民用燃气用具的设计.doc

民用燃气用具的设计一、有关工艺设计的几个问题对民用燃气用具的基本要求，包括以下10个方面；(1)加热能力，用热负荷标志；(2)供气压力，用额定供气压力要求；(3)热能利用率，用热效率表示；(4)燃烧产物的卫生标准，用烟气中有害物(C0、N0x等)含量表示；(5)燃烧稳定状态与调节范围，不出现离焰、回火、黄焰，并能凋节热负荷；(6)安全性，必须有安全设施；(7)噪声，不允许超过规定；(8)表面温度，不得高于标准规定；(9)结构与材质，结构稳固，经久耐用，材料价廉，造型美观；(10)其它，各类民用燃气用具，根据其特有功能还有些特殊要求。下面讨论其中的若干问题。(一)燃具热负荷燃具热负荷，是指燃具中单位时间内燃气燃烧所释放的热量。在额定供气压力下燃具所具有的热负荷，则称为额定热负荷，它表明加热能力的大小，是燃具的重要特性指标之一。而额定供气压力是设计燃烧设备的主要参数之一。为了使燃烧设备标准化，设计燃气设备时，额定供气压力应按有关规范规定的指标选取见表381。表381燃气设备额定供气压力燃烧设备种类燃气种类人工煤气天然气液化石油气低压燃烧设备/kPa1.02.02.8或5.0中压引射燃烧设备/kPa10或3020或5030或100此外，由于燃气输配管网上的压力波动，燃烧设备前的供气压力可能大于或小于额定压力，因此要求燃烧设备能在一定的燃气压力波动范围内稳定燃烧。按规范要求，当供气压力为0.515倍额定压力时，燃烧设备的各项技术性能指标都应达到规定值。燃气炊事灶具用于各种烹饪加热。而烹饪的关键就是要注意营养、凋味和色泽等，烹饪过程的加热状况好坏影响极大，因此燃具的加热能力应综合考虑。一般家用燃气灶热负荷应大于2326kW(2000kcal/h)，否则火力太弱。大型燃气灶应根据用途选定适当的热负荷，通常按锅的大小考虑，除特殊情况外热负荷除低于1163LW(10000kcal/h)。通过编制加热设备的热平衡，依据提供的有效热满足加热工艺的要求，可以确定燃具额定热负荷。通过计算加热物质所需要的热量，和估计的燃具热效率，再根据所需要的加热时间，可计算燃具热负荷：式中Q燃具热负荷，kW；m被加热物体的质量，kg；c被加热物体的比热容，kJ(kgK)；T1、T2被加热物体的初始和终了温度，K；燃具热效率，可按同类设备选取；物料加热升温时间，h；K安全系数，考虑燃气压力可能降低、热值可能变化、热效率估计不准及其它未考虑到的因素，K为1.28140。如果被加热物体有相变化，当被加热物体(固体)发生熔融时，热负荷的计算公式为：式中固体的熔融量，kg；m固体的熔解热，kJkg。当被加热物体(液体)发生蒸发时，热负荷的计算公式为：式中液体的蒸发量，kg；r液体的蒸发潜热，kJ/kg。若一个燃具中有N个燃烧器，则每个燃烧器的热负荷为：燃具总耗气量B，可由热负荷确定：式中HL燃气的低热值。(二)燃具热效率燃具的热效率是指有效利用热占燃气总放热量的百分比，即式中q有效利用热，kJ；Qt燃气总放热量，kJ。燃具热效率显示燃烧过程和传热过程的综合效率，它是燃具利用能量有效程度的指标。常用燃具的热效率见表382。表382燃具热效率效率有关标准规定数值参考数值家用燃气灶家用快速热水器沸水器容积式热水器/5580在额定热负荷下低热值计算708075(三)燃烧器燃烧方法的选定设计燃具时尤其重要的是根据加热目的选择适当的燃烧方法，主要考虑的因素为；所需要的加热温度、所需要的燃烧室热负荷及构造、燃烧器的燃烧特性、所需要的火焰长度、燃烧器的耐久性、生产成本和维修难易程度。(四)热平衡计算燃具热平衡计算的目的，在于搞清输入燃具的热量被有效利用或损失的过程，确定有效地提高燃具热效率的途径。以加热为目的的燃具，通常都是以“热输入二热输出”来计算热量收支。按计算的结果，绘制出热流图。如图388所示，可以很直观地表明浴盆热水器的热效率为44+36=80，最主要的损失热为排气显热。图3-8-8浴盆热水器热流图(五)适用性与安全性民用燃具除要提高热效率外，还应充分重视其方便性、适用性。要求在设计时应具有使用、调节、维护管理、使用寿命和清扫等方面的适用性。关于燃具安全性，在工艺设计中更应予以重视。为确保燃具运行的安全可靠，必须对使用过程可能遇到的各种情况进行实验，并证实确为安全，其中两点尤其重要：(1)过热安全性运行时，燃具某些部位的温度要控制在规定范围内。(2)燃气泄漏安全性对燃烧器火焰中途熄火、缺氧燃烧应有保护手段。严防燃气泄漏和大量CO产生，以避免发生火灾、爆炸和人员中毒等事故。(六)造型与构造燃具造型应美观，构造力求简单，使燃具各部件能易于拆装，便于检修和清扫。(七)二次空气的供给与烟气排除如前述，民用燃具燃烧器多采用引射式大气燃烧器，大都需要供给二次空气。当设计燃具的燃烧室时，要合理布置二次空气进口，使二次空气能均匀地分布到各个燃烧器的火孔处。使用大气式燃烧器的燃具，决定二次空气口大小的简便方法是对应燃烧41868kJh(10000kcalh)的燃气，需设置6085cm2的二次空气口，相当于516731cm2kW。燃烧室内的烟气流动要合理组织。为此，要求正确选定排气口的位置。排气口位置设置不当，会影响烟气排除效果，烟气较长时间停留在燃烧室内，就会使燃烧恶化，生成CO，同时也会浪费能源。在确定排气口位置时，应考虑利用燃烧室内烟气具有的浮力和使烟气在燃烧室内对被加热体进行均匀加热两个因素。排气口位置和烟气流动情况对燃烧室内均匀加热的影响，可用燃气烤箱为例说明。图389所示为烤箱排气口位置对烟气流动、加热状况和热效率的影响。图中A为烤箱的原型设计，BC的布置方案均可提高热效率和改善加热均匀性，各方案的排气抽力大小与高度H成正比。图3-8-9烤箱排气口的布置与烟气流动情况A-上部排气口型；B-上部排气口并带挡板型；C-下部排气口型；D-带烟道的下部排气口型；E-上挡板及下烟道型(八)燃具材料选择燃具各部分所用材料时要考虑下列因素：材料的耐热性、耐蚀性、热传导性、热容量、机械强度和外观质量，以及成本高低、修补难易程度等。二、燃具设计民用燃气用具的结构一般包括：(1)空气、燃气供应部分；(2)燃烧器；(3)燃烧室及加热室：(4)烟气排出部分；(5)外形围护及附件等五个部分。所谓燃具设计，就是上述各部分的单独设计及总体设计。(一)燃烧器设计燃烧器的步骤为：(1)按工艺设计要求(式(381)至式(383)确定燃具热负荷和燃气耗量(式(3-8-5)；(2)根据加热目的等条件选择适当的燃烧方法；(3)拟定适合使用条件，并保证燃烧器正常燃烧特性的极限调整范围；(4)最后必须考虑的是结构和材质。燃具燃烧器是最易过热的部位，特别是将燃烧器置于高温燃烧室内的燃具，由于室壁的辐射很强，必须充分考虑其耐热性。此外，燃烧烟气所含水蒸气的凝结和滴落、杂物堆积和堵塞火孔等，都会引起燃烧器腐蚀或导致不安全燃烧等。(二)燃烧室及加热室燃具的燃烧室及加热室几乎成为一体，在大多数情况下难于将其区分开。其结构根据燃具性能而异，以下举例说明。1燃烧室热强度及容积燃具的燃烧室热强度是指容积热强度，即单位燃烧室容积、单位时间内燃气完全燃烧所放出的热量qv，单位为kW/m3。燃烧室热强度是根据不同容积、不同燃烧方法、不同加热温度来考虑的。表383给出了热水器燃烧至热强度指标的大概范围，供设计参考。在设计过程中，选定燃烧室热强度的实质，就是要保证燃气在燃烧室的停留时间大于燃气从着火到燃尽的时间，避免将燃烧室设计得过大或过小。通常，燃烧室过大，会浪费燃气，降低热效率；需要高沮时，难达预期温度；燃烧室四周散热过大等。相反，燃烧室过小，易引起不完全燃烧，热量供应不足：或者燃烧室壁面及加热面过热，加速腐蚀和烧坏。表383燃气热水器燃烧室效强度热水器型式燃烧室热强度/kWm-3燃烧方法燃烧室深或高度/mm燃烧室壁浴盆立式浴盆卧式1163223611631744部分预混部分预混100150150550水冷铜壁(水自然循环)大型快速式大型容积式23334911631744扩散式部分预混15035070100水冷铜壁(水强制循环)水冷铜壁或铁壁(水自然循环)当计算热水器燃烧室大小时，据表383中所列出的不同型式和燃烧方法，选定相应的燃烧室热强度，然后用下式求出燃烧室容积，即式中g燃气系数，通常取为085093。计算出燃烧室容积后，根据表383中给出的燃烧室深度或高度的数值，即可定出燃烧室的尺寸。2加热方法及特征根据被加热物种类、加热方法可分为液体加热、固体加热、固体熔融及气体加热等几类。对液体(水)加热，按加热面的形式可分为五种方法，如图38l0。其特征分别为：(1)直火锅加热法传热面积小，加热能力受限，热效率较低，为3555；(2)立式锅加热法由于锅内水作自然循环，改善了换热条件，降低了排烟温度，热效率为7085；(3)浸管加热法烟气在管中流动，于管壁上进行热交换。所以，热效率较高，6585；燃烧生成水，排除简单；(4)水管加热法燃烧室外壁不参与换热过程，热效率6070；如图若传热条件明显改善，热效率可达7580；(5)浸没燃烧法由于高温烟气直接与水换热，热效率可高达90以上。对固体加热，大致分为直接加热和间接加热两种。直接加热就是使火焰或高温烟气与被加热的固体接触，又有：局部急速加热、均匀高温加热、干燥烘烤加热等方法；间接加热就是火焰及高温烟气与被加热物料不直接接触或用间壁隔开，或通过介质间接加热。图3-8-10液体加热法用燃气加热气体，主要是用于室内采暖或干燥，也可分为直接和间接加热两类。三、换热面的设计加热室的设计主要是设计换热面。设计中既要考虑提高热效率的问题，又要顾及到燃具使用的耐久性、冷凝水排出和制造加工难易等问题，不能单纯追求高的热效率。现以热水器为例，说明换热面的设计方法。容积式热水器的贮水筒体分为开放式和封闭式两种。根据经验，对热负荷每10kW可取换热面积043069m2。而对直流式热水器，可取0340.52m2(其中，翼片面积占70左右)。燃气热水器的传热过程由三个阶段组成，即火焰和高温烟气以辐射和对流方式向金属板侧表面放热；自金属板烟侧向水侧表面传导传热；金属板水侧表面向水对流放热。其中起决定作用的是第一阶段。烟气向换热面放热，以对流方式进行换热的热量，占总换热量的80左右，故欲提高热效率，着眼点首先应放在对流换热上。计算对流传热量的公式为：Q=KFtlm(87)式中Q对流放热量，W；F换热面积，m2：K传热系数，W(m2K)；tlm对数平均温差，。从公式知，欲增加传热量，其办法是增加F、K和tlm。(1)增加换热面积F在容积式热水器中，利用火管或水管等方式增加换热面积，有时在传热面侧加焊翼片；对于直流式热水器，采用在蛇管上装设翼片的方法来增加换热面积。此外，也应看到，增加换热面积虽然提高了热效率，但也增加了金属耗量而使燃具的成本提高。(2)增大传热系数K值可用下列方法：1)组织烟气流动方向与换热面成一交角。使火炬喷出方向尽可能与换热面成直角相交，提高传热系数。2)在水管布置上，立式管的传热系数大于卧式管。3)提高烟气流速，烟气流态从层流过渡到紊流后，传热系数急剧增加，见图3811。提高烟气流速，传热系数增加，如图3812所示(水管直径25mm，烟气温度660，水管温度60)。4)采用小管径水管。图3813所示为水管直径与传热系数的关系。图3-8-11Re与传热系数的关系图3-8-12烟气流速与传热系数的关系图3-8-13水管直径与传热系数的关系(3)增大温差tlm数值，可将水管适当地移向高温区(如果过于靠近燃烧室，会造成化学不完全燃烧)；亦可用加速容器内水循环(例如采用立式水管或强制水循环)来增大tlm的数值关于排出冷凝水问题，对于高热效率的燃具，排烟温度较低，可能在受热面上出现冷凝水。由于冷凝水多数呈微酸性，因而会腐蚀传热面或燃烧器。设汁热水器时，对排除冷凝水问题应子重视，采取相应措施。第 11 页 共 11 页