合气 体的压力相等 要求二次空气能均匀地畅通到每一个火孔上 此外 头部容积不宜过大 否则熄火噪音过大 根据用途不同 大气式燃烧器头部可做成多火孔头部和单 火孔头部两种 1 多火孔头部 民用燃具大多数使用多火孔头部 具体形式 很多 图 3 6 15 所示为铸铁锅炉上使用的大气式燃烧器 头部 为长方形 其上有 142 个 4mm 的火孔 燃烧器热负荷为 20kw 为了保证燃烧完全 布置火孔时应至少应保证二次空气 从一侧供给火孔 图图 3 6 15 铸铁锅炉上使用的大气式燃烧器铸铁锅炉上使用的大气式燃烧器 1 调风板 2 喷嘴 3 引射器 4 头部 多火孔头部上的火孔也叫燃烧孔 其形状对燃烧状况影响 很大 常用的有圆火孔 方火孔 条形火孔等 圆火孔 通常用钻头直接钻出 加工方便 应用广泛 图 3 6 16 a 为无凸缘的圆火孔 图 3 6 16 b 为有凸缘的圆火 孔 有凸缘的火孔对于二次空气供给及火孔冷却均比无凸缘的 好 但它较难制造 圆火孔与空气的接触面比方火孔小 故影 响二次空气的供给 图图 3 6 16 圆火孔圆火孔 a 无凸线的圆火孔 b 有凸缘的圆火孔 方火孔 矩形火孔或梯形火孔 如图 3 6 17 所示 有纵 长和横长两种排列方法 方火孔制造工艺较高 适用于可拆卸 的 带火盖的 头部 方火孔与二次空气的接触面较圆火孔大 故 适用于理论空气需要量较大的燃气 如液化石油气 图图 3 6 17 方火孔方火孔 1 火盖 2 火孔 3 头部 条形火孔也有纵向和横向两种 图 3 6 18 为横向条形火 孔 在热负荷相同的情况下 布置条形火孔所占用的面积比布 置圆火孔小 因此它适用于燃气量大 加热面小的场合 条形 火孔相当于数个方火孔相连 因此与二次空气的接触较差 易 出现黄火焰 图图 3 6 18 条形火孔条形火孔 2 单火孔头部 对某些要求火力集中和火孔热强度高的大气 式燃烧器 常采用孔径较大的单火孔头部 单火孔头部的结构 形式也很多 图 3 6 19 所示为工业用单火孔大气式燃烧器的 头部 它由火孔 二次空气口及火道三部分组成 燃烧所需要 的二次空气由炉内负压吸人 二次空气口外面安装调风板 调 节二次空气的吸入量 由于燃烧器喷口为一个大火孔 其火焰 与二次空气的接触面积比多火孔小 因此这种燃烧器的火焰较 长 只适用于有炉膛的工业加热设备上 为了防止回火 火孔 出口速度应比多火孔大 所以需要用中 高 压燃气 火道能起防 止脱火的作用 二 大气式燃烧器的特点及应用范围二 大气式燃烧器的特点及应用范围 大气式燃烧器比自然引风扩散式燃烧器火焰短 火力强 燃烧温度高 比无火焰燃烧器的热负荷调节范围宽 适应性强 可以燃烧不同性质的燃气 燃烧效率比较高 燃烧比较安全 烟气中 c0 含量较少 卫生条件较好 可适应低压燃气 比鼓风 式燃烧器节省动力 调节方便 尤其因为采用引射器结构 具 有自调性 即当燃烧器热负荷在一定范围内变动时 一次空气 系数能自行维持一常数 但大气式燃烧器热负荷不宜太大 热强度比无焰燃烧器低 火焰稳定性不及扩散式燃烧器 且不适应正压炉膛 多火孔大气式燃烧器应用非常广泛 在家庭及公用事业中 的燃气用具如燃气灶 热水器 沸水器及食堂灶上用得最广泛 在小型锅炉及工业炉上也有应用 单火孔大气式燃烧器在中小型锅炉及某些工业炉上广泛应 用 三 大气式燃烧器的设计计算三 大气式燃烧器的设计计算 大气式燃烧器的设计计算 包括头部计算和引射器的计算 如前述 头部结构有多火孔和单火孔 它们的设计计算均 以保证稳定燃烧为原则 一个合理设计的头部 必须使火焰不 出现离焰 回火和黄焰 井使火焰特性满足加热工艺的需要 民用燃具大多数采用多火孔头部 设计计算包括 选择头 部型式及火孔形状 计算火孔尺寸 间距 孔深 火孔排数及 头部容积 计算头部静压力等内容 常用设计参数列于表 3 6 7 引射器按工质压力可分为高 中压 2000pa 及低压 2000pa 两种 在设计计算中 前者需要考虑气体的可压缩性 后者则 不必 按被引射气体的吸入速度 引射器又可分为常压吸气和负 压吸气两种 如果引射器的吸气收缩管做得足够大 并逐渐过 渡到圆柱形混合管 这时被引入的空气在收缩管内的流速很小 可以忽略 这样的引射器称为常压吸气引射器 也称为第二类 引射器 低压大气式燃烧器的引射器多为此种 反之 如果吸 气收缩管做得较小 被吸入空气流速较大 气流在管内发生强 烈扰动 这时空气流速便不可忽略 这样的引射器则称为负压 吸气引射器 也叫第一类引射器 比较而言 在第一类引射器中 燃气和空气的速度差较小 能量损失也较小 引射效率较高 高 中压大气式燃烧器的引 射器多为负压吸气式引射器 以下主要讨论常压吸气低压引射器的设计计算 表表 3 6 73 6 7 大气式燃烧器常用设计参数大气式燃烧器常用设计参数 燃气种类炼焦煤气天然气液化石油气 圆孔 dp 2 5 3 02 9 3 22 9 3 2 火孔尺寸 mm 方孔 2 0 1 2 1 5 5 0 2 0 3 0 2 4 1 6 2 0 3 0 2 4 1 6 火孔中心距 s mm 2 3 dp 火孔深度 h mm 2 3 dp 额定火孔热或度 qp mw mm 2 11 6 19 85 8 8 77 0 9 3 额定火孔出口流速 vp m s 1 2 0 3 51 0 1 31 2 1 5 一次空气系数 0 55 0 600 60 0 650 60 0 65 喉部直径与喷嘴直径比 dt d 5 69 1015 16 火孔面积与喷嘴面积比 fp fj 44 50240 320500 600 图图 3 6 20 常压吸气低压引射器的工作原理常压吸气低压引射器的工作原理 1 喷嘴 2 吸气收缩管 3 喉部 4 混合管 5 扩压管 计算以动量定理 连续性方程及能量守恒定律为基础 按 图 3 6 20 所示工作原理 可推导出它的特性方程如下 式中 h 引射器出口的静压力 pa h 喷嘴前燃气压力 pa 喷嘴流量系数 f 无因次面积 为喉部和喷嘴出口的面积比 即 它是引射器计算的基本参数 u 质量引射系数 为燃气与引射空气的质量流量之比 u r 容积引射系数 r 为燃气相对密度 k 能量损失系数 可表示为 这里 1是混合管末端的速度场不均匀系数 它与气流的 稳定程度和流动状态有关 取决于速度场的分布状况 当混合 管长度为 5 6 倍喉部直径时 1 1 02 1 04 混合管较短 1较大 mix是混合管摩擦阻力系数 mix lmin dt 与混合管的 气体流动状态 加工质量和长度有关 通常取 min 0 06 0 12 d 为扩压管局部阻力系数 相应于扩压管进口 流速 n 表示扩压管的扩张度 n fd ft 由上述分析可知 引射器形状 尺寸及阻力特性不同时 能量损失系数尺值也不相同 引射器的形状及尺寸往往要根据实验资料确定 图 3 6 21 给出了三种引射器的形状及尺寸比例 其中 l 型为较佳 能量损失系数 k 值较小 但引射器较长 2 型和 3 型长度较短 但阻力较大 能量损失系数较高 当喷 嘴前燃气压力较高 允许有较大的能量损失时 可采用后两种 形式 设计引射式大气燃烧器时 会遇到两种情况 一种是 计算燃烧器的几何尺寸和确定所需的燃气压力 其计算步骤是 1 进行头部计算 确定 u dp fp k1值 2 计算 f10p 最佳燃烧器参数 ft 确定引射器各部分尺寸 3 计算喷嘴尺寸及所需燃气压力 另一种是在给定燃气压力下 确定燃烧器几何尺寸 其计 算步骤如下 1 头部计算 2 计算喷嘴尺寸 3 计算 f1op 燃 烧器参数 a x ft 计算 ft及引射器各部尺寸 例 3 6 1 设计一双灶跟用燃烧器 已知 燃烧器热负 荷 q 2 8kw 燃烧以焦炉煤气为主的城市燃气 其热值开 h1 13423kj m3密度 g 0 71kg m3 相对密度 r 0 55 理论 空气需要量 vo 3 15m3 m3 燃气压力 h 800pa 解 一 头部计算 1 计算火孔总面积 fp 按表 3 6 7 选取火孔直径 dp 2 8mm 一次空气系数 0 6 相应火孔热强度 qp 11 6 10 3kw mm2 2 计算火孔数目 n dp 2 8mm 时 一个火孔的面积 fp 6 15mm2 3 火孔排列 火扎布置成两圈 内圈孔数 n1 9 孔 外圈孔数 n2 30 孔 内圈火孔和外圈火孔轴线与燃烧器平面夹角为 60 火孔间距为 s 2 5dp 2 5 2 8 7 omm 4 计算火孔深度 h 取火孔深 2 3dp 则 h 2 3 2 8 6 4mm 5 确定头部尺寸 取头部截面积为火孔总面积的两倍 则头部截面积 fh 2 fp 2 fp 241mm2 相应的头部气流分配道直径 dh 18mm 图图 3 6 21 三种引射器三种引射器 6 计算头部能量损失系数 k1 先取火孔流量系数 p 0 8 则火