對(duì)燃?xì)獠膳療崴疇t供風(fēng)與排煙系統(tǒng)中的空氣箱、排煙罩的結(jié)構(gòu)，尺寸、及風(fēng)機(jī)安裝位置的改變進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，找出燃?xì)獠膳療崴疇t供風(fēng)與排煙系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵字：燃?xì)獠膳療崴疇t供風(fēng)排煙空氣箱排煙罩阻力風(fēng)機(jī)煙氣

0引言燃?xì)獠膳療崴疇t如何正確地組織供風(fēng)與排煙，用盡可能少的風(fēng)量來(lái)滿(mǎn)足燃?xì)庠谌紵覂?nèi)完全燃燒，使煙氣中的不完全燃燒產(chǎn)物CO體積分?jǐn)?shù)降到很低水平，用盡可能小功率的風(fēng)機(jī)就能把煙氣排出燃?xì)獠膳療崴疇t腔體，來(lái)達(dá)到節(jié)能降耗的目的，是一直以來(lái)行業(yè)內(nèi)每個(gè)技術(shù)人員迫切解決的問(wèn)題。如何正確設(shè)計(jì)供風(fēng)與排煙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到節(jié)能降耗的目的，本文就此進(jìn)行了分析和探討。

1供風(fēng)與排煙對(duì)燃燒的影響由燃燒反應(yīng)必須具備的條件可知，燃?xì)馊紵枰┙o適量的氧氣。在理論空氣需要量下所產(chǎn)生的理論燃燒溫度最高，所產(chǎn)生的理論煙氣量也最少。所謂理論空氣需要量，是指每立方(或千克)燃?xì)獍慈紵磻?yīng)計(jì)量方程式完全燃燒所需的空氣量，即是燃?xì)馔耆紵璧淖钚】諝饬?。所謂理論燃燒溫度，是指在絕熱條件下以理論空氣量完全燃燒時(shí)燃燒產(chǎn)物所能達(dá)到的溫度。按天然氣燃燒反應(yīng)計(jì)量方程，供風(fēng)量對(duì)煙氣溫度影響如圖1所示：由于燃?xì)馀c空氣存在混合不均勻性，如果實(shí)際燃燒裝置中只供給理論空氣量，則難以保證燃?xì)馀c空氣的充分混合，因而不能完全燃燒。因此實(shí)際供給的空氣量V1應(yīng)大于理論空氣需要量V0，兩者的比值稱(chēng)作過(guò)?？諝庀禂?shù)a在常規(guī)的燃?xì)獠膳療崴疇t上，a一般選取在1.4～2.0之間，正確地組織供風(fēng)是為了用盡可能少的風(fēng)量來(lái)滿(mǎn)足燃?xì)庠谌紵覂?nèi)完全燃燒。使煙氣中的不完全燃燒產(chǎn)物料CO體積分?jǐn)?shù)降到很低水平，同時(shí)又能保證熱效率，達(dá)到節(jié)能減耗目的。以天燃?xì)馊紵秊槔?，過(guò)?？諝庀禂?shù)a與燃燒產(chǎn)物料CO體積分?jǐn)?shù)關(guān)系如圖2所示：綜合圖1與圖2可知，供風(fēng)量過(guò)小、供風(fēng)量過(guò)大、風(fēng)量分配不均，都對(duì)燃燒不利，具體如下：

A供風(fēng)量過(guò)小燃燒區(qū)的過(guò)剩空氣系數(shù)太少時(shí)，由于燃燒不完全，不完全燃燒熱損失增大，使理論燃燒溫度降低，同時(shí)CO體積分?jǐn)?shù)增大。

B供風(fēng)量過(guò)大燃燒區(qū)的過(guò)?？諝庀禂?shù)太大，則增加了燃燒產(chǎn)物的數(shù)量，使燃燒溫度降低，燃燒惡化，造成機(jī)械不完全燃燒損失和化學(xué)不燃燒損失增大。

C風(fēng)量分配不均若空氣分配不均，燃燒室內(nèi)部分燃燒不充分，部分空氣量過(guò)剩。導(dǎo)致不但CO升高，燃燒溫度也下降，換熱效率降低。

2影響供風(fēng)量過(guò)大的因素風(fēng)機(jī)選型不對(duì)，小功率的燃?xì)獠膳療崴疇t選用大功率風(fēng)機(jī)，往往會(huì)造成供風(fēng)量過(guò)大，風(fēng)機(jī)選型應(yīng)在滿(mǎn)足風(fēng)量和在規(guī)定的逆風(fēng)背壓下正常燃燒的要求下，盡可能選用小功率風(fēng)機(jī)。

3影響供風(fēng)量過(guò)小或風(fēng)量分配不均的因素A供風(fēng)與排煙阻力過(guò)大空氣在外部環(huán)境流進(jìn)燃?xì)獠膳療崴疇t的空氣箱，燃燒器，和燃?xì)饣旌虾筮M(jìn)行燃燒，經(jīng)過(guò)主換熱器換熱，再在風(fēng)機(jī)的抽力作用下從排煙罩排出外面，空氣和煙氣在流過(guò)這些部件或裝置時(shí)，流動(dòng)受到擾亂，產(chǎn)生能量損失，這些在通道局部范圍內(nèi)產(chǎn)生的流動(dòng)損失統(tǒng)稱(chēng)為局部阻力。即局部阻力是由流體邊界形狀的突然變化、流動(dòng)狀態(tài)也隨之發(fā)生急劇變化引起的。

煙氣所受到的這些局部阻力有四種類(lèi)型：碰撞損失、轉(zhuǎn)向損失、渦流損失和變速損失。

(一)碰撞損失如圖3表示流道截面突然縮小的流道。假如煙氣由排煙罩的1-1截面向前流動(dòng)，顯然有一部分煙氣要在截面2-2處與管壁發(fā)生碰撞而改變方向。由物理學(xué)可知，這部分煙氣與固體壁面必然產(chǎn)生力的作用。由于實(shí)際流體不可能是理想彈性體，碰撞的結(jié)果必定會(huì)產(chǎn)生能量損失，即為碰撞損失。

(二)轉(zhuǎn)向損失在圖3的2-2截面上煙氣與壁面碰撞后，轉(zhuǎn)向流道中心方向，即產(chǎn)生垂直于流道方向的分速度。由于慣性作用，這些煙氣進(jìn)入小通道后不會(huì)立即失去此速度分量，在3-3截面上會(huì)發(fā)生頸縮現(xiàn)象，直到4-4截面上流速才平行于流道方向。在這個(gè)過(guò)程中，一部分煙氣的流動(dòng)方向不斷改變，其垂直于流道方向的速度分量在2-2截面上產(chǎn)生、在4-4截面上消失。這是近壁面部分的煙氣與中心主流進(jìn)行動(dòng)量交換的結(jié)果。這種交換顯然會(huì)損失掉一部分能量，此即煙氣的轉(zhuǎn)向損失。

(三)變速損失圖3中煙氣從1-1到3-3截面的流動(dòng)是加速降壓過(guò)程，部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能從3-3到4-4截面的流動(dòng)是減速擴(kuò)壓過(guò)程，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?。這種能量轉(zhuǎn)變顯然不會(huì)有100%的效率，特別是減速擴(kuò)壓段，即由3-3到4-4截面，能量損失較為顯著，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起主流脫離壁面，甚至產(chǎn)生回流。這種由速度變化引起的損失稱(chēng)為變速損失。

(四)渦流損失在空氣從外部環(huán)境進(jìn)入空氣箱時(shí)經(jīng)過(guò)截面突然擴(kuò)大、排煙罩外形彎曲拐角、氣流繞過(guò)物體流動(dòng)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生局部阻力。

1.通道截面突然擴(kuò)大，如圖4所示，在1-1截面后的主流外形成了渦流區(qū)，造成渦流損失同時(shí)氣流從小截面流入大截面，在減速擴(kuò)壓過(guò)程中速度重新分布，主流中的內(nèi)摩擦力隨速度梯度增大而增加，能量損失表現(xiàn)為變速損失。兩部分損失疊加起來(lái)構(gòu)成了通道截面突然擴(kuò)大時(shí)的局部阻力

2.通道彎曲：氣體流過(guò)排煙罩外形彎曲拐角時(shí)，由于慣性力的作用，在內(nèi)外側(cè)的增壓減速區(qū)往往產(chǎn)生流線(xiàn)分離形成旋渦，造成渦流損失同時(shí)，由于彎道外側(cè)壓力高于內(nèi)側(cè)壓力，使得高壓部位流體沿通道壁向低壓部位擠壓，在截面方向產(chǎn)生回流，附加在向前流動(dòng)的主流上，使整個(gè)流動(dòng)呈螺旋形狀，從而造成較大的局部阻力。

3.在煙氣流經(jīng)排煙罩，形狀發(fā)生突變處，往往會(huì)造成氣體主流脫離邊界壁面并形成旋渦，如圖3中2-2、3-3截面處。這種旋渦的來(lái)回旋轉(zhuǎn)消耗能量很大，原因是：一方面，旋渦內(nèi)部的摩擦、旋渦與壁面的摩擦生成熱量，消耗機(jī)械能另一方面，旋渦得以維持運(yùn)動(dòng)，是通過(guò)與主流的動(dòng)量交換得到能量供應(yīng)，這種交換也損失機(jī)械能。B風(fēng)機(jī)安裝位置不當(dāng)風(fēng)機(jī)作為外加的排煙動(dòng)力，其安裝位置影響整個(gè)供風(fēng)與排煙系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)供風(fēng)與排煙系統(tǒng)和燃?xì)獠膳療崴疇t不匹配，如果只是盲目的加大或減小風(fēng)機(jī)功率來(lái)實(shí)現(xiàn)供風(fēng)與排煙要求，只會(huì)增加燃燒的惡化。適當(dāng)時(shí)候應(yīng)該考慮風(fēng)機(jī)安裝位置是否合理。如圖5，圖6所示：以上圖5,圖6風(fēng)機(jī)裝在右側(cè)，左側(cè)的煙氣發(fā)生向右轉(zhuǎn)向，在經(jīng)過(guò)主換熱器翅片的碰撞后，動(dòng)能損失，流速下降，而右邊煙氣流速方向沒(méi)有改變，動(dòng)能沒(méi)有發(fā)生延程損失，流速不變。這樣整個(gè)供風(fēng)與排煙系統(tǒng)V右〉V左。右邊容易出現(xiàn)燃燒不充分，CO超標(biāo)，而右邊容易出現(xiàn)離焰，O2含量過(guò)高。

4影響局部阻力因素由于產(chǎn)生局部阻力的原因很復(fù)雜，加之局部阻力區(qū)域的流道形狀不規(guī)則，所以大多數(shù)情況下只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定局部阻力的大小。只有極少數(shù)情況可以通過(guò)計(jì)算確定?，F(xiàn)以空氣進(jìn)入空氣箱通道截面突然擴(kuò)大的情形為例，說(shuō)明影響局部阻力的因素。圖4所示的流道截面突然擴(kuò)大的流動(dòng)情況。在小流道中流線(xiàn)是平直的，經(jīng)過(guò)擴(kuò)大段后到截面2-2處又恢復(fù)到平直狀態(tài)。1-1至2-2截面距離很短，沿程摩擦阻力可忽略。取1-1、2-2截面為控制面，應(yīng)用伯努利方程得(a)這里1-1和2-2截面上的動(dòng)能修正系數(shù)均取為1，式中就是局部阻力。由上式得取1-1、2-2截面間的流體為控制體，連續(xù)方程和動(dòng)量方程分別為w1A1=w2A2(b)式中是1-1截面壁面處的壓力，實(shí)驗(yàn)證明P0P1。動(dòng)量方程變?yōu)?c)由(a)(b)(c)三式得令，或稱(chēng)為局部阻力系數(shù)，則上式可寫(xiě)成從該式可以看出，△p僅與A1/A2即流道形狀有關(guān)，而與雷諾數(shù)Re無(wú)關(guān)。這一結(jié)論僅在當(dāng)流動(dòng)進(jìn)入阻力平方區(qū)以后才成立。在產(chǎn)生局部阻力的區(qū)域內(nèi)，流動(dòng)受到的擾動(dòng)較大，容易進(jìn)入阻力平方區(qū)。因此，通?？烧J(rèn)為值取決于流道形狀而與雷諾數(shù)Re無(wú)關(guān)。5減小局部阻力的措施局部阻力的大小反映了能量損失的程度，因此在進(jìn)行空氣箱和排煙罩的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮如何減小局部阻力。下面介紹幾種常見(jiàn)的情況。

1.流道入口形狀圖7表示流體由大流道流入小流道中，最大阻力系數(shù)=0.5。如果把入口處截面突變處加以圓滑，如圖8所示，則阻力系數(shù)可隨圓滑程度的增加而降低。邊緣為圓形且入口勻滑時(shí),=0.1～0.入口極均勻圓滑成流線(xiàn)型時(shí)，可小至忽略不計(jì)。

2.截面變化在流道截面變化大的地方，產(chǎn)生渦流，引起邊界層脫離，局部阻力較大。為了減少這部分阻力，工程上常用截面逐漸變大或變小的方法。如圖9表示漸擴(kuò)管，其擴(kuò)張中心角為a。實(shí)驗(yàn)表明，a越小，流動(dòng)阻力就越小，但在擴(kuò)大面積比一定時(shí)，a太小，擴(kuò)壓管的長(zhǎng)度變得很長(zhǎng)。因此對(duì)于具體問(wèn)題，需要全面考慮，a角一般小于20。若中心角a再增大，擴(kuò)大段中的增壓減速現(xiàn)象嚴(yán)重，容易產(chǎn)生邊界層脫離，加大局部阻力。對(duì)擴(kuò)大面積比大、漸擴(kuò)段又不能太長(zhǎng)的情形，可采用幾個(gè)不同擴(kuò)張中心角的同心漸擴(kuò)管來(lái)解決，如圖10所示。

3.彎頭管道彎曲時(shí)的局部阻力與中心角、管子直徑及彎曲半徑都有關(guān)。對(duì)小直徑管道，應(yīng)盡可能增加彎曲半徑，加大中心角，如圖11中所示對(duì)大直徑管道，由于彎管內(nèi)外兩側(cè)容易產(chǎn)生渦流，截面上又易產(chǎn)生二次流，因此在增大彎曲半徑的同時(shí)，可在圖12所示的彎道內(nèi)安裝導(dǎo)流板，以減小局部阻力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)導(dǎo)流板的直角彎頭局部阻力系數(shù)=1.1裝了薄鋼板彎成的導(dǎo)流板，=0.4當(dāng)導(dǎo)流板呈流線(xiàn)月牙形時(shí),=0.25。可見(jiàn)裝上形狀合理的導(dǎo)流板，阻力系數(shù)顯著降低。

6優(yōu)化風(fēng)機(jī)抽力措施1、平衡風(fēng)機(jī)各方向的阻力，在阻力小的位置增加擋風(fēng)板，在阻力大的位置增加導(dǎo)流板。如圖13所示：2、風(fēng)機(jī)配合集煙罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡可能安裝在集煙罩居中位置。7阻力系數(shù)參照表(見(jiàn)下表)

8結(jié)論

1、空氣箱和排煙罩拐彎處內(nèi)壁不能做成直角，或在拐彎處增加導(dǎo)流片以及其相鄰彎頭距離應(yīng)滿(mǎn)足一定要求，可解決風(fēng)量過(guò)少。

2、風(fēng)機(jī)安裝位置要平衡對(duì)煙氣的抽力或增加導(dǎo)流板或擋風(fēng)板來(lái)平衡抽力，可解決供風(fēng)與排煙系統(tǒng)中的風(fēng)量分配不均。