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优化燃气采暖热水炉供风与排烟系统的探讨
admin      2013-12-26 13:54     来源:中国壁挂炉网     浏览量:490

    摘 要:对燃气采暖热水炉供风与排烟系统中的空气箱、排烟罩的结构,尺寸、及风机安装位置的改变进行分析,通过数据对比,找出燃气采暖热水炉供风与排烟系统的最优化设计。

关键字:燃气采暖热水炉;供风;排烟;空气箱;排烟罩;阻力;风机;烟气

0 引言

燃气采暖热水炉如何正确地组织供风与排烟,用尽可能少的风量来满足燃气在燃烧室内完全燃烧,使烟气中的不完全燃烧产物CO体积分数降到很低水平,用尽可能小功率的风机就能把烟气排出燃气采暖热水炉腔体,来达到节能降耗的目的,是一直以来行业内每个技术人员迫切解决的问题。如何正确设计供风与排烟系统结构来达到节能降耗的目的,本文就此进行了分析和探讨。

1 供风与排烟对燃烧的影响

由燃烧反应必须具备的条件可知,燃气燃烧需要供给适量的氧气。在理论空气需要量下所产生的理论燃烧温度最高,所产生的理论烟气量也最少。所谓理论空气需要量,是指每立方(或千克)燃气按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需的空气量,即是燃气完全燃烧所需的最小空气量。所谓理论燃烧温度,是指在绝热条件下以理论空气量完全燃烧时燃烧产物所能达到的温度。按天然气燃烧反应计量方程,供风量对烟气温度影响如图1所示:

 

由于燃气与空气存在混合不均匀性,如果实际燃烧装置中只供给理论空气量,则难以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V1应大于理论空气需要量V0,两者的比值称作过剩空气系数a

在常规的燃气采暖热水炉上,a一般选取在1.4~2.0之间,正确地组织供风是为了用尽可能少的风量来满足燃气在燃烧室内完全燃烧。使烟气中的不完全燃烧产物料CO体积分数降到很低水平,同时又能保证热效率,达到节能减耗目的。以天燃气燃烧为例,过剩空气系数a与燃烧产物料CO体积分数关系如图2所示:

 

综合图1与图2可知,供风量过小、供风量过大、风量分配不均,都对燃烧不利,具体如下:

A 供风量过小

燃烧区的过剩空气系数太少时,由于燃烧不完全,不完全燃烧热损失增大,使理论燃烧温度降低,同时CO体积分数增大。

B 供风量过大

燃烧区的过剩空气系数太大,则增加了燃烧产物的数量,使燃烧温度降低,燃烧恶化,造成机械不完全燃烧损失和化学不燃烧损失增大。

C 风量分配不均

若空气分配不均,燃烧室内部分燃烧不充分,部分空气量过剩。导致不但CO升高,燃烧温度也下降,换热效率降低。

2 影响供风量过大的因素

风机选型不对,小功率的燃气采暖热水炉选用大功率风机,往往会造成供风量过大,风机选型应在满足风量和在规定的逆风背压下正常燃烧的要求下,尽可能选用小功率风机。

3 影响供风量过小或风量分配不均的因素

A 供风与排烟阻力过大

空气在外部环境流进燃气采暖热水炉的空气箱,燃烧器,和燃气混合后进行燃烧,经过主换热器换热,再在风机的抽力作用下从排烟罩排出外面,空气和烟气在流过这些部件或装置时,流动受到扰乱,产生能量损失,这些在通道局部范围内产生的流动损失统称为局部阻力。即局部阻力是由流体边界形状的突然变化、流动状态也随之发生急剧变化引起的。烟气所受到的这些局部阻力有四种类型:碰撞损失、转向损失、涡流损失和变速损失。

(一)碰撞损失

如图3表示流道截面突然缩小的流道。假如烟气由排烟罩的1-1截面向前流动,显然有一部分烟气要在截面2-2处与管壁发生碰撞而改变方向。由物理学可知,这部分烟气与固体壁面必然产生力的作用。由于实际流体不可能是理想弹性体,碰撞的结果必定会产生能量损失,即为碰撞损失。

(二)转向损失

在图3的2-2截面上烟气与壁面碰撞后,转向流道中心方向,即产生垂直于流道方向的分速度。由于惯性作用,这些烟气进入小通道后不会立即失去此速度分量,在3-3截面上会发生“颈缩”现象,直到4-4截面上流速才平行于流道方向。在这个过程中,一部分烟气的流动方向不断改变,其垂直于流道方向的速度分量在2-2截面上产生、在4-4截面上消失。这是近壁面部分的烟气与中心主流进行动量交换的结果。这种交换显然会损失掉一部分能量,此即烟气的转向损失。

(三)变速损失

图3中烟气从1-1到3-3截面的流动是加速降压过程,部分压力能转变为动能;从3-3到4-4截面的流动是减速扩压过程,部分动能转变为压力能。这种能量转变显然不会有100%的效率,特别是减速扩压段,即由3-3到4-4截面,能量损失较为显著,严重时会引起主流脱离壁面,甚至产生回流。这种由速度变化引起的损失称为变速损失。

(四)涡流损失

在空气从外部环境进入空气箱时经过截面突然扩大、排烟罩外形弯曲拐角、气流绕过物体流动时都会产生局部阻力。

1.通道截面突然扩大,如图4所示,在1-1截面后的主流外形成了涡流区,造成涡流损失;同时气流从小截面流入大截面,在减速扩压过程中速度重新分布,主流中的内摩擦力随速度梯度增大而增加,能量损失表现为变速损失。两部分损失叠加起来构成了通道截面突然扩大时的局部阻力

2.通道弯曲:气体流过排烟罩外形弯曲拐角时,由于惯性力的作用,在内外侧的增压减速区往往产生流线分离形成旋涡,造成涡流损失;同时,由于弯道外侧压力高于内侧压力,使得高压部位流体沿通道壁向低压部位挤压,在截面方向产生回流,附加在向前流动的主流上,使整个流动呈螺旋形状,从而造成较大的局部阻力。

3.在烟气流经排烟罩,形状发生突变处,往往会造成气体主流脱离边界壁面并形成旋涡,如图3中2-2、3-3截面处。这种旋涡的来回旋转消耗能量很大,原因是:一方面,旋涡内部的摩擦、旋涡与壁面的摩擦生成热量,消耗机械能;另一方面,旋涡得以维持运动,是通过与主流的动量交换得到能量供应,这种交换也损失机械能。

B 风机安装位置不当

风机作为外加的排烟动力,其安装位置影响整个供风与排烟系统。当发现供风与排烟系统和燃气采暖热水炉不匹配,如果只是盲目的加大或减小风机功率来实现供风与排烟要求,只会增加燃烧的恶化。适当时候应该考虑风机安装位置是否合理。如图5,图6所示:

以上图5,图6风机装在右侧,左侧的烟气发生向右转向,在经过主换热器翅片的碰撞后,动能损失,流速下降,而右边烟气流速方向没有改变,动能没有发生延程损失,流速不变。这样整个供风与排烟系统V右〉V左。右边容易出现燃烧不充分,CO超标,而右边容易出现离焰,O2含量过高。

4 影响局部阻力因素

由于产生局部阻力的原因很复杂,加之局部阻力区域的流道形状不规则,所以大多数情况下只能通过实验来确定局部阻力的大小。只有极少数情况可以通过计算确定。现以空气进入空气箱通道截面突然扩大的情形为例,说明影响局部阻力的因素。

图4所示的流道截面突然扩大的流动情况。在小流道中流线是平直的,经过扩大段后到截面2-2处又恢复到平直状态。1-1至2-2截面距离很短,沿程摩擦阻力可忽略。取1-1、2-2截面为控制面,应用伯努利方程得

 (a)

这里1-1和2-2截面上的动能修正系数均取为1,式中就是局部阻力。由上式得

取1-1、2-2截面间的流体为控制体,连续方程和动量方程分别为ρw1A1 =ρw2A2    (b)

式中是1-1截面壁面处的压力,实验证明P0≈P1。动量方程变为

 (c)

由(a)(b)(c)三式得

,或称为局部阻力系数,则上式可写成

从该式可以看出,△p仅与A1/A2即流道形状有关,而与雷诺数Re无关。这一结论仅在当流动进入阻力平方区以后才成立。在产生局部阻力的区域内,流动受到的扰动较大,容易进入阻力平方区。因此,通常可认为ζ值取决于流道形状而与雷诺数Re无关。

5 减小局部阻力的措施

局部阻力的大小反映了能量损失的程度,因此在进行空气箱和排烟罩的设计时应充分考虑如何减小局部阻力。下面介绍几种常见的情况。

1.流道入口形状

图7表示流体由大流道流入小流道中,最大阻力系数ζ=0.5。如果把入口处截面突变处加以圆滑,如图8所示,则阻力系数可随圆滑程度的增加而降低。边缘为圆形且入口匀滑时,ζ=0.1~0.2;入口极均匀圆滑成流线型时,ζ可小至忽略不计。

2.截面变化

在流道截面变化大的地方,产生涡流,引起边界层脱离,局部阻力较大。为了减少这部分阻力,工程上常用截面逐渐变大或变小的方法。如图9表示渐扩管,其扩张中心角为a 。实验表明,a越小,流动阻力就越小,但在扩大面积比一定时,a太小,扩压管的长度变得很长。因此对于具体问题,需要全面考虑,a角一般小于20°。若中心角a再增大,扩大段中的增压减速现象严重,容易产生边界层脱离,加大局部阻力。

对扩大面积比大、渐扩段又不能太长的情形,可采用几个不同扩张中心角的同心渐扩管来解决,如图10所示。

3.弯头

管道弯曲时的局部阻力与中心角、管子直径及弯曲半径都有关。对小直径管道,应尽可能增加弯曲半径,加大中心角 β,如图11中所示;对大直径管道,由于弯管内外两侧容易产生涡流,截面上又易产生二次流,因此在增大弯曲半径的同时,可在图12所示的弯道内安装导流板,以减小局部阻力。实验结果表明,无导流板的直角弯头局部阻力系数ζ=1.1装了薄钢板弯成的导流板,ζ=0.4 ;当导流板呈流线月牙形时,ζ=0.25。可见装上形状合理的导流板,阻力系数显著降低。

 

6 优化风机抽力措施

1、平衡风机各方向的阻力,在阻力小的位置增加挡风板,在阻力大的位置增加导流板。如图13所示:

2、风机配合集烟罩的结构设计,尽可能安装在集烟罩居中位置。

7 阻力系数参照表(见下表)

8 结论

1、空气箱和排烟罩拐弯处内壁不能做成直角,或在拐弯处增加导流片以及其相邻弯头距离应满足一定要求,可解决风量过少。

2、风机安装位置要平衡对烟气的抽力或增加导流板或挡风板来平衡抽力,可解决供风与排烟系统中的风量分配不均。

参考文献

[1]黄卫星,陈文梅,《流体力学北京》化学工业出版社;

[2]夏昭知,伍国福,《燃气热水器》重庆大学出版社;

[3]郭全,《燃气壁挂炉及其应用技术》中国建筑出版社;

[4]同济大学,重庆大学,《燃气燃烧与应用》中国建筑工业出版社;

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