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暖通杂谈

燃气壁挂炉烟管直径对排烟量影响的分析研究

壁挂炉为一家一户独立设置,目前使用各户独立排烟的方式,它与燃气热水器不同,虽然同样是各户独立采暖,但在采暖季,壁挂炉的运行时间要远远大于燃气热水器的时间[4]。而且壁挂炉采用平衡式烟道,其直径较热水器明显增大,在风机的作用下通过平衡烟道,将烟气排到室外,同时将室外的空气吸入锅炉,并且当烟道末端压力发生变化时(如刮风等),由于压力平衡的关系,不会影响燃气的燃烧工况及排烟。

而对于壁挂炉的更新换代,目前市场上出现较多原有烟管尺寸与购置新机的烟管尺寸不符的情况,更多用户要求继续延用原来的烟管尺寸,针对这种做法是否可行,本文以25kW的燃气壁挂炉为例针对此问题进行分析研究。

2 燃烧所需空气量及烟气量的计算[1]

(1)天然气相关参数

燃气温度:15℃;

燃气气种:12T基准气;

燃气低热值:HL=34.02MJ/m3=34020kJ/m3 

(2)1m3CH4燃烧所需的理论空气量(含氮等未参与燃烧的气体):


式中:V0——表示理论空气量;

HL——表示燃气低热值;

0.25为常数。

由此机器的试验检测报告查得:烟气中O2=10.6% (最大热负荷时),则过剩空气系数为:


(3)1m3CH4燃烧所需的实际空气量(含氮及过剩的空气等):

V=α×V0=2.03×9.07=18.41Nm3/Nm3

式中:V——表示实际烟气量;

V0——表示理论空气量;

α——表示过剩空气系数。

查此机器试验检测报告得:

此25kW燃气壁挂炉最大负荷燃烧实际耗气量为:2.57m3/h。

(4)此25kW的机器最大负荷燃烧所需实际的总空气量为:

V总空气=2.57×18.41=47.31m3/h

(5)1m3CH4完全燃烧所产生的理论烟气量(含氮等)为:


式中:Vf1——理论烟气量;

HL——燃气低热值;=2[1]。

(6)1m3CH4燃烧实际产生烟气量(含氮及未参与燃烧的空气等)为:

Vf=Vf1+(α-1)V0=19.91Nm3/Nm3

式中:Vf——实际烟气量;

Vf1——理论烟气量;

α——过剩空气系数;

V0——理论空气量;

(7)此25kW的机器最大负荷燃烧所实际产生的总烟气量为:

V总烟气=2.57×19.91=51.17m3/h

同理,可计算不同负荷下,其燃烧所需空气量及烟气量见表1。

燃气壁挂炉烟管直径对排烟量影响的分析研究


3 理论状态下不同负荷排烟速度的计算

由上述计算得:

此25kW的机器,最大负荷燃烧所实际产生的烟气量为:51.17m3/h;烟气温度查试验报告得:按60℃计算,则排烟管直径d1=80mm时得:

(1)烟管截面积:


(2)理论状态下,烟气温度为t1=15℃时的排烟速度为:


(3)则实际状态下,烟气温度为t2=60℃时的排烟速度为:

由理想气体状态方程:推得:


式中:p——表示大气压(相等);

V0——表示15℃时的排烟速度;

V2——表示60℃时的排烟速度;

T——表示卡尔文温度(T=273+t,t为摄氏度)。

同理:当排烟管直径减小为d2=60mm时,不同负荷下排烟速度计算结果见表2。

燃气壁挂炉烟管直径对排烟量影响的分析研究

表2表明,在不同负荷下,燃烧产生的总烟气量一定,排烟温度为60℃,排烟管直径不同时,将燃烧产生的烟气排出室外时的理论所需要的排烟速度。同一烟管直径,负荷越大,理论需要的排烟速度也就越大;同一负荷下,烟管直径越小,需要的理论排烟速度也就越大。


4 理论状态沿程损失的计算[2]

排烟管直径为80mm时,计算如下:

(1)求雷诺数


式中:Re——雷诺数;

V——烟温60℃时的理论速度;

d——烟管直径;

ν——烟温60℃的运动粘度[2]。

(2)


式中:Δ——烟管粗糙度[2];

d——表示烟管直径。

根据以上式计算得Re=1.4×104,。查莫迪图[2]得:阻力系数:λ=0.028。

(3)烟管沿程损失[2]:


式中:Hf——烟管沿程损失;

λ——烟管阻力系数;

L——烟管长度(直管长3m,加上2个弯头,1个弯头按2m直管计)m;

V——烟温60℃时的理论速度;

d——烟管直径;

g——重力加速度(g=9.8)。

同理:理论状态下,不同负荷,不同烟管直径所对应的沿程损失如表3所示。

燃气壁挂炉烟管直径对排烟量影响的分析研究

表3表明,同一烟管直径下,随着负荷越小,相对应的沿程损失也就越小;而同一负荷下,烟管直径越小,相应的沿程损失则越大。

风机不变,不同负荷下排烟量与沿程损失的变化关系见图1。

燃气壁挂炉烟管直径对排烟量影响的分析研究

由图1可以看出,烟管直径为80mm时,随着排烟量的增大,其沿程损失的增量较为平缓;而烟管直径为60mm时,其沿程损失随着排烟量的增大而明显增大。


5 风机不变时排烟管直径减小为60mm时的实际平均速度

查得:排烟温度为60℃时的烟气密度[2]为ρ=1.06kg/m3,由气体伯努利平衡方程[2]:


静压:(即,理想状态下,静压全部转化为沿程损失)

将烟管直径为80mm时的排烟速度V1=3.27m/s带入的上式得: 


解得:V2=3.2m/s

式中:λ——阻力系数;

d——表示管径;

ρ——表示60℃时的烟气密度;

V1——表示烟管直径80mm时的排烟速度;

V2——表示烟管直径60mm时的排烟速度;

g——重力加速度9.8;

L——表示烟管长度;

P1——表示烟管直径80mm时的沿程损失;

P2——表示烟管直径60mm时的沿程损失。


6 总结

对燃气壁挂炉排烟量的影响,主要是由烟管直径和换热器及燃烧器阻力等造成的,有以下几种可能:

(1)当烟管直径发生变化前后,若燃烧器及换热器阻力对排烟量影响较大时,则烟管直径减小对排烟量产生的影响将会减小;

(2)当烟管直径发生变化前后,若燃烧器及换热器阻力对排烟量影响较小时,则烟管直径减小对排烟量产生的影响将会较大;

(3)当烟管直径发生变化,若燃烧器及换热器阻力对排烟量影响相等时,则对排烟量产生的影响将完全受烟管直径变化的影响;

上述计算则是假设烟管直径发生变化前后,燃烧器及换热器阻力对排烟量影响相等的条件下,得出以下结论,在燃烧产生的烟气量一定,风机不变(风机所做的功恒定)条件下,此25kW的壁挂炉排烟管直径由80mm减小为60mm时,理论需要的排烟速度为5.81m/s;而实际运行的排烟速度则为3.2m/s,则排烟能力为3.2×0.0028×3600=32.25m3/h,而理论产生的烟气量为51.17m3/h,排烟量减小1-32.25/51.17=37%,即排烟能力减小37%左右;而对于烟管直径变化前后,燃烧器及换热器阻力对排烟量的影响程度,后续将继续进行分析研究。

  转自壁挂炉月刊