《燃气燃烧与应用》课程设计

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 (1)

1.1气源 (1)

1.2设计热负荷 (1)

第二章燃气燃烧计算 (1)

2.1燃气的热值 (1)

2.2华白数 (2)

2.3理论空气量 (3)

2.4过剩空气系数 (4)

2.5实际空气量 (4)

2.6烟气量 (5)

第三章大气式燃烧器 (6)

3.1大气式燃烧器的工作原理 (6)

3.2设计计算 (7)

3.3火焰高度 (10)

心得体会 (11)

参考资料： (11)

第一章 设计原始资料

1.1气源

表1 燃气成分

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：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，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：

n n 2211r ......r r H H H H +++=

式中：H —燃气（混合气体）的高热值或低热值（KJ/Nm 3）；

H n —燃气中各燃组分的高热值或低热值（KJ/Nm 3），由《燃气燃烧与

应用》附录2查得；

r n —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 =0.75×95998+0.25×126915=103727.25 KJ/Nm 3

低热值为：H l =0.75×88390+0.25×117212=95595.5 KJ/Nm 3

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：

S

H W =

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，燃具热负荷与华白数成正比： KW Q =

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。

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：

n n 2211y ......y y M M M M +++=

式中：M —混合气体的平均分子量；

1y 、2y ……n y —各单一气体容积成分（%）；

1M 、2M ……n M —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：

M =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：

=

S a

M M 式中：a M —空气的平均分子量（g/mol ），a M =29 相对密度为： =S 64.129

6

.47= 则华白数W 的值为： 64

.15.95595=

W =74321

2.3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： ??

????-+??? ??

+++=

∑22n m 205.14n m 5.05.0211O S H H C CO H V 式中:V 0—理论空气需要量；

H 2、CO 、C m H n 、H 2S —燃气中各种可燃组分的容积成分；

O 2—燃气中氧气的容积成分。

则20Y 号液化石油气的理论空气量为：

??

????-?+???? ??

++???? ??++?+?=

005.12541047548305.005.02110V 0V =25.6m 3

/m 3

2.4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V 0之比称为过剩空气系数，即 0

V V

=

α 通常α＞1。α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α一般控制在1.3～1.8。

本设计中取值为α=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α是十分重要的，α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，α尽量使值趋近于1。

2.5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 V α=

则实际空气量为：V =1.6×25.6=40.96m 3/m 3

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CO 2、SO 2、N 2和H 2O 。前三者组分合在一起称为干烟气。包括H 2O 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α＞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

1． 实际烟气量（α＞1）

三原子气体的体积

()∑+++=+=S H H C CO CO V V V SO CO RO 2n m 2m 01.0222

=0.01×（0+0+3×75+4×25+0） =3.25 Nm 3/Nm 3干燃气

水蒸气体积

()??

?

???++++=∑a 0g n m 22d d 6.1262n 01.0\2V H C S H H V O H α

=0.01[0+0+4×75+5×25+126.6（0+40.96×0.01）] =4.77 Nm 3/Nm 3干燃气 氮气体积，按下式求得

2001.079.02N V V N +=α =0.79×40.96+0.01×0 =32.36 Nm 3/Nm 3干燃气

过剩氧气体积

()01-21.02V V O α=

式中：2O V —实际烟气中过剩氧气体积（Nm 3

/Nm 3

干燃气） 2O V =0.21（1.6-1）25.6

=3.22 Nm 3/Nm 3干燃气

实际烟气总体积

2222f O N O H RO V V V V V +++= 式中：f V —实际烟气量（Nm 3

/Nm 3

干燃气） f V =3.25+4.77+32.36+3.22

=43.6 Nm 3/Nm 3干燃气 2.对于液化石油气也可采用下式计算: ()0l f 1-5.41000

252

.0V H V α++= 带入低热值，得：

V 0=

1000

252

.0×95595.5+4.5+（1.6-1）25.6=43.95 Nm 3/Nm 3干燃气 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<'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,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α通常变化在1.3~1.8之间，本设计取α=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H l =95595.5 KJ/m 3 相对密度S=1.64，理论空气需要量V 0=25.6Nm 3/Nm 3,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

L g =

l

g

H 3600H =

5

.9559555

.43600?=0.171m 3

式中：q g —燃气流量，m 3/h; Hg —燃烧器热负荷，KW; Hl —燃气低热值，KJ/m 3. 2）计算喷嘴直径d j

44j 2700

64.175.00035.0171.0s

0035.0g d ?=

=

H

L μ=1.3mm 式中：d j —喷嘴直径，mm ；

μ—喷嘴流量系数，μ=0.7~0.8，取值0.75.

故喷嘴的面积：F j =1.33mm 2

3）计算混合管截面积与火孔总面积

S

V 0

'u α=

=9.37

()()S F u 1u 1K op ++==390

()()j m u 1u 1K F S F ++==519mm 2

故，混合管直径Dm=26mm 式中： F 1o p -最佳燃烧器参数

K-引射器能力损失系数，K=2.3 K 1-头部能力损失系数，K1=2.8

1

1op f

m

F K K F F ==

K

K F F F 1

m 1op m f F ==

=572.64mm 2

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 表4 燃气 焦炉煤气 天然气 液化石油气 火孔出口速度

2.0~

3.5

1.0~1.3

1.2~1.5

()f

g f 0036.0'1q v F V O α+=

=1.36m 2/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A ＜1时为非最佳工况，A 不可能大于1。

K

K F F K K F F 1f

1m

f m 2

A +=

=3

.28.264

.572519

8.23.2519

64.5722

+

=1 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12mm 时易出现黄焰。家用燃气火孔尺寸见下表：

表5

燃气 焦炉煤气 天然气 液化石油气 直径（mm ）

2.5~

3.0

2.9~

3.2

2.9~

3.2

本设计取火孔的直径d p =3.0mm ，故单火孔面积为：

2p 'f d 4

F π

=

=7.07mm 2

则共有 '

f f

n F F =

=81 一般孔深与火孔中心距为2~3孔径，本设计取S p =2.5d p =2.5×3.0=7.5mm ，h p =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，本设计采用两排布

置的形式，其中外排n 1=65，内排n 2=16。

① 、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 'h b =20-2×3=14mm 由于气流在该处分成了两部分，故： 头部净高 'h

f 'h

b h F =

=17mm

② 、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 d r =53mm 头部净高 h r =15mm

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 m d n F F ==2.5×519=1297.5mm 2 故，扩压管出口直径D d =37mm

式中：F d -扩压管出口截面积，mm 2

n-扩压管扩张度，n=2~3，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：

2

tan

2-L m

d d

α

D D =

=123mm

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4~6倍，吸气 入口面积为火孔总面积的1.25~2.25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。

Ds=58mm 燃气喷嘴

直径与孔深之比d/l=0.5~1.0，β=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1.0~1.5倍。喷嘴轴线应在混合管轴线上。

D/l=0.75 I B =26mm 混合管 长度为直径的1~3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，因此当燃烧器结构尺寸正确时，由燃

液化石油气的K 值 表7 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：

S

V F F K K F KA S V V S V V S V 202m j 1m j 2

020*******'f ??????

? ?

?+-

-??

?

??++--=

α=60%

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：

3p j ic 10q f 86.0h ?=K

=0.86×0.15×7.07×7.77 =7.1mm 式中：h i c —火焰内锥高度（mm ）

f p —单个火孔的面积（mm 2） q p —火孔热强度（KW/mm 2）

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：

（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：

3p

p

p 1

c 010

d q sf nn 86.0h ?=

=45mm

式中：h ∝—火焰的外锥高度；

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

n—火孔排数；

n

—表示燃气性质对外锥高度的影响系数（对液化石油

1

＝1.02）；

气，n

1

s—表示火孔净距对外锥高度影响的系数（见下表8）；

系数s 表8

火

孔

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 净

距

s 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。

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.