燃气燃烧与设备设计

燃气燃烧与设备设计（总17

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目录

1设计原始资料........................................................0

气源..............................................................0

设计热负荷........................................................0

2燃气燃烧计算........................................................0

燃气的热值........................................................0

华白数............................................................1

理论空气量........................................................3

过剩空气系数......................................................3

实际空气量........................................................4

烟气量............................................................4

3大气式燃烧器........................................................6

大气式燃烧器的工作原理...........................................6

设计计算..........................................................6

火焰高度.........................................................11

总结..................................................................13

参考资料.............................................................13

1设计原始资料

气源

天然气3To成分见表1-1

表1-1燃气成分

华白数理论干烟

热值/(加〃团3)

/(Mj/m3)气中

类别体积分数相对密燃烧势

体积分数

(%)度HhW

(%)

CH4=

3T0

空气=

设计热负荷

本设计热负荷为：kW燃气压力：2000Pa

2燃气燃烧计算

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。

3T()燃气完全燃烧所放出的热量称为该燃气的热值，单位为干焦每标准立

方米。

热值可以分为高热值和低热值。高热值是指3To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3To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：

H=H^+H2r2+……+Hnrn（2-1）

式中：H—燃气（混合气体）的高热值或低热值（Aj/（N・〃z3））；

凡一燃气中各燃组分的高热值或低热值（&〃（'•一））,由《燃

气燃烧与应用》附录2查得；

rn一燃气中各可燃组分的容积成分。

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

燃气组分甲烷空气

高热值（O/（N・/））95998126915

低热值（。/（N-/））88390117212

则该设计的热值分别为：

3

高热值为：H/2=x95998+xl26915=U/（/V>/n）

低热值为：=x88390+x117212=kj/（N•m3）

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（&卬）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：

W-H

（2-2）

式中:w—华白数，或称热负荷指数;

H—燃气热值；

S一燃气相对密度（设空气的s=l）。

因此，燃具热负荷与华白数成正比：

Q=KW（2.3）

式中:K一比例常数。

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：

+M

例+"2y2+……nyn（2-4）

式中：“―混合气体的平均分子量；

片、当……）'”一各单一气体容积成分（％）；

"2……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

燃气组分中烷空气

分子量

则该设计燃气的平均分子量为：

M=x+x=（7moi）

燃气的相对密度：

混合气体的相对密度按下式计算:

式中：M.一空气的平均分子量（g/m〃），M0二29

相对密度为：S=—=1.85

29

则华白数W的值为：W=1()7丝8)=79289Mj/rn^

VL85

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：

V0v().5”2+().5CO+Zm+*m"r+L5〃2S-O2

式中:Vo-理论空气需要量；

H2、CO、CmHn、H2S一燃气中各种可燃组分的容积成分；

02—然气中氧气的容积成分。

则3T0天然气的理论空气量为：

R=—0.5xCi+0.5x()+f3+-|x32.5+f4+—|x67.5+1.5x0-0

21]I4；I4j」

=m3/m3

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

V

a=—

%(2-7)

通常。＞1oa

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〜。

本设计中取值为a二。

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a是十分重要的，a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，a尽量使值趋近于1。

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：

丫=叫(2-8)

则实际空气量为：V=x=m3/m3

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C02、S02、N2和H2。。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

⑴实际烟气量（。＞1）

三原子气体的体积

匕3="+匕a=o.oi（ca+co+vmC.nHn+H2S）（2.9）

匕e“=x(0+0+3x+4x+0)=干燃气

水蒸气体积

=0.01%+/5+29。/-126.6(4+叫dj

L2-I(2-10)

%,o=[°+°+4X+5X+X(0+X]=

干燃气

氮气体积，按下式求得

匕,，=0.79«^+0.01^

2(2-11)

%,=x+x0=Nm'INm‘干燃气

过剩氧气体积

%=0.21（。-1）%

(2-12)

式中：匕%—实际烟气中过剩氧气体积（干燃气）

%=x()Vo(2-13)

/尸M//M/干燃气

实际烟气总体积

匕=匕。2+匕/2。+匕，2+%(2-14)

式中：I。一实际烟气量（M//M/干燃气）

匕=+++=干燃气

（2）对于液化石油气也可采用下式计算:

匕=磊"I+4.5+(。-牝

(2-15)

带入低热值得

v0252x++()x=干燃气

z1000

3大气式燃烧器

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

为大气式燃烧滞由头部及引射那两部分组成，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〃通常为被设计取为c根据燃烧室T作状

况的不同，过剩空气系数a通常变化在〜之间，本设计取a二。

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二ZW燃气低热值H尸4〃〃尸相对密度s二，理论空

气需要量Vo=M//M/,燃气压力2000Pa。

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。选取川型的引射器，可使引射器的尺寸最小，其能量损失

系数K=3o

(1)计算燃气流量

3600乩

3600x4.23

=--------=，n

g107844.85

式中：外一燃气流量，〃//〃

H0—燃烧器热负荷，kW

多一燃气低热值，kJ/m3

(2)计算喷嘴直径向

J0.CO35八HV0.0035x0.75V2(X)0

(3-2)

dj=nun

式中：dj—喷嘴直径，mm；

/LL—喷嘴流量系数，取值.

故喷嘴的面积：Fj=mm2

⑶计算混合管截面积与火孔总面积

u=吗(3-3)

S

Fop=K(l+uXl+uS)=(3-4)

2

Fm=K(1+u)(l+uS)Fj=mm(3-5)

故，混合管直径D”,二54mm

式中：Flop-最佳燃烧器参数

K-引射器能力损失系数，K=3

K「头部能力损失系数，(二

(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

燃气焦炉煤气天然气液化石油气

火孔出口速度〜

于肃+"％)

(3-8)

0.003677

2

vf=m/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AV1时为非最佳工况，A不可能大于1。

(3-9)

2______________

A二=1

1019.53(23।1055.317叵

1055.317V2^8+1019.53V23

(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12〃"〃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II速度

燃气焦炉煤气天然气液化石油气

直径(mm)

大气式燃烧器常用设计参数见表3-3：

表3-3大气式燃烧器常用殳计参数

燃气种类炼焦煤气天然气液化石油气

圆孔dp

X

火孔尺寸mmXX

方孔

XXX

火孔中心间距s/ni/n（2-3）dp

火孔深度h/twn（2-3）4

额定火孔热强度qp/(W/mnr)

额定火孔出口口风速~/(〃?/s)

一次空气系数a

本设计取火孔的直径0=〃〃*故单火孔面积为：

R=-dl(3-10)

f4p

%=mnr

K

n=­r

则共有Ff（3-11）

n=144

一般孑L深与火孔中心距为2〜3孑L径，本设计取Sp=dp=x=〃〃〃，hp=，r〃n

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〃［二65,内排〃2二16。

①外圈头部尺寸确定。火孔中心距燃烧器边缘的距离为10〃〃〃。

注：燃烧器头部壁厚二3〃"〃

头部净宽bh=20-2x3=14〃〃〃

由于气流在该处分成了两部分，故：

头部净高=A-=73nun(3-12)

耳

②内圈头部采用圆盖构造，火孔外缘距燃烧器边缘距离为5加〃。其尺寸确定如

下：

头部直径dr=53mm

头部净高/?r=15nun

(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

F”叫(3-13)

1

Fd=x519=mm

故，扩压管出口直径。产75nun

式中：吊-扩压管出口截面积，mm2

n-扩压管扩张度，n=2~3,本设计取n=。

扩压管的长度取决于扩张角，长度按下列公式计算：

4

L=—=—(3-14)

da

tan

2

Ld=802mm

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

名称结构参数数值

•般采用锥形收缩管，进口截面枳为混合段截面枳的4~6倍，吸

气

吸气收缩管

入口面积为火孔总面积的~倍，对热值高的燃气取大值，0,二58mm

收缩管安装长度由安装长度确定。

直径与孔深之比d/上一夕=60。。当一次空气口位于收缩管端

燃气喷嘴

部，喷嘴出口至混合段进口距离为混合段直径的~D/l=

倍。喷嘴轴线应在混合管轴线上。Is=26mm

混合管长度为直径的1~3倍50mm

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

头部

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：

(3-15)

故，设计合适

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。

火焰内锥的高度曰可下式计算：

hic=0.86CTjqpxltf(3-16)

=xxx

=nun

式中：生一火焰内锥高度（〃〃7