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1、实验一层流预混火焰浓度稳定界限的测定一、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
2、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烧中气源减压器阀门A220V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11 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
3、，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。本生灯火焰 流量计循环水系统Q-丁烷混合煤亘温水浴 气图 1-2 实验系统图示意图图 12 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
4、分别送入混合块进行混合。为保证燃料空气充分混合，并保持实验过程中预混气温度恒定。燃烧嘴头部加冷却水套，避免燃烧嘴温度上升。 富油预混火焰用 Smithells 法分离成内外圆锥火焰，在混合管外套上一个同心玻璃管和支撑 环，使主火焰和二次火焰分离，如图13所示。三、实验设备与燃料1. 小型空气压缩机2. 预混火焰装置3. 混合管两套4. 点火器5. 石油液化气或丁烷四、实验步骤1. 检查各部分连接状态，装上带玻璃套管的一号管，观察火焰的SMITHELLS现象。2. 将水加入到恒温水浴内，接通电源，使水温达到设定温度。3. 启动空气压缩机，使得空气的压力达到 3 大气压。先打开空气阀门，使浮子流量
5、计中空气流量和燃料分别达到预定的点火值。在管口点火，稳定燃烧后再精确调节空气和 燃料流量。如果点火不成功，可稍等片刻，使预混气到达燃烧嘴管口，然后再次点火4. 先使玻璃套管管口低于混合管管口，观察预混火焰的颜色。观察火焰顶端形状和燃烧嘴管口附近的火焰淬灭熄区。保持燃料流量不变，缓慢改变空气流量（增大或减小，使燃料由贫到富或由富到贫）。稍等片刻后，再观察火焰颜色变化，顶端是否开口， 火焰形状有什么变化，火焰在什么情况下发生旋转，有几个角。记录观察到的现象及 对应的空气和燃料流量。（注意：实验过程中如果出现回火或熄灭，应将空气流量调 回到预定值再点火。）5. 调节空气流量，使火焰呈富油燃烧状态。慢
6、慢升高玻璃管。当外管管口超过内管管口时，观察主火焰与二次火焰的分离现象，注意外锥火焰上下跳动与外管高度的关系， 外管继续升高时，外锥火焰将被吹脱。记录观察到的现象。6. 先关闭燃料阀门，换上二号管，测定火焰稳定界限。测定时，先保持燃料流量不变，慢慢改变空气流量，使火焰分别出现黄色尖顶，平面火焰（回火临界状态）及火焰吹 脱等现象。记录各种现象出现时的燃料和空气流量。改变燃料流量，然后再慢慢改变 空气流量，重复上述测定。至少重复8 次。测定8 组以上的数据。7. 先关闭燃料阀门再关闭空气阀门，切断电源、取下电接点温度计，擦干放回原处，放 掉恒温水浴中的水，整理实验设备。五、数据处理1. 根据燃料和
7、空气的流量刻度换算图，把浮子流量计指示读数换算成实际流量2. 计算气/油比（A/F）,将原始数据制成表格。3. 以燃料流量（l/min）为横坐标，气/油比（A/F）（体积比）为纵坐标绘制火焰稳定性曲线。指出稳定区域，吹脱区域，黄色火焰区域和回火区域。4. 把观察到的火焰颜色、形状、顶部开口、旋转等现象， Smithells 火焰分离现象的写成实验报告。六、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?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？3. 用已学过的知识，解释火焰顶端为圆形，火焰开口及管口淬熄区形成的原因。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。
