1、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： .111第一章 设计原始资料1.1 气源表 1 燃
2、气成分燃气种类 氢气 甲烷 氮气 丙烷 丁烷20Y 75 251.2 设计热负荷本设计热负荷为：4.55 kW、空气含湿量：10g/Nm 3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，
3、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：n21r.rHH式中：H 燃气（混合气体）的高热值或低热值（KJ/Nm 3） ； Hn燃气中各燃组分的高热值或低热值（KJ/Nm 3） ，由燃气燃烧2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/Nm 3） 95998 126915低热值（KJ/Nm 3） 88390 117212则该设计的热值分别为:高热值为：H h=0
4、.7595998+0.25126915=103727.25 KJ/Nm3低热值为：H l=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： SHW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
5、白数成正比：KWQ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。3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：n21y.yMM式中： 混合气体的平均分子量；、 各单一气体容积成分（%） ；1y2ny、 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 44.0970 58.1240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
6、：混合气体的相对密度按下式计算： SaM式中： 空气的平均分子量（g/mol） ， =29a a相对密度为： S64.1297则华白数 W 的值为： =74321.52.3 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：4 2nm20 5.145.0.1 OSHCOHV式中:V 0理论空气需要量；H2、CO、C mHn、H 2S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
7、化石油气的理论空气量为： 05.124075483050210V=25.6m3/m302.4 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0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。
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。52.5 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：0V则实际空气量为： =1.625.6
9、=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、SO 2、N 2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、CH 4、H 2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
10、组分计算1 实际烟气量（ 1）三原子气体的体积 SHCOVSOCRO 2nm20.222=0.01（0+0+375+425+0）=3.25 Nm3/Nm3干燃气水蒸气体积 a0gnm2 d6.1201.2 VHCSHVOH =0.010+0+475+525+126.6（0+40.960.01）6=4.77 Nm3/Nm3干燃气氮气体积，按下式求得201.79.2 NVN=0.7940.96+0.010=32.36 Nm3/Nm3干燃气过剩氧气体积01-2.VO式中： 实际烟气中过剩氧气体积（Nm 3/Nm3干燃气）2OV=0.21（1.6-1）25.62=3.22 Nm3/Nm3干燃气实际烟气
11、总体积2222f ONHROVV式中： 实际烟气量（Nm 3/Nm3干燃气）f=3.25+4.77+32.36+3.22f=43.6 Nm3/Nm3干燃气2.对于液化石油气也可采用下式计算:0lf 1-5.4102. VHV带入低热值，得：V0= 95595.5+4.5+（1.6-1）25.6=43.95 Nm 3/Nm3干燃气125.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 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：燃气在一7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。
12、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=25.6N
13、m3/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= = =0.171m3lgH3605.94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 =1.3mm44j 2706.5.0.1s035. L式 中 ： dj喷 嘴 直 径 ， mm；喷 嘴 流 量 系 数 ， =0.70.8， 取 值 0.75.
14、故 喷 嘴 的 面 积 ： Fj=1.33mm23） 计 算 混 合 管 截 面 积 与 火 孔 总 面 积=9.37SV0u=390F1Kop=519mm2jmu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=2.3K1-头 部 能 力 损 失 系 数 ， K1=2.8811opfmFK1opf=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
15、 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 2.03.5 1.01.3 1.21.5fgf6.qvFVO=1.36m2/s5） 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
16、 时 为 非 最 佳 工 况 ， A 不 可 能 大 于 1。KF1f1mf2= 3.2864.5798.235964.7=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
17、5燃 气 焦 炉 煤 气 天 然 气 液 化 石 油 气直 径 （ mm） 2.53.0 2.93.2 2.93.2本 设 计 取 火 孔 的 直 径 dp=3.0mm， 故 单 火 孔 面 积 为 ：9=7.07mm22pfd4F则 共 有 =81fn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
18、 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=14mmhb由 于 气 流 在 该 处 分 成 了 两 部 分 ， 故 ：头 部 净 高 =17mmhfF 、 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
19、进口截面积与混合管截面积相同=2.5519=1297.5mm2dnF故 ， 扩 压 管 出 口 直 径 Dd=37mm式 中 ： Fd-扩 压 管 出 口 截 面 积 ， mm2n-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： 2tan-Ld=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
20、。Ds=58mm10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
21、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%SVFKAVS202mj1j20004 f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
22、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 ：3pjic10qf86.0hK=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
23、一 次 空 气 系 数 11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 ： 3p1c00dqsfn86.h=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 ，n1 1.02） ；s表 示 火 孔 净 距 对 外 锥 高 度 影
24、响 的 系 数 （ 见 下 表 8） ；系 数 s 表 8火孔净距2 4 6 8 10 12 14 16 18 20s 1.47 1.22 1.04 0.91 0.86 0.83 0.79 0.77 0.75 0.74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标准” ，平时我们接触到得都是书本上的理论知识，应付考试还可以，无形之中也我们自己养成了一种自大的心态。但是课程设计却给了我们一个很好认清自己根底的机会：其实自己学得并不好，作为一个工科生同时还应具备查找资料、知识迁移的能力。实践出真知，在课程设过程中遇到的困难、犯下的错误，或许就是我们这群即将步入社会的人最致命的缺点。0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9液 化 石 油 气 0.26 0.22 0.18 0.16 0.15 0.13 0.10 0.0812参考资料：1同济大学.燃气燃烧与应用.北京：中国建筑工业出版社，2011.2严铭卿. 燃气工程技术手册.上海：中国建筑工业出版社，2008.
