燃气调压器的工作原理

燃气调压器的工作原理
随着我国厨房用火文明程度的不断提高，作为三大气体燃料之一的液化石油气，由于热效率高、使用方便等特点，正在越来越多地进入千家万户．
调压器，又称减压器．它是液化石油气安全燃烧的一个重要部件，连通在钢瓶和炉具之间．调压器不仅能把瓶内的高压石油气变为低压石油气（从980千Pa 降至100千Pa左右），还能把低压气，稳定在适合炉具安全燃烧的压强范围内．即做到经它输出的石油气，在炉具火孔处的气压，随地随时地比外界大气压值大2940Pa左右，因此实际上调压器是一种自动稳压装置．人们习惯地把它称为减压器，是只注意到了它降压的功能，而忽视了它稳压的本领．调压器整个设计之巧妙精细，正是表现在它的稳压本领方面，本文拟在这方面作详尽的说明．
调压器主要由手轮、进气管、上阀盖、下阀盖、橡皮膜、进气喷嘴、阀垫、一个小杠杆、出气管等零部件组成．
调压器中间是一块圆形的橡皮膜，它把调压器分为上下两个气室．上气室内有一弹簧，上端连着调节螺盖，下端连着橡皮膜．在上阀盖边沿处有一个直径为0.8毫m的小孔，使上气室与外界相通，此孔形象地称为呼吸孔．下气室中有一个精黄铜制成的杠杆，总长为5cm左右，转动性能非常灵敏．杠杆右端与橡皮膜中心连接在一起，左端粘着阀垫，紧扣在进气喷嘴上，对喷出的高压石油气产生阻尼作用．此杠杆左右两端离支点距离为左短右长，是不等臂杠杆．其表现特点为：对杠杆右端作用力的微小变化，势必使杠杆左端的作用力产生一个较大的变化．在原理上讲，实现了对力的放大；在效果上讲，增加了对高压气的阻尼作用．
为了更清楚地阐明调压器的工作原理，有必要弄清楚这个问题：气体安全燃烧应具备什么条件？
固体燃料要安全燃烧，要具备两个条件：一是适量的助燃气体（空气或氧气），二是燃烧物质保持一定的温度（通常高于着火点）．固体燃烧时，已燃部分对未燃部分的传热方式是传导和辐射，燃烧方向是由外向其中心发展．固体燃烧时发生热膨胀，体积变大，但变化不大，其位移几乎为零．气体燃烧时，已燃部分对未燃部分的传热方式，除了传导和辐射外，增加了对流方式，燃烧方向是由中心向外发展．气体燃烧时发生剧烈热膨胀，其生成物的体积为燃烧前体积数百千倍，并以较快速度发生位移①．因此仅满足上述的两个条件，是无法使气体安全燃烧的．
现代燃烧理论告诉我们，气体安全燃烧还必须具备第三个条件，即维护一定大小的气压差，使燃气的出气速度等于燃烧速度．只有这样，在一定范围内达到动态平衡，火焰就能维持稳定状态，从而实现气体的安全燃烧．若出气压强过大，就会使出气速度大于燃烧速度，造成火焰离开火孔一定距离燃烧，此现象术语叫做离焰．若燃气压强继续上升，火焰将离火孔更远处燃烧，火焰的稳定性②遭到进一步破坏，火焰飘忽不定，直至最后完全熄灭，这种现象叫做脱火．脱火时，燃气会继续外泄，在空气中形成大量的有毒气体或爆炸性气体，极易引发事故；若燃气压强过小，会使燃烧速度大于出气速度，造成火焰会进入火孔继续燃烧，这现象叫做回火．回火时，形成缺氧状态的不完全燃烧，产生大量有毒气体，还会向外溢出石油气，也极易引发事故．
经工程技术人员大量实验，不仅证实了气体安全燃烧要维持一定气压差，而且还证实了不同成份的气体，安全燃烧所需要的气压差并不相同．例如：人工煤气，80—100mm水柱；液化石油气，250—350mm水柱．前文提到的2940Pa正是这两个数值的平均值．
让我们回到调压器原理上来．当我们打开钢瓶上的角阀（即通气开关）时，高压石油气通过进气管冲开阀垫进入下气室，随着下气室气体的增多，下气室压强就会升高，逼使橡皮膜向上凸起．上气室体积逐步变小，当上气室压强大于大气压时，室内空气从呼吸孔缓慢排出，完成了调压器一次呼气过程．在这一过程中，杠杆右端上移，左端则下压，使进气喷嘴逐步关闭，停止供气，使下气室压强不再上升．
当打开燃气炉开关后，由于燃气向外输出，下气室压强变小，橡皮膜下凹，带动杠杆右端下移左端上动，阀垫开启，高压石油气进入下气室．在这一过程中，上气室体积逐渐变大，当它的压强小于外界大气压时，空气从外经呼吸孔进入上气室，完成了调压器一次吸气过程．
因此，在炉具燃烧过程中，橡皮膜不停地上凸下凹，阀垫由杠杆带动，也随着不断关闭开启．在整个动态变化中，我们只要保证调压器中的杠杆，它左、右两力臂（注意左短右长的特点）之长，有一个合理的比例，加上橡皮膜与弹簧对杠杆右端，施加一个大小适当的合力，就能让阀垫开启时间远小于关闭时间，并让这两段时间有一个恰当的比值．这个恰当比值，就保证了下气室的气压，始终比上气室大2940Pa左右．对于上气室气压来讲，可近似地认为就是当时外界的大气压值③．这样就使燃气离开火孔处的压强，永远比大气压值大2940Pa左右，燃气在稳定状态下燃烧．这是调压器设计上的第一个精妙之处．
第二个精妙之处，表现在呼吸孔的设计上，是那样独具匠心．一是呼吸孔为什么开钻在上阀盖的边沿上？而不是开钻在易于钻孔的其它位置？二是呼吸孔直径为0.8毫m，仅能穿过最小号的锈花针，孔径为什么如此之小？
小孔开钻在阀盖的边沿上，是为了让它紧靠橡皮膜．如果下气室气压过大，橡皮膜就向上凸起，立刻堵住呼吸孔，防止了上气室中的空气由呼吸孔向外排出．根据玻意耳特定律可知，被密闭在上气室内一定质量的空气，在体积变小的过程中，其压强不断变大．即是pV=常量．防止了橡皮膜因上下气压悬殊过大而破损，避免了因膜片破损造成石油气外泄事故的发生．
呼吸孔直径为0.8毫m，但孔深却在1cm左右，这儿充分应用了流体力学知识．流体在运动时，由于阻滞作用会存在内摩擦力．孔洞面积越小，深度越大，内摩擦力就越大，阻尼效果就明显——每秒流量变小．这样，上气室在呼气和吸气时，有一个较长的时间过程，从而保证了在动态变化中，在石油气增减压强时，不是迅猛增加，也不是迅猛减少，就能让火焰稳定燃烧，体现了动态平衡的调节过程．从前文可知，调压器应用了这几方面的物理知识：（1）杠杆原理，（2）玻意耳定律，（3）动态平衡原理，（4）流体力学知识．现代文明生活真是无处没有物理！
解释说明：①这儿所言速度，是指气体正常燃烧时，火焰的传播速度，不同气体火焰传播速度不同．火焰传播速度又叫燃烧速度．
③火焰燃烧时，若稳定在一定的位置，使火焰形状不发生变化，或只发生稍微变化，称为稳定燃烧．
③从严格意义上讲，只有在橡皮膜不动时，上气室压强才与外界大气压值相等．在呼气时，上气室压强略大于大气压；在吸气时，上气室压强略小于大气压．。