燃气热水器大气式燃烧原理
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可调节喷嘴，它由固定部件1和活动部件2组成。当活动部件 前后移动时，借助针型阀就可以改变喷嘴的有效流通面积， 因此，它可以适应不同性质的燃气。
与固定喷嘴相比，可调喷嘴结构复杂，阻力较大，引射空气 的性能较差，但能适应燃气性质的变化。
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2.吸气收缩管。其作用是为了减少空气进入时的阻力损失。 它可以做成流线型或锥形，实验证明，两者阻力相差无几。 为了制造方便，一般可选用锥形收缩管。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，即进口直 径等于2.2dt(dt-喉部直径)。
V c RO2 RO2 VH2OcH2O VN2 cN2 VO2 cO2
经计算理论燃烧温度：1500.7℃。 注：该理论值时在干燃气、干空气、且完全燃烧的条件下产生的。
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四 燃烧器头部计算
1.喷嘴数目：根据设计需要取4个。
2.喷嘴流量：
Lg
I Hl n
实际空气量V=过剩空气系数α*理论空气量V0 计算得出实际空气量：17.37 NM3/NM3。
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5.三原子气体体积
VRO2 VCO2 VSO2 0.01(CO2 CO mCmHn H2S)
计算得出原子气体体积：1.021NM3/NM3。 6.水蒸气体积
V计H2算O 得0.出01水H蒸2 气H体2S积 为：n2 C2m.H0n111N20M(d3g/NV0Mda3)
应用》及附录，以下简称《应用》。
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二、燃气的成分及性质
天然气成分
CH4
燃气容积成分（％）
98
C3H8 0.3
C4H10
C5H12
N2
0.3
0.4
1
分子量M 密度ρ（kg/m3）
16
44
58
72
28
0.7174 2.0102 2.7030 3.4537 1.2504
定压比热Cg （KJ/NM3·K）
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3.一次空气吸入口。设在吸气收缩管上，其开口面积一般为燃烧器火 孔总面积的1.25~2.25倍，吸入口处的空气流速不超过1.5m/s。 一次空气吸入口的开设位置如图所示。
安装喷嘴时，其出口截面积到引射器的喉部应有一定距离，否则将影 响一次空气的吸入。当喉部直径dt＞喷嘴外径时，一般取 l=1.0~1.5dt。
安装喷嘴时，喷嘴中心线与混合管中心线应一致，如不一致，二者有 偏移或有交角对引射一次空气量不利，偏移或交角越大，其影响越大。
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4.混合管。其作用是使燃气与空气进行充分混合，使燃气-空 气混合物在进入扩压管之前，其速度场、浓度场及温度场均 呈均匀分布。实验证明，采用渐缩管有利于截面上速度场的 均匀分布，而不利于浓度场及温度场的均匀分布。采用渐扩 管有利于浓度场及温度场的均匀分布，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、浓度场及温 度场均达到一定程度的均匀分布。在某些情况下也可不用混 合管。
7.理论氮气量 VN 2 0.79V0 0.01N2
计算得出理论氮气量：7.6NM3/NM3 8.实际氮气量
VN' 2 0.79V0 0.01N 2
计算得出实际氮气量：13.7NM3/NM3 9.过剩氧气量
VO2 0.21( 1)V0
计算得出过剩氧气量：1.62NM3/NM3
低热值Hl（KJ/NM3
1.545 2.960 3.710
1.302
35906 93244 123649 156733
高热值Hh（KJ/NM3） 39842 101270 133885 169377
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三、天然气性质计算
1.高低热值H的计算：
H H1r1 H2r2 Hnrn
（2）方火孔（矩形或者梯形火孔）。方火孔如下图所示，有纵 长和横长两种排列方法。方火孔制造工艺要求较高，适用于可 拆卸的（带火盖的）头部。方火孔与二次空气的接触面积较圆
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大，故适用于理论空气量需要量较大的燃气，如液化石油气。
方形火孔图例
（3）条形火孔。条形火孔有纵向和横向两种。下图为横向条 形火孔。在热负荷相同的情况下，布置条形火孔所占的面积比 布置圆形火孔小，因此它适用于燃气量大、加热面小的地方， 条形火孔相当于数个方火孔相连，因此与二次空气的接触较差， 易出现黄焰。
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大气式燃烧器的一次空气系数α1一般取0.45~0.75。根据 燃烧室工作状况的不同，过剩空气系数通常变化在1.3~1.8 范围内。
大气式燃烧器通常是利用燃气引射一次空气，故属于引射式 燃烧器。根据燃气压力的不同，它又可以分为低压引射式与 高压引射式两种。民用燃具均为低压引射式，工业用燃具一 般采用高压引射式。
送风设备； 4.适应性强，可以满足较多工艺需要。 （二）缺点 1.由于只预混了部分空气，而不是全部燃烧所需的空气，故
火孔热强度、燃烧温度虽比自然引风扩散式燃烧器高，但仍 受限制，仍不能满足某些工艺的要求。 2.当负荷较大时，多火孔燃烧器的结构比较笨重。
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第四节 大气式燃烧器的计算
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第三、输送一定的燃气量，以保证燃烧器所需的热负荷。 为了完成上述作用，引射器由以下四部分组成：
1.喷嘴。其作用是输送所要求的燃气量，并将燃气的势能转变 为动能，依靠引射作用引射一定的空气量。
（1）喷嘴流量计算。低压引射大气式燃烧器是在低压下工作， 因此不考虑气体的可压缩性。喷嘴在标准状况下工作，其流量 可按下式计算。
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扩散火焰与预混火焰
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第二节 大气式燃烧器的构造及工作原理
部分预混燃烧方法设计的燃烧器称为大气式燃烧器，其一次空 气系数0＜α1＜1.大气式燃烧器由头部及引射器两部分组成， 如图所示。大气式燃烧器的工作原理是：燃气在一定压力下， 以一定流速从喷嘴喷出，进入吸气收缩段，燃气靠本身的能量 吸入一次空气，在引射器内进行混合，经头部流出，进行燃烧， 形成本生火焰。
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Lg 0.0035d 2
H s
式中Lg 圆形喷嘴的流量（m3 / h）;
喷嘴流量系数，与喷嘴的结构形式，尺寸和
燃气压力有关，用实验方法求的；
d 圆形喷嘴的直径（mm）；
H 燃气压力（Pa）;
s 燃气相对密度（空气 1）。
（2）喷嘴的结构形式，喷嘴分为固定喷嘴和可调节喷嘴两种。 固定喷嘴的出口截面固定不变，其结构形式如图所示。固定喷嘴的流 量系数μ与l/d、喷嘴收缩角β 、喷嘴直径d以及喷嘴前燃气压力H等 因素有关。试验表明，当l/d在0~2的范围内增加时， μ随之增加；当 l/d的超过2时，μ随l/d的增加而减少。最佳l/d随喷嘴前燃气压力的 增加而减少。通常取l/d=1~2。喷嘴收缩角β增大， μ值减小，但β在60°
计算可得该天然气高热值为：40428 KJ/NM3 ，低热值为： 36465 KJ/NM3。
2. 计算平均密度ρ
1r1 2r2 nrn
计算得出平均密度为：0.74 kg/m3。
3.计算理论空气量
V0
1 21
0.5H2
0.5CO
m
n 4
CmHn
1.5H2S
O2
计算得出理论空气量V0：9.65 NM3/NM3。 4.实际空气量V
条形火孔燃烧器图例
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（4）带稳焰孔的火孔。下图为带有稳焰孔的火孔，它由主火 孔1及辅助火孔2组成。辅助火孔起稳焰作用，又称稳焰孔。 当燃烧火焰传播速度快的燃气时，主火孔应不回火。辅助火 孔的阻力比主火孔大，当燃烧火焰传播速度小慢的燃气时， 辅助火孔不会脱火，同时所形成的辅助火焰加热了主火焰的 根部，提高了主火焰防止脱火的能力。
第三章 大气式燃烧器
第一节 燃烧方式
一次空气系数α1是燃烧器的一个重要特性值，在分析火焰特 性时十分重要。下面用特性值α1来给火焰燃烧分类。当 α1=0（没有一次空气，为纯燃气燃烧），由于燃气体积分 数过大，超过了火焰传播的体积分数界限，所以不能形成预 混火焰，只有扩散火焰。当逐渐增大α1（向燃气中混入燃烧 空气，燃气体积分数便随之下降）直到燃气体积分数降到其 火焰传播的体积分数界限值，于是出现了预混火焰面，但由 于α1＜小于1（一次空气量小于理论空气量）燃气不能在内 焰面上燃尽，未燃尽的燃气只能在外焰面上依靠扩散进入的 空气完成燃尽过程，便出现两个火焰面（内焰面与外焰面）； 再进一步增大α1（增加与燃气混合的空气量），发现外焰面 逐渐缩短，直到α1=1（一次空气量完全能满足燃气完全燃 烧所需的空气）时，外焰面消失，只有内焰面；这样，根据 一次空气系数α1这个特性值便可以判断火焰形式。
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第三节 大气式燃烧器的特点及应用范围
大气式燃烧器由于预混了一部分空气，故具有以下特点： （一）优点 1.比自然引风扩散式燃烧器火焰短、火力强、燃烧温度高； 2.可以燃烧不同性质的燃气，燃烧比较完全、燃烧效率高、
烟气中的CO含量比较低； 3.可应用于低压燃气。由于空气依靠燃气吸入，所以不需要
本节主要讨论低压引射式大气燃烧器。 （一）引射器 引射器有三方面作用： 第一、以高能量的气体引射低能量的气体，并使两者混合均
匀。在大气式燃烧器中通常是以燃气从大气中引射空气。 第二、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-空气混合物在火孔出口处获 得必要的速度，以保证燃烧器的稳定工作。
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10.实际烟气总体积
Vf VR02 VH2 0 VN' 2 V02
计算得出实际烟气总体积：18.352NM3/NM3
11.理论燃烧温度计算。设定燃气、空气初始温度为20℃，各燃 气组分的平均定压容积比热查表可得。
计算wk.baidu.com式：
tc
Hl
cg 1.20cH 2Odg tg V0 (ca 1.20cH2Oda )ta
1.多火孔头部。民用燃具大多数使用多火孔头部。多火孔头 部的具体形式很多。
多火孔头部上的火孔也叫燃烧孔，
其形状对燃烧状况影响很大。常用
的有以下几种形状：
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（1）圆火孔。通常用钻头直接钻出，加工方便，应用广泛。 下图中（a）为无凸缘的圆火孔，（b）为有凸缘的圆火孔。 有凸缘的火孔对于二次空气的供给及火孔冷却均比无凸缘的好， 但它较难制造。圆火孔与空气的接触面积比方火孔小，故影响 二次空气的供给。
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二、燃烧器头部
燃烧器头部的作用是将燃气-空气混合物均匀的分布到各火孔 上，并进行稳定和完全的燃烧。为此要求头部各点混合气体 的压力相等，要求二次空气能均匀的畅通到每个火孔上。此 外，头部容积不宜过大，否则熄火噪声过大。
根据用途不同，大气式燃烧器头部可做成多火孔和单火孔两 种。
一、设计热工指标: 额定燃气压力： 天然气H＝2000Pa 额定热水率： G＝8kg/min 额定热效率： η≥88% 烟气卫生指标： COα＝1＜300ppm 一次空气系数： α1＝0.65 过剩空气系数： α＜1.8 其余各项技术指标应符合《家用燃气快速热水器》GB6932
－2001、GB20665-2006的有关规定。 本设计中过程中，计算公式及相应参数选取参照《燃气燃烧与
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以内变化时，μ值变化并不显著。为了便于加工，通常取 β=60°。 μ值随喷嘴直径的增加而增大，此外， μ值还和 喷嘴加工精度及喷嘴前是否有阀门等因素有关。一般 d=1~2.5mm时，这种喷嘴的μ=0.7~0.78；当d＞ 2.5mm时，μ=0.78~0.80。
固定喷嘴结构简单、阻力小，引射空气性能较好，但出口截 面积不能调节，因此，只能适应一种燃气。如果燃气性质改 变，就需要更换喷嘴。
由于两股气流在有限空间内的混合十分复杂，因此，混合管 的长度在很大程度上要根据实验资料来定，通常取 lmix=1~3dt.
5.扩压管。其主要作用是使部分动压变为静压，以提高气体 的压力，其次是使燃气与空气进一步混合均匀。扩压管张角 为6°~ 8°时，阻力损失最小，通常取7 °，在某些情况 下可不用扩压管。
与固定喷嘴相比，可调喷嘴结构复杂，阻力较大，引射空气 的性能较差，但能适应燃气性质的变化。
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2.吸气收缩管。其作用是为了减少空气进入时的阻力损失。 它可以做成流线型或锥形，实验证明，两者阻力相差无几。 为了制造方便，一般可选用锥形收缩管。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，即进口直 径等于2.2dt(dt-喉部直径)。
V c RO2 RO2 VH2OcH2O VN2 cN2 VO2 cO2
经计算理论燃烧温度：1500.7℃。 注：该理论值时在干燃气、干空气、且完全燃烧的条件下产生的。
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四 燃烧器头部计算
1.喷嘴数目：根据设计需要取4个。
2.喷嘴流量：
Lg
I Hl n
实际空气量V=过剩空气系数α*理论空气量V0 计算得出实际空气量：17.37 NM3/NM3。
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5.三原子气体体积
VRO2 VCO2 VSO2 0.01(CO2 CO mCmHn H2S)
计算得出原子气体体积：1.021NM3/NM3。 6.水蒸气体积
V计H2算O 得0.出01水H蒸2 气H体2S积 为：n2 C2m.H0n111N20M(d3g/NV0Mda3)
应用》及附录，以下简称《应用》。
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二、燃气的成分及性质
天然气成分
CH4
燃气容积成分（％）
98
C3H8 0.3
C4H10
C5H12
N2
0.3
0.4
1
分子量M 密度ρ（kg/m3）
16
44
58
72
28
0.7174 2.0102 2.7030 3.4537 1.2504
定压比热Cg （KJ/NM3·K）
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3.一次空气吸入口。设在吸气收缩管上，其开口面积一般为燃烧器火 孔总面积的1.25~2.25倍，吸入口处的空气流速不超过1.5m/s。 一次空气吸入口的开设位置如图所示。
安装喷嘴时，其出口截面积到引射器的喉部应有一定距离，否则将影 响一次空气的吸入。当喉部直径dt＞喷嘴外径时，一般取 l=1.0~1.5dt。
安装喷嘴时，喷嘴中心线与混合管中心线应一致，如不一致，二者有 偏移或有交角对引射一次空气量不利，偏移或交角越大，其影响越大。
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4.混合管。其作用是使燃气与空气进行充分混合，使燃气-空 气混合物在进入扩压管之前，其速度场、浓度场及温度场均 呈均匀分布。实验证明，采用渐缩管有利于截面上速度场的 均匀分布，而不利于浓度场及温度场的均匀分布。采用渐扩 管有利于浓度场及温度场的均匀分布，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、浓度场及温 度场均达到一定程度的均匀分布。在某些情况下也可不用混 合管。
7.理论氮气量 VN 2 0.79V0 0.01N2
计算得出理论氮气量：7.6NM3/NM3 8.实际氮气量
VN' 2 0.79V0 0.01N 2
计算得出实际氮气量：13.7NM3/NM3 9.过剩氧气量
VO2 0.21( 1)V0
计算得出过剩氧气量：1.62NM3/NM3
低热值Hl（KJ/NM3
1.545 2.960 3.710
1.302
35906 93244 123649 156733
高热值Hh（KJ/NM3） 39842 101270 133885 169377
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三、天然气性质计算
1.高低热值H的计算：
H H1r1 H2r2 Hnrn
（2）方火孔（矩形或者梯形火孔）。方火孔如下图所示，有纵 长和横长两种排列方法。方火孔制造工艺要求较高，适用于可 拆卸的（带火盖的）头部。方火孔与二次空气的接触面积较圆
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大，故适用于理论空气量需要量较大的燃气，如液化石油气。
方形火孔图例
（3）条形火孔。条形火孔有纵向和横向两种。下图为横向条 形火孔。在热负荷相同的情况下，布置条形火孔所占的面积比 布置圆形火孔小，因此它适用于燃气量大、加热面小的地方， 条形火孔相当于数个方火孔相连，因此与二次空气的接触较差， 易出现黄焰。
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大气式燃烧器的一次空气系数α1一般取0.45~0.75。根据 燃烧室工作状况的不同，过剩空气系数通常变化在1.3~1.8 范围内。
大气式燃烧器通常是利用燃气引射一次空气，故属于引射式 燃烧器。根据燃气压力的不同，它又可以分为低压引射式与 高压引射式两种。民用燃具均为低压引射式，工业用燃具一 般采用高压引射式。
送风设备； 4.适应性强，可以满足较多工艺需要。 （二）缺点 1.由于只预混了部分空气，而不是全部燃烧所需的空气，故
火孔热强度、燃烧温度虽比自然引风扩散式燃烧器高，但仍 受限制，仍不能满足某些工艺的要求。 2.当负荷较大时，多火孔燃烧器的结构比较笨重。
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第四节 大气式燃烧器的计算
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第三、输送一定的燃气量，以保证燃烧器所需的热负荷。 为了完成上述作用，引射器由以下四部分组成：
1.喷嘴。其作用是输送所要求的燃气量，并将燃气的势能转变 为动能，依靠引射作用引射一定的空气量。
（1）喷嘴流量计算。低压引射大气式燃烧器是在低压下工作， 因此不考虑气体的可压缩性。喷嘴在标准状况下工作，其流量 可按下式计算。
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扩散火焰与预混火焰
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第二节 大气式燃烧器的构造及工作原理
部分预混燃烧方法设计的燃烧器称为大气式燃烧器，其一次空 气系数0＜α1＜1.大气式燃烧器由头部及引射器两部分组成， 如图所示。大气式燃烧器的工作原理是：燃气在一定压力下， 以一定流速从喷嘴喷出，进入吸气收缩段，燃气靠本身的能量 吸入一次空气，在引射器内进行混合，经头部流出，进行燃烧， 形成本生火焰。
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Lg 0.0035d 2
H s
式中Lg 圆形喷嘴的流量（m3 / h）;
喷嘴流量系数，与喷嘴的结构形式，尺寸和
燃气压力有关，用实验方法求的；
d 圆形喷嘴的直径（mm）；
H 燃气压力（Pa）;
s 燃气相对密度（空气 1）。
（2）喷嘴的结构形式，喷嘴分为固定喷嘴和可调节喷嘴两种。 固定喷嘴的出口截面固定不变，其结构形式如图所示。固定喷嘴的流 量系数μ与l/d、喷嘴收缩角β 、喷嘴直径d以及喷嘴前燃气压力H等 因素有关。试验表明，当l/d在0~2的范围内增加时， μ随之增加；当 l/d的超过2时，μ随l/d的增加而减少。最佳l/d随喷嘴前燃气压力的 增加而减少。通常取l/d=1~2。喷嘴收缩角β增大， μ值减小，但β在60°
计算可得该天然气高热值为：40428 KJ/NM3 ，低热值为： 36465 KJ/NM3。
2. 计算平均密度ρ
1r1 2r2 nrn
计算得出平均密度为：0.74 kg/m3。
3.计算理论空气量
V0
1 21
0.5H2
0.5CO
m
n 4
CmHn
1.5H2S
O2
计算得出理论空气量V0：9.65 NM3/NM3。 4.实际空气量V
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（4）带稳焰孔的火孔。下图为带有稳焰孔的火孔，它由主火 孔1及辅助火孔2组成。辅助火孔起稳焰作用，又称稳焰孔。 当燃烧火焰传播速度快的燃气时，主火孔应不回火。辅助火 孔的阻力比主火孔大，当燃烧火焰传播速度小慢的燃气时， 辅助火孔不会脱火，同时所形成的辅助火焰加热了主火焰的 根部，提高了主火焰防止脱火的能力。
第三章 大气式燃烧器
第一节 燃烧方式
一次空气系数α1是燃烧器的一个重要特性值，在分析火焰特 性时十分重要。下面用特性值α1来给火焰燃烧分类。当 α1=0（没有一次空气，为纯燃气燃烧），由于燃气体积分 数过大，超过了火焰传播的体积分数界限，所以不能形成预 混火焰，只有扩散火焰。当逐渐增大α1（向燃气中混入燃烧 空气，燃气体积分数便随之下降）直到燃气体积分数降到其 火焰传播的体积分数界限值，于是出现了预混火焰面，但由 于α1＜小于1（一次空气量小于理论空气量）燃气不能在内 焰面上燃尽，未燃尽的燃气只能在外焰面上依靠扩散进入的 空气完成燃尽过程，便出现两个火焰面（内焰面与外焰面）； 再进一步增大α1（增加与燃气混合的空气量），发现外焰面 逐渐缩短，直到α1=1（一次空气量完全能满足燃气完全燃 烧所需的空气）时，外焰面消失，只有内焰面；这样，根据 一次空气系数α1这个特性值便可以判断火焰形式。
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第三节 大气式燃烧器的特点及应用范围
大气式燃烧器由于预混了一部分空气，故具有以下特点： （一）优点 1.比自然引风扩散式燃烧器火焰短、火力强、燃烧温度高； 2.可以燃烧不同性质的燃气，燃烧比较完全、燃烧效率高、
烟气中的CO含量比较低； 3.可应用于低压燃气。由于空气依靠燃气吸入，所以不需要
本节主要讨论低压引射式大气燃烧器。 （一）引射器 引射器有三方面作用： 第一、以高能量的气体引射低能量的气体，并使两者混合均
匀。在大气式燃烧器中通常是以燃气从大气中引射空气。 第二、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-空气混合物在火孔出口处获 得必要的速度，以保证燃烧器的稳定工作。
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10.实际烟气总体积
Vf VR02 VH2 0 VN' 2 V02
计算得出实际烟气总体积：18.352NM3/NM3
11.理论燃烧温度计算。设定燃气、空气初始温度为20℃，各燃 气组分的平均定压容积比热查表可得。
计算wk.baidu.com式：
tc
Hl
cg 1.20cH 2Odg tg V0 (ca 1.20cH2Oda )ta
1.多火孔头部。民用燃具大多数使用多火孔头部。多火孔头 部的具体形式很多。
多火孔头部上的火孔也叫燃烧孔，
其形状对燃烧状况影响很大。常用
的有以下几种形状：
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（1）圆火孔。通常用钻头直接钻出，加工方便，应用广泛。 下图中（a）为无凸缘的圆火孔，（b）为有凸缘的圆火孔。 有凸缘的火孔对于二次空气的供给及火孔冷却均比无凸缘的好， 但它较难制造。圆火孔与空气的接触面积比方火孔小，故影响 二次空气的供给。
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二、燃烧器头部
燃烧器头部的作用是将燃气-空气混合物均匀的分布到各火孔 上，并进行稳定和完全的燃烧。为此要求头部各点混合气体 的压力相等，要求二次空气能均匀的畅通到每个火孔上。此 外，头部容积不宜过大，否则熄火噪声过大。
根据用途不同，大气式燃烧器头部可做成多火孔和单火孔两 种。
一、设计热工指标: 额定燃气压力： 天然气H＝2000Pa 额定热水率： G＝8kg/min 额定热效率： η≥88% 烟气卫生指标： COα＝1＜300ppm 一次空气系数： α1＝0.65 过剩空气系数： α＜1.8 其余各项技术指标应符合《家用燃气快速热水器》GB6932
－2001、GB20665-2006的有关规定。 本设计中过程中，计算公式及相应参数选取参照《燃气燃烧与
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以内变化时，μ值变化并不显著。为了便于加工，通常取 β=60°。 μ值随喷嘴直径的增加而增大，此外， μ值还和 喷嘴加工精度及喷嘴前是否有阀门等因素有关。一般 d=1~2.5mm时，这种喷嘴的μ=0.7~0.78；当d＞ 2.5mm时，μ=0.78~0.80。
固定喷嘴结构简单、阻力小，引射空气性能较好，但出口截 面积不能调节，因此，只能适应一种燃气。如果燃气性质改 变，就需要更换喷嘴。
由于两股气流在有限空间内的混合十分复杂，因此，混合管 的长度在很大程度上要根据实验资料来定，通常取 lmix=1~3dt.
5.扩压管。其主要作用是使部分动压变为静压，以提高气体 的压力，其次是使燃气与空气进一步混合均匀。扩压管张角 为6°~ 8°时，阻力损失最小，通常取7 °，在某些情况 下可不用扩压管。