建环实验指导书汇总2011.7.7

建筑环境与设备工程专业

实验指导书与习题集

陈婧、唐建峰、朱静、陈振瑜、张树文、李自力、刘杨 等 编写

唐建峰、李玉星、张足斌、张炘 等 审核

中国石油大学（华东）

储运与建筑工程学院 燃气工程系

2011年9月

中国石油大学

燃气实验室安全管理规定

一、实验室防火安全

1. 以防为主，杜绝火灾隐患。了解各类有关易燃易爆物品知识及消防知识。遵守各种防火规则。

2. 在实验室内、过道等处，须经常备有适宜的灭火材料，如消防砂、石棉布、毯子及各类灭火器等。消防砂要保持干燥。

3. 电线及电器设备起火时，必须先切断总电源开头，再用四氯化碳灭火器灭熄，并及时通知供电部门。不许用水或泡沫灭火器来扑灭燃烧的电线电器。 4. 人员衣服着火时，立即用毯子之类物品蒙盖在着火者身上灭火，必要时也可用水扑灭。但不宜慌张跑动，避免使气流流向燃烧的衣服，使火焰增大。 5. 加热试样或实验过程中小范围起火时，应立即用湿石棉布或湿抹布扑灭明火，并拔去电源插头，关闭总电闸、煤气阀。易燃液体的固体（多为有机物）着火时，切不可用水去浇。范围较大的火情，应立即用消防砂、泡沫灭火器或干粉灭火器来扑灭。精密仪器起火，应采用四氯化碳灭火器。实验室起火，不宜用水扑救。

6.个别实验有特殊防火要求时，遵守该实验的特殊规定。

其他注意事项

1．实验台上的玻璃器皿须轻拿轻放，用完后稳放在实验台里侧，以防坠落。 2．燃烧火焰的温度很高，切勿用手或身体接触火焰及有关器件。 3．燃烧完后的喷嘴口、炉子等的温度仍很高，勿碰触，以防烫伤。

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目 录

第一部分 实验指导书 ...................................................................................................................... 1 实验一 燃气相对密度测定 .............................................................................................................. 1 实验二 湿式气体流量计校正 .......................................................................................................... 4 实验三 煤气表校正实验 ................................................................................................................ 6 实验四 燃气热值测定 ...................................................................................................................... 9 实验五 长玻璃管中火焰传播演示 ................................................................................................ 14 实验六 燃气法向火焰传播速度测定 ............................................................................................ 16 实验七 燃气快速热水器热工性能测定 ........................................................................................ 20 实验八 家用燃气灶具性能测定 .................................................................................................... 25 实验九 大气式燃烧器稳定范围 .................................................................................................... 30 实验十 家用液化石油气调压器调压特性 .................................................................................... 37 实验十一 单户燃气供暖系统实验平台研究实验 .................................................................... 45 实验十二 引射器性能研究 ........................................................................................................ 49 实验十三 制冷循环研究 .............................................................................................................. 54 实验十四 “输气管”实验指导书 ................................................................................................ 59

实验1 输气管基本参数对输气量的影响 ............................................................................ 59 实验2 管线泄漏对工况的影响 ............................................................................................ 62 实验3 平均压力的测定 ........................................................................................................ 62 实验十五 “燃气管网”实验指导书 .............................................................................................. 65

实验1 燃气管网水力工况和水力可靠性 ............................................................................ 65 实验2 天然气分配管道计算流量的确定 ............................................................................ 66 第二部分 习 题 ............................................................................................................................ 73

§2.1 “油罐及管道强度设计”习题 ......................................................................................... 73

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第一部分 实验指导书

实验一 燃气相对密度测定

定义：燃气的相对密度是指一定体积干燃气的质量与同温度、同压力下同体积干空气的质量比值，亦称密度之比，无量纲，符号为d。

一、实验目的

利用喷流法测定燃气相对密度。

二、基本原理

在相同的温度、压力条件下，具有相等体积的不同种类的气体，流过相同固定锐孔所需的时间与气体密度的平方成正比。

当压力很小(气体的压缩性可忽略不计时)，气体从锐孔排出的速度W1(m/s)可用下式计算：

2gH r

W1??? (1)

式中：H ——使被测气体排出的压力； g ——重力加速度； r ——气体的比重；

μ——流速系数。

在时间τ内从锐孔流出的气体量(m3)：

2gH r V?W1?f???f??式中：f ——气体流经锐孔的面积； τ ——流出V体积所用时间。

(2)

在H压力作用下，一定量空气体积V从锐孔排出时所需时间τ1；在同一压力H作用下，同样体积V燃气，从图1-1锐孔排出时所用时间τ2，有下列关系式成立：

??f??12gH2gH???f??2rr2r2??2?d???? (3) shr1??1?1

图1-1 西格林气体相对密度计 (图中两条刻度线间距h=0.172m)

三、实验仪器

西格林气体相对密度计，其结构如图1-1。气体相对密度计应用纯度达99.99%的氢与氮进行检验，测出数据与公称相对密度值的相对差值应小于下列数值： 纯气 公称相对密度 允许偏差 氢气 0.0695 3% 氮气

0.967

2%

分度值0.1℃ 分度值0.1 s。

温度计 0～50℃ 秒表：

图1-2 三通旋塞剖面图

实验过程中需重点注意的是三通旋塞的调节，它直接关系到实验数据的准确性。三通旋塞调节示意图如图1-2所示。通过图1-2-1可以看出将三通旋塞调节成此状态即实现测量管与放散阀及大气都相通，调至图1-2-2所示状态即为测量管只与大气连接，调至图1-2-3所示状态即为测量管只与放散阀相通，调至图1-2-4所示状态表明测量管与放散阀和大气都不相通，即处于关闭状态。

四、操作步骤

1. 开启排风扇，保持室内通风，防止燃气泄漏造成人员伤害。

2. 在清洁、明亮并没有辐射源影响的测试环境中，将仪器垂直摆正调平，并向外筒中注入必要数量的水，水温与室温相差不超过0.5℃。

3. 由空气阀将空气注入测量管使内筒的水位降至下部刻度线以下位置，关闭空气阀(图1-2-4)。经5分钟后，水平位置不动，确认仪器不漏气时，即可进行测试。（如果没有空气瓶，可采用提起内筒注入空气的方式充入空气。）

4. 打开旋塞吹洗(图1-2-1)，放出空气后再注入空气，重复3～5次，至确认仪器内充满符合室温并基本达到水蒸气饱和的纯空气时为止（按图1-2-4，静置3分钟）。 5. 打开旋塞(图1-2-2)，使空气自放散阀锐孔流出，记录水位从测量管标示的下线升至上线所需的时间。

6. 再次注入空气，按步骤4重复两次，取其平均值作为τ1。当三次记录的差值与平

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5、 根据标准表的标准状态流量值与被校验表的标准状态下的流量值可以得到被校验表的流量修正系数F

V0 F?VC0因此，校验后使用煤气表测量气体流量就可以直接用测量的流量与修正系数相乘即可:

Vcs0?F?Vcs

式中，F校验表的流量修正系数；Vcs为煤气表测量流量；Vcs0为实际气体流量。

6、测量值相对偏差：

绝对误差： 相对误差： 附表1

姓名： 日期： 指导教师： 环境压力： 环境温度：

煤气表测量体积/m3 编号 1 2 3 4 5 6 附表2

煤气表校正实验数据处理 编号 1 2 3 4 5 6 文丘里测气体密度/kg/m3 煤气表文丘里测量密修正系度Kg/m3 数f1 煤气表修正系数f2 8

煤气表流量kg/s 文丘里测量质量流量kg/s 校正误差% 系数 时间 起始值v1 终了值v2 /s 煤气表表压 /cm水柱 文丘里表压 /cm水柱 文丘里差压 /cm水柱 ?V?V0?VC0

???V V0

实验四 燃气热值测定

一、实验目的及要求

燃气主要用于燃烧加热，因此燃气热值是燃气工程中非常重要的参数。国家有关部门规定城市燃气的热值不得低于14654kJ/Nm3，因此在燃气生产、供应及应用过程中，需要经常测定燃气热值。

测定燃气热值方法有多种，本实验采用水流式热量计测定燃气热值。要求了解水流式热量计的基本构造及工作原理，掌握水流式热量计的正确操作方法，学会分析影响其测量精度的因素。

二、基本原理

在水流式热量计中，用连续流过热量计的水吸收燃气完全燃烧时产生的热量，水吸收热量后温度升高。在稳定工况时，测出相同时间内燃气用量、流过热量计的水量及进、出口水温，即可计算出燃气的高位热值。在测试过程中，还应测出烟气中水蒸气冷凝产生的凝水量，计算出燃气的低位热值。本实验装置适用于采用水流式手动热量计测定城市燃气中人工燃气和天然气的热值。

三、仪器设备及测试系统

（一）仪器设备

1. 水流式热量计（容克式）；

2. 湿式气体流量计：测燃气量，分度值≤0.02L；

3. 水银温度计：测水温度，量程0～50℃，分度值≤0.1℃；其他温度计，量程为0～50℃，分度值≤0.5℃。

4. 空气加湿器、燃气加湿器；

5. 电子天平（或天平）：称量水重，最大负荷10kg、分度值≤5g； 6. 大气压力计：分度值必须≤10Pa； 7. 盛水器：容积5～10L；

8. 凝水量筒：容量20ml、分度值≤0.5ml； 9. 燃气压力计：分度值≤1mm； 10. 秒表：分度值必须≤0.1s； 11. 水箱：容积≥300L；

12. 校正湿式气体流量计的标准容量瓶，其容量应与流量计指针转一周读数相等；

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（二）测试系统 图4-1 水流式热量计测试系统 1-燃气初次调压器；2-燃气湿润器；3-湿式气体流量计；4-燃气温度计；5-燃气压力计； 6-燃气稳压器； 7-空气湿润器；8-热量计本体； 9-水桶； 10-秤； 11-凝水量筒； 12-自来水入口； 13-溢流管； 14-恒压水箱； 15-热量计进、出水温度计

测试系统见图4-1。燃气经过压力调节器调整到额定压力，经燃气加湿器进行加湿，在通过湿式气体流量计时，测量燃气压力、温度、流量，然后进入本生灯与空气进行混合后燃烧。烟气与热量计中水进行热交换，降温后排出。

水从自来水管进入水箱，稳压后流入热量计的恒位水箱，再通过进水调节阀调整水量后，进入热量计内，多余水经溢流管流入下水道。进入热量计的水与燃气燃烧产生的烟气进行热交换后，流入盛容器（在测试准备阶段流入下水道）。

空气经过空气加湿器进行加湿，相对湿度控制在80±5%。相对湿度通过加湿器上的干、湿球温度计测量（查附表一），通过加湿器上的调节阀门进行调节。加湿后的空气进入本生灯，与燃气进行燃烧。

四、操作步骤

1、准备

(1) 开启排风扇，保持室内通风，防止燃气泄漏造成对人员的危害；

(2) 用标准量瓶校正湿式气体流量计得出流量计校正系数f1(参见本实验指导书的实验

二)。湿式气体流量计中的水温与室温相差应不大于0.5℃。

(3) 根据所测燃气的大致热值范围选择适当的本生灯喷嘴，其尺寸可参考下列数据： 高位热值（MJ/Nm3） 喷嘴直径（mm） 12.6～16.7 2.5 16.7～37.7 2.0

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37.7～46.0 1.5 46.0～62.8 1.0

(4) 安装水流式热量计测试系统：安装热量计、湿式气体流量计、温度计等。 (5) 打开进水阀门，向热量计内注水。此时热量计的出水口切换阀应指向排水口。进

入热量计的水温应低于室温1.2~2.5℃，每次测试的进水温度波动必须小于0.1℃。 (6) 调节空气加湿器，使空气的相对湿度为80±5%。

(7) 检查燃气系统的气密性。要求在工作压力下，5分钟压力不下降。

(8) 排除燃气系统内的空气，点燃本生灯，调节燃气压力达到规定值，调节风板使火

焰具有清晰的内焰并且稳定燃烧。

(9) 将点燃的本生灯装入热量计内，确保本生灯稳定放在热量计的规定位置上。 (10) 调节进水调节阀，使热量计的出、进口水温差为8~12℃。

(11) 调节烟气阀门，使排烟温度与室内温度相差0～0.2℃，以免烟气带走热量。 (12) 运行30分钟后，待进出口水温稳定后（一般要求变化不超过0.5℃），并且冷凝水

均匀滴出后，方可进行测定。 2、 测定

(1) 测出盛水器净重，要求读到克。

(2) 当湿式气体流量计指针指零时，记录该值V1’（填入附表4-1中），并将凝水量筒放

在热量计的凝水出口下，开始进行测定。

(3) 当湿式气体流量计指针指向某预定值V1时，迅速旋转热量计的出水切换阀，使水流

入盛水器内，读取进水温度（精确到0.01℃）。以后，每当湿式气体流量计转过一定体积后（如0.5L），交替地读取进、出口水温度（精确到0.01℃），要求读出并记录10次以上进出口水温（t1和t2）。

(4) 测定过程持续一定时间后（如燃气用量为10L），迅速将出水切换阀转回测定前位置，

记录燃气用量V2。 (5) 称量流过热量计的水量W。

(6) 重复上述3~5项操作步骤，进行第二次测定，并记录下相应的W、V及t1、t2。 (7) 当湿式气体流量计指针指向某预定终了值V2’时，迅速取出凝水量筒。记录下燃气

用量V’及凝水量w。

(8) 关闭燃气，最后关闭进水阀门，结束测定。 (9) 在测试过程中应测以下参数：

大气压力 读到134Pa 环境温度 读到0.5℃ 气体流量计上压力 读到10Pa

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气体流量计上的温度 读到0.5℃ 排烟温度 读到0.5℃

五、结果计算

1、 体积修正系数计算

燃气体积换算为标准状态下的体积的换算系数为：

P?P?P??T?F?ags0T?Pa0?f1?Pa?Pg?Ps101325?273.15?f1273.15?tg

式中： F——燃气体积修正系数；

Pa——大气压力（Pa）；

Pg——气体压力（Pa）；

Ps——tg温度下的饱和蒸汽压（Pa），查附表二； tg——燃气温度（℃）； f1 ——流量计校正系数。 2、燃气高位热值计算：

QGW?W?c?(t2?t1)F?V?f2式中： QGW——燃气高位热值（kJ/Nm3）； W——水量（g）；

c——水的比热（4.1868kJ/kg℃）； t1、t2——平均进出口水温（℃）； V——燃气用量（L）； f 2——热量计修正系数。

两次测定燃气高位热值的平均值为：

QGW?QGW1?QGW22QGW1?QGW2?100%QGW高位发热量差值?当差值超过1%时，应重新测定。

3、燃气低位热值计算：

QDW?QGW?w?q?103F?V式中：QDW——燃气的低位热值，kJ/m3； w——冷凝水量，g；

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q——冷凝水汽化潜热，2.512kJ/g； V’——与w对应的燃气用量，L。

六、思考题

1、 影响燃气热值测定准确性的主要因素是什么？ 2、 为什么冷凝水滴出后方可开始测定？ 3、 为什么要将燃气和空气都加水饱和？

附表4-1 城市燃气热值测试记录表

测试日期： 年 月 日 测试人员：

燃气种类 燃气温度（℃） 干球温度（℃） 大气压力（Pa） 燃气压力（Pa） 湿球温度（℃） 热量计修正系数f2 室内温度（℃） 排烟温度（℃） 相对湿度（%） 体积修整系数F 凝水重w（g） 进口水温t1 出口水温t2 进口水温t1 出口水温t2 流量计校正系数f1 流量计示值V1’(L) 凝水量筒重（g） 燃气示值V1（L） 燃气示值V2（L） 盛水器净重（g） 盛水器加水重（g） 水重W（g） 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均值 平均温差t2-t1（℃） 高位热值平均值（kJ/m3） 流量计示值V2’(L) 凝水加量筒重（g） 第一组测试 燃气用量V’（L） 第二组测试 燃气高位热值QGW（kJ/m3） 燃气低位热值QDW（kJ/m3） 13

实验五 长玻璃管中火焰传播演示

一、实验目的

观察火焰焰面在长玻璃管内静止的燃气-空气混合物中的传播情况，包括火焰焰面形状、焰面的运动速度，从而增强对火焰传播的认识。利用该实验还可以观察火焰的稳定、回火、脱火、熄火等现象。

二、实验原理及实验装置

在静止的燃气-空气混合物中，火焰的热量不断地传给未燃的混合气体，使其温度上升而着火燃烧，焰面向可燃气体混合物方向运动。 实验装置见图5-1。 气源可以是液化石油气或其他可燃气体。空气可由压缩机供给，也可以用风机。在长玻璃管内放置铜丝网，其作用是防止回火。

火焰焰面三、实验方法及步骤

（一）实验准备，按要

图5-1 火焰传播演示装置 1-长玻璃管；2-铜丝网；3-混合气体调节阀；4-混气装置；

5-燃气阀；6-燃气气源；7-空气阀；8-空气气源

求连接好实验装置，向混合装置中灌适量水（以下部刻度线为准），打开排烟气系统。

（二）静止燃气-空气混合物中的火焰传播

先打开燃气阀，后打开空气阀少许，使混合气体充满玻璃管。关闭阀门，然后在点火端点燃，观察火焰焰面及其传播情况。

（三）火焰的稳定、回火、脱火

先打开燃气阀，后打开空气阀少许，使混合气体充满玻璃管。然后在点火端点燃，待管内出现火焰前峰停止点火，改变空气阀门大小调节一次空气系数，使火焰峰面清晰。调节混合气调节阀门，以改变玻璃管中混合气的速度。

1. 观察火焰稳定情况

调节混合气调节阀门，使气体速度W等于火焰传播速度μ（W=μ），则火焰基本上稳定在管内的某一位置，火焰稳定。此时观察火焰前峰情况：它的色泽同本生灯上的小火焰锥色泽相同，为蓝色，前峰面厚度极薄。前峰面悬于管中不与管壁接触。

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2. 观察回火情况

调节混合气调节阀，降低气流速度W，使之小于火焰传播速度μ（W<μ），火焰前峰将以（μ-W）的相对速度向上游传播。直至铜丝网处。可以在火焰快到末端时打开末端的橡皮塞，能够听见“嘭”的爆炸声。

3. 观察火焰吹熄情况（脱火）

调节混合气调节阀，加大混合气体流速W，使之大于火焰传播速度μ（W>μ），火焰前峰将以相对速度（W-μ）吹向下游，直到推出管口形成脱火最后被吹熄。

四、思考题

1. 分析火焰前锋面倾斜且成球面状的原因？

2. 若用此方法测出火焰传播速度，其数值与法向火焰传播速度有什么区别？ 3. 实验中燃气和空气的比例是多少？怎么做才能观察到理想的实验现象？

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实验六 燃气法向火焰传播速度测定

一、实验目的及要求

火焰传播速度(又称燃烧速度)是燃气燃烧的重要特性之一。它影响火焰的稳定性，是燃气燃烧器和燃烧设备设计的主要依据，也是判定燃气互换性的基本参数。

本实验采用本生火焰法测定燃气的法向火焰传播速度。要求掌握测定原理、测定方法，了解测定的操作过程和所需的仪器设备。

二、基本原理

火焰前沿焰面沿其法线方向朝邻近未燃气体移动的速度称作法向火焰传播速度。法向火焰传播速度仅与可燃混合气体的物理化学性质有关，决定法向火焰传播速度值的基本量有：燃气成分、可燃混合气体的预热温度以及燃气与氧化剂混合浓度。

利用本生火焰法测定法向火焰传播速度是一种应用广泛而且较为完善的方法。本生火焰有内焰和外焰两部分组成。当燃烧稳定时，内焰是静止的火焰面，焰面上任意点的法向火焰传播速

图6-1 本生火焰 1-内焰；2-外焰 度Sn与该点的气流速度对焰面的法向分量Vn相等。因此，测出Vn即可得到Sn。

实际上内焰并非是一个几何正锥体，焰面各点上的Sn也并不相等。但为了得到比较简单的计算公式，可假定焰面上Sn值不变，内焰为几何正锥体，

Sn?Vn?V?cos?rcos??h2?r2Lg?LaLV??2??r??r2将(2)、(3)代入(1)得：

(1)(2)(3)Sn?Lg?La??r?h?r22?Lg?(1???V0)??r?h?r22(4)根据上式测出混合气体流量L、火焰高度h和管口半径r，便可求出法向火焰传播速度。

三、仪器设备

燃烧管：用来混合燃气和空气，并使燃气在管口处燃烧；

测高仪：放大倍数12X；有效工作距离1~4m；最小读数值0.02mm； 湿式气体流量计：2台；分别测定燃气和空气流量；

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空气泵：供给燃烧所需的空气； 游标卡尺：用于测定燃烧管的管口内径；

成分分析仪（或热量计）：用于测定燃气的成分组成。

四、测量系统 燃气空气 图6-2 火焰传播速度测试系统 1-燃气阀；2-湿式气体流量计；3-燃烧管；4-空气阀；5-测高仪；6-成分分析仪或热量计 测量系统见图6-2，燃气与空气分别经湿式气体流量计进入燃烧管，根据燃气与空气的流量以及燃气的理论空气量可以算出一次空气系数α。可调节空气阀或燃气阀得到不同的α值。

五、测试步骤

1、准备工作

(1) 开启排风扇，保持室内通风，防止燃气泄漏造成人员伤害； (2) 校正空气和燃气的流量计，见本指导书的实验二、三。 (3) 按测试系统图连接仪器设备。

(4) 进行气密性实验：打开气源阀门，关闭燃烧管上燃气阀门，要求5分钟流量计指

针不动。

2、测量方法

(1) 用卡尺测量燃烧管的管口内半径r，单位以毫米计； (2) 先打开燃气阀，点燃火焰，这时呈扩散式燃烧；

(3) 慢慢开启空气泵调节阀，送入空气。当出现火焰内锥时，即可测量燃气及空气的

流量，同时记录燃气及空气流量计上的压力和温度； (4) 用测高仪测得火焰内锥高度h，单位以毫米计；

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3．测量室温及室内大气压力；

4．首先打开实验室排烟气系统，检查各个管路连接状况无误后，将自动巡检仪接上电源，效率分析仪接入测试系统，接入后即可打开进行预热；

5. 打开热水器进水总阀门及水气联动阀到最大，点燃热水器使之正常燃烧。再调节进水阀门使进水压力为额定压力；

6．把燃气压力调至额定压力并记下压力值；

7．转动水温调节阀，使热水温度控制在比进水初温高25℃左右； 8．观察进、出口温度，在温度变化不大且较稳定后开始测试； 9．等湿式燃气表指向一整数时开始计时，分别记录巡检仪读数；

10．在秒表指针到1分钟时，记下燃气流量计的数值，并同时记下体积(测试时间也可以大于1分钟，但最好取1分钟的倍数)；

11．将效率分析仪采样器插入烟道中，进行烟气分析，分别记录烟气温度，CO、O2、CO2含量及燃烧效率。

12．重复上述过程，进行第二次实验。

五、实验数据处理

1．数据记录及计算(见附表7-1) 2．计算体积折算系数F 3．实验误差 (1) 热负荷偏差

热负荷偏差 = (实测热负荷-设计热负荷)/设计热负荷×100% (2) 热效率

要求：热效率 η≥80% (3) 实测热水产率与设计值比率

要求：比率 = (实测值-设计值)/设计值 ≥90% 当误差大于此判定值时，实验应重做。

六、思考题

1、试分析测试快速热水器热负荷、热效率及热水产率的影响因素。 2、分析所测试的快速热水器有什么缺陷？请提出你的建议或改进方法。

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附表7-1 数据记录及计算表

姓名：

日期： 指导教师： F= 项 目 测试时间τ (s) 流量计初读数V1 (m3) 流量计终读数V2 (m3) 热负荷I (kW) 热 效 率 热水 产率 热水重量G (kg) 平均温升△t (℃) 热效率η (%) 热水体积M (L) 热水产率ɡ (L/min) 燃气热值(MJ/Nm3) 燃气温度(℃) 室内温度(℃) 燃气表校正系数 额定热水产率(L/min) 第一次 第二次 f= 平均值 燃气种类 燃气压力(Pa) 大气压力(Pa) 体积折算系数 进水压力(MPa) 热 负 荷

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实验八 家用燃气灶具性能测定

一、实验目的及要求

热流量(热负荷)、热效率及烟气中一氧化碳含量是评价家用燃气灶具性能的重要指标。热流量反映了灶具的加热能力，热效率反映了热量的有效利用率，烟气中一氧化碳含量既反映烟气不完全燃烧程度，同时也反映了烟气对人体的危害程度。通过本实验测定家用燃气灶具的热流量、热效率及烟气中一氧化碳含量，并根据国家标准对各项性能予以判定。

要求掌握燃气灶具主要性能测定的方法，了解国家标准对各项性能的要求。

二、基本原理

1. 热流量(热负荷)

单位时间内，进入燃烧设备的燃气燃烧所放出的热量称为热流量(热负荷)。热流量等于燃气消耗量与燃气低位热值的乘积。由于实际燃气消耗量受压力、温度、相对密度及大气条件的影响，必须进行折算。测定方法如下：

在燃气灶具点燃15min后，测定湿试验气的消耗量qv，测定时间应大于1min，重复测定两次以上，读数误差小于2%时，按下式计算燃气折算消耗量：

(Pa?Pg)?(1?qvs?qv?0.644)?Pvdmg101.3?273101.3?Pgdmg??273?t101.3dsg(1)式中：qvs——在标准大气条件下，灶前燃气压力为Pg、试验气相对密度为dmg、折算为

相对密度为dsg的干设计气的燃气消耗量，m3/h (101.3Kpa，0℃)；

qv——实验时湿试验气的消耗量，m3/h (Pamb+Pg，t℃)； Pa——实验时的大气压力，kPa；

Pg——实验时通入燃气流量计的试验气压力，kPa； t——实验时通入燃气流量计的试验气温度，℃； Pv——在温度为t℃时饱和水蒸气的压力，kPa； dmg——标准条件下干试验气的相对密度； dsg——标准条件下干设计气的相对密度； 0.644——标准条件下水蒸气的相对密度。

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(Pa?Pg)?(1?令F?0.644)?Pvdmg101.3?273101.3?Pgdmg??273?t101.3dsg在求得燃气折算消耗量后，按下式计算热流量：

??qvs?Qis式中：Φ——在标准大气条件下、灶前压力为Pg时的折算热流量，MJ/h；

Qis——设计时采用的基准干燃气的低位热值，MJ/Nm3。 按下式计算燃具的热流量偏差：

热流量偏差?折算实验热流量?标准额定热流量标准额定热流量?100%(2)(3)国家标准《家用燃气灶具》GB16410-1996中对热流量的性能要求：总额定热流量精度应＜±10%；每个燃烧器额定热流量精度应＜±10%；总热流量与每个燃烧器热流量总和之比应＞85%以上。

2. 热效率

热效率是指有效利用热量占供给热量的百分比。它表示热能的有效利用率。反映了燃烧与传热的综合效果。

家用燃气灶具热效率的测定方法如下：

首先将试验家用燃气灶按图8-1所示方法连接，用日用铝锅称取一定量的水(锅的直径和加水量参考表8-1选择)。

图8-1 (4)热效率实验装置 1-阀门；2-湿式气体流量计；3-温度计；4-U型压力计； 5-家用燃气灶；6铝锅；7-精密温度计；8-搅拌器 将燃烧器点燃，并将燃气压力调整到额定压力。燃烧稳定后，将锅放在燃烧器上，水初温应取室温加5℃，水终温应取水初温加50℃，初温和终温前5℃均应开始搅拌。测定过程中用湿式气体流量计计量燃气用量。

热效率计算公式为：

??m?c?(t2?t1)?100%

Qis??V (4)

式中：η——热效率，%；

C——水的比热，0.0042MJ/kg·℃(或1kCal/kg·℃)； t1、t2——初始、终了水温，℃； m——加热水量，kg；

Qis——燃气低热值，MJ/m3(或kCal/m3)；

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ΔV——燃气耗量，m3(干·0℃、101.3kPa)。

同样条件的热效率试验应进行两次，取其平均值。当大值与小值的差与平均值之比大于5%时，应再重复试验，直到合格为止。

国家标准《家用燃气灶具》GB16410-1996中对热效率的性能要求：＞55%以上。

表1 试验用锅和加水量的选择

额定热负荷kW(kCal/h) 1.10(950) 1.40(1200) 1.72(1480) 2.08(1790) 2.48(2130) 2.91(2500) 3.36(2890) 3.86(3320) 4.40(3780) 4.95(4260) 5.56(4780) 铝锅直径(cm) 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 加热水量(kg) 1.5 2 3 4 5 6 8 10 12 14 16 3. 烟气中一氧化碳含量

用相应的取样器抽取烟气，利用气体分析仪测定烟气中一氧化碳含量。由于抽取烟气时，会有空气混入烟气中，因而造成所测得的一氧化碳值低于实际烟气中一氧化碳值。为了排除这一影响，需要将测得的一氧化碳值换算为过剩空气系数α=1时，烟气中一氧化碳含量。因此，在测定烟气样中的一氧化碳含量的同时，还应测定其氧含量(在抽取的烟气样中，氧含量不得超过14%)。测定烟气样中一氧化碳含量和氧含量后，按下式计算过剩空气系数α=1时，烟气中一氧化碳含量：

CO'?CO\(CO??1?1?O2)20.9O220.9式中：COα=1——过剩空气系数α=1时干烟气样中的一氧化碳含量，%；

CO′——干烟气样中一氧化碳含量，%； CO″——室内空气中一氧化碳含量，%； O2——干烟气中氧含量，%。

三、测量仪器及系统

1. 精密水银温度计两支：0～50℃；50～100℃，最小刻度0.1℃；

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2. 天平一架：最大量程10kg，最小分度值5g； 3. 家用燃气灶具一台； 5. 秒表一块； 7. 效率分析仪一台； 9. 湿式气体流量计一台；

4. 铝锅一套； 6. U型压力计一支； 8. 取样环、搅拌器各一套；

四、实验步骤

1、实验室条件要求：

温度：25~40℃，允许实验室温度波动±5℃；在同一次测试过程中周围环境温度的波动不得大于±3℃；

湿度：室内空气中湿度应控制在65±20%范围内； 室内气流速度：≤0.5 m/s； 大气压力：60～106.7 kPa； 一氧化碳含量：＜0.002%； 二氧化碳含量：＜0.2%。

1、开启排风扇，保持室内通风，防止燃气泄漏造成人员伤害； 2、点燃灶具，调整灶前压力到额定压力；

5、把装有水、温度计及搅拌器的铝锅放在点燃的灶具上，要求中心对准燃烧器头部中心，不要偏放。烟气取样环要摆平；

6、启动燃烧效率分析仪，调整好仪器并接通取样环取样分析；

7、观察铝锅上的0～50℃温度计，当水温等于室温t1时开始搅拌，至t1+4℃时开始0.1℃间隔报数。记时及读表的同学开始准备，当水温升至t1+5℃时，记下燃气表上初读数V1，并同时启动秒表记时。

8、当燃烧效率分析仪的氧、一氧化碳示值稳定时，记录烟气中氧含量O2′和一氧化碳含量CO′；更换50～100℃温度计。

9、当水温升至t1+45℃时开始搅拌；升至t1+49℃时开始0.1℃间隔报数，升至t1+50℃时，记下燃气表中读数V2并同时停止秒表记时，记下测试时间τ。 10、重复上述过程，进行第二次试验。

3、测量、计算热负荷大概值，按表选择铝锅直径和称水量；架好取样环；

五、实验数据处理

1．数据记录及计算(下表) 2．计算体积折算系数F 3．实验误差

(1)热效率误差 要求：热效率 η≥80%

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(2)热负荷误差 要求：比率 = (实测值-设计值)/设计值 ≥90%

当误差大于此判定值时，实验应重做。

六、思考题

1. 分析影响热负荷、热效率及一氧化碳含量的测定因素，提出改进办法。

2. 你所测试的燃气灶具有什么优、缺点？试提出改进办法。

附表8-1 数据记录及计算表

姓名：

日期： 指导教师： 第一次值 燃气热值(MJ/Nm3) 燃气温度(℃) 室内温度(℃) 燃气表校正系数 第二次值 f= 平均值 燃气种类 燃气压力(Pa) 大气压力(Pa) 体积折算系数 F= 热负荷 项 目 测试时间τ (s) 流量计初读数V1 (m3) 流量计终读数V2 (m3) 热负荷I (kw) 锅直径 (cm) 热热水重量G (kg) 效水初温t1 (℃) 率 水终温t2 (℃) 热效率η (%) 一烟气中O2含量 (%) 氧烟气中CO含量 (%) 化COα=1 (%) 碳 29

实验九 大气式燃烧器稳定范围

一、 实验目的及要求

引射式大气式燃烧器是一种利用燃气的压力吸入一部分空气预先混合、然后送至燃烧火孔处去燃烧的燃烧器。大气式燃烧器的稳定工作范围决定了燃烧器正常工作的运行区间，是指导燃烧器稳定工作的依据。

本节采用一定的实验方法测定大气式燃烧器的稳定工作范围。要求理解离焰、回火、黄焰等基本概念，能够正确测定燃烧器的离焰、回火、黄焰及CO的界限流速曲线，从而确定出其稳定工作范围。

二、基本原理

燃气与一次空气混合物自燃烧火孔流出点燃后，即产生一个双层的大气式火焰(内焰、外焰)，一次空气系数α在0.40~0.75之间。

1．离焰与回火

当燃气与一次空气的混合气流在燃烧火孔出口处的速度增加时，火焰高度随之增大。当混合气流速度大到一定程度后，火焰开始离开燃烧火孔，即发生离焰现象如图 9-1 。

图9-1 离焰现象

(a)离焰前稳定状态 (b)离焰状态

此时燃烧火孔出口处混合气流速度称为离焰界限流速。离焰时，有部分燃气未燃烧而流出，所以它不属于稳定工作范围，是正常工作所不能允许的。

逐渐减小燃烧火孔出口处的混合气流速度，火焰高度也慢慢降低。当混合气流速度小到一定程度后，火焰窜入燃烧火孔，即发生回火现象。此时燃烧火孔出口处混合气流速度称为回火界限流速。回火时，有大量未完全燃烧产物，亦属于不稳定工作范围。

2．黄焰(或光焰)

逐渐减小一次空气时(α值逐渐减小)，火焰变软并加长。当达到一定界限值时，火焰的局部会发生黄焰(通常在焰尖上发生)，甚至会产生游离碳，说明有燃烧不完全的现象。此现象称为黄焰，也属于不稳定工作

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图9-2 燃烧器燃烧稳定曲线图

状态，为正常工作所不允许(工业炉中特殊要求除外)。产生黄焰时的燃烧火孔出口处混合气流速度称为黄焰界限流速。

3．CO含量标准

对于大气式火焰，一般以烟气中CO含量值(COα=1)来评价其卫生标准。改变燃烧火孔出口处气流速度时，会使烟气中CO含量改变。当COα=1达到标准值时的燃烧火孔出口处混合气流速度，称为CO界限流速。当然超过CO标准值时，也是正常稳定工作所不允许的。

4．大气式燃烧器的稳定工作曲线

离焰、回火、黄焰及CO界限流速值受一次空气系数α的影响。对于某一种燃烧器，燃烧某种固定的燃气时，以α为横坐标、燃烧火孔出口处混合气流速度W0为纵坐标，可以通过实验测出离焰、回火、黄焰及CO的界限流速曲线(图9-2的1、2、3及4)，这四条曲线所包围的区域即为稳定工作区。此曲线图称为该燃烧器燃烧某种固定燃气的稳定曲线图。当燃气性质及混合气流的温度改变时，稳定曲线要改变；当燃烧器结构型式及尺寸改变时，也要影响稳定曲线。

为了设计、计算方便，常用燃烧火孔热强度来代替燃烧火孔出口处的混合气流速度，它们之间的关系为：

Rq?QDW0

278(1??)3.6I F0 (1)

Rq? (2)

式中：Rq——燃烧火孔热强度(kJ/mm2·h)；

W0——燃烧火孔出口处混合气流速度(Nm3/s)； QD——燃气低位发热量(kJ/Nm3) α——一次空气系数；

V0——理论空气需要量(Nm3/Nm3)； F0——燃烧火孔总面积(mm2)； I——燃烧器热负荷(kW)。

稳定曲线是设计工作所依据的基本参数，测试时要有足够精确度，并且在绘出稳定曲线后，必须要注明燃气成分、燃烧器的火孔型式和尺寸、燃烧器的火孔间距、以及混合气流温度等条件因素。

三、测试系统

测试稳定曲线的方法很多，图9-3是民用大气式燃烧器稳定曲线的测试系统图。 燃气经过干燥器后，通过调压器分为两路：一路去热量计、比重计及燃气成分分

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析仪，用来测定燃气性质；另一路接到本实验装置，经过转子流量计，进入燃烧器。

在实验时应对环境温度、大气压力、燃气热值、相对密度或燃气成分进行分析。如对学生进行教学实验，可以由教师预先测试后给出。

空气依靠空气泵供给，经过干燥器及流量计，进入燃烧器。

燃气与空气在燃烧器中混合后，自燃烧火孔流出，并被点燃，调节燃气与空气的流量与比例，即可测出各条界限流速曲线。

在燃烧器上安置装有水的铝锅，按照《家庭炊事灶测试方法》抽取烟气样，并进行烟气分析。铝锅底距燃烧器的距离，要保持使火焰尖刚好扫到锅底。烟气分析采用燃烧效率分析仪，以便进行连续烟气自动分析。

热电偶温度计是为了监测混合气流在燃烧器头部的温度，以保证各测试结果均在同一温度条件下。在燃烧器喉部处加金属网，可防止火焰回窜。

巡检仪各通道号：CH1——测头部混合气流温度；CH2——燃气压力；CH3——空气压力；CH4——燃气压力

接燃气分析仪O分析仪燃烧器过滤器空气泵

9-3 大气式燃烧器稳定范围实验系统图

四、实验准备工作

1．准备及校正仪器、仪表

(1) 转子流量计 因为离焰与回火都处于不稳定状态，采用转子流量计可以读出燃气与空气的瞬时流量，可以提高精度与节省时间。因为转子流量计的量程范围小，所以在测回火界限流速时，使用小型的转子流量计。

(2) 热电偶温度计 测头部混合气流温度可以采用镍铬-康铜热电偶温度计。在安装时，热端可采用小型的防辐射罩。

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