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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文燃气炉烟气直接采暖的数值模拟姓名：于浩申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：马景骏20060301哈尔滨I：聪人学硕十学位论文摘要随着社会经济的发展，人民生活水平的不断提高，传统供暖地区集中供热固定的供暖期和供暖温度已不能满足消费者对采暖舒适性越来越高的需求。同时，非传统集中供暖地区的人们，包括中原和南方的人们同样对冬季采暖提出了需求。而不管是传统集中供热的完全改造还是南方大规模集中供热的兴建都是不切实际的。而小型区域锅炉供暖能效低，用电供暖则增加用电压力，加上国家对大气环境质量的关注，对更合理采暖计量方式的探索，对热能利用效率新的要求，使得分户燃气采暖形式应运而
2、生。从而形成了分户燃气采暖与集中供热(城市、区域性)互补共存的供暖新格局。本文针对不在集中供热区域内，而又有供暖需求的用户采用中小型燃煤锅炉采暖能效低的情况，提出了不经过循环水，而利用燃气炉烟气直接供暖的燃气采暖方式。在供暖方式的设计中运用工程设计中的热负荷计算方法算出所研究房间的热负荷，从而定出燃气炉的功率。再按照自然对流的实验关联式设计出供热烟管在房间内的布置方式。然后将整个供暖房间抽象为计算模型。利用数值计算软件f l u e n t 来模拟本供暖房间的升降温过程。通过对计算结果的分析证明了该供暖方式的可行性。最后对分户燃气采暖方式与其他采暖方式相比在经济上的优越性做了简要的分析。关键词
3、：燃气采暖：数值模拟；可行性；经济性分析哈尔滨科大学硕士学位论文A b s t r a c tA l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ye c o n o m i ca n dt h ec o n t i n u o u s l yr a i s i n go fp e o p l e sl i f el e v e l，t h ef i x e dh e a t i n gp e r i o da n dh e a t i n gt e m p e r a t u r eo ft r a d i t i o n a l
4、c e n t r a l i z e dh e a t s u p p l yh a v ea l r e a d yc a nn o ts a t i s f yt h ec o n s u m e r sg r o w i n gn e e do f h e a t i n gc o m f o r t a b l y A tt h es a m et i m e，t h ep e o p l ew h oa r en o ti nt h et r a d i t i o n a lr e g i o n so fc e n t r a l i z e dh e a t s u p p
5、l y,i n c l u d i n gp e o p l ei nm i d d l el a n da n di ns o u t h，h a v et h es a m en e e df o rh e a t i n gi nw i n t e r B u tn om a t t e ro l dc e n t r a l i z e dh e a t s u p p l y sa b s o l u t e l yr e f o r m a t i o no rn e wo n e Sl a r g e s c a l e db u i l d i n gi nt h es o u
6、 t hi si m p r a c t i c a l S m a l lb o i l e r sp o o ra b i l i t yo fe n e r g yu s i n g，e l e c t r i c i t y sh i 曲v a l u e，t h en a t i o n Sc o n c e r nt oa t m o s p h e r ee n v i r o n m e n tq u a n t i t y,m o r er e a s o n a b l ew a yo fh e a t i n gc a l c u l a t i o n，h i g he
7、 f f i c i e n c yo fe n e r g y，a l la b o v em a k eg a sf i r e dd e c e n t r a l i z e dh e a t s u p p l y Se m e r g i n gn a t u r a l l y，a n dc o o p e r a t i n ge a c ho t h e rw i t hc e n t r a l i z e dh e a t s u p p l y(m u n i c i p a l，r e g i o n a l)Ak i n do fg a sf i r e dd e
8、c e n t r a l i z e dh e a t s u p p l yi sd e s i g n e di nt h i sa r t i c l e a st h ei m p l e m e mo ft h el a c ko fc e n t r a l i z e dh e a t s u p p l y T h eh e a t i n gm e d i u m，w a t e ri so m i t t e di nt h i sd e s i g n e ds y s t e m T h ef l u eg a si su s e df o rh e a t i n
9、gd i r e c t l y I nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n g，t h eb o i l e ri sc h o s et h r o u g ht h er e s e a r c h i n gr o o m Sh e a t i n gl o a d A n da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a le x p r e s s i o n so fn a t u r a lc o n v e c t i o ni nb i gs p a c e s，i ti sd e c i d
10、 e dt h a th o wt oa r r a n g et h et u b ei nt h i sr o o m T h e na l la b s t r a c t i o no ft h i sh e a t i n gr o o mi n t oam o d e li sm a d e，i no r d e rt oi m i t a t et h ep r o c e s so fh e a t i n gb yF l u e n t T h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e s ec a l c u l a t i o nr e
11、s u l t s，i ti sp r o v e dt h a t t h i sk i n do fh e a t-s u p p l yc a nw o r kw e l l A tl a s t，b yc o m p a r i n gt oo t h e rh e a t s u p p l y i ti sa n a l y z e dt h a tt h es u p e r i o r i t yo ne c o n o m i c a le f f e c to f h e a t s u p p l y K e yw o r d s=g a Sf i r e dh e a
12、t-s u p p l y；s i m u l a t i n g：p o s s i b i l i t y；e c o n o m i c a le f f e c t哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字)：鱼溘日期：硼年弓月7 日f哈尔滨工程大学硕士学位论文第1
13、章绪论1 1 课题应用背景与意义我国是世界能源消费大国，但我国能源结构很不合理。在我国的能源消费结构中，煤占7 0，而天然气的比重只有2 1。长期以来，我国的能源消费直以煤炭为主。目前，我国煤炭年消耗量在1 2 亿吨左右，已经成为世界煤炭消费的第一大国。数据显示，1 9 9 6 年我国煤炭消费量占世界煤炭消费量的2 9 5 0 o，在一次能源消费构成中，煤炭占据了绝对主导地位，所占比重高于7 5”。虽然我国煤炭储量较为丰富。但大量开采煤炭会导致开采条件好的煤田越来越少，随着开采深度不断加深，采煤带来的地面下沉、地表破坏、污染和破坏地下蓄水等环境问题无法根治，同时大量使用煤炭作为人们生产、生活的
14、能源，对人类的生态环境也带来巨大的破坏。众所周知，煤炭在燃烧使用过程中将释放出大量的烟尘、二氧化硫、二氧化碳等，导致空气质量的恶化，以及酸雨和温室效应的形成”1。所以尽快改善我国的能源结构，减少污染物的排放，是我国能源结构调整的重要工作。必须寻找其他能源在某些领域替代煤炭，我国是一个缺乏原油的国家，而天然气的大规模开采利用才刚刚开始。天然气作为一种清洁能源越来越受到世界各国的重视。1 9 9 6 年，天然气的在世界能源利用的比重达到2 3 6，近几年逐渐增加，世界天然气能源时代正在向我们走来。我国能源结构规划中将逐步提高天然气的比例，现已制定了以西气东输、俄气南供、进口液化天然气(L N G)
15、、海洋气登陆、煤气层开发为主要内容的天然气长期规划。经国务院批准，千亿元级的宏大工程西气东输工程已全线贯通并投入运营。这是我们跨入新千年的第一个重大工程，被誉为西部大开发的标志性工程w。西气东输、引进液化天然气等，将使广大地区用天然气这种清洁能源成为现实。我国能源结构调整，煤炭将主要用于大型电厂发电，中小容量供热哈尔滨工程大学硕士学位论文锅炉将由燃煤改为燃油、燃气。我国城市化正处于高速发展阶段，将有大量新建与改建房屋采用非集中供热系统，燃气是非集中供热系统最佳能源：市场经济体制的建立使开发商、物业管理公司、业主更多考虑小区、自家利益，更注重经济核算，国家与单位补贴将逐步取消；经济发展地区大中城
16、市和小城镇大量兴建的住宅小楼和城郊别墅多为非标建筑等等，这些因素都促使燃气非集中供热应用量不断增大，除独户式燃气供热会增加外，更多的将是小区式燃气非集中供热，或称为自治式热源供热，可既有住宅、旅馆供暖供热水的生活用热，又有游泳池地板供暖、池水加热等“1。传统的燃煤集中供热市政基础设施已经使用多年，而这些市政基础设旌的建设，都耗资巨大，高速发展中的中国资金不足是主要矛盾，弃用原来的传统供暖装置，是不现实的。国力所不容的，也是没有必要的。在目前的中国逐步改造传统的供暖方式，在新建、再建项目中大力提倡燃气采暖，把有传统供暖方式和新型的燃气供暖方式有机的结合起来，把燃气供暖作为传统燃煤供瑷的有益补充，
17、是我国供暖发展的一条实际之路n 1。黑龙江省广大小城镇、农村中，没有条件实行集中供热，中小学，政府机关，冬季采暖尚普遍使用小型燃煤热水锅炉，不但浪费煤、效率低，还严重污染环境。特别是由于黑龙江省地处高寒地带，而热水供暖锅炉冬天必须连续运行。由于学校每周仅上五天课，因此每周只须烧五天锅炉，学生每天在校时间包括午休在内最多不超过9 小时。此外，寒假约一个半月不用供暖，这样以六个月为一个采暖期，仅有9 9 天需供暖，总计不到9 0 0 小时。如果采用集中供热，如果在夜间停炉可能造成水管冻裂，这就需要几个司炉工轮流作业，而学校夜间根本不需供暖，所以说造成了很大的能源、人力及财力的浪费。机关也存在类似的
18、情况，因此采用传统燃煤锅炉连续供暖造成了巨大浪费，而采用燃气锅炉进行间歇市供暖，其运行费用得到了降低。2哈尔滨工程大学硕士学位论文1 2 燃气能源的优势及燃气采暖的特点1 2 1 燃气能源的优势1 在各种燃料中，气体燃料的燃烧过程最容易控制，也最容易实现自动调节，气体燃料可以进行高温预热，因此可以用低热值燃料来获得较高的燃烧温度，有利于节约能源，降低能耗。由于以上特点，气体燃料在冶金企业的燃料平衡中直占有重要地位，对予某些工艺要求较严格的加热炉和热处理炉(尤其是低温处理炉)，为了便于控制炉温和化学成分，以保证需要产品的表面现象质量，除了电能外，气体燃料是最理想的燃料了。2 气体燃料热效率高，因
19、此可很好的节约能源。与固体煤相比可提高热效率2 倍以上，较燃油提高近l 倍。由于气体燃烧完全，无剩余物，而燃煤有灰渣，燃油有剩余油胶物等，使清洁不易，且易使设备老化损坏。工业生产中气体燃料还可提高产品的质量和产量。自动化生产更加容易，可大大降低工人的劳动强度，提高劳动生产率。3 燃气日常使用费比属于二次能源的电更加便宜。每公斤液化石油气完全燃烧后产生的热量与l1 6 度电转换的热量相同，以目前每公斤液化石油气3 元及每度电0 4 元计算，产生相同热量需要的电费是液化气费的1 5 5 倍，而每立方米天然气产生的热量与9 9 度电转换的热量相同，以目前北京市天然气价格每立方米1 7 元计算，产生相
20、同热量需要的电费是天然气费得2 _ 3倍。每立方米人工煤气产生的热量与4 7 度电转换的热量相同，以目前价格是人工煤气费0 9 元计算。产生相同热量需要的电费是人工煤气费2 1 倍。由此可见，虽然电能更清洁，但使用费却比燃气费贵许多。也就是说，使用燃气更经济*”。4 燃气的输送储存更方便、更科学。由于燃气的压缩性很大，流动性很大，所以加压后通过管道可以很方便的输送到使用地点。即使在不宜铺设管道的地方，不管作为生活煤气或动力煤气使用，可加压处理使之在常温下变为液体贮于高压筒中，成为液化石油气或液化天然气，这样可以是体积大大哈尔滨工程大学硕士学位论文减少，搬运装卸都极为方便，从而使交通运输压力大为
21、减轻，对缓解大中城市的道路交通压力大为有益。5 由于燃气点火容易，燃烧快、稳定，既省时又节能，可根据使用要求随意调解火烧火焰的大小。由于供气压力比较稳定，所以火力大小也稳定，使用非常方便，这对日常生活中烹饪及供应热水显得尤为重要。1 2 2 燃气采暖的特点在国内单户式燃气炉供热是种新的供热形式，这种系统以保证一户或几户生活用热为目标，采用全自动或半自动控制其燃烧实现供暖及供生活热水。这种系统对燃料要求较高，易于控制，便于采暖的计量和收费。舒适性强：用户可以根据自己的需要选择时间，调节室内温度，随时使用生活热水；安装简便：壁挂式安装，设备自身带有水泵、排烟风机、膨胀水箱和安全阀门：易于操作：用户
22、仅需要操作冬季，夏季转换手柄、供暖温度调节键和开启键，并通过压力表观测供暖水系统情况，偶尔根据需要进行补水；噪声很低：其A 级噪声可低于5 0 d B；便于计量：可用磁卡式煤气表实现热分户计量，解决供暖费常年亏欠的难题：节约能源：没有锅炉房、二次换热、外网及楼内管道的热损失。单元式供热方式可避免集中供热外网系统的水力不平衡所造成的热损失。通过自动与手动温度控制，基本上达到了冷热随意、开关由己、入走热收、人归暖来、按需供给，各取所需的，理想的能源供给与消费模式；基本无损耗的能源输送、入户燃烧、8 2 以上的换热效率，实现了节能和高效；燃气供热实现了供热能源结构的变革，既温暖舒适，设备系统美观，又
23、保证了环境的清洁、卫生、无污染；燃气供热系统从市政角度看，投资小、占地少、建设快。气状燃料的封闭性与易控性，以及强制性户外空气交换、加之电脑控制系统的应用，可使燃气采暖系统安全、可靠、便利n“”。4哈尔滨工程大学硕士学位论文1 3 国内外燃气应用的研究和发展现状燃气能源有如此之多的优点，国内外有关于燃气利用设备的研究和发展方向也是多种多样。燃气利用方式主要是分成两种形式，一种是作为其他传统能源的方式的补充，另外就是专用燃气作为能源的利用方式。对于第一种情况来看，由于使用方便。电力一直是各种机械设备的首选能源。空调设备亦是如此，直N 2 0 世纪6 0 年代末，燃气空调才正式登上空调制冷技术舞台
24、。因其相对电力空调的诸多优势使燃气空调在短短3 0 年中得到了迅猛发展，尤以日本为突出代表。日本在其经济腾飞时期的2 0 世纪6 0 年代末，意识到了燃气空调有削峰填谷的益处。使燃气空调占据了其中央空调市场的8 5 左右，至今仍保持这一记录。在燃气消耗结构中，燃气空调的燃气占有相当的比重，如1 9 9 5 年日本总共销售燃气2 1 7 亿m 3，其中用于燃气空调的燃气高达3 4 亿r n 3，几近1 6。日本燃气空调的迅猛发展除燃气空调设备自身优势外，在很大程度上还得力于政府和燃气公司实施的一系列切实有效的支持措施，政府方面主要实施政府贷款和免税等措施：燃气公司方面实行优惠气价鼓励燃气空调的大
25、量应用并大力进行广告宣传，还直接投入大量人力、财力对燃气空调技术进行研究和开发工作。继日本之后，如今燃气空调在韩国国内市场上的占有率比日本还高。美国由于早期电力基础设施雄厚，加之2 0 世纪7 0 年代政府对于天然气储量孢悲观态度，在相当长的时间里燃气空调的发展受到了制约，1 9 9 8 年以前，市场份额不足1。长期制约燃气空调发展的恶果逐渐于1 9 9 9 年7 月充分暴露，因连续高温导致空调用电剧增，纽约地区1 4 个电网中有6 个陷于瘫痪，数十座城市发生拉闸限电。专家、政府开始认识到电力在夏季应扮演的角色问题，推广燃气空调的呼声高涨。在2 0 0 0 年中央空调销售市场中，燃气空调份额迅
26、速提高N 7。欧洲、非洲及东南亚各国近几年对燃气空调逐渐也有了认识，有许多销售商囡看到其巨大的市场潜力而开始全面开展燃气空调的推广工作，现已取得实质性的进展。中国在8 0 年代以前很少使用燃气空调，真正太规模使用是在1 9 9 2 年，远大空调有限公司研制成功中国第一台直燃机由于直燃机适应了夏季电力紧缺的国情，产销量年年飙升。但哈尔滨工程大学硕士学位论文因中国的燃气事业起步较晚，前几年全国燃气发展速度也较慢，燃气空调占整个空调的比率还很低。而小型燃气直燃型吸收式冷热水机组B C T 空调系统、燃气热泵G H P 空调系统出现更晚。远大空调有限公司凭借其在燃气直燃型吸收式冷热水机组领域的技术优势
27、，于2 0 0 0 年开发成功我国第一台户式小型燃气直燃型吸收式冷热水机组。大连三洋制冷有限公司2 0 0 3 年推出了应用于别墅和住宅的小型燃气热泵(G H P)空调机组。但是目前B C T 年I G H P 这两种机组在住宅上的应用还不是很多。分户燃气炉采暖，作为一种独立利用燃气的供暖方式，采暖中结合散热器采暖或低温热水地板辐射采暖系统，是目前欧、美地区的主要采暖方式。真正意义上的燃气炉加地板供暖技术是上世纪的3 0 4 0 年代，在欧洲、北美及亚洲的日本、韩国形成的，他们首先应用在一些高级住宅上，然后推广到公共建筑当中；我国8 0 年代以前只有极少数住宅采用地板供暖。由于这个时期的地板供
28、暖系统多采用钢管作为加热管，造价比散热器采暖高，钢管腐蚀破坏后无法更换，因此应用得极不广泛。随着管材工艺和地板供暖技术突飞猛进的发展，这种低温地板辐射采暖形式在发达国家的住宅中得到了广泛的应用。他们利用低温热水在埋置于地面下的高技术新型加热管内循环流动，加热整个地面，不但减少耗能1 5 左右，还获得了最大限度的舒适效果，同时降低了运行费用。这种系统还可十分方便地实现自动调节和分户量化管理，从而解决了多年来采暖无法按户计量收费的难题。目前国外低温地板辐射采暖的加热管多采用聚丙烯、聚乙烯、交联聚乙烯、聚丁烯以及其他特种塑料管。它们具有耐腐蚀、抗老化、成本低、地面以下无接口、不易漏、不易结垢、水阻力
29、及膨胀系数小等优点，连续使用寿命可达5 0 年以上。因此，这种供暖系统已在采暖住宅中相当普及了。目前，在我国虽然人们都已普遍意识到了住宅地板供暖的优势，但是城市福利型集中供暖还占主导位置，建筑节能没纳入居民思想当中；其次地板供暖的初投资和运行费还比较高。因此，我国现阶段在城镇多层采暖住宅中这种供暖方式还应用得较少。但是在北京、上海地区的别墅和高档住宅以及收入较高的家庭中，地板辐射采暖得到了广泛的应用。特别是上海，虽然燃气锅炉所占的比重不高，但发展很快，近几年来势头仍不减。期间，不少专业人士对其利弊发表了各自不同的看法，由于市场经济大气候的影响以及家用燃气锅炉结合低温热水地板辐射采暖系统6哈尔滨
30、工程大学硕士学位论文的采暖舒适性较好，应用将呈上升趋势。而在一些普通住宅和新建住宅区不存在热电联产集中供热的条件，准备使用天然气为采暖燃料时，燃气炉加散热器系统也得到了广泛的应用。1 4 本文的主要工作单户燃气锅炉因其采暖灵活、节省用地、节约能源、计费方便等特点，作为传统供暖方式的改进与补充越来越受到用户的青睐。在此基础上，对于此课题应用背景下的要求，不需要用燃气锅炉提供生活热水，只需用来间歇性供暖，本文提出不通过加热循环水，直接用燃气炉的高温烟气进行供暖的方式。这种方式不仅可以避免烟气与循环水之间换热过程中的热损失，还可以在无人时完全停止供暖，无须顾虑循环水的冻结问题。燃气炉供暖房间系统中的
31、温度和气流分布，是判断供暖系统是否合理，供暖方式是否可行的重要依据之一。受室内以及室内与室外环境，不同围护结构的对流和热辐射等多种换热形式的影响，并且室内气流为湍流流动，因而房间是一个较为复杂的传热与流动系统。大多数的研究者探讨了温室系统内的温度随时间变化规律，而对系统的温度和气流分布研究的很少。本文考虑到了直接利用F L U E N T 软件的模型来求解，在F L U E N T 里面，各种流体基本模型的求解方程根据连续性原理、动量守恒原理和能量守恒原理都已经建立，对于复杂模型，可以采取藕合的方法计算，温度场的计算可以直接将模型祸合，流场的计算可以通过多相流的模型来计算。因此，我们可以通过正
32、确的建立和选择模型、边界条件和计算迭代参数，利用F L U E N T 直接计算燃气炉供暖房间的温度场和流场。为了分析这种燃气直接供暖的可行性，本课题所作的主要工作如下：1 通过工程设计上的热负荷计算方法计算出采暖房间热负荷，并以此结果作为依据，区分各部分围护结构的大小作为数值模拟过程中边界条件的设定基础。房间的热负荷也将作为燃气炉原理设计中功率选择的依据。2 燃气炉的原理设计中，燃烧器作为燃气炉主要内部设备，本文进行了详细的工程结构设计，另外利用大空间自然对流的实验关联式，结合辐射在哈尔滨工程大学硕士学位论文换热过程中的比重以及房间的具体结构完成散热管在室内的布置方式。然后通过将单户燃气采暖
33、与传统集中供热相比较，得出对比的经济数据，体现出单户燃气采暖的经济性优势。3 将燃气炉供暖系统结合供暖房间抽象为计算模型，通过数值模拟的方式得出燃气炉运行过程中房间升温和燃气炉间歇时间内房间降温的情况，为供暖方式的可行性提供理论依据。哈尔滨工程大学硕士学位论文第2 章建筑物耗热量的计算2 1 设计任务和原始资料2 1 1 设计任务本燃气供暖系统是为小型中、小学校而设计的供暖系统，设计的目的是既为同学创造舒适的热环境，也使同学不在校期间可以达到充分的节能效果。由于寒假长达3 5 4 5 天，而且中、小学学生不住校，因此寒假与晚上不需供暖，所以本系统设计成间歇式是最能体现价值的，可以达到最佳的节能
34、效果。由于燃气供暖的特殊性，所以本系统选择了1 间6 0 m 2，长I O t a、宽6 m、高3 2 m 的孤立平房教室作为设计对象，对这间教室进行间歇式燃气采暖设计。2 1 2 原始资料设计地点：黑龙江省伊春采暖室外计算温度：一3 0。C室外风速：2 1 n d s(冬)冬季日照率：5 8 年平均温度：一1 2 5 日平均温度5 的天数：1 9 4室内计算温度：1 8 土建资料：1 屋顶：1)预制细石混凝土板2 5 r a m，表面喷白色水泥浆哈尔滨工程大学硕士学位论文l N I 1 _|自|_2)通风层2 0 0 r a m：3)卷材防水层：4)水泥砂浆找平层2 0 m m；5)保温层：
35、6)隔气层：7)找平层2 0 m m；8)预制钢筋混凝土板：9)内粉刷。属于l I 型，传热系数K=0，4 1 W(m K)。2 夕h 墙：1)水泥砂浆：2)砖墙，6 =4 9 0 m m：3)白灰粉刷。传热系数K=I 2 7W(m 2 K 1。3 步 窗为双层木窗，其传热系数为K=2 6 8W(m 1 唾跣面积一。=2 7 7m 2，外形尺寸为1 8 5 1 5 m。4 地面为不保温地面，K 值按地带决定。对于以上原始资料1 的给出，目的在于不同围护结构的传热系数，继而进行下面的负荷计算。2 2 采暖耗热量计算教室基本结构及地面地带划分如图2 1。0哈尔滨工程大学硕士学位论文-_ I _|_
36、 _ _ 膏皇_图2 1 教室基本结构及地面地带划分1 围护结构基本耗热量Q j=K F(t。一，。k(2-1)式中：x 一一围护结构传热系数W(m 1；p 该围护结构的散热面积r r t ；f。一室内计算温度：f。冬季采暖室外计算温度：口一温差修正系数。围护结构基本耗热量见表2 12 围护结构经过修正后的耗热量围护结构的基本耗热量，是在稳定条件下，按公式(2-t)计算得出的。实际耗热量会受到气象条件以及建筑物情况等各种因素的影响而有所增减。由于这些因素影响j 需要对房间围护结构基本耗热量进行修正。这些修正耗热量称为围护结构的附加耗热量。通常按基本耗热量的百分率进行修正。下式就是围护结构经过修
37、正后的耗热量的计算公式。Q，=Q(1+凤+p，+p+风)(1+芦唐)(1+岛)(2 2)哈尔滨工程大学硕士学位论文_ l-_ r I I i l l|-l _-_ l _ _ _ _ _ _ z式中芦0 一朝向修正率；卢，一风力修正；声扩一一两面外墙修正；成一窗墙面积比过大修正；，一间歇附加修正；卢。一房高修正。表2 1 围护结构基本耗热量围护结面积传热系温差修正系数数t。一t。Q构m K m W北外墙1 0 3 2 2 7 7 31 2 7O 7 51 0 8 2 8 8北外窗2 7 7 32 6 811 0 6 8 9 6茵外墙6 3 21 2 711 1 7 0 2 4南外墙1 0 3-
38、2 2 7 71 2 7l1 1 1 2 1 6南外窗2 7 72 6 8O 7 54 83 5 6 1 6东外墙3 2 61 2 7l1 1 7 0 2 4地面I1 0 2 2+6 2 X 20 4 711 4 4 3 8 4她嚣I I2 60 2 311 3 2 4 8屋顶6 1 00 4 1O 7 58 8 5 6表2 2 围护结构经过修正后的耗热量Q f围护结构基本耗热量W；B=l8 j8 u8。9 嚏啦W北外墙1 0 8 2 8 8OO5OO2 01 3 6 4 6 4北外窗1 0 6 8 9 60O5002 01 3 4 6 8 8西外墙1 1 7 0 2 45O5OO2 0】4
39、0 4 4 8南外墙1 1 1 2 1 61 505OO2 01 2 0 0 9 6南外窗3 5 6 1 61 5O50O2 03 8 4 4 8东外墙1 1 7 0 2 45O50O2 01 4 0 4 4 83 通过门窗缝隙的冷风渗透耗热量g在风力和热压造成的室内外压差作用下，室外的冷空气通过门窗等缝隙1 2哈尔滨工程大学硕士学位论文渗入室内，被加热后溢出。把这部分冷空气从室外温度加热到室内温度所消耗的热量，称为冷风渗透耗热量。冷风渗透耗热量，在设计热负荷中占有不小的份额。“”g=O 2 7 8 L 功。C，(“一0)m(2-3)式中L 经过每m 门窗缝隙渗入室内的冷空气量，m 3(h n
40、 1)，根据冬季室外平均风速，由表2 3 查取；，一门窗缝隙长度，m：P。室外空气密度，k g m 3；C。空气定压比热，k J(k g)；m 一冷风渗透量的朝向修正系数，伊春取近似与哈尔滨相似的数值，见表2 4。表2 3民用建筑每m 门窗缝隙渗入空气量Lm 3(h m)风速(m s)l23456单层木窗1 O2 53 55 O6 58 0单层钢窗0 81 82 84 05 06 O双层木窗0 71 82 53 54 65，6双层钢窗O 61 1 32 O2 83 54 2门2 O5 O7 O1 0 O1 3 O1 6 O表2 4 哈尔滨冷风渗入量的朝向修正系数m地区北东北东东南南西南西l 西
41、北哈尔滨0 2 5O 1 5O 1 5O 4 5O 6 01 0 00 8 00 5 5本课题中窗为双层木窗，根据风速2 1 m s 查得L=I 8m 3(h m)；根据表2 4查得北向m 为O 2 5，南向1 1 1 为0。6 0。珐2 0 2 7 8 x(1 5 2+1 8 5 X 2)X 3 X 1 2 x 1 4 8 0 2 5+0 2 7 8 X(1 5 X 2+1 8 5 2)X 1 1 2 1 X 4 8 X O 6 0+0 2 7 8(2 X 2+2 5 2)3 X1 2 l 4 8 0，6 0=4 0 4 2 4 W哈尔滨工程大学硕士学位论文通过以上计算，房间总的热负荷：Q=
42、Q，+Q=l O l 9 5 8 4+4 0 4 2 4=1 0 5 9 9 8 8 W2 3 本章小结(2-4)按照供暖系统设计热负荷计算方法，计算出该教室的最大热负荷为1 0 5 9 9 8 8W，以此作为燃烧器的设计功率，燃烧器设计功率选择应不小于该值。同时将采用本章的负荷计算方法决定后面模型计算的边界条件，考虑到模拟房间各个部分热边界条件大小不同，为了更真实地体现空间上各部位热量损失的不均匀性，采用各个部分热负荷分段线性平均值作为各个恒定热流边界条件。具体简化过程在第六章详细说明。哈尔滨工程大学硕士学位论文第3 章燃气炉结构设计3 1 大气式燃烧器介绍燃气炉具的燃烧方式分为：扩散燃烧、
43、大气式燃烧、部分预混式燃烧、鼓风式燃烧。本次设计采用大气式燃烧器，其工作过程是燃气从喷嘴高速喷出后，引射四周的静止空气(一次空气)一起进入引射器，在引射器内燃气与引射进入的空气实现完全混合，并经减速扩压后进入燃烧器头部，可燃混和气从头部火孔流出被点燃生成本生火焰。大气式燃烧器的主要特点是燃气在着火前已与一次空气混合，而一次空气的供给是靠燃气引射四周空气实现的。所以，大气式燃烧器又称大气引射式燃烧器，这种燃烧过程的组织方式称大气燃烧或局部预混燃烧。大气式燃烧器的主要优点是燃烧工况易于调节，燃烧充分、温度较高、一次空气供给靠燃气射流卷吸四周空气，不需要外部动力，因而结构简单，制作方便。一次空气系数
44、靠通常为0 4 5 0 7 5。根据燃烧室工作状况的不同，过剩空气系数通常变化在1 3 I 8 范围内。大气式燃烧器主要由引射器与头部两部分组成。其中引射器的作用是以燃气从大气中引入空气使高能量的气体引射低能量的气体并使两者混合均匀；在引射器末端形成所需的剩余压力，用来克服气流在燃烧器头部的阻力损失，使燃气一空气混合物在火孔出口获得必要的速度，以保证燃烧器稳定工作；输送一定的燃气量，以保证燃烧器所需的热负荷。引射器由以下部分组成(图3 1)：1 喷嘴其作用是输送所要求的燃气量，并将燃气的势能转换变成动能，依靠引射作用引射一定的空气量。2 吸气收缩管其作用是为了减少空气进入时的阻力损失。它可以做
45、成流线型或锥型。试验证明，两者阻力损失相差无几。为了制造方便，一般选用哈尔滨工程大学硕士学位论文锥型收缩管。吸气收缩管的进口截面积一般比出口截面积(喉部面积)大4 6倍，即进I i l 直径等于2 2 d(d，一喉部赢径)。3 混合管其作用是使燃气与空气进行充分混合，使燃气一空气混合物在进入扩压管之前，其速度场、浓度场和温度场呈均匀分布。试验证明，采用渐缩管有利于截面上速度场的均匀分布，而不利于浓度场和温度场的均匀分布。采用渐扩管则有利于浓度场和温度场的均匀分布，而不利于速度场的均匀分布。为此常采用圆柱形混合管，使速度场、浓度场和温度场均达到一定的程度的均匀分布。实验数据表明，混合管长度通常取
46、f。，=(1 3)4。4 扩压管其主要作用是使部分动压转变为静压，以提高气体的压力，其次是使燃气与空气进一步均匀混合。扩压管张角通常取7 度。燃气空一r 一一一一燃气一空1上一 1，则x 无实解，表明燃烧器不能保证所需要的引射能力；如果4 1，则表明燃烧器有多余的燃气压力。A=K(1+“)(1+“。)F j1 5 X f l+9 4)(1+9 4 1 9 5 5)2 7 5-_-_-F 口R。p1 2 9 0 x0 8 1爿 l，说明燃气压力有剩余，故以非最佳工况作为计算工况。6 计算x 值x：!二!二型：!二!二Q：!：o 5 0A0 7 9 67 计算引射器喉部面积E=X F,。=O 5
47、0 0 8 1=O 4 1F=E t=O 4 1 1 2 9 0=5 2 8 9 m m 2r4。、云E22 6 m m8 引射器其他尺寸见下图(图3 2)=0 7 9 63 3 炉宽与炉高设计图3 2 引射器计算结果炉宽的选择要保证能容纳下炉内燃烧器。根据引射器长度，取0 5 m 直径的圆柱体，炉体尽量采用无保温的钢制材料，炉拱采用耐火材料。炉高以不压火为准则。可以用M A，格林科夫推荐的公式计算1 9哈尔滨工程大学硕士学位论文，；(一十O 0 5 B)t 1 1 0。式中：。一炉子的有效高度；占一炉膛宽度：t 一炉气温度，取炉子的实际燃烧温度1 2 0 0。C；A 一系数，当f I 1 5
48、 0 0。C 时，A=0 6 5。其他数值可用内差法求出。代入数据h g=(O 6+0 0 5 x0 5)1 2 0 0 x l O=0 7 2 3 m表3 1 大气式燃烧器常用设计参数燃气种类炼焦煤气天然气液化石油气圆孔d。2 5 3 02 9 3 22 9 3 2火孔尺寸2 O 1 22 O 3 02 0 3 0(r a m)方孔1 5 5 02 4 1 62 4 1 6火孔中心间距s(m m)(2 3)d。火孔深度h(m m)(2-3)a p额定火孔热强度q px 1 0 3(k W m m 2)n，6 1 9 85 8 8 77 O 9 3额定火孔出口流速V。(N m s)2 O 3
49、51 0 l 31 2 1 5一次空气系数口O 5 5 0 6 00 6 0 O 6 50 6 0 O 6 5喉部直径与喷嘴直径比一d5 69 1 01 5 1 6火孔面积与喷嘴面积比4 4 5 02 4 0 3 2 05 0 0 6 0 03 4 本章小结考虑到本论文以模拟炉外供暖为主，所以本章只对大气式燃烧器的主要组成部分进行了详细的设计，包括头部设计和引射器设计，最后对燃气炉外型尺寸进行了计算。哈尔滨工程大学硕士学位论文4 1 概述第4 章烟管的设计计算烟管是此供热系统的主要散热部分。但是因为管内烟气的温度很高，考虑到学生的安全问题，烟管和炉体都要布置到不影响学生活动的区域，设计为靠近北
50、墙0，5 m 布置。另外，为了保证供热的均匀性，在保证安全的前提下尽量对称的布置烟管，并且水平烟管的高度也不宜过高，设计为离地2 m 高。烟管水平段长度的设计依据太空问自然对流换热的实验关联式来定。因为计算中只考虑了自然对流的换热方式，但实际上高温烟管的散热形式中辐射换热占了很大比重，所以烟管的水平长度应该比计算的结果要小。4 2 设计原理依据4 2。1 自然对流换热及其实验关联式不依靠泵或风机等外力推进，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流。不均匀温度场造成了不均匀密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。在一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。在贴壁处，流体温度