燃气燃烧设计.docx
《燃气燃烧设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《燃气燃烧设计.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
燃气燃烧设计
目录
《燃气燃烧与应用》课程设计任务书2
设计题目：
某品牌燃气灶具设计计算2
设计原始资料：
2
设计任务2
说明书包括3
第一章设计原始资料4
1.1气源：
4
1.2设计热负荷4
第二章燃气燃烧计算5
2.1燃气的热值5
2.2华白数6
2.3理论空气量7
2.4过剩空气系数7
2.5实际空气量8
2.6烟气量8
2.7理论燃烧温度的确定9
第三章大气式燃烧器11
3.1大气式燃烧器的构造及特点11
3.1.1大气式燃烧器的构造及工作原理11
3.1.2引射器11
3.1.3大气式燃烧器的头部计算12
3.2低压引射大气式燃烧器设计计算16
心得体会18
《燃气燃烧与应用》课程设计任务书
设计题目：
某品牌燃气灶具设计计算
设计原始资料：
气源：
见下表
燃气种类
氢气
甲烷
氮气
丙烷
丁烷
5R
54
19
27
6R
58
22
20
7R
60
27
13
4T
41
59
6T
78
22
10T
86
14
12T
95
5
13T
90
10
20Y
75
25
21Y
50
50
热负荷：
2.7～10kW
设计任务
1、燃烧基础性质计算（热值华白数理论空气量实际空气量过剩空气系数理论燃烧温度等）
2、大气式燃烧器燃烧计算和结构尺寸设计计算
3、绘制燃烧器设计简图（包括喷嘴和分配管，标注各主要尺寸，使用3#图纸）
4、设计说明书：
计算内容、灶具燃烧器及各部件结构原理、本设计特点、各项参数选择计
算依据。
说明书包括
目录
一、设计任务
二、原始资料
三、燃气燃烧计算
四、燃气灶具设计计算
五、心得体会
六、主要参考资料
第一章设计原始资料
1.1气源：
见下表
燃气种类
氢气
甲烷
氮气
丙烷
丁烷
20Y
75
25
1.2设计热负荷
本设计热负荷为：
2.9kW。
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激烈的氧化作用，并产生大量的热和光的物理化学反应过程成为燃烧。
1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，对于本设计的液化石油气，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1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1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：
式中——燃气（混合气体）的高热值或低热值（）；——燃气中各燃组分的高热值或低热值（），由附录2查得；
——燃气中各可燃组分的容积成分。
查附录二得该燃气组分热值如下表：
燃气组分
丙烷（）
丁烷（）
高热值
101270
133885
低热值
93244
123649
则该设计的高热值为：
Hh=0.75×101270+0.25×133885=109423.75kj/Nm3
该设计的低热值为：
Hl=0.75×93244+0.25×123649=100845kj/Nm3
2.2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：
式中——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，燃具热负荷与华白数成正比：
式中K——比例常数。
求华白数要先求出燃气的相对密度。
燃气的平均分子量
式中
——混合气体的平均分子量；
、
……
——各单一气体容积成分（%）；
、
……
——各单一气体分子量。
则该设计燃气的平均分子量为：
=0.75×44.0970+0.25×58.1240=47.6（g/mol）
燃气的相对密度：
混合气体的相对密度按下式计算：
式中
——混合气体的平均摩尔容积（m3/kmol）
S——混合气体相对密度（空气为1）
对于双原子气体和甲烷组成的混合气体，标准状态下的
可取22.4m3/kmol；对于由其它碳氢原子组成的混合气体，
可取22.4m3/kmol。
则华白数为：
kg/m³
2.3理论空气量
理论空气量是指每立方米（或公斤）按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需要的空气量，单位标准立方米每标准立方米或标准立方米每公斤。
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：
式中V0——理论空气需要量；
H2、CO、、——燃气中各种可燃组分的容积成分；
——燃气中氧气的容积成分。
燃气的热值越高，燃烧所需的理论空气越多，因此当已知燃气热值是，其理论空气量也可按下式近似计算。
对烷烃类燃气（天然气、人工燃气、液化石油气）可采用：
则所需理论空气量为：
2.4过剩空气系数
实际供给的空气量与理论供给的空气量之比称为过剩空气系数，即
通常。
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1.3～1.8。
本设计中取值为1.5。
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。
2.5实际空气量
如前所述，理论空气量也是燃气完全燃烧所需要的最小空气量。
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。
实际供给的空气量与理论供给的空气量之比称为过剩空气系数，即
则实际空气量为：
=1.5
=39.39
2.6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、SO2、N2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。
烟气量可按热值近似计算。
1．理论烟气量
对烷烃类燃气液化石油气
a=4.5则
2．实际烟气量
则
2.7理论燃烧温度的确定
一定比例的燃气和空气进入炉内燃烧，它们带入的热量包括两部分：
其一是由燃气、空气带入的物理热量（燃气和空气的热焓）；其二是燃气的化学热量（热值），如果燃烧过程在绝热下进行，这两部分热量全部用于加热烟气本身，则烟气所能达到的温度称为热量计温度。
如果在热平衡化学方程式中将由于化学不完全燃烧（包括二氧化碳和水的分解吸收）而损失的热量考虑在内，则所求得的燃气温度称为理论燃烧温度。
其计算是为：
式中
——理论燃烧温度；
——燃气的低热值；
——化学不完全燃烧所损失的热量，
=
；
——化学不完全燃烧热损失与燃气低热值之比；
——燃气的平均定压容积比热；
——水蒸气的平均定压容积比热；
——空气的平均定压容积比热；
——三原子气体、水蒸气、氮、氧的平均定压容积比热；
——燃气的含湿量；
——空气的含湿量；
——热量计温度；
——燃气温度；
——空气温度；
——每标准立方米干燃气完全燃烧后所产生的三原子气体、水蒸气、氮、氧的体积干燃气。
第三章大气式燃烧器
3.1大气式燃烧器的构造及特点
3.1.1大气式燃烧器的构造及工作原理
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<α'<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α'通常为0.45~0.75。
根据燃烧室工作状况的不同，过剩空气系数通常变化在1.3~1.8范围内。
3.1.2引射器
（1）喷嘴流量计算低压引射大气式燃烧器是在低压下工作，因此不考虑气体的可压缩性。
喷嘴在标准状况下工作，其流量可按下式计算：
Lg=0.0035µd2
式中Lg————————圆形喷嘴的流量（m3/h）；
µ—————喷嘴流量系数，与喷嘴的结构形式、尺寸和燃气压力有关，用实验方法求得；（注：
通常取l/d=1~2,β=60°一般d=1~2.5mm时，这种喷嘴的µ=0.7~0.78;当d>2.5mm时，µ=0.78~0.8本式取µ=0.78）
H——————燃气压力（pa）；
S———燃气的相对密度。
（2）喷嘴的直径按下式计算：
d=
Lg——燃气流量，Lg＝
；
s——燃气相对密度；
H——燃气压力。
（3）喷嘴结构形式分固定喷嘴及可调喷嘴两种形式。
固定喷嘴结构简单、阻力小，引射性能好，但出口截面不能调节。
喷嘴喷孔截面到引射器喉部截面应有一定距离L，位置不正确，将影响一次空气吸入量。
当喉部直径大于喷嘴外径时，一般取L=（1．0～1．5）倍的喉部直径。
安装喷嘴时，喷嘴中心线与混合管中心线应一致，偏移或有交角会影响一次空气量和二种气体的混合效果。
3.1.3大气式燃烧器的头部计算
（1）火孔尺寸
液化石油气的火焰传播速度慢主要要防止脱火，故应采用较大的火孔尺寸。
随着火孔尺寸的增加，二次空气的供给发生了困难，要求有较大的一次空气系数才能消除黄焰。
为了防止污染及堵塞，火孔的直径不宜小于2.0mm。
液化石油气常用的设计参数如下表：
燃气种类
液化石油气
火孔尺寸（mm）
圆孔dp
2.9～3.2
方 孔
2.0×3.0
2.4×1.6
火孔中心距s
（2～3）dp
火孔深度h
（2～3）dp
额定火孔热强度qp×1000（kW/m㎡）
7.0～9.3
额定火孔出口流速vp（Nm/s）
1.2～1.5
一次空气系数ɑ
0.60～0.65
喉部直径与喷嘴直径
15～16
火孔面积与喷嘴面积
500～600
（2）火孔深度
增加火孔深度可使脱火极限增加，但火孔深度增加到某一数值（13～15mm）后，脱火极限就趋于定值。
在一定范围内增加孔深，回火极限增加，气流阻力增大，不利于一次空气的吸入。
孔深变化对黄焰极限没有影响，一般取火孔深度为火孔直径的2～3倍。
此外，采用有凸缘的火孔来增加孔深，可以节约金属。
（3）火孔间距
当孔距较大时，孔距对脱火及黄焰均无影响。
当孔距减小到一定程度后，火焰相互靠近或合并，增加了脱火极限，但这时火焰与空气的接触减少，影响了二次空气的供给，因而消除黄焰所需的一次空气系数有所增加。
因此，为了防止产生黄焰，保证二次空气的供给，孔距不宜太小。
另一方面，为了在点火时火焰能迅速地从一个火孔传到所有火孔，孔距又不宜太小。
另一方面，为了在点火时火焰能迅速地从一个传至所有火孔，孔距又不宜太大。
一般取火孔间距为直径的2.0～3.0倍。
（4）火孔排数
火孔排数增加，二次空气供给受限，消除黄焰所需的一次空气系数也增加。
为此，火孔排数最好不超过两排。
在特殊情况下需要布置两排以上的火孔时，为了保证完全煅烧，每增加一排火孔，一次空气系数应增加5.0%～7.0%。
两排或两排以上的火孔应叉排。
（5）火孔倾角
火孔倾角越小，火焰趋向水平，火焰与二次空气充分接触，燃烧性能好，烟气中的一氧化碳含量低，热效率下降。
相反随着火孔倾角增大，烟气中一氧化碳含量增大，热效率升高。
设计时一般取30゜倾角。
（6）锅支架高度
锅支架越高，二次空气供给越充分，燃烧越完全，烟气中一氧化碳含量越低，但热效率下降。
相反，随着锅支架高度降低，二次空气供给量减少，火焰易与锅底表面接触。
烟气中一氧化碳含量升高，热效率增大。
设计时，应根据火焰内锥的高度及火孔倾角选取锅支架高度，一般取20～30mm。
（7）火孔燃烧能力及火孔总面积
火孔能稳定和完全燃烧的燃气量称为火孔的燃烧能力。
在设计燃烧器头部时，正确选择火孔的燃烧能力很重要。
燃气性质、一次空气系数及火孔尺寸均对火孔的燃烧能力有影响。
通常用火孔的热强度qp或燃气空气混合物离开火孔的速度vp来表示火孔燃烧的能力。
火也强度与火孔出口速度的关系为：
qp＝
为了防止回火和离焰，火孔出口流速必须大于回火极限速度，小
于离焰极限速度。
通常是稳定范围曲线，在选定的一次空气系数下，在离焰极限速度和回火极限速度之间选一速度作为火孔出口速度。
如果燃烧器运行时，主要危险是回火，则vp选定后就可以按下式计算火孔总面积：
Fp＝
或Fp=
（8）燃烧器头部的静压力
为了保证达到选定的火孔出口气流速度和火孔热强度，燃气—空气混合物在头部必须具有一定的静压力。
该静压力是由引射器提供的，它用来克服混合物从头部逸出时的能量损失。
混合物从头部逸出时的能量损失由流动阻力损失、气流通过火孔时被加热而产生的气流加速的能量损失以及火孔出口动压头损失三部分组成。
流动阻力损失用下式表示：
△P1＝
△P1——流动阻力损失；
Vp——火孔出口气流速；
ρ0max——混合物的密度；
ζp——火孔阻力系数。
其中，ζp＝
；
μp——火孔流量系数。
由于气流通过火孔而被加热，使气体膨胀而产生气流加速的能量损失，按下式计算：
△P2＝
△P2——由于气流通过火孔而被加热，使气体膨胀而产生气流加速的能量损失；
t——混合气体通过火孔被加热的温度，这时假定火孔进口的混合气体温度为0℃。
火孔出口动压头损失用下式表示：
△P3＝
综上，头部必须有的静压力为
H=△P1+△P2+△P3=K1
h——头部必须有的静压力；
K1——燃烧器头部的能量损失系数。
K1＝ζp+2×（
）-1
混合气体通过火孔被加热的温度决定于燃烧器的结构、工作参数及燃烧室的构造，在大多数情况下t=50～150℃。
对于民用燃烧器通常K1＝2.7～2.9。
混合物的密度按下式计算：
ρ0max＝1.293s
u——质量引射系数（u＝
）；
s——燃气的相对密度。
（9）头部截面积及头部容积
为了使气流均匀分布到每个火孔上保证各火孔的火焰高度一致，
希望头部截面积和容积大些。
但是如果头部容积过大，开始点火时头部会积存大量的空气，灭火时头部会积存大量燃气—空气混合物，从而容易产生点火和灭火时的回火噪声。
头部容积过大还会增加金属耗量，因此，又希望头部容积小些。
通常取头部截面积为火孔总面积的两倍以上。
当头部较长时，为了减少头部容积，头部截面沿气流方向可做成渐缩形，并保证任一点的截面积为该点以后的火孔总面积的两倍以上。
（10）二次空气口
设计燃烧器头部时，必须保证有足够的二次空气供应到火焰根部。
二次空气不足将出现不完全燃烧，过多会降低热效率，气流过大会吹熄或吹斜火焰。
二次空气流速不超过5m/s时，敞开燃烧的在气式燃烧器的二次空气口截面按下式计算：
F′′＝（55000～75000）Q
F′′——二次空气口的截面积（mm2）
Q——燃烧器的热负荷（kw）
（11）火焰的高度
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，便形成一氧化碳。
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。
火焰内锥的高度由可下式计算：
hic=0.86Kfpqp×103
hic——火焰内锥高度
fp——一个火孔的面积
qp——火孔热强度
K——与燃气性质及一次空气系数有关的系数
液化石油气的K值
燃气种类
一次空气系数ɑ′
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
0.08
火焰的外锥高度可由下式计算：
h∝=0.86nn1
×103
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（对天然气，n1＝1.0）；
s——表示火孔净距对外锥高度影响的系数（见下表）；
系数s
火孔净距
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
s
1.47
1.22
1.04
0.91
0.86
0.83
0.79
0.77
0.75
0.74
0.74
3.2低压引射大气式燃烧器设计计算
本设计燃烧器热负荷Q=3.2kW燃气低热值Hl=30879.16kj/m3相对密度s=0.477，理论空气需要量V0=7.78Nm3/Nm3,燃气压力500pa。
（一）头部计算
1、计算火孔总面积选取火孔直径dp=2.8mm,一次空气系数α'=0.6,相应的火孔热强度qp=8×10-3kw/mm2
Fp=
2、计算火孔数目dp=3mm时，一个火孔的面积fp=7.07mm2
n=Fp/fp=414÷7.07=58孔
3、火孔排列火孔布置成两排。
内圈孔数n1=15，外圈孔数n2=43.
内圈和外圈火孔曲线与燃烧器平面夹角为60°.火孔间距为
S=2.5dp=2.5×3=7.5mm
4、火孔深度h=2.5dp=2.5×3=7.5mm
5、确定头部尺寸头部截面Fh=Fp=414mm2
相应的头部气流分布管直径D=23mm
6、计算头部能量损失系数k1选取火孔流量系数µp=0.78，火孔阻力系数
Ξp=（1-µp2）÷µp2=1-0.782÷0.782=0.64，混合气体在火孔出口的温度t=100℃.
按式k1=Ξp+2×
-1计算得k1=2.37
（二）引射器计算
1、按式u=α'V0/s计算引射系数u=0.6×26.3÷1.67=9.4
2、选取引射器形式选取图7-23中的Ⅰ型引射器，其能量损失系数K=1.5
3、计算喷嘴直径燃气流量为
Lg＝
=
=0.104
s——燃气相对密度；
H——燃气压力。
d=
=
=1.25mm
相应的喷嘴截面积Fj=1.23mm2
4、按式Flop=
计算最佳燃烧器参数为
=0.796
5、求A值A=k（1+u）（1+us）Fj/（FpFlop）=1.5×（1+9.4）（1+9.4×1.67）×1.23÷（414×0.796）=0.97
A<1，说明燃气压力有剩余，故以非最佳工况为计算工况。
6、按式X=（1-
）/A求得x=0.77
7、按式X=F1/Fp求引射器喉部面积F1=XFlop=0.77×0.8=0.6
Ft=F1Fp=0.6×414=248.4mm2
dt=
=17.8mm
取喉部直径17.8mm
（3）火焰高度计算
1、火焰内锥高度液化石油气，α'=0.6，从表中查得k=0.15，按式
hic=0.86Kfpqp×103求得hic=0.86Kfpqp×103=6.38mm
2、火焰外锥高度由表得s=1.13，按式h∞=0.86nn1
×103
求h∞=0.86×2×1.02
×103=56.6m
心得体会
最大的感触，还是实践出真知啊！
平时接触相关实际方面的内容的机会很少。
于是无形之中觉得自己学地还不错，但是这次课设一下子清楚地了解自己的根底，知道了自己学地并不扎实，同时也明白了工科的学习并不在课本上，而是在实践中。
真理永远都是要实践出来的！
在课程设过程中犯了很多错误，不过算是也正是在犯错误中认识到了自己的不足，弥补了自己的缺陷吧。
升级会员 