层流预混火焰稳定浓度界限测定

层流预混火焰浓度稳定界限的测定

实验成员：徐俊卿 郑仁春 韩超

一、实验的理论基础

现代工业要求尽可能高效地利用燃料，这就要求在稳定燃烧条件下，使燃料与空气以适当的比例混合燃烧。因此对燃料燃烧特性及流体力学和热力学方面需要有详细了解。 预混可燃气燃烧时，如果预混气体的速度在火焰锋面上的法向分量大于火焰传播速度，火焰将向下游移动，最后完全熄灭，称为吹脱或吹熄。反之，如果预混气的法向速度小于火焰传播速度，火焰将逆流向上游移动，进入燃烧器内部，即出现回火现象。

在燃烧过程中，出现回火和熄灭都是不允许的。回火会引起爆炸。熄灭使动力机械停止工作，并向周围扩散有毒气体，有中毒和爆炸的危险。

回火现象只能出现在预混燃烧过程中。在扩散燃烧中，燃料和空气是分别送入燃烧室的，在燃烧器内两者并不接触，因此没有回火现象。熄灭或吹脱现象在预混燃烧和扩散燃

煤气 甲烷

（l/min ） 图1-1 甲烷/空气 煤气/空气 稳定曲线

要维持正常的稳定燃烧，就需要避免出现回火或熄灭现象，因而要求知道燃料的稳定燃烧范围。这一稳定界限与燃料/空气比和环境的温度和压力有关。图1—1是甲烷/空气煤气/空气在常温常压下预混燃烧的火焰稳定范围。图中下部是富油燃烧区，稳定范围宽，不易回火和吹脱。但火眼呈黄色，发光。下面一根曲线为火焰尖顶出现黄色的界限。图中上方为火焰吹脱熄灭界限。当预混气处于该曲线上方时，火焰被吹脱。

左边回火界限呈斜山立形，预混气的状态处于山丘内时出现回火现象。回火界限与预混气的空气气/燃气比有关。当空气/燃气比接近化学计量值时，火焰传播速度快，稳定范围小，容易出现回火。但这时燃烧效率最高。 二、实验原理

本实验用一套预混火焰装置（本生灯）进行实验，既可以定性观察预混火焰的各种现象，又可以定量地测定火焰浓度稳定的界限，火焰传播速度等各种燃烧特性。

～220V

图1-2实验系统图示意图

图1—2为实验装置系统图，小型压气机供给压缩空气，通过一个稳压减压阀保持气压

稳定。流量由浮子流量计读数。燃料可用丁烷气、城市煤气或石油液化气等。由浮子流量计控制燃料流量。空气和燃料分别送入混合块进行混合。为保证燃料空气充分混合，并保

25

303540455055606570758085

A / F 100%

VF ml / min

由图：图形形状与预想较为相符，当纵坐标数值似乎过大。按照实验数据，空气流量

很大，燃烧总为贫油燃烧，实验情况与贫油燃烧不相符。若取空气流量与燃料流量相同，似乎实验与理论将比较符合。实验误差主要源于：流量计测量误差；黄尖、回火、吹脱各状态的观察可能有偏差。

五、思考题

1．火焰的回火和吹脱的现象是怎样发生的?它有什么危害?怎样防止这种现象发生?

答：1）预混可燃气燃烧时，若预混气速度在火焰锋面上的法向分量大于火焰传播速度，火焰将向下游移动，最后熄灭，即为吹脱或吹熄。而若该法向速度小于火焰传播速度，火焰将向上游移动，进入燃烧器内部，出现回火。

2）回火会引起爆炸。熄灭使动力机械停止工作，并向周围扩散有毒气体，有中毒和爆炸的危险。

3）使燃料在稳定的燃烧范围内。

2．Smithells火焰内外圆锥各是什么火焰？生成Smithells火焰的条件是什么？

答：1）内圆锥是预混火焰，外圆锥是扩散火焰。

3．用以学过的知识，解释火焰顶端为圆形及管口淬熄区的形成。

答：在锥体顶部，火焰前沿的曲率半径和火焰前沿厚度在数量级上相当，因此，热传导及活性分子扩散非常强烈，提高了当地的火焰传播速度，这使得锥顶度圆。由于火焰向金属壁面的散热或活性分子的销毁，靠近喷口处有一个无火焰区。

4．预混火焰稳定界限除与浓度有关外，还与哪些热物理参数有关？说出它们的定性关系。

答：1）还与环境的温度和压力有关。

2）温度升高，火焰传播速度增加，稳定界限上升；压力增加，火焰传播速度下降，稳定界限下降。