湘潭大学本科毕业论文
作管理方便，容易实现自动化。气体燃料包括氢气、一氧化碳、碳氢化合物等成分。按燃气获得方式可以分为天然气和人工燃气。虽然煤气燃烧完全，产物中污染物也少，但是由于燃气不像燃油、煤或固体生物质燃料那样便于运输和储存，必须经过管道输送。另外，液化石油气可以用罐装，运输方便的特点。目前，煤气加热热风炉只是在能够比较容易得到燃料的地方应用。 2.1.4 电加热式热风装置
在食品、医药、木材、印染等加热干燥过程中，应用电热可以保证加热的均匀性，操作简便，对产品的控制非常方便。电热现在已经得到了较大的发展，因为电加热清洁卫生，无烟尘、油污和环境污染。热效率高，加热速度快，易于实现自动化控制，并且温度控制精度高，加热效果好。 2.1.5 方式的选择
实验室中所用的热风炉具有功率小，炉膛体积小的特点，在使用过程中要求点火方便，燃烧稳定，控制方便。表2-1表示的是各燃料性能优劣的对比。
表2-1 各燃料的性能 方式 性能 着火难易程度 效率 环保角度 价格因素 控制难易程度 煤 难 低 差 低 难 油 较易 高 较好 较高 较易 天然气 易 高 好 一般 易 电 低 好 高 易
从以上几种方式的特点可以看出，燃煤式热风炉着火和燃烧比较困难，燃油式热风炉重油容易不完全燃烧，电加热式热风炉使用的是二次能源，电能经过了热电转化，其转换效率为30%。而天然气是一种清洁的气体，所含的灰分极少，几乎不会产生有害物质，其燃烧属于均相反应，着火和燃烧要比固体燃料容易得多。并且燃烧时能产生很大的热量。从燃烧得稳定性来看，扩散燃烧具有最好的性能，随着预混程度的增加，稳定燃烧得范围缩小，特别是燃用高热值的天然气时，为了提高燃烧的稳定性，大多采用预混程度较低的扩散燃烧方式。本次设计所采用的是非预混燃烧。由于天然气的诸多优点，它很适合实验型的小型热风炉。本设计所采取是燃气式直接加热热风炉。
2.2热风炉的热力计算
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2.2.1 完全燃烧的条件
对于热风炉的设计，需要组织良好的燃烧过程，其标志是尽可能接近完全燃烧。对于完全燃烧我们要满足下列条件：
（1） 供应充足而又适量的空气 （2） 适当高的炉内温度
（3） 空气和天然气的良好扰动和混合 （4） 足够的停留时间
供应充足而又适量的空气是燃料完全燃烧的必要情况，一般情况，为了使燃烧完全，我们取比理论值多一些的空气。炉温高，着火快，燃烧速度快，燃烧也易趋于完全。但过分的提高炉温是不可取的，过高的炉温一方面能加快燃烧，另一方面也会使所获得的物质分解。同时，过高的炉温会导致耐火隔热层的损害，降低了热风炉的使用寿命。实验证明炉温在1000?C-2000?C[6]
内比较适宜。天然气的燃烧属于扩散式燃烧，燃烧所
需要的时间完全取决于混合时间，空气和天然气良好扰动和混合，增加了空气和天然气接触的机会，有利于燃烧完全。天然气燃尽需要一定的时间，其停留的时间主要取决于炉膛容积、炉膛截面积、炉膛高度及烟气在炉内的流动速度，因此，我们要根据相关资料取合适的值。
2.2.2 热风炉参数及其计算
所设计的热风炉的功率为30kW，烟气的出口温度为150?C—250?C。
天然气是一种优质气体燃料，它的主要成分为甲烷，其次为乙烷等饱和碳氢化合物。这些碳氢化合物在天然气中的含量在90%以上。因此，天然气的发热量很高，一般为33440—41800kJ/m3或更高。为了使计算简便，我们设定天然气中甲烷的含量为100%，其低位发热量Qd?36000kJ/m3。设计时，取排烟温度为200?C，环境基准温度为15?C。 （1） 甲烷耗气量B1
所设计的热风炉的功率为30kW，热风炉的甲烷耗气量B1可由式2-1求得：
B1?QQd? （2-1）
式中：Q为热风炉的功率，30kW；
?为天然气的燃烧效率，本设计中取为0.98；
根据热风炉的功率及天然气的低位发热量，可求得热风炉的耗气量为
B1?3.06m/h。
3（2） 理论空气量L0
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为了正确地设计炉子的燃烧装置和鼓风系统，必须知道为保证一定热负荷所应供给的空气量。1m3天然气完全燃烧的理论空气需要量L0为： L0?10.212[1CO?12H2?m432?(n?)CnHm?H2S?O2]?10?2 （2-2）
式中：CO ，H2 ，CnHm ，H2S， O2为各物质的体积百分数，m3/m3。 因各气体的分子体积均相等，即1m3CH4燃烧需要2m3的氧气。故1m3CH4燃烧的理论空气需要量为L0?9.52m3/m3。上述空气需要量是按照化学反应式的配平系数计算的,而不估计任何其他因素的影响。 （3） 实际空气量Ln
上述空气需要量为理论值，实际上，不论在设计或操作中，炉内实际消耗的空气量与上述计算值有区别。例如，在实际条件下保证炉内燃料完全燃烧，便常常供给炉内比理论值多一些的空气；而有时为了得到炉内的还原性气氛，便供给少一些空气。因此要确定实际空气消耗量。而为了保护燃烧室和烧嘴喷头，热风炉采用较大的空气系数（一般取）进行燃烧，目的是为了降低火焰温度。则此热风炉的实际空气量为Ln：
Ln?nL0 （2-3）
式中：L0为理论空气量，m3/m3；
n称为“空气消耗系数”，当n?1时，被称为“空气过剩系数”。 为了保护燃烧室和烧嘴喷头，所设计的热风炉需采用较大的空气系数（一般取
n?1.5[7]
）进行燃烧，这样就能够降低火焰温度，从而达到保护炉膛和烧嘴的作用，延
长了热风炉的使用寿命。此时，得Ln?14.28m3/m3。
则燃烧空气量B2为：
B2?B1Ln?43.7m3/h （2-4）
式中：B1为甲烷的耗气量，m3/h； Ln为实际空气量，m3/m3 （4） 理论生成烟气量V0
燃烧产物的生成量及成分是根据燃烧反应的物质平衡进行计算的。当空气消耗系数
n?1时称“理论燃烧产物生成量”。
V0?[CO?H2?m2?(n?)CnHm?2H2S?CO2?N2?H2O]
?1100?0.79L0 （2-5）
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式中：CO ，H2 ，CnHm ，H2S，CO2，N2，H2O表示为各组成所占的体积百分数，m3/m3。上述烟气量是按照化学反应式的配平系数计算的,而不估计任何其他因素的影响，
得出V0?10.52m3/m3。燃料完全燃烧的理论燃烧产物生成量V0只与燃料成分有关。燃料中的可燃成分含量越高，发热量越高。V0就越大。 （5） 实际生成烟气量Vn Vn?[CO?H2??(n? ?(n?21100m1)CnHm?2H2S?CO2?N2?H2O]?2100
)L0?0.00124gLn
（2-6）
式中：CO ，H2 ，CnHm ，H2S，CO2，N2，H2O表示为各组成所占的体积百分数，m3/m3。
实际生成烟气量也是按照化学反应式的配平系数计算的,而不估计任何其他因素的影响，并且其值与空气过剩系数n值有关，n值越大， Vn就越大，得出Vn?15.28m3/m3。 （6） 理论燃烧温度t理
工业炉多在高温下工作，炉内温度的高低是保证炉子工作的重要条件，而决定炉内温度的最基本因素是燃料燃烧时燃烧产物达到的温度，即所谓燃烧温度。根据热量平衡原理，当热量收入与支出相等时，燃烧产物达到一个相对稳定的燃烧温度。但影响实际燃烧温度的因素很多，不能简单计算出来，所以我们用理论燃烧温度来表示燃料燃烧过程的一个重要指标。它表示某种成分的燃料在绝热条件下所能达到的最高温度。理论燃烧温度t理由下式获得：
t理=Qd?Q空?Q燃?Q分VnC产 （2-7）
式中：Q空为空气带入的物理热，因为空气是在常温状态下进入炉膛，所以Q空=0kJ； Q燃为燃料带入的物理热，因为燃气也是在常温状态下进入炉膛，所以Q燃=0kJ； Q分为燃烧产物中某些气体在高温下热分解反应消耗的热量，分解所消耗的热量很小，所以Q分?0kJ；
C产——燃烧产物的平均比热。当天然气燃烧后，燃烧温度在1200—1500?C间，则燃烧产物的平均比热C产?1.59，如果燃烧温度在1500—1800?C间，则燃烧产物的平
[8]
均比热为C产?1.63。
先估计燃烧温度在1200—1500?C之间，则得出t理=1481.77?C。符合估计的范围，所以理论空气温度t理为1481.77?C （7） 炉膛温度t炉
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t理只是理论燃烧温度，然而炉膛内的温度不会达到理论值，由式2-8我们可求出炉膛温度：
t炉=?t理=1185.42?C （2-8） 式中：?为炉温系数，我们取经验值[8]炉温系数?为0.8。
2.3 热风炉结构尺寸计算
（1） 燃气入口总面积F1
甲烷进入炉膛的入口面积F1由下式求得： F1?V1W1 （2-9）
式中：W1为燃气的入口速度，一般燃气流速为10m/s—30m/s[8],取W1?20m/s。 V1甲烷的流量，m3/s。V1?B1/3600?0.00085m3/s 则得出燃气入口总面积为F1?4.25?10?5m2。
设计时，我们是将甲烷从燃烧管中呈环状垂直射出，在靠近燃烧管的末端我们取六个出口，每个出口的面积为s1?F1/6，得出s1?7.1mm2，则每个出口的直径为3mm。 （2） 燃烧空气入口总面积F2
燃烧空气进入炉膛燃烧的入口面积F2由下式求得： F2?V2W2 （2-10）
[8]
式中：W2为燃烧空气的入口速度，一般空气流速为取10m/s—30m/sW2?20m/s；
，取
V2为燃烧空气的流量，m3/s；V2?B2/3600?0.012m3/s。 得出燃烧空气入口总面积为F2?6.07?10?4m2。
设计时，我们是将燃烧空气从旋流器的十个旋孔中进入，则每个旋孔的面积
s2?F2/10，得出s1?60.7mm2，则每个出口是由长为10mm，宽为6mm的长方形组成。
（3） 炉膛容积V
炉膛容积与炉膛容积热强度有关。炉膛容积热强度越大，炉膛容积越小，炉子越紧凑。但炉膛容积热强度过大，使燃料在炉内的停留时间缩短，不能保证燃料充分燃尽。炉膛容积热强度过小，则会使炉内温度水平降低，燃尽困难，甚至着火也困难。合适的
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