燃气燃烧与应用-chap8教学课件.ppt

1、第八章 完全预混式燃烧器第一节 完全预混式燃烧器的构造特点第二节 头部计算第三节 高压引射器的计算第四节 完全预混高压引射式燃烧器的计算Foil 1第一节 完全预混式燃烧器的构造与特点 燃烧之前空气/燃气完全混合；=1；由混合装置+头部组成；按照混合方式分类加压混合；引射器混合：空气引射燃气；燃气引射空气；按照头部结构分类：无火道头部结构；有火道头部结构；用金属/陶瓷稳焰器做的头部Foil 2引射器喷头火道 燃用高中压燃气；燃用高中压燃气；风冷喷头；风冷喷头；过剩空气系数过剩空气系数=1.051.10；引射式单火道无焰燃烧器Foil 3喷头 保证稳定工作、防止回火；渐缩形，25o收缩角；内壁光

2、滑、使喷头出口速度分布均匀；在热负荷大时，采用空气冷却或水冷。风冷喷头散热翅片水冷喷头Foil 4火道 加热、着火、燃烧都在火加热、着火、燃烧都在火道内进行；道内进行；火道进口处断面扩大，火道进口处断面扩大，高温烟气回流，形成稳定高温烟气回流，形成稳定的点火源；的点火源；耐火材料制成；耐火材料制成；是稳定燃烧、防止脱火是稳定燃烧、防止脱火的重要部件的重要部件。混合物扩张区火道高温回流区Foil 5陶瓷板式红外辐射燃烧器过剩空气系数1.031.05;小火孔直径：炼焦煤气0.850.90mm；天然气1.21.5mm；LPG1.11.2mm；空气-燃气混合物在很低的流速下溢出燃烧；4050s后，板面

3、达到800900oC，向外辐射热量；辐射效率4560%；Foil 6金属丝网式红外辐射燃烧器内网0.2130.315mm的铁铬铝丝，目数3540/英寸；外网0.81.0mm的铁铬铝丝，目数810/英寸；内/外网距离812mm。内网可压防胀波纹/装托网防止内网变形；燃烧在内、外网之间进行；温度在800900oC时，开始辐射；效率45%。也可在陶瓷板外加一层金属网复合式，效率提高10%左右。Foil 7环状凹面红外线辐射器环状凹面耐火砖耐热金属分配帽供气管温度可达14001500oCFoil 8过热燃烧器高温烟气流速：750m/s温度高达1650oC容积热强度：4*105kW/m3Foil 9板式

4、全预混燃烧器火道直径20mm钢管直径6mm气流分配室引射器板面温度9001000oC 辐射热量占70%；应用于加热要求均匀但工件不与火焰接触的场合；板面热强度受限制，易回火。Foil 10金属稳焰器的全预混燃烧器耐热金属板：厚度:0.5mm；间距:1.5mm;防止回火！耐火填料Foil 11撞击式全预混燃烧器燃气入口空气冷却肋片喷头燃气入口喷头耐火材料碎块稳焰拱顶稳焰耐火砖碎块Foil 12二、完全预混式燃烧器的特点/适用范围燃烧完全；过剩空气少，直接加热时工件氧化烧损少；燃烧强度大、温度高；(2958)*103kW/m3;不需鼓风；可燃用低热值燃气；燃气热值、成分稳定；易回火、调节范围窄；负

5、荷大的燃烧器结构笨重。单个燃烧器负荷不超过2.3*103kW；噪音大；高压、大负荷尤甚。主要用于工业加热装置(烘干、退火、冶金等)上。Foil 13第二节 头部计算一、喷头防止回火增加气流出口速度 降低回火极限速度提高头部静压采用空气、水冷却头部喷头出口速度场均匀增加喷头边缘的速度梯度Foil 14喷头出口速度(Nm/s)max21flpvmmv 27327327301mixmixmixmixtTm考虑温度对质量燃烧速度的影响的系数minmax2ggLLm 负荷调节比；最大燃气流量/最小燃气流量之比；与头部冷却程度和负荷有关；不冷却头部m1=1.21.5.由设备的调节工况而定；工业炉、小型锅炉

6、，m2=24Foil 15(Nm/s)maxflv燃气的回火极限速度喷头直径(mm)5102030405060708090100110120130140150天然气0.30.71.11.51.82.12.42.62.83.03.13.33.43.53.73.7液化石油气0.40.91.42.02.32.73.13.43.63.94.04.34.44.64.85.0炼焦煤气1.22.84.46.07.28.49.610.411.212.012.413.213.614.014.815.2发生炉煤气0.350.81.31.72.12.42.83.03.23.43.63.83.94.04.34.4pv

7、应小于脱火极限速度；实际上由于有火道、稳焰器，一般不受脱火极限限制不必考虑脱火问题！Foil 16喷头直径确定pgpvVLd436.010dpcm;LgNm3/hrV0Nm3/Nm3VpNm/s在确定喷头出口速度时，需要先确定喷头直径；而喷头直径又必须由喷头速度计算获得；实际上这是一个试算过程注意！Foil 17二、火道火道是稳定和强化燃烧、防止脱火的地方；大型燃烧器多孔火道；小型燃烧器单孔火道；耐火材料耐高温、耐急冷急热；多孔火道总截面积ffcvLF3600火道内烟气流速；3040m/sFoil 18分火道宽度需考虑标准耐火砖的尺寸；隔墙厚度100125mm；分火道高度不超过隔墙厚度的7倍；

8、火道高度、数目cccibFh 分火道宽度火道长度fcvsbl2火焰传播速度完成反应的时间高炉煤气(H2=3%)高炉煤气(H2=12%)fcbvl2.0fcbvl14.0Foil 19单孔火道燃用高热值燃气；热负荷小于2.3103kW;d=(1.251.35)dpDc=(3.43.0)dplc=(2.42.7)Dcl=1025mm喷头直径较大时，长度可缩短Foil 20三、头部静压力保证喷口出口所需的速度IIIIII扩压管出口 火道出口对I-I和 II-II断面列Bernoulli方程:hcoutcoutdmixPvPvP222221220pmixhhvP折算为喷头出口动压头在喷头和火道内的阻力

9、损失注意：下标212012PPvKhpmixFoil 21对火道出口断面、扩压管出口断面、喷头出口断面列连续性方程220020221pmixmixmixdmixcoutcoutvvpvvpvPPhddmixcoutcoutcoutppmixFvFvFv0喷头出口质量流量火道出口质量流量扩压管出口质量流量200002coutpfmixcoutfmixcoutcoutFFvpv27303coutcoutfTmTcout=0.9Tthfmixm004都是物性参数，可以单独列出Foil 22所有项都整理成喷头出口动压的形式，将最后的系数提出后，可得到：mixmixdphFFmK0211imixipih

10、FF02其中的局部阻力损失系数，可通过对各局部断面与喷头出口断面的连续性方程求解，为：系数天然气液化石油气炼焦煤气水煤气发生炉煤气高炉煤气m37.67.857.98.266.55.80m41.01.040.940.840.90.89Foil 23火道式全预混燃烧器的能量损失分析1、扩压管出口到喷头之间的摩擦/局部阻力损失。混合物在此过程中没有预热，仍为标准状态 21ipiFF2、混合物在喷头内预热、加速所产生的阻力损失。圆柱形喷头：112m圆锥形渐缩喷头：2121125.0dpFFmFoil 243、火道进口的阻力损失距火道进口约(56)dp时，温度才开始急剧上升；认为在火道进口温度为0oC.

11、13m火道进口扩张角火道进口扩张角90o，0.79、燃气燃烧、火道内气流被加热、加速产生的阻力损失。2114341coutpFFmmmm5、火道的摩擦及局部阻力损失2435coutpiFFmmccidlFoil 25第三节 高压引射器计算一、负压吸气高压引射器的工作原理 吸气收缩管小，空气吸入速度大，空气动量不能忽略；吸入段产生能量损失故吸入段为负压；喷嘴前后压力变化大，必须考虑其可压缩性；混合管内的压力变化不大，不必考虑其可压缩性；吸气收缩段的形状要有利于空气的吸入Foil 26Foil 27二、高压引射器的基本方程对A-A、B-B断面列动量方程：233121PPFvmvmvmtmixagm

12、ixdmixhhhhhP13关键是求解关键是求解h/H的关系的关系enhP2dmixentmixaghhhhFvmvmvm3121动量平均速度动量平均速度v速度场不均匀系数速度场不均匀系数 1流量平均速度流量平均速度vV=1 VFoil 28首先，考虑燃气的可压缩性问题喷嘴前的燃气状态参数：喷嘴后的燃气状态参数：标准状态下的燃气状态为：1,gggLTP 2,gggLTPggLTP,000燃气流过喷嘴的过程是绝热过程，满足kkggPPLL1112 喷嘴前状态下，有：00RTmPLgg1gggRTmPL标准状态下，有：100PPTTLLggg两式相除002,TTPPg12PPLLggFoil 29

13、kkkggLL11 kkF1记体积修正因数对喷嘴后的流动，成立：jgFvL1 FjgFvL1其次，列出连续性方程和质量守恒：gjgggFvLm1uLmggmix10mixtmixFmv3ataaaFvFvm22燃气喷嘴的质量流量空气吸入口的质量流量混合物的质量流量Foil 30第三步，根据高压喷嘴的能量守恒，建立喷嘴出口速度与喷嘴前压力的关系。kkgPkkv11221112由工程热力学知识：enhHPP211121PhHPPPen11PhHen11enhHPgg0kkenghHkkv120211112Foil 31定义能量校正系数kkHkk1111HenghHv20212上式简化为第四步，考虑

14、吸入段的能量损失。enenahv2222一次空气吸入口的流量系数Foil 32将前面得到的各个表达式，全部带入到动量方程中去，可得到高压引射器的特性方程：112222xFusuKFHhFFH其中：BKKx21 ususuB11222212enenK表示的是无因次压头、引射表示的是无因次压头、引射器几何尺寸、引射器阻力特器几何尺寸、引射器阻力特性与工作参数之间的关系性与工作参数之间的关系22112nnKdmixFoil 33最佳工况h/H最大？在给定的工作参数在给定的工作参数u下，怎样的下，怎样的F可获得最大可获得最大的的h/H?0FdHhdFH令令最佳无因次面积最佳无因次面积 11xusuKF

15、opFopFHFHh2max对应地，最大的无因次压力：Foil 34一个简化情形：一个简化情形：当燃气压力低于20000Pa，忽略其可压缩性，但仍考虑吸入段的能量损失。1F1H“低压的负压吸气引射器”之特性方程为：112222xFusuKFHh其最优的无因次面积为 11xusuKFop低压引射器特性只是x=1的特例Foil 35与常压吸气的最大无因次压头相比ophhx21 1负压吸气的低压引射器之最大压头常压吸气的低压引射器之最大压头1、x取决于引射系数u/能量损失K2/K/燃气的比重s.2、在已知条件下，燃烧器的x几乎是常数。Foil 36关于流量修正系数 与能量修正系数FHkkF1kkHk

16、k1111都是喷嘴前压力H/燃气性质k的函数。空气：k=1.4;天然气：k=1.3；炼焦煤气：k=1.37;甲烷：k=1.3;液化石油气：k=1.15;Foil 37关于临界流动的问题喷嘴结构临界压力比12112PPkkkc1、当燃气压力小于临界压力时ccHH 应采用渐缩喷嘴，喷嘴的面积HsLFgj23.2FH2、当燃气压力大于临界压力时ccHH 应采用渐缩渐扩喷嘴，喷嘴的面积jccFFkkkkckkk211111121Foil 38三、引射器的形状与能量损失系数负压吸气与常压吸气的主要差别在于吸入段。对于负压吸气引射器，其设计要使空气尽可能地平稳吸入，并具有均匀的速度场。曲率半径喷嘴外表面加

17、工光滑、壁厚减薄Foil 39喷嘴出口到喉部的距离0.25dt当喷嘴外表面状况良好时，可提高到(0.50.8)dt9.085.0en77.062.02KFoil 40第三节 高中压全预混燃烧器的计算basuhhhHenghHv20212FjgFvL1头部的总压力等于燃烧室的背压静压，即：必须注意：背压在燃烧器工作状态中的作用；这一点在大气背压在燃烧器工作状态中的作用；这一点在大气式燃烧器中没有考虑。式燃烧器中没有考虑。高压喷嘴的能量守恒喷嘴的流量假设：HhHen可以得到：220222jggFHFLHmixpvKh0212头部的静压Foil 41二式相除，并利用头部静压方程，得到HhFFusuK

18、HhHbaFHsu2211211 112222xFusuKFHh由引射器特性方程：引射器应能提供头部所需的静压。以此，可有：211211xxFKKFusuF高压引射燃烧器的特性方程。Foil 42其中：HFhxHFba221 BFKKKx21121反映背压的影响反映引射器的阻力特性分析：燃烧器的引射能力不仅与燃烧器的几何结构尺寸(F/F1)有关，而且受到工况(F)、背压(x)及能量损失系数(K/K1/K2/B)的影响这一点，与大气式燃烧器的引射器不同！Foil 43背压对引射能力的影响对于低压引射式燃烧器，空气与燃气不预热时，背压对u的影响十分明显。hba=-10Pa,燃气压力100Pa 10

19、00Pa,u降低一倍。对于高压引射器，u受hba的影响稍小hba=-10Pa+10Pa,u变化2530%。hba=-20Pa+20Pa,u减少7%。hba=-1.5Pa,燃气压力100Pa 1000Pa,u降低一倍。Foil 44引射能力的变化自动调节特性当K1/K/K2随燃烧器工况改变时；当燃烧室与空气吸入口之间存在压差时背压；燃烧器在高/中压下工作时；燃气成分发生变化时；燃气/空气因预热而发生比重的变化时；所有这些因素的变化都会导致引射能力的变化在一定的负荷变化范围内，仍近似认为引射式燃烧器具有自动调节特性Foil 45高压引射式燃烧器的判别式合理的燃烧器设计，应使燃烧器的最佳工况与引射器

20、的最佳工况相一致。11xKKFop定义opFFX11FpjopFFFusuKA111111燃烧器判别式02121AXXA 11xusuKFopF 211211xxFKKFusuF忽略背压影响Foil 46燃烧器判别式12111AAX1、A11;无解；燃烧器不能保证所要求的压力；无解；燃烧器不能保证所要求的压力；2、A11;燃烧器计算工况与最佳工况一致；燃烧器计算工况与最佳工况一致；3、A11;F1F1op,h/H不是最大值；不是最大值；A1随着燃气压力H变化而变化可保持燃气压力，提高喷头出口速度、增加热强度；减小燃烧器尺寸；降低燃气压力，使调整为最佳工况；Foil 47全预混燃烧器的设计三种在

21、最佳工况、最小需要压力下计算；在最佳工况、给定压力下计算；在给出的喷头出口速度、给定压力下计算。燃烧器常数喷嘴面积计算公式HsLFgj23.2 211211xxFKKFusuF高压引射器特性方程CFKKFxHsusuLtHg2119.011忽略背压影响x=1Foil 48燃烧器常数C与燃烧器的几何特性Ft/Fp以及阻力特性K1/K/有关，与喷嘴面积无关；假设能量损失系数K1/K/为常数，当喷嘴面积改变时，燃烧器的工作参数将发生变化，但燃烧器常数不变。在实际工作中，当燃气成分、压力、喷嘴直径发生变化时，可用燃烧器常数C来计算新的工作状态点。CFKKFxHsusuLtHg2119.011Foil

22、49高压全预混燃烧器的设计计算一、头部计算(Nm/s)max21flpvmmv 确定喷头出口速度、喷头直径、火道尺寸能量损失系数二、引射器计算确定F1op/Ft及引射器各部分尺寸需要先假设K 11xKKFop之后再对K校核三、计算燃气压力H21111123.2popgHFFLsusuKH确定HFoil 50四、计算喷嘴直径HsLFgj23.2由燃气成分、压力确定Foil 51习题：某种天然气组分为：CH490%，C4H103%，O21%,N22%,C3H84%；设计一个热负荷为42000kcal/hr的完全预混燃烧器，过剩空气系数为1.04，混合气体在喷头处的温度为55oC，负荷调节比为m=3。求其喷头直径最大为多少？Foil 52