燃气燃烧与装置
燃气燃烧方法——部分预混式燃烧.doc
燃气燃烧方法——部分预混式燃烧燃气燃烧时，一次空气过剩系数α′在0～1之间，预先混入了一部分燃烧所需空气，这种燃烧方法称为部分预混式燃烧或大气式燃烧。
一、部分预混层流火焰产生部分预混层流火焰的典型装置就是本生灯。
如图3—4—6，燃气从本生灯下部小口喷出，井引射入一次空气，在管内预先混合，预混后的气体自灯口喷出燃烧，产生圆锥形的火焰，周围大气亦供给部分空气，称为二次空气，通过扩散与一次空气未燃尽的燃气混合燃烧。
这样，在正常燃烧时形成两个稳定的火焰面：内火焰面，即由燃气与一次空气预混合后燃烧而产生。
为圆锥形，呈蓝绿色，强而有力，温度亦商，为部分预混火焰，也称为蓝色锥体；外火焰面，是二次空气与一次空气未燃尽的燃气进行的扩散混合燃烧，其形状也近似圆锥形，呈黄色，软弱无力，温度较低，这是扩散火焰。
蓝色的预混火焰锥体出现是有条件的。
若燃气／空气混合物的浓度大于着火浓度上限，火焰就不可能向中心传播，蓝色锥体就不会出现，而成为扩散式燃烧。
若混合物中燃气的浓度低于着火浓度下限，则该混合气根本不可能燃烧。
氢气燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围相当大，而甲烷和其它碳氢化合物的燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围则相当窄。
蓝色锥体的实际形状，如图3—5—5，可用管道中气流速度的分布和火焰传播速度的变化来解释。
层流时，沿管道截面上气体的流速按抛物线分布，喷口中心气流速度最大，至管壁处降为零。
静止的蓝色锥体焰面说明了锥面上各点的正常火焰传播速度sn(其方向指向锥体内部)与该点气流的法向分速度vn相平衡，也即对于预混火焰锥面上的每一点都存在以下关系式，通常称为米赫尔松余弦定律：sn=vn=vcosψ (5—5)式中ψ——预混气流方向与焰面上该点法线方向之间的夹角。
余弦定律表明了层流火焰传播速度与迎面来的气流速度在火焰稳定情况下的平衡关系，火焰虽有向内传播的趋势，但仍能稳定在该点。
另一方面，蓝色锥体焰面上各点，还有一个气流切向分速度，使该处的质点要向上移动。
燃气燃烧实验报告
一、实验目的1. 了解燃气燃烧的基本原理和过程。
2. 掌握燃气燃烧实验的操作方法。
3. 分析燃气燃烧的产物及其对环境的影响。
二、实验原理燃气燃烧是指燃气与空气中的氧气在适当的条件下发生化学反应，生成二氧化碳、水蒸气和热能的过程。
燃气燃烧实验可以用来研究燃烧的速率、温度、火焰结构以及燃烧产物等。
三、实验仪器与药品1. 实验仪器：燃气燃烧器、温度计、酒精灯、燃烧匙、玻璃管、集气瓶、止水夹、水槽、白瓷碟、玻璃杯、澄清石灰水、酒精、苯甲酸、萘、引燃丝等。
2. 实验药品：天然气、氧气、空气、水、澄清石灰水、苯甲酸、萘等。
四、实验步骤1. 准备实验装置，包括燃气燃烧器、温度计、酒精灯、燃烧匙等。
2. 点燃酒精灯，预热燃烧器。
3. 将天然气通入燃烧器，调节燃烧器，使其产生稳定的火焰。
4. 用温度计测量火焰温度，记录数据。
5. 将燃烧匙放入火焰中，观察火焰颜色和结构。
6. 将白瓷碟放在火焰上方，观察是否有碳黑生成。
7. 在火焰上方罩一个干燥的玻璃杯，观察烧杯壁上是否有水珠生成。
8. 在火焰上方罩一个涂有澄清石灰水的玻璃杯，观察石灰水是否变浑浊。
9. 将燃烧匙放入燃烧器中，点燃引燃丝，观察铁丝在氧气中的燃烧现象。
10. 在集气瓶中加入少量的水，用弹簧夹夹紧乳胶管，点燃燃烧匙内的红磷，立即伸入瓶中，塞紧塞子，观察实验现象及水面的变化情况。
五、实验现象1. 燃气燃烧产生蓝色火焰，火焰温度较高。
2. 火焰上方有碳黑生成，说明天然气中含有碳元素。
3. 火焰上方有水珠生成，说明天然气中含有氢元素。
4. 火焰上方有二氧化碳生成，澄清石灰水变浑浊，再次证明天然气中含有碳元素。
5. 铁丝在氧气中剧烈燃烧，火星四射，生成黑色固体，放热。
6. 红磷燃烧时，逐渐熄灭，有白色烟生成，水从导管流到集气瓶中，最后流入瓶中的水的体积约占总体积的1/5。
六、实验结论1. 燃气燃烧是剧烈的氧化反应，燃烧剧烈程度与氧化性气体的浓度、氧化与被氧化的物体接触面大小等因素有关。
1.燃气燃烧计算
•工程计算中有湿燃气与干燃气之分。 •由于天然气中含有一定水蒸气成分，所谓1m3湿燃气 湿燃气是指 燃气的总体积为1m3，其中包含水蒸气所占体积（实际的 燃气成分小于1m3）。 •1m3干燃气 干燃气则是指燃气成分的体积是1m3，而与其共存的 还有若干水蒸气，因此1m3干燃气的实际体积是大于1 m3 1m 1 的。由于以干燃气为计量基准不会受到燃气含湿量变化的 影响，因此1m3干燃气的概念被广泛应用。 •1m3干燃气暗含了另含相应含湿量的意义，如非特殊说明， 以后皆简称1m3燃气。
当有过剩空气时， 烟气中除上述组分外还含有过剩空气， 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， 烟气中还将出现 CO、 CH4、H2 等可燃组分。 根据燃烧反应方程式可以计算出燃气中各可燃组分单独 燃烧后产生的理论烟气量。
1.4.1 理论烟气量（ α = 1 时） （1）三原子气体体积
H l + I g + I a = I f + Q2 + Q3 + Q4
式中
H l —燃气的低热值（kJ/m
3
（1-13）
干燃气） ； 3 I g —燃气的物理热（kJ/m 干燃气） ； 3 （kJ/m3 I a —1m 干燃气完全燃烧时由空气带入的物理热 干燃气） ； 3 3 I f —1m 干燃气完全燃烧后所产生的烟气的焓（kJ/m 干燃气） 。
• 水蒸气的气化潜热很大 （100℃的气化潜热为2257kJ/kg；20℃的气化潜热为2454 kJ/kg）
在工业与民用燃气应用设备中，烟气中的水蒸气通常是 以气体状态排出的，因此实际工程中经常用到的是燃气 的低热值。有时为了进一步利用烟气中的热量，把烟气 冷却至其露点温度以下使水蒸气冷凝液化，只有这时才 用到燃气的高热值。 实际使用的燃气是含有多种组分的混合气体。混合气体 的热值一般根据混合法则由各单一气体的热值计算得出
燃气灶的基本构造
燃气灶的基本构造家用燃气灶的结构家用燃气灶一般由燃烧器、引射器、点火装置、供气管路四大部分组成。
具体包括：大/小火盖、锅架、进气接头、水盘、胶圈、阀体、炉头、旋钮开关、面板、喷嘴、进气管、风门、支脚、脉冲点火器、压电陶瓷点火器、电磁阀、熄火保护装置等。
燃烧器1）家用燃气灶通常采用的燃烧器方式有两种：部分预混式燃烧和完全预混式燃烧。
2）燃烧器头部燃烧器头部的作用是将燃气、空气的混合气体均匀地分配到各个火孔上，使其进行稳定的完全燃烧。
为此，要求头部各点混合气体的压力几乎相等，二次空气能均匀地供应到每个火孔上。
此外，头部容积不宜过大，否则容易产生熄火噪音。
根据大气式燃烧器的不同用途，它可以做成多火孔头部和单火孔头部两种形式。
民用燃具大多数使用多火孔头部，它的形式很多。
在设计燃烧器头部时，要充分考虑火孔的形式、大小、孔数以及排列方式等因素。
这些因素并不单纯由燃烧器决定，而是根据不同用途，受加热物的大小、形状及燃烧室的大小等因素而定。
常用的火孔有以下几种形状：①圆火孔：燃烧器头部的火孔用钻头钻孔。
这种加工形式方法简单，广泛采用。
②方火孔（炬形火孔或梯形火孔）：有纵长和横长两种排列法。
③缝隙火孔：加工火孔时，用刀具取代钻头，加工成细长的沟槽，这种火孔叫缝隙火孔。
引射器为了使燃气与一次窄气混合，需要使用引射器。
引射器包括燃气喷嘴、一次空气调节器（调风板）、收缩管、喉管和扩散管。
点火装置1）压电陶瓷点火器2）脉冲电子点火器配件台式炉框体、嵌入式底壳、嵌入式面板、汤盘、密封圈、阀体、炉头、火盖、炉架、燃气管/煤气管、旋钮、点火控制器、电池盒、微动开关、热电偶、电磁阀、点火/感焰针、炉脚、橡(硅)胶零件、表面处理、玻璃/陶瓷面板等。
（资料来源：中国联保网）。
燃气燃烧方法部分预混式燃烧
燃气燃烧方法部分预混式燃烧燃气燃烧时，一次空气过剩系数a‘在0〜1之间，预先混入了一部分燃烧所需空气，这种燃烧方法称为部分预混式燃烧或大气式燃烧。
一、部分预混层流火焰产生部分预混层流火焰的典型装置就是本生灯。
如图3—4—6，燃气从本生灯下部小口喷出，井引射入一次空气，在管内预先混合，预混后的气体自灯口喷出燃烧，产生圆锥形的火焰，周围大气亦供给部分空气，称为二次空气，通过扩散与一次空气未燃尽的燃气混合燃烧。
这样，在正常燃烧时形成两个稳定的火焰面：内火焰面，即由燃气与一次空气预混合后燃烧而产生。
为圆锥形，呈蓝绿色，强而有力，温度亦商，为部分预混火焰，也称为蓝色锥体；外火焰面，是二次空气与一次空气未燃尽的燃气进行的扩散混合燃烧，其形状也近似圆锥形，呈黄色，软弱无力，温度较低，这是扩散火焰。
蓝色的预混火焰锥体出现是有条件的。
若燃气／空气混合物的浓度大于着火浓度上限，火焰就不可能向中心传播，蓝色锥体就不会出现，而成为扩散式燃烧。
若混合物中燃气的浓度低于着火浓度下限，则该混合气根本不可能燃烧。
氢气燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围相当大，而甲烷和其它碳氢化合物的燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围则相当窄。
蓝色锥体的实际形状，如图3—5—5，可用管道中气流速度的分布和火焰传播速度的变化来解释。
层流时，沿管道截面上气体的流速按抛物线分布，喷口中心气流速度最大，至管壁处降为零。
静止的蓝色锥体焰面说明了锥面上各点的正常火焰传播速度sn（其方向指向锥体内部）与该点气流的法向分速度vn相平衡，也即对于预混火焰锥面上的每一点都存在以下关系式，通常称为米赫尔松余弦定律：sn二vn二vcos® (5 —5)式中®——预混气流方向与焰面上该点法线方向之间的夹角。
余弦定律表明了层流火焰传播速度与迎面来的气流速度在火焰稳定情况下的平衡关系，火焰虽有向内传播的趋势，但仍能稳定在该点。
另一方面，蓝色锥体焰面上各点，还有一个气流切向分速度，使该处的质点要向上移动。
燃气燃烧器工作原理
燃气燃烧器工作原理
燃气燃烧器是一种常见的热能设备，广泛应用于工业生产和生活中。
它通过将燃气与空气混合并点燃，产生高温高压的燃烧气体，从而实现能量的转化。
下面我们将详细介绍燃气燃烧器的工作原理。
首先，燃气燃烧器的工作原理基于燃烧反应。
燃气和空气在一定的比例下混合后，通过点火装置点燃，形成燃烧火焰。
这一过程主要包括燃气的供给、空气的调节和点火等步骤。
其次，燃气燃烧器的工作原理还涉及燃烧空气的调节。
燃气和空气的比例对燃烧效果有着重要的影响。
通常情况下，燃气和空气的混合比例需要在一定范围内才能实现有效的燃烧。
因此，燃气燃烧器通常配备有空气调节装置，用于控制空气的流量，以确保燃烧效果的稳定和高效。
另外，燃气燃烧器的工作原理还包括点火系统。
点火系统通常采用电火花点火装置，通过高压电流产生电火花，点燃燃气和空气混合气体，从而引发燃烧反应。
点火系统的稳定性和可靠性对燃气燃烧器的工作效果有着重要的影响。
此外，燃气燃烧器的工作原理还涉及燃烧过程中的热能转化。
燃烧产生的高温高压气体可以被用于加热空气、水或其他介质，从而实现能量的转化和利用。
燃气燃烧器在工业生产中具有广泛的应用，如锅炉、热风炉、热处理炉等，都是依靠燃气燃烧器来实现能量转化的。
总的来说，燃气燃烧器的工作原理是基于燃烧反应和热能转化的。
它通过控制燃气和空气的混合比例、点火系统的稳定性和热能转化效率，实现能量的转化和利用。
燃气燃烧器在工业生产和生活中发挥着重要的作用，对于节能减排和提高生产效率都具有重要意义。
燃气燃烧与燃烧装置第三章气流混合
二、与自由射流的差异
1、除轴向分速和径向分速外，还具有切向 分速；
2、强旋转射流内部有一个反向的回流区； 3、旋转射流的射程端。
三、旋转射流的无因次特性参数 ——旋流数s
角动量的轴向通量
s
轴向动量
角动量的轴向通量G
R0 (ur) 2dr 常数
0
轴向动量Gx
5、薄壁孔多股射流以任意角度在受限气流中的 相对射流穿透深度：
h Ks sin 2 1 d 1 2
第三节 旋转气流
一、产生旋转气流的方法
1、气体切向进入 主通道；
2、叶片导流使气 流旋转；
3、气体进入进入蜗 壳配风器；
4、采用旋转的机械装置，例如转动 叶片等。
第三章 燃气燃烧的气流混合
第一节 自由射流 第二节 相交气流 第三节 旋转气流
第一节 自由射流
自由射流：当气流由管嘴或孔口 喷射到充满静止气体的无限空间 时形成的气流。
一、层流自由射流的浓度结构
1—射流边界Cg=0 2—核心边界Cg=100% 3 —着火浓度上限Cg=Ch 4 —化学计量浓度线 5 —着火浓度下限Cg=Cl
R0 2dr 常数
0
则
s G
R0 (ur) 2dr 0
Gx R0
R0 2dr
0
R0 0
p2dr
R0
二、紊流自由射流
紊流自由射流对周围介质的卷吸率：
1
men m0
032
a g
2
l d
1
例题：
试求甲烷在空气中喷燃的火焰长度， 喷孔直径为30mm。
燃气发动机工作原理
燃气发动机工作原理
燃气发动机是一种利用燃气燃烧产生动力的装置，其工作原理包括燃气的压缩、点火燃烧和能量转化三个主要过程。
首先，在燃气发动机中，空气通过进气道被压缩机压缩后送入燃烧室，同时燃料也被喷入燃烧室中。
燃气发动机通常采用压气机或离心式压缩机对气体进行压缩。
通过压缩，气体的体积减小，压力和温度增加，从而增加了与燃料混合后燃烧的效果。
其次，在燃烧室中，燃料与压缩的空气混合后点燃，产生高温高压的气体，推动活塞或涡轮运动。
燃料的点燃一般采用火花塞或者压燃式点火系统。
燃料燃烧产生的高温高压气体通过排气口排出，推动活塞或涡轮转动，从而产生动力输出。
最后，在燃气发动机中，高温高压气体通过排气系统排出。
在内燃机中，活塞通过往复运动带动连杆转动，将机械能输出。
在涡轮发动机中，高温高压气体通过涡轮叶片的工作使涡轮转动，带动输出轴旋转，从而产生动力。
燃气发动机工作原理的关键在于将燃料和空气充分混合并点火燃烧，通过燃烧产生的高温高压气体推动活塞或涡轮，从而产生动力输出。
因此，燃气发动机通常具有高功率、高效率、低排放的特点，广泛应用于汽车、船舶、飞机等各个领域。
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ห้องสมุดไป่ตู้解：
燃气消耗量为：33kW 1000 3600 3.1m3 / h
38MJ/m3 1000000
火孔总面积Fp
33kW 0.3kW / mm2
110mm2
每个火孔的面积为f p
4
d2
4
1.82
2.5mm2
▪ 理论烟气量（ 1时）
V f 0 VRO2 VH2O0 VN2 0
V f 0 —理论烟气量（m3/m3）。
VRO2 —三原子气体体积（m3/m3）；
V0 H 2O
— 理论烟气中水蒸气的体积（m3/m3）；
V0 N2
— 理论烟气中氮气的体积（m3/m3）
▪ 某天然气成分CH4=95%，C2H4=5%，计算其完全 燃烧时的理论空气需要量和理论烟气生成量。
(3)可燃混合物初始温度
随可燃混合物初始温度的升高，燃烧温度增加，带来化学反应速率 增加，从而使Sn显著增大。
(4)可燃混合物的压力
碳氢化合物-空气混合物的Sn随压力的增大而减小。
(5)添加剂
在可燃气体混合物中加入添加气可以增大或减小火焰传播速度。
▪ 影响火焰传播浓度极限(爆炸极限)的因素主要有以下 几个方面：
(1)燃气在纯氧中着火燃烧时，火焰传播浓度极限范围扩大。
(2)提高燃气-空气混合物温度，火焰传播浓度极限范围扩大。
(3)提高燃气-空气混合物压力，火焰传播浓度极限范围扩大。
(4)燃气中加入惰性气体时，火焰传播浓度极限范围缩小。
(5)含尘量、含水蒸气量以及容器形状和壁面材料等因素，有时 也会影响火焰传播浓度极限。例如，在氢气-空气混合物中引 入金属微粒，能使火焰传播浓度极限范围扩大，并能降低其 着火温度。
当放电电极间隙内的可燃混合物的浓度、温度 和压力一定时，若要形成初始火焰中心，放电能量 必须达到一最小值。这个必要的最小放电能量称为 最小点火能Emin。
当电极间距小到无论多大的火花能量都不能使 可燃混合物点燃时，这个最小距离就称之为熄火距 离dq。最小点火能Emin及熄火距离dq的最小值一般 都在靠近化学计量混合比之处
▪ 点火能与电极间距的关系曲线
▪ 熄火距离随天然气-空气混合物组成的变化
▪ 城市燃气与天然气最小点火能的比较
▪ 燃气燃烧的火焰传播
▪ 燃烧的基本条件：燃气与空气（氧气）按一定比例 混合，引火源或点火能，燃烧空间，反应时间。
▪ 火焰的传播方式 正常的火焰传播
爆
炸
爆
燃
▪ 影响火焰传播速度Sn的因素
▪ 燃烧所需空气量
▪ 理论空气需要量
理论空气需要量是指按燃烧反应计量方程式，1m3（或kg）燃气完全燃烧 所需的空气量，是燃气完全燃烧所需的最小空气量。
▪
实际空气需要量
实际供给的空气量与理论空气需要量之比称为过剩空气系数，即
V
V0
在工业设备中，一般控制在1.05～1.20；在民用燃具中一般控制在1.3～1.8。
▪ 燃烧过程的强化 预热燃气和空气 加强气流紊动
▪ 燃气燃烧方法与燃烧器
▪ 扩散式燃烧
扩散式燃烧容易产生煤烟，燃烧温度也相当低
▪ 扩散式燃烧器
自然引风式：依靠自然抽力，扩散供给空气，多 用于民用，常简称为扩散式燃烧器。
强制鼓风式：依靠鼓风机供给空气，多用于工业， 常简称为鼓风式燃烧器。
涡卷式扩散燃烧器
▪ 例：做一直管式燃气燃烧器设计，当燃气低 热值为Hl=38MJ/m3，燃烧器热负荷为 Q=33kW，取火孔热强度qp=0.3kW/mm2，火 孔直径dp=1.8mm，试计算：燃烧器每小时的 燃气消耗量是多少m3/h？火孔个数是多少？ 燃气火孔出口速度是多少m/s？
▪ 例：做一直管式燃气燃烧器设计，当燃气低热值为Hl=38MJ/m3，燃烧器 热负荷为Q=33kW，取火孔热强度qp=0.3kW/mm2，火孔直径dp=1.8mm， 试计算：燃烧器每小时的燃气消耗量是多少m3/h？火孔个数是多少？燃 气火孔出口速度是多少m/s？
在燃烧过程中，正确选择和控制值的大小是十分重要的，过小或过大 都会导致不良后果：过小会导致不完全燃烧，造成能源的浪费和对环 境的污染；过大则使烟气体积增大，炉膛温度与烟气温度降低，导致 换热设备换热效率的降低与排烟热损失的增大，造成能源的浪费。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。
(1)可燃混合物的性质
包括可燃混合物的导热系数及分子结构等。通常可燃混合物的导热 系数越大，其Sn也越大。从分子结构上看，越是不饱和的碳氢化合物， Sn越大。其一般规律是：(Snmax)炔烃＞(Snmax)烯烃＞(Snmax)烷烃。
(2)燃气浓度
所有可燃混合物的Sn随燃气浓度的变化均呈倒U形，最大值出现在 燃气含量比化学计量比略高处。
▪ 自然引风扩散式燃烧器的特点及应用范围
优点：结构简单，制造方便，具有燃烧稳定，不会回火且点火容 易，调节方便等优点。另外，还可利用低压燃气，并且不需要 鼓风，无动力消耗。
缺点：燃烧热强度低，火焰长，需要较大的燃烧室。容易产生不 完全燃烧，甚至冒黑烟。为使燃烧完全，必须供给较多的过剩 空气。由于过剩空气系数较大，燃烧温度低，排烟热损失大。
解： CH4 2O2 CO2 2H2O
C2H4 3O2 2CO2 2H2O
理论氧气量=295%+35%=2.05m3 /m3 理论空气需要量V0 =2.05/0.21=9.76m3 /m3
理论烟气量Vf0 (1 2)95% (2 2)5%V0 79% 10.76m3 / m3
▪ 燃气的着火与点火
dFp
自然引风扩散式燃烧器的设计计算
▪
火孔总面积
Fp
Q qp
式中 Fp—火孔总面积（mm2）；Q—燃烧器热负荷（kW）;
q p —火孔热强度（kW/mm2）
▪ 火孔数目
n Fp
4
d
2 p
式中 d p —火孔直径mm
▪ 火孔出口速度
vp
qp Hl
106
式中 v p—火孔出口速度（m/s ）；Hl —燃气低热值（kJ/m3）
应用范围：自然引风扩散式燃烧器主要适用于温度要求不高，但 要求温度均匀、火焰稳定的场合，如用于沸水器、热水器、纺 织业和食品业中的加热及在小型采暖锅炉中用作点火器。有些 工业窑炉要求火焰具有一定亮度或某种保护性气氛时，也可采 用自然引风扩散式燃烧器。由于它结构简单、操作方便，也常 用于临时性加热设备。