| 如本章第一节所述，燃烧装置与器具的类型很多。本节重点介绍气体燃料典型燃烧器主要尺寸和运行参数的确定与计算。 |
| 6.4.1.1 管式扩散燃烧器的计算 |
| 管式扩散燃烧器结构主要尺寸和运行参数的确定与计算，是以动量定理、连续性方程及火焰的稳定性为基础，以确定燃烧器的火孔直径、火孔数目、头部燃气分配管截面积及燃烧器前燃气所需要的压力等，其计算步骤如下： |
| 1)选择火孔直径dp，及间距S 一般取dp=1～4mm，火孔太大不容易燃烧完全，火孔太小容易堵塞：火孔间距S，一般取S=(8～13)dp，以保证顺利传火和防止火焰合并为原则。 |
| 2)火孔热强度的选择和火孔出口速度vp的计算 火孔热强度qp的选择应根据火孔直径大小和燃烧不同性质燃气种类对火焰状况的影响分析选择。在此基础上，再按式(6-91）计算火孔出口速度vp： |
| （6-91） |
| 式中 vp为火孔出口速度，Nm/s；qp为火孔热强度，kW/mm2；HL为燃气低热值，kJ/mm3。 |
| 3)计算火孔总面积Fp |
| （6-92） |
| 式中 Fp为火孔总面积，mm2；Q为燃烧器热负荷，kW。 |
| 4)计算火孔数目n |
| （6-93） |
| 5)计算燃烧器头部燃气分配管截面积Fg为使燃气在每个火孔上均匀分布，以确保每个火孔的火焰高度一致，通常头部截面积不小于火孔总面积的2倍，即 |
| （6-94） |
| 6)计算燃烧器前燃气所需要的压力H 通常燃气在头部流动的方向与火孔垂直，故燃气在头部的动压不能利用，这时头部所需要的压力h为： |
| （6-95） |
| 式中 h为燃烧器头部所需燃气压力，Pa；μp为火孔流量系数，与火孔结构有关：在管子上直接钻孔时，μp=0.65～0.70。对于直径小，而孔深浅的火孔，μp取较小值，反之亦然；ρg为燃气密度，kg/Nm3； Tg为火孔前燃气温度，K；Δh为炉膛压力，Pa。当炉膛为负压时，Δh取负值。 |
| 为保证火孔的热强度，即保证火孔出口速度vp，燃烧器前燃气压力必须等于头部所需的压力h，故H=h。若H>h，可用阀门或一节流圈减压。 |
| 【例6-7】 设计一直管式扩散燃烧器 |
| 已知：燃气热值HL=16850kJ/Nm3，燃气压力H=800Pa，燃气密度ρg=0.46kg/Nm3，火孔前燃气温度Tg=308K，燃烧器热负荷Q=23.4kW，炉膛压力Δh=O。 |
| 【解】 |
| 1)选择火孔直径dp=2mm，火孔间距S=8d0=16mm。 |
| 2)选取火孔热强度qp=0.5kW/mm2，然后按式(6-91)计算火孔出口速度： |
| 3)按式(6-92)计算火孔总面积： |
| 4)按式(6-3)计算火孔数目： |
| 5)按式(6-94)计算头部燃气分配管截面积： |
| 头部燃气分配管内径： |
| 6)按式(6-95)计算燃烧器所需压力，取μP=O.7 |
| 7)设计为一直管式扩散燃烧器，则火管长Lp为 |
| 6.4.1.2 鼓风式扩散燃烧器的计算 |
| 鼓风式扩散燃烧器结构尺寸及运行参数的确定与计算．与自然引风式扩散燃烧器不同之处是燃烧所需空气靠强制鼓风供给。故此燃烧器的燃烧强度与火焰长度均由燃气与空气的混合强度决定。所以，燃烧器的计算内容就包括空气系统和燃烧系统两部分。下面介绍鼓风式蜗壳燃烧器的设计计算步骤。 |
| (1)空气系统的计算 |
| 1)计算空气通道面积Fp和直径Dp |
| （6-96） |
| 式中 Fp为空气通道面积，m2；Q为燃烧器热负荷，kW；qp喷头热强度，kW/m2。通常取qp=(35～40)kW/m2。 |
| 2)确定蜗壳结构比ab/Dp2 蜗壳式燃烧器供给空气的形式分等速蜗壳供气和切向供气两种，如图6-62所示：目前以等速蜗壳供气应用较多。 |
| 空气的旋转程度与蜗壳结构比有关：ab/Dp2 越小，空气的旋转程度就越大，但阻力损失也将增大，通常卑ab/Dp2 =0.25～0.40。 |
| 图6-62 蜗壳式燃烧器供空气的形式 |
| （a）等速蜗壳供气；（b）切向供气 |
| 3)确定空气实际通道的宽度 由于空气的旋转，空气在通道内是呈螺旋形向前流动的。因此，在圆柱形通道中心形成了—个回流区。又由于回流区的存在，使空气并非沿整个圆柱形通道向前流动，而是沿边缘环形通道向前流动，其环形通道的宽度Δ可按下式计算：式中 Δ为环形通道宽度，cm； |
| （6-98） |
| 式中，Δ为环行通道宽度，cm；Dbf为回流区直径，cm。 |
| 4)计算空气的实际流速a空气在环形通道内呈螺旋形流动，其流动速度按下式计算： |
| （6-99） |
| 式中 va为空气螺旋运动的实际速度，m/s；α为过剩空气系数；V0为燃气燃烧理论空气需用量，Nm3/Nm3Lg为燃气耗量，Nm3/h；Tg为空气温度，K；β为空气螺旋运动的平均上升角，其值与蜗壳供气方式有关。 |
| 5)计算燃烧器前空气所需的压力Ha |
| （6-100） |
| 式中Ha为燃烧器前空气所需的压力，Pa；ζ为空气人口动压下的阻力系数，其值与供气方式和蜗壳结构比有关： |
| 对于蜗壳供气，当ab/Dp2 =0.35时，ζ=2.8～2.9 |
| 对于切向供气，当ab/Dp2 =0.35时，ζ=1.8～2.0 |
| vin为燃烧器人口的空气流速，m/s；且 |
| （6-101） |
| 式中 a、b为空气人口几何尺寸，mm； |
| (2)燃烧系统的计算 |
| 合理的燃烧器结构应使燃气射流均匀分布在空气流中，应严格防止燃气射流在空气流中相互重叠，否则会使燃气-空气混合过程恶化。 |
| 1)计算燃气分配室截面积Fg′ |
| （6-102） |
| 式中 Fg′为燃气分配室截面积，mm2；vg′为燃气分配室内燃气流速，m/s，一般vg′=15～20m/s。 |
| 2)计算旋空气流中燃气射流的穿透深度 燃气孔口一般排成两列，于是可得 |
| h2=0.36Δ (6-103) |
| h1=0.13Δ (6-104) |
| 式中 h1、h2分别为燃气孔口第一、第二排的射流穿透深度，mm；Δ为回流区环形道边宽度，mm。 |
| 3)计算每排燃气孔口的最大数目Zmax和孔口直径d2(d2为大直径孔口的直径) |
| (6-105) |
| 式中 π(Dp-2h2)为燃气射流穿透深度为h时，每排燃气射流轴心所在圆的周长，mm；S2为燃气射流穿透深度时的射流间距，通常取S2=2.5h2，mm。 |
| (6-106) |
| 式中 Ks为系数，与孔口相对间距S/d有关，可通过查Ks与S/d关系图求得：εF为压缩系数(在标准状态下)；Z2为大直径孔口的数目，个。 |
| 4)计算燃气孔口的出口速度vg |
| (6-107) |
| 5)计算燃气孔口的总面积F |
| (6-108) |
| 6)计算燃烧器前燃气所需压力Hg |
| (6-109) |
| 式中 Hg为燃烧器前燃气所需压力，Pa；H为压缩系数(考虑了然气的可压缩性面引入的校正值)； μg为燃气孔口流量系数。 |
| 【例6-8】 计算一边缘供燃气的鼓风式蜗壳扩散燃烧器的结构尺寸和运行参数。 |
| 已知：燃气耗量Lg=200Nm3/h，燃气热值HL=36000kJ/Nm3，燃气密度ρg=0.70kg/m3，理论空气需用量V0=9.4Nm3/Nm3，燃气温度Tg=293K，空气温度Ta=293K，过剩空气系数α=1.1(采用蜗壳供气)。 |
| 【解】 空气系统结构尺寸和运行参数计算： |
| 1)计算空气通道面积FP和直径Dp，取qp=35×103kW/m2，则 |
| 取Dp=250mm |
| 取蜗壳结构比ab/Dp2 =0.35，并取b=Dp=250mm |
| 则 |
| 2)计算环形通道宽度Δ及空气实际速度va |
| 当ab/Dp2 =0.35时，由表6-10查得回流区直径Dbf为 |
| 按式（6-98）计算的环形通道宽度Δ为 |
| 当ab/Dp2 =0.35时，由表6-10查得β=29度，则实际空气流速va为 |
| 3)计算空气入口速度vin |
| 4)计算燃烧器前所需空气压力Ha取阻力系数ζ=2.9，则 |
| 燃烧系统结构尺寸和运行参数计算： |
| 1)计算燃气分配室截面积Fg′取vg′=15m/s，则 |
| 2)计算旋转空气流中燃气射流的穿透深度h1、h2 |
| 3)计算大直径孔口在射流穿透深度时射流间距S2和大直径孔口数目Z2和直径d2 |
| 取Z2=10个 |
| 取εF=0.98，Ks=1.7，则大直径孔的直径d2为 |
| 4)计算燃气出口速度vg和孔口的总面积F |
| 5)计算燃烧器前燃气所需压力 Hg取εH=0.94，μg=0.7 |
| 由于大气式燃烧器的构造是由头部和引射器两部分组成，故结构尺寸和运行参数也应分别计算。 |
| (1)大气式燃烧器头部计算 |
| 大气式燃烧器头部计算应以火焰传播和燃烧稳定理论为计算基础。在选定头部形式及火孔形状的前提下，对头部火孔尺寸、间距、孔深、火孔捧数、火孔热强度、火孔总面积、二次风截面积及火焰高度应进行计算。 |
| 1)火孔尺寸可根据文献[9]中表8-1选定，火孔间距及火孔排数可根据文献[9]选定。 |
| 2)头部火孔热强度qp的计算 火孔热强度是火孔燃烧能力大小的指标：燃气性质、一次空气系数及火孔尺寸均对火孔燃烧能力产生影响，且： |
| （6-110） |
| 式中 qp为火孔热强度，kW/mm2；HL为燃气低热值，kJ/mm3；α′为一次空气系数；V0为理论空气需用量，Nm3/Nm3；vp为火孔出口气流速度，Nm/s。 |
| 3)头部静压力h的计算 为保证在选定的火孔出口速度和火孔热强度，燃气和空气混合物在头部必须具有一定的静压力，以克服混合物从头部逸出时的能量损失。而能量损失包括混合物流动阻力损失、气体加热膨胀而产生气流加速的能量损失及火孔出口动压头损失三部分，故头部静压力h为： |
| （6-111） |
| 式中 h为燃烧器头部的静压力，Pa；Δh1为流动阻力损失，Pa；Δh2为气体膨胀而产生气流加速的能量损失，Pa；Δh3为火孔出口动压头损失，Pa；K1为头部的能量损失系数，且 |
| 式中 ξp为火孔阻力系数；t为棍合气通过火孔被加热的温度，℃；ρomix为燃气-空气混合物的密度，kg/Nm3。 |
| 且 |
| 式中 S为燃气的相对密度(空气=1)；u为质量引射系数。 |
| 4)敞开燃烧的大气式燃烧器二次空气口截面积F″的计算 |
| （6-112） |
| 式中 F″为二次空气口的截面积，mm2；Q为燃烧器的热负荷，kW。 |
| 5)火焰高度的计算 大气式燃烧器燃气燃烧时的火焰有明显的内、外焰锥，故其火焰高度有内、外锥焰之分。火焰高度通常用实验仪器测定，也可根据经验公式计算： |
| （6-113） |
| 式中 hic为火焰的内锥高度，mm；fp为一个火孔的面积，mm2；qp为火孔热强度，kW/mm2；K为系数，与燃气性质和一次空气系数有关。 |
| （6-114） |
| 式中 hoc为火焰外锥高度，mm；n为火孔排数；n1为表示燃气性质对外锥焰高度影响的系数：对于丁烷，当dp=2mm时，nl=0.5；对于天然气，当dp=3mm时，n1=0.6；对于焦炉煤气，当dp=4mm时，n1=0.77～0.79。S为表示火孔净距对火焰外锥高度影响的系数。 |
| (2)大气式燃烧器引射器的计算 |
| 引射器的计算是以动量定理、连续性方程及能量守恒定律为基础，主要对混合管进行计算。 |
| 1)引射器出口的静压力h |
| h=h1+h2 （6-115） |
| 式中 h为引射器出口的静压力，Pa；h1为混合管中恢复的静压力，Pa；h2为扩压管恢复的静压力，Pa。 |
| 2)引射器混合管的摩擦阻力损失hmix的计算 |
| （6-116） |
| 式中 hmix为引射器混合管的摩擦阻力损失，Pa；βmix为引射器中混合气的密度，kg/Nm3；v3为引射器喉部混合气的速度，m/s；ζmix为引射器中混合气的摩擦阻力系数，且 |
| （6-117） |
| 式中 λ为摩擦系数；dt为混合管喉部直径，mm；lmix为混合管长度，mm。 |
| 3)对低压大气式燃烧器喷嘴燃气流量Lg、喷嘴截面积Fj及喷嘴直径d的计算由于燃烧器处于低压下工作，故不考虑气体的可压缩性，且 |
| （6-118） |
| 式中 Lg为引射器喷嘴(圆形)的燃气流量，Nm3/h；μ为喷嘴流量系数，可用实验方法求得； d为圆形喷嘴直径，mm；H为燃气压力，Pa；S为燃气相对密度(空气=1)；Q为燃烧器热负荷，kW； Hl为燃气低热值，kJ/Nm3。 |
| （6-119） |
| 式中 Fj为喷嘴截面积，cm2。 |
| （6-120） |
| 4)引射器的质量引射系数u |
| （6-121） |
| 式中 u为质量引射系数。 |
| 【例6-9】 计算大气式燃烧器头部的火孔总面积Fp、火孔数目和引射器的引射系数u、喷嘴燃气流量和喷嘴直径。 |
| 已知：燃烧器热负荷Q=2.8kW，燃气热值HL=14350kJ/Nm3，燃气密度ρg=0.72kg/Nm3，理论空气需用量V0=3.3Nm3/Nm3，燃气压力H=780Pa。 |
| 【解】 |
| 1)燃烧器头部火孔总面积Fp 选取火孔直径dP=2.8mm，一次空气系数α′=0.6，其火孔热强度为qp=11.6×10-3kW/mm2，则 |
| 2)头部火孔数目n |
| 3)引射系数u |
| 4)喷嘴的燃气流量Lg及喷嘴直径d |
| 选取喷嘴流量系数μ=0.8，S=0.56，喷嘴直径d，则 |
