燃气工业炉空气动力计算通用版.docx

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燃气工业炉空气动力计算通用版

燃气工业炉空气动力计算（通用版）

Whenthelivesofemployeesornationalpropertyareendangered,productionactivitiesarestoppedtorectifyandeliminatedangerousfactors.

（安全管理）

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燃气工业炉空气动力计算（通用版）

导语：

生产有了安全保障，才能持续、稳定发展。

生产活动中事故层出不穷，生产势必陷于混乱、甚至瘫痪状态。

当生产与安全发生矛盾、危及职工生命或国家财产时，生产活动停下来整治、消除危险因素以后，生产形势会变得更好。

"安全第一"的提法，决非把安全摆到生产之上;忽视安全自然是一种错误。

　　一、燃气工业炉气体流动的特点

（一）燃气工业炉空气动力学及空气动力计算

　　为了使燃气工业炉能正常地工作，需要不断供给燃烧所用的燃气和空气，同时又要不断地把燃烧产生的烟气排出炉外。

　　所谓燃气工业炉的通风过程，正是指保证工业炉正常运行的连续供风和排烟的过程。

燃气工业炉空气动力学就是用流体力学的基本原理来研究炉中气体流动和平衡的规律，以解决工业炉通风过程中的实际问题。

其目的为正确组织工业炉内的气体流动，保证炉料加热的质量，最终使工业炉生产达到良好的技术指标。

　　同时，按照流体力学的基本原理。

进行燃气工业炉的空气动力计算，求得送风、排烟系统内各区段的阻力、浮力，确定通风系统的压力分布，并求得总压降，为烟囱设计或送风机、引风机的选择，为工业炉生产操作、控制及安全运行等提供可靠依据。

（二）燃气工业炉气体流动的特点及实用流体方程

　　图3—9—15为工业炉自然通风时炉膛及烟道系统压力分布图。

横坐标对应上图示意的通风系统各处；纵坐标为各处的相对压力（Pa）。

　　图3-9-15燃气工业炉通风系统

　　图中，1为空气、燃气进口；2为燃烧室或火道，燃气和空气在此混合、燃烧；3为燃气工业炉炉膛，2—3由于浮力作用，系统压力增加至正压，满足了炉膛为正压的要求；4—5—6为烟道，烟气流动过程中，4—5克服阻力，消耗能量，系统压力降低，5—6由于浮力作用，系统压力又有所增加；6—7为热交换器，烟气流经时，阻力消耗大，系统压力下降；7—8—9也是烟道，7—8烟气流经烟道闸门，克服局部阻力，消耗较大能量；8—9烟气消耗能量，克服烟道阻力；9—10为烟囱，由于高大烟囱的浮力远大于阻力，使系统压力增大，到烟囱出口接近零压。

　　在燃气工业炉内，被加热物料一般都放在炉底，因此控制炉内压力的首要任务是保证炉底相对压力为零或微小正压（通常10～20Pa）。

这时炉门缝隙稍有火苗冒出，而没有冷空气吸入，以保持炉内气氛，并使炉内不会有太多的过剩空气，不至降低炉温和恶化传热过程。

　　燃气工业炉整个送风、排烟系统的压力都接近于大气压，各处相对压力的数值都很小，而且变化甚微，如图3—9—15仅为-lOOPa～0Pa变化。

即使在压力变化最大的空气、燃气预热器或余热锅炉中，变化也常常只有几千帕，因此，可忽略压力变化对气体可压缩性的影响。

　　同时，在各种情况下，整个送风、排烟系统的气流速度都不大，约每秒数米，气体马赫数（气流速度与当地音速之比值）远小于0.3，完全可以忽略流速变化对气体可压缩性的影响。

　　显然，在燃气工业炉通风过程中，影响气体可压缩性的压力、流速，温度三因素中，只有温度变化最剧烈，是不可忽略的。

所以，必须分区段来确定气体的温度及密度，在温度变化范围较小的区段，可取算术平均密度；在温度变化剧烈的区段，则应取算术平均温度下的调和平均密度。

　　这样处理之后，在燃气工业炉空气动力计算中，就可以把通风系统内的气体都当成是不可压缩的流体了。

　　根据以上讨论，燃气工业炉空气动力计算的实用流体方程，就是实际流体的伯努利方程式，如式（2—23）所描述。

　　二、气体的阻力计算

　　燃气工业炉空气动力计算中，气体流动阻力包括摩擦阻力利局部阻力。

其计算基本公式见式（2—27）、式（2—29），在进行局部阻力计算时，其局部阻力系数K由通道或管路的结构而定。

　　当气流横向冲刷管束时，无论有无热交换，其流动阻力均属局部阻力，局部阻力系数K与管束的结构形式、管子排数及Re数有关。

可以区别顺列管束、错列管束按计算公式或线算图来确定。

空气、燃气或烟气流经管束时，由于截面收缩和扩大所引起的阻力损失已计入K中，不再另外计算。

计算时，气流速度按烟道有效截面确定。

烟气流动阻力计算简介如下。

　　计算烟气流动阻力的原始数据为烟气量、各区段烟气的平均流速和温度、烟道的有效截面积及其它结构特性。

这些数据在燃气燃烧计算和热力计算中已经提及。

由于阻力计算时所使用的各种线算图都是对于空气绘制的。

因此，为了方便起见，可以利用线算图求得相应于空气密度的烟道各部分阻力；然后再根据烟气的密度进行阻力换算。

　　计算烟气流动阻力的顺序是从炉膛开始，沿烟气流动方向，依次汁算空气（燃气）预热器、余热锅炉、烟道等各部分的阻力。

各部分阻力之和即为烟道的全压降。

　　1．炉膛

　　炉膛的摩擦阻力损失按式（2-27）计算，式中ω0

　　、t为炉膛内烟气平均流速和温度。

实际上由于工件在炉底排列并不整齐，故炉膛内压力损失比汁算结果要大。

可以粗略地取为计算值的两倍。

　　2．空气（燃气）预热器

　　其结构形式有管式、片状和辐射式。

（1）管式空气预热器

　　这种换热器的基本构件是钢管。

通常管内走空气，管外走烟气。

　　一般机械排风时，可采用烟气在管内流动，此时烟气阻力由管内的摩擦阻力和管子进出口的局部阻力所组成。

这两项阻力均按平均烟气流速和温度计算。

　　管式空气预热器的摩擦阻力和局部阻力也可按公式和线算图确定。

　　当空气在管内流动时，一般流速为4～8m/s；烟气则以1～2m／s的速度从管间流过。

空气和烟气流速之比应不小于1．5～3．0，以防管子烧坏。

预热器内的空气阻力为300～3000Pa；烟气阻力为20～300Pa。

（2）片状换热器

　　片状换热器内表面空气流动阻力和外表面烟气流动阻力一般用经验公式来计算。

多行程换热器空气管道转弯处的管内压力损失一般采用片状管空气流动阻力的50％～60％。

　　换热器内空气流速采用4．0～8．Om／s。

如果换热器前压力较高，则为了减小换热器尺寸，降低金属表面最高温度，也可以适当提；高空气流速。

换热器管外烟气流速采用2．0～5.0m／s。

　　（3）辐射换热器

　　辐射换热器的烟道截面一般比较大，直径为0.5～3.Om。

烟气流速采用1．0～3．Om／s。

预热空气的流速一般采用20～30m／s。

　　辐射换热器中烟气阻力损失可忽略不计。

　　3．余热锅炉

　　以水管式余热锅炉（如图3—9—16）为例，说明余热锅炉空气动力计算的一般方法。

（1）蒸汽过热器

　　蒸汽过热器是由小直径管子组成的蛇形管束，过热器总阻力由气体横向冲刷部分的阻力（这部分阻力按管束进口截面的速度和管束的总排数米确定）、纵向冲刷部分的阻力（计算长皮是进口烟窗的中心线至管于下部弯头底面间的距离）和管束中烟气90°转弯的阻力三部分组成。

（2）对流管束

　　对流管束的阻力一般由横向冲刷管束阻力、纵向冲刷管束阻力以及管束内部转弯阻力三部分组成。

　　（3）省煤器

　　对光管省煤器，当烟气横向或纵向冲刷时的阻力可按前述公式和线算图进行计算。

必须注意的是，余热锅炉各受热面的阻力算出后，还需乘上修正系数k。

k值可从有关手册上查取。

　　4．烟道

　　烟道内的烟气量，除包括燃料燃烧生成的烟气外，还需增加换热器、余热锅炉、烟道、阀门等处的漏风量。

　　考虑漏风量后的烟气总量，可按下式计算：

　　其中，△α为漏风系数，下面列出部分数据：

　　漏风系数

　　金属管状换热器

　　金属辐射换热器

　　砖烟道

　　钢板烟道

　　△α

　　0.15

　　0.15

　　每10m取0.05

　　第10m取0.01

　　在烟道计算时，往往取经济流速。

若烟气流速过大，虽可节约管材，但动力消耗过大；反之，若烟气流速过小，可节约动力，却浪费了管材。

矩形烟道的高、宽比可取0．5～2。

工业炉常用烟道系列可参考有关设计手册。

　　图3-9-16水管式余热锅炉示意图

　　1-过热器；2-对流管束；3-省煤器；4-汽锅

　　空气及燃气流动阻力的计算原理及方法与烟气流动阻力计算完全相同。

　　按工业炉额定热负荷，由燃气燃烧计算确定所需燃气量利空气量。

阻力计算所用原始数据，温度、流速等，都可由热力计算得到。

　　空气、燃气风道的阻力包括，冷空（燃）气风道、空（燃）气预热器、热空（燃）气风道和燃烧设备等区段的阻力。

在计算时，按通道中截面积、流量、温度等的变化，分区段求取，总阻力损失等于各区段阻力之和；当通风分为几路并联时，按阻力损失最大的一条线路计算，这时其它线路上须加闸门进行调节。

　　三、燃气工业炉通风排烟装置

　　燃气工业炉通风排烟装置分为自然通风装置和机械通风装置。

前者指烟囱，后者指鼓风机、引风机或引射器等装置。

　　在燃气工业炉中，广泛利用烟囱产生自然抽力。

虽然基建投资较大，施工周期较长，但它工作可靠，不需消耗动力，运转费用低，很少需要检修。

　　当烟道阻力损失很大或烟气温度很低时，往往需要用机械排烟，这时也有一个较矮的烟囱，它的作用只是保证烟气排放符合卫生标准。

　　关于烟囱的工作原理及计算在第一篇第二章有关部分已讨论过。

对于燃气工业炉，烟囱的高度除了考虑有足够的抽力之外，还要考虑对周围环境的污染问题。

一般应比附近最高建筑物高出5m以上，所以多数炉子的烟囱高度都有富裕。

由于计算中是以假定炉底的相对压力为零作前提的，烟囱的抽力有富裕，就会在炉膛内造成负压，这将会吸入大量冷空气，是我们所不希望的。

为了调节炉内的静压，通常设置烟道闸门来抵销剩余的吸力。

在现代化炉子上，烟道闸门由自动调节系统进行控制。

当几个炉子合用一个烟囱时，烟囱底部的吸力按阻力最大的系统来计算，但计算烟囱自身的阻力时，烟气量应按几个炉子的总量来考虑。

这种情况下，任何一座炉子的烟气量发生波动，将引起总吸力的变化，也会影响其它炉子的正常工作。

所以，烟气量变动大的炉子最好有各自独立的烟囱。

　　下面简介机械通风装置

　　1．燃烧用鼓风机

　　燃气工业炉广泛使用鼓风式燃烧器，鼓风机对燃气的燃烧起着极其重要的作用，应用最广泛的有旋转式（罗茨式鼓风机）和离心式（叶轮鼓风机等）两类。

（1）旋转式鼓风机

　　这类风机吸入一定容积的空气，经压缩后排出。

其主要特点是风量稳定，只要转速不变，排山风量总是固定的。

需注意的是在管路中应设置安全阀等附件。

（2）离心式鼓风机

　　这类风机利用叶轮高速旋转时产生的离心力，将气体加压后排出。

其特点为：

振动噪音低、体积小、送风稳定．尤其适合于风量变化的场合。

　　离心式鼓风机的性能参数包括风压、风量、功率和效率。

根据风压不同可分为低压离心风机（全风压980Pa）、中压离心风机（全风压980～3000Pa）、高压离心风机（全风压3000Pa以上）。

　　2．热风干燥炉用鼓风机

　　用于热风干燥装置及热风采暖设备的鼓风机，与供应助燃空气的鼓风机不同。

它无须太高风压，通常250～300Pa，而要求相当大的风量。

为此，普遍采用离心式多叶片鼓风机，其结构与上述离心式风机相同，只是叶片多而窄。

　　3．排烟用机械

　　机械排烟装置，多采用离心式引风机。

　　当烟气温度高于250℃时，往往不能直接用引风机排烟，其烟囱又不能形成足够的抽力，常采用引射排烟装置。

　　引射排烟的原理与引射燃烧器相同。

它是通过喷嘴高速喷出气体时产生负压来带走烟气。

喷射用气体