燃烧学实验指导书

燃烧学及燃烧理论实验指导书
一、实验目的
1、了解气体燃料着火与燃烧的基本要素
2、了解不同过量空气系数下气体火焰的特性
3、了解脱火及回火现象
4、掌握气体火焰传播速度的测量方法
二、实验原理
气体火焰是指燃气与空气的混合物燃烧时的反应带。

火焰锋面是指混合气体的成分、温度发生急剧变化的区域。

1、气体燃料着火与燃烧的基本要素有：燃料气体、助燃的氧气及一定的温度。

通过隔绝
空气熄灭火焰来证明氧气的助燃是必不可少的。

利用室温孔板的导热降低火焰温度使火焰熄灭；以及利用高温金属点燃混合气体来证明温度是着火与燃烧的基本要素之一。

2、通过调节空气侧及燃气侧的调节阀门，可改变火焰的长短和预混空气的过量空气系数，
了解不同空气过量系数下气体火焰的特性。

3、通过调节空气侧及燃气侧的调节阀门，在一次过量空气系数α≈1附近，观察脱火及
回火现象。

1）、在混合气体从喷嘴流出、火焰正常燃烧时，气体流速在火焰锋面法向的分速度等于气体火焰传播速度。

在一定范围内，适当地调大与调小混合气体的流速，
可发现火焰的高度也会随之变化，保持气体火焰传播速度等于气体流速在火焰
锋面法向的分速度，可见火焰具有一定的自稳能力。

当超出其稳定能力范围后，
就会发生脱火与回火现象；
2）、当喷嘴混合气体流速在火焰锋面法向的分速度大于气体火焰传播速度时，火焰将无法稳定在石英玻璃管喷嘴位置而向上移动，随之熄灭，该现象称为脱火现
象，也称为吹熄；
3）、当喷嘴混合气体流速小于气体火焰传播速度时，火焰锋面将会向喷嘴内部移动，该现象称为回火现象。

当火焰锋面回火至铜质本生灯体时，由于铜具有良好的
导热性以及一定的热容量(本生灯体壁厚较大)，使得火焰锋面进入本生灯体不
远，即由于温度过低而熄灭，该现象称为淬熄现象。

4、气体火焰传播速度的测量
火焰传播速度是指火焰锋面沿其法线方向朝临近未燃气体移动的速度。

气体火焰的传播速度与混合气体的流态有关。

1）、气体火焰传播的方式
层流火焰传播速度(正常火焰传播速度)：
未燃气体的着火，依靠已燃气体向未燃气体导热(传热)。

物性参数，其值的
大小主要取决于混合气体的导热系数。

湍流火焰传播速度(火焰区域移动速度)：
未燃气体的着火，依靠已燃气体和未燃气体混合(传质)。

非物性参数，其值的大小主要取决于混合气体的湍动度。

2）、影响火焰传播速度的因素，除上述以外还有：
混合气体的压力、温度、混合比，背景气体的成分、压力、温度，喷嘴结构、材质、几何尺寸等。

3）、气体火焰传播速度的测量方法，常用的有两种：玻璃管法与本生灯法。

A、玻璃管法
如图所示，在充满可燃混合气体的玻璃管一端点燃气体，利用定时闪
拍设备获取单位时间火
焰锋面移动的距离，再根
据火焰锋面的面积及玻
璃管的内截面积，即可到
混合气体火焰传播速度。

B、本生灯法
如图所示，当火焰稳定时，混合气体在火焰锋面法向的分速度就等于气体火焰的传播速度。

测
量空气与燃气流量，可得
混合气体流量，根据已知
的喷嘴直径，可计算出混
合气体的流速；再测量火
焰的高度，算出火焰圆锥
投影的半角，即可得到混
合气体在火焰锋面法向
的分速度 —— 气体火
焰传播速度。

三、实验装置
实验装置由空气侧的气泵、调节阀门、转子流量计；燃气侧的气源、减压阀、调节阀门、转子流量计；混合燃烧部件本生灯及标尺构成。

通过调节空气侧及燃气侧的调节阀门，可改变火焰的长短和空燃比—预混空气的过量空气系数α。

本生灯（Bunsen Burner）是德国化学家本生（R.W. Bunsen）于1850年为装备海德堡大学化学实验室而发明的预混式燃气加热器具，之前所用的均为扩散式燃气加热器具。

本生将其改进为先让燃气和空气在灯内充分混合，从而使燃气得以燃烧完全，得到无光高温火焰。

当时的本生灯只是燃用煤气，其火焰分为三层：内层为水蒸气、一氧化碳、氢、二氧化碳和氮、氧的混合物，温度约300℃，称为焰心。

中层内煤气开始燃烧，但燃烧不完全，火焰呈淡蓝色，温度约500℃，称还原焰。

外层煤气燃烧完全，火焰呈淡紫色，温度可达800～900℃，称为氧化焰。

四、实验步骤：
1、实验前准备：
1）、关闭燃气、空气流量计上的调节阀。

2）、启动小型气泵
3）、开启气源总阀
2、气体燃料着火与燃烧的基本要素
1）、开启燃气流量计上的调节阀，当浮子有读数后，点燃本生灯出口气体；
2）、用玻璃容器罩住本生灯，使火焰隔绝空气，在无氧气助燃的情况下窒息而灭；
3）、重新点燃本生灯，缓慢开大空气流量计上的调节阀，使外焰刚好消失；
4）、将室温下的金属孔板自上而下套于火焰，使火焰温度降低而熄灭；
5）、将金属置于本生灯火焰中烧红，吹灭火焰，用炽热金属点燃本生灯喷口气体；
6）、关闭燃气、空气流量计上的调节阀。

3、不同过量空气系数下火焰特性的认知
1）、开启燃气流量计上的调节阀，当浮子有读数后，点燃本生灯出口气体；
2）、调节燃气流量计上的调节阀使流量指示大约在中部位置；
3）、观察纯扩散（α＝0）火焰的颜色、结构、大小、刚性；
4）、缓慢开启空气流量计上的调节阀，使火焰同时存在内外焰；
5）、观察部分预混（0＜α＜1）火焰内、外火焰的颜色、结构、大小；
6）、缓慢开大空气流量计上的调节阀，使外焰刚好消失；
7）、观察纯预混（α≈1）火焰的颜色、结构、大小、刚性；
8）、继续缓慢开大空气流量计上的调节阀；
9）、观察预混（α＞1）火焰的颜色变化；
10）、关闭燃气、空气流量计上的调节阀。

4、回火现象的观察
1）、开启燃气流量计上的调节阀，当浮子有读数后，点燃本生灯出口气体；
2）、调节燃气流量计上的调节阀使流量指示大约在刻度的1/5位置；
3）、缓慢开大空气流量计上的调节阀，至纯预混（α≈1）状态；
4）、缓慢关小燃气流量计上的调节阀，直至回火现象发生；
5）、迅速关闭燃气、空气流量计上的调节阀。

5、脱火现象的观察
1）、开启燃气流量计上的调节阀，当浮子有读数后，点燃本生灯出口气体；
2）、调节燃气流量计上的调节阀使流量指示大约刻度的4/5位置；
3）、缓慢开大空气流量计上的调节阀，直至脱火现象发生；
4）、迅速关闭燃气、空气流量计上的调节阀。

6、火焰传播速度的测量
1）、用下述同样的方法测量不同燃气在纯预混状态下的数据：
2）、开启燃气流量计上的调节阀，当浮子有读数后，点燃本生灯出口气体；
3）、调节燃气流量计上的调节阀使流量指示大约在1/2位置；
4）、缓慢开大空气流量计上的调节阀，使外焰消失、内焰顶端轮廓清晰、呈圆锥状；
（调节参考：液化气读数/空气读数≈ 49.4 ml/l；天然气读数/空气读数≈ 78.6 ml/l）5）、在纯预混（α≈ 1）状态下测量燃气流量、空气流量及火焰高度；
6）、关闭燃气、空气流量计上的调节阀。

7、切换燃气或实验结束
1）、关闭气源总阀
2）、关闭小型气泵
3）、确认燃气、空气流量计上的调节阀已全部关闭。

五、原始数据
燃气类型实验工况燃气流量计读数空气流量计读数火焰高度燃气/空气
液化石油气部分预混（α＜1）ml/min l/min mm ml/l 纯预混（α≈1）ml/min l/min mm ml/l 预混（α＞1）ml/min l/min mm ml/l
天然气部分预混（α＜1）ml/min l/min mm ml/l 纯预混（α≈1）ml/min l/min mm ml/l 预混（α＞1）ml/min l/min mm ml/l
乙炔气部分预混（α＜1）ml/min l/min mm ml/l 纯预混（α≈1）ml/min l/min mm ml/l 预混（α＞1）ml/min l/min mm ml/l
六、数据处理
1、实际流量的计算
实验台上所使用的流量计是按通常状态[20℃/1atm]下的空气标定的，为了获取测量状态下燃气的实际流量，有必要对流量计的读数进行修正。

1）、测量状态下流体密度的计算。

设测量状态为：15℃/1atm；流体按理想气体处理，则有：ρ15 = ρ0*273.15/(273.15+15)；ρ20 = ρ0*273.15/(273.15+20)
2）、实际流量的计算。

根据转子流量计的原理及流量方程，其读数与流体的密度及粘度有关，如不考虑粘度的影响，则流体密度对读数的影响可近似用下式进行
修正：Q = Q读数*(ρ20空气/ρ)1/2
对于空气：Q空气= Q读数*(ρ20空气/ρ空气)1/2
对于天然气：Q天然气= Q读数*(ρ20空气/ρ天然气)1/2
对于液化气：Q液化气= Q读数*(ρ20空气/ρ液化气)1/2
对于乙炔气：Q乙炔气= Q读数*(ρ20空气/ρ乙炔气)1/2
3）、混合气体流量计算。

假定燃气与空气混合后未发生反应及互溶现象，则混合气体得流量可按下式计算Q = Q燃气+Q空气
2、火焰传播速度的计算
当本生灯喷口火焰处于稳定状况时，混合气体在火焰锋面上的法向分速度就等于火焰传播速度，W*sinθ = U。

因此，通过测量混合气体在火焰锋面上的法向分速度，
就可以获得混合气体的火焰传播速度。

1）、火焰圆锥投影半角的计算。

半角的正弦值可由喷口半径与火焰高度求得：sinθ = R/(R2+h2)1/2
2）、火焰锋面混合气流速度计算。

可近似认为该处的气流速度等于本生灯喷口处的气流速度：W = Q/(πR2)
3）、火焰传播速度的计算。

U = W*sinθ
3、一次风过量空气系数的计算
一次风过量空气系数 =一次风实际空气量/理论空气需要量
1）、实际空气量的计算。

即随单位体积燃气给入的空气量：V= Q空气/Q燃气
2）、一次风过量空气系数的计算。

α= V/V0
4、雷诺数的计算
计算本生灯喷口处的雷诺数，可以知道此时本生灯火焰的燃烧状态是属于层流火焰还是湍流火焰，所测得的火焰传播速度，是层流火焰火焰传播速度还是湍流火焰传播速度。

1）、雷诺数的计算。

Re = WD/ν
2）、流态的判定。

Re<2000层流区；Re=2000~5000过渡区；Re>5000湍流区。

七、实验结论
1、实验结果是否正确？如不正确，请分析原因。

2、本次实验所学到知识的总结。

八、实验讨论
1、误差分析
2、建议
九、实际应用
有一家用燃气热水器，
原设计是燃用液化石油气，
现改燃用天然气，请给出改
造方案。

[提示：根据所出热
水温度及流量不变的原则，
计算燃气喷嘴所需直径为原
直径的百分比。

不考虑因烟
气量变化所引起的对流换热
量及散热量改变的影响。

]
附录一、注意事项
1、安全事项
1）、烧伤：请勿将燃气调节阀开的过大，以免造成眉毛、头发着火或面部烧伤；
2）、中毒：当火焰熄灭后应立即引燃或关闭燃气阀门，以免发生中毒现象；
3）、烫伤：避免触摸已被加热的零部件，以免出现烫伤的情况。

2、实验报告
1）、观察实验每人必须亲自动手完成，不用写实验报告；
2）、实验“气体火焰传播速度的测量”必需写实验报告。

3、关于抄袭
1）、实验数据必须由每人亲自动手实验获得；
2）、实验报告必须由每人亲自完成；
3）、对于出现完全相同的实验数据及报告，按一份给成绩，由相同的若干份均分。

附录二、测量方法中的近似取用：
1、非圆锥形火焰视为圆锥形；
2、本生灯喷口流速代替火焰锋面气流速度；
3、混合气体流量以燃气与空气流量之和计算；
4、室温取15℃；
5、将室温下的燃气与空气看作是理想气体；
6、流量计读数修正略去了二次项，且仅考虑了密度的影响；
7、不考虑压力对气体流量测量的影响。

附录三、转子流量计的工作原理：
1、基本原理
转子流量计是由转子（浮子）、
锥形玻璃管、刻度标尺及流量调节
阀构成的。

在测量过程中，通过读
取转子的高度位置（刻度）来获取
玻璃管内流经转子流体的体积流
量。

2、流量方程
当转子高度位置不变时，它所
受到的三个力达到平衡，即流体对
转子的冲力（数值等于转子对流体
阻力，但方向相反）加上转子在流
体中受到的浮力，应等于转子所受
到的重力。

设：流经转子流量计的流量：
Q = A V avg
高度为h处锥形管与转子之间的环形截面积：A = (d h2 – d f2)π/4
高度为h处锥形管的直径与锥形管进口处(h=0)直径的关系：d h = d0+2h*tgβ
锥形管进口处的直径应等于转子的直径：d0 = d f
则：A = (d f*tgβ+h*tg2β)πh
转子在流体中的重量（重力与浮力之和）：W f = V f (ρf -ρ)g
转子所受到流体的冲力：Δx = C pρV avg2A f/2
则：Δx = C p V avg2ρA f/2
因为转子在流体中的重量等于所受流体的冲力：W f =Δx
即：V f (ρf -ρ)g = C p V avg2ρA f/2
解得：V avg2 = 2V f (ρf -ρ)g/(C pρA f)
又：Q = A V avg
则流量方程为：Q = (d f*tgβ+h*tg2β)πh * [2V f (ρf -ρ)g/(C pρA f)]1/2
其中：β、V f、d f、A f、ρf是结构常数；C p、ρ与流体的类型与状态有关；由于β很小，tg2β相对于tgβ为二次方可忽略，则Q-h关系可近似认为是线性的：Q ≈ d f πh*tgβ*[2V f (ρf -ρ)g/(C pρA f)]1/2= Ah* [(ρf -ρ) /(C pρ)]1/2
式中：A为结构参数；如果浮子密度ρf远大于流体ρ，且受流体密度及粘度的影响较小，则有简化后的流量方程：
Q ≈ h*B/ρ1/2
即Q-h可近似认为是线性关系，转子流量计的刻度近似为线性刻度。

3、修正方法
从流量方程可以看出：∝
Q [(ρf -ρ) /ρ]1/2
如果浮子密度ρf远大于流体ρ：∝
Q [ρf /ρ]1/2
即：∝
Q 1/ρ1/2，流量与流体密度的平方根成反比。

附录四：实验所用气体性质表
气体状态标准状态(0/1atm)
℃
参数名称
密度
ρ(kg/Nm3)
运动粘度
ν(10-6m2/s)
低位发热量
Q net,v,ar(kJ/Nm3)
理论空气量
V0(Nm3/Nm3)
空气 1.2931 13.20 0 0.00 液化石油气 2.5270 2.78 114875 28.28 天然气 0.7435 13.92 36533 9.64 乙炔 1.1717 7.98 57964 11.98
附录五：标准实验报告（见附页）
西安交通大学
能源与动力工程学院
教学实验中心
张晓鹏
2011.11.01
（电子版第1.3版）。