民用燃气用具的设计

民用燃气用具的设计民用燃气用具的设计 一 有关工艺设计的几个问题一 有关工艺设计的几个问题 对民用燃气用具的基本要求 包括以下 10 个方面 1 加热 能力 用热负荷标志 2 供气压力 用额定供气压力要求 3 热能利用率 用热效率表示 4 燃烧产物的卫生标准 用烟气 中有害物 c0 n0 x 等 含量表示 5 燃烧稳定状态与调节范围 不出现离焰 回火 黄焰 并能凋节热负荷 6 安全性 必须 有安全设施 7 噪声 不允许超过规定 8 表面温度 不得高 于标准规定 9 结构与材质 结构稳固 经久耐用 材料价廉 造型美观 10 其它 各类民用燃气用具 根据其特有功能 还 有些特殊要求 下面讨论其中的若干问题 一 燃具热负荷 燃具热负荷 是指燃具中单位时间内燃气燃烧所释放的热 量 在额定供气压力下燃具所具有的热负荷 则称为额定热负 荷 它表明加热能力的大小 是燃具的重要特性指标之一 而额定供气压力是设计燃烧设备的主要参数之一 为了使 燃烧设备标准化 设计燃气设备时 额定供气压力应按有关规 范规定的指标选取见表 3 8 1 表表 3 3 8 8 1 1 燃气设备额定供气压力燃气设备额定供气压力 燃气种类 燃烧设备种类 人工煤气 天然气 液化石油气 低压燃烧设备 kpa 1 02 0 2 8 或 5 0 中压引射燃烧设备 kpa10 或 30 20 或 5030 或 100 此外 由于燃气输配管网上的压力波动 燃烧设备前的供 气压力可能大于或小于额定压力 因此要求燃烧设备能在一定 的燃气压力波动范围内稳定燃烧 按规范要求 当供气压力为 0 5 1 5 倍额定压力时 燃烧设备的各项技术性能指标都应达 到规定值 燃气炊事灶具用于各种烹饪加热 而烹饪的关键就 是要注意营养 凋味和色泽等 烹饪过程的加热状况好坏影响 极大 因此燃具的加热能力应综合考虑 一般家用燃气灶热负荷应大于 2 326kw 2000kcal h 否 则火力太弱 大型燃气灶应根据用途选定适当的热负荷 通常 按锅的大小考虑 除特殊情况外热负荷除低于 11 63lw 10000kcal h 通过编制加热设备的热平衡 依据提供的有效热满足加热 工艺的要求 可以确定燃具额定热负荷 通过计算加热物质所需要的热量 和估计的燃具热效率 再根据所需要的加热时间 可计算燃具热负荷 式中 q 燃具热负荷 kw m 被加热物体的质量 kg c 被加热物体的比热容 kj kg k t1 t2 被加热物体的初始和终了温度 k 燃具热效率 可按同类设备选取 物料加热升温时间 h k 安全系数 考虑燃气压力可能降低 热值可能变化 热效率估计不准及其它未考虑到的因素 k 为 1 28 1 40 如果被加热物体有相变化 当被加热物体 固体 发生熔融时 热负荷的计算公式为 式中 固体的熔融量 kg m 固体的熔解热 kj kg 当被加热物体 液体 发生蒸发时 热负荷的计算公式为 式中 液体的蒸发量 kg r 液体的蒸发潜热 kj kg 若一个燃具中有 n 个燃烧器 则每个燃烧器的热负荷为 燃具总耗气量 b 可由热负荷确定 式中 hl 燃气的低热值 二 燃具热效率 燃具的热效率 是指有效利用热占燃气总放热量的百分比 即 式中 q 有效利用热 kj qt 燃气总放热量 kj 燃具热效率显示燃烧过程和传热过程的综合效率 它是燃 具利用能量有效程度的指标 常用燃具的热效率见表 3 8 2 表表 3 3 8 8 2 2 燃具热效率燃具热效率 有关标准规定数值参考数值 效率 家用燃气灶家用快速热水器沸水器容积式热水器 55 80 在额定热负荷下低热值计算 70 80 75 三 燃烧器燃烧方法的选定 设计燃具时尤其重要的是根据加热目的选择适当的燃烧方 法 主要考虑的因素为 所需要的加热温度 所需要的燃烧室 热负荷及构造 燃烧器的燃烧特性 所需要的火焰长度 燃烧 器的耐久性 生产成本和维修难易程度 四 热平衡计算 燃具热平衡计算的目的 在于搞清输入燃具的热量被有效 利用或损失的过程 确定有效地提高燃具热效率的途径 以加热为目的的燃具 通常都是以 热输入二热输出 来计 算热量收支 按计算的结果 绘制出热流图 如图 3 8 8 所 示 可以很直观地表明浴盆热水器的热效率为 44 36 80 最主要的损失热为排气显热 图图 3 8 83 8 8 浴盆热水器热流图浴盆热水器热流图 五 适用性与安全性 民用燃具除要提高热效率外 还应充分重视其方便性 适 用性 要求在设计时应具有使用 调节 维护管理 使用寿命 和清扫等方面的适用性 关于燃具安全性 在工艺设计中更应予以重视 为确保燃 具运行的安全可靠 必须对使用过程可能遇到的各种情况进行 实验 并证实确为安全 其中两点尤其重要 1 过热安全性 运行时 燃具某些部位的温度要控制在规定 范围内 2 燃气泄漏安全性 对燃烧器火焰中途熄火 缺氧燃烧应有 保护手段 严防燃气泄漏和大量 co 产生 以避免发生火灾 爆炸和人员中毒等事故 六 造型与构造 燃具造型应美观 构造力求简单 使燃具各部件能易于拆 装 便于检修和清扫 七 二次空气的供给与烟气排除 如前述 民用燃具燃烧器多采用引射式大气燃烧器 大都 需要供给二次空气 当设计燃具的燃烧室时 要合理布置二次 空气进口 使二次空气能均匀地分布到各个燃烧器的火孔处 使用大气式燃烧器的燃具 决定二次空气口大小的简便方 法是对应燃烧 41868kj h 10000kcal h 的燃气 需设置 60 85cm2的二次空气口 相当于 5 16 7 31cm2 kw 燃烧室内的烟气流动要合理组织 为此 要求正确选定排 气口的位置 排气口位置设置不当 会影响烟气排除效果 烟 气较长时间停留在燃烧室内 就会使燃烧恶化 生成 co 同时 也会浪费能源 在确定排气口位置时 应考虑利用燃烧室内烟气具有的浮 力和使烟气在燃烧室内对被加热体进行均匀加热两个因素 排气口位置和烟气流动情况对燃烧室内均匀加热的影响 可用燃气烤箱为例说明 图 3 8 9 所示为烤箱排气口位置对 烟气流动 加热状况和热效率的影响 图中 a 为烤箱的原型设 计 b c 的布置方案均可提高热效率和改善加热均匀性 各方 案的排气抽力大小与高度 h 成正比 图图 3 8 9 烤箱排气口的布置与烟气流动情况烤箱排气口的布置与烟气流动情况 a 上部排气口型 b 上部排气口并带挡板型 c 下部排气口 型 d 带烟道的下部排气口型 e 上挡板及下烟道型 八 燃具材料 选择燃具各部分所用材料时要考虑下列因素 材料的耐热 性 耐蚀性 热传导性 热容量 机械强度和外观质量 以及 成本高低 修补难易程度等 二 燃具设计二 燃具设计 民用燃气用具的结构一般包括 1 空气 燃气供应部分 2 燃烧器 3 燃烧室及加热室 4 烟气排出部分 5 外形围护 及附件等五个部分 所谓燃具设计 就是上述各部分的单独设 计及总体设计 一 燃烧器 设计燃烧器的步骤为 1 按工艺设计要求 式 3 8 1 至式 3 8 3 确定燃具热负荷和燃气耗量 式 3 8 5 2 根据加热 目的等条件选择适当的燃烧方法 3 拟定适合使用条件 并保 证燃烧器正常燃烧特性的极限调整范围 4 最后必须考虑的是 结构和材质 燃具燃烧器是最易过热的部位 特别是将燃烧器 置于高温燃烧室内的燃具 由于室壁的辐射很强 必须充分考 虑其耐热性 此外 燃烧烟气所含水蒸气的凝结和滴落 杂物 堆积和堵塞火孔等 都会引起燃烧器腐蚀或导致不安全燃烧等 二 燃烧室及加热室 燃具的燃烧室及加热室几乎成为一体 在大多数情况下难 于将其区分开 其结构根据燃具性能而异 以下举例说明 1 燃烧室热强度及容积 燃具的燃烧室热强度是指容积热强度 即单位燃烧室容积 单位时间内燃气完全燃烧所放出的热量 qv 单位为 kw m3 燃 烧室热强度是根据不同容积 不同燃烧方法 不同加热温度来 考虑的 表 3 8 3 给出了热水器燃烧至热强度指标的大概范围 供设计参考 在设计过程中 选定燃烧室热强度的实质 就是 要保证燃气在燃烧室的停留时间大于燃气从着火到燃尽的时间 避免将燃烧室设计得过大或过小 通常 燃烧室过大 会浪费 燃气 降低热效率 需要高沮时 难达预期温度 燃烧室四周 散热过大等 相反 燃烧室过小 易引起不完全燃烧 热量供 应不足 或者燃烧室壁面及加热面过热 加速腐蚀和烧坏 表表 3 3 8 8 3 3 燃气热水器燃烧室效强度燃气热水器燃烧室效强度 热水器型式 燃烧室热强度 kw m 3 燃烧方法 燃烧室深或高 度 mm 燃烧室壁 浴盆立式 浴 盆卧式 1163 2236 1163 174 4 部分预混 部 分预混 100 150 150 55 0 水冷铜壁 水自然循环 大型快速式 大 型容积 式 233 349 1163 174 4 扩散式 部 分预混 150 350 70 100 水冷铜壁 水强制循环 水冷铜壁 或铁壁 水自然 循环 当计算热水器燃烧室大小时 据表 3 8 3 中所列出的不 同型式和燃烧方法 选定相应的燃烧室热强度 然后用下式求 出燃烧室容积 即 式中 g 燃气系数 通常取为 0 85 0 93 计算出燃烧室容积后 根据表 3 8 3 中给出的燃烧室深 度或高度的数值 即可定出燃烧室的尺寸 2 加热方法及特征 根据被加热物种类 加热方法可分为液体加热 固体加热 固体熔融及气体加热等几类 对液体 水 加热 按加热面的形式可分为五种方法 如图 3 8 l0 其特征分别为 1 直火锅加热法 传热面积小 加热能力受限 热效率较低 为 35 55 2 立式锅加热法 由于锅内水作自然循环 改善了换热条件 降低了排烟温度 热效率为 70 85 3 浸管加热法 烟气在管中流动 于管壁上进行热交换 所 以 热效率较高 65 85 燃烧生成水 排除简单 4 水管加热法 燃烧室外壁不参与换热过程 热效率 60 70 如图若传热条件明显改善 热效率可达 75 80 5 浸没燃烧法 由于高温烟气直接与水换热 热效率可高达 90 以上 对固体加热 大致分为直接加热和间接加热两种 直接加 热就是使火焰或高温烟气与被加热的固体接触 又有 局部急 速加热 均匀高温加热 干燥烘烤加热等方法 间接加热就是 火焰及高温烟气与被加热物料不直接接触或用间壁隔开 或通 过介质间接加热 图图 3 8 103 8 10 液体加热法液体加热法 用燃气加热气体 主要是用于室内采暖或干燥 也可分为 直接和间接加热两类 三 换热面的设计三 换热面的设计 加热室的设计主要是设计换热面 设计中既要考虑提高热 效率的问题 又要顾及到燃具使用的耐久性 冷凝水排出和制 造加工难易等问题 不能单纯追求高的热效率 现以热水器为 例 说明换热面的设计方法 容积式热水器的贮水筒体分为开放式和封闭式两种 根据 经验 对热负荷每 10kw 可取换热面积 0 43 0 69m2 而对 直流式热水器 可取 0 34 0 52m2 其中 翼片面积占 70 左 右 燃气热水器的传热过程由三个阶段组成 即火焰和高温烟 气以辐射和对流方式向金属板侧表面放热 自金属板烟侧向水 侧表面传导传热 金属板水侧表面向水对流放热 其中起决定 作用的是第一阶段 烟气向换热面放热 以对流方式进行换热 的热量 占总换热量的 80 左右 故欲提高热效率 着眼点首 先应放在对流换热上 计算对流传热量的公式为 q k f tlm 8 7 式中 q 对流放热量 w f 换热面积 m2 k 传热系数 w m2 k tlm 对数平均温差 从公式知 欲增加传热量 其办法是增加 f k 和 tlm 1 增加换热面积 f 在容积式热水器中 利用火管或水管等 方式增加换热面积 有时在传热面侧加焊翼片 对于直流式热 水器 采用在蛇管上装设翼片的方法来增加换热面积 此外 也应看到 增加换热面积虽然提高了热效率 但也增加了金属 耗量而使燃具的成本提高 2 增大传热系数 k 值 可用下列方法 1 组织烟气流动方向与换热面成一交角 使火炬喷出方向 尽可能与换热面成直角相交 提高传热系数 2 在水管布置上 立式管的传热系数大于卧式管 3 提高烟气流速 烟气流态从层流过渡到紊流后 传热系 数急剧增加 见图 3 8 11 提高烟气流速 传热系数增加 如图 3 8 12 所示 水管直径 25mm 烟气温度 660 水管温 度 60 4 采用小管径水管 图 3 8 13 所示为水管直径与传热系 数的关系 图图 3 8 11