开封燃气燃烧方法——部分预混式燃烧

  燃气燃烧时，一次空气过剩系数α′在0～1之间，预先混入了一部分燃烧所需空气，这种燃烧方法称为部分预混式燃烧或大气式燃烧。

　　一、部分预混层流火焰

　　产生部分预混层流火焰的典型装置就是本生灯。如图3—4—6，燃气从本生灯下部小口喷出，井引射入一次空气，在管内预先混合，预混后的气体自灯口喷出燃烧，产生圆锥形的火焰，周围大气亦供给部分空气，称为二次空气，通过扩散与一次空气未燃尽的燃气混合燃烧。
　　这样，在正常燃烧时形成两个稳定的火焰面：内火焰面，即由燃气与一次空气预混合后燃烧而产生。为圆锥形，呈蓝绿色，强而有力，温度亦商，为部分预混火焰，也称为蓝色锥体；外火焰面，是二次空气与一次空气未燃尽的燃气进行的扩散混合燃烧，其形状也近似圆锥形，呈黄色，软弱无力，温度较低，这是扩散火焰。
　　蓝色的预混火焰锥体出现是有条件的。若燃气／空气混合物的浓度大于着火浓度上限，火焰就不可能向中心传播，蓝色锥体就不会出现，而成为扩散式燃烧。若混合物中燃气的浓度低于着火浓度下限，则该混合气根本不可能燃烧。氢气燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围相当大，而甲烷和其它碳氢化合物的燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围则相当窄。
　　蓝色锥体的实际形状，如图3—5—5，可用管道中气流速度的分布和火焰传播速度的变化来解释。
　　层流时，沿管道截面上气体的流速按抛物线分布，喷口中心气流速度最大，至管壁处降为零。
　　静止的蓝色锥体焰面说明了锥面上各点的正常火焰传播速度sn(其方向指向锥体内部)与该点气流的法向分速度v_n相平衡，也即对于预混火焰锥面上的每一点都存在以下关系式，通常称为米赫尔松余弦定律：
 

　　式中 ψ——预混气流方向与焰面上该点法线方向之间的夹角。
　　余弦定律表明了层流火焰传播速度与迎面来的气流速度在火焰稳定情况下的平衡关系，火焰虽有向内传播的趋势，但仍能稳定在该点。
　　另一方面，蓝色锥体焰面上各点，还有一个气流切向分速度，使该处的质点要向上移动。因此、在焰面上必须不断进行下面质点对上面质点的点火，也就是说，需要一个底部点火源。
　　为了说明什么是最下部的点火源，需要分析一下根部的情况。在火焰根部，靠近壁面处气流速度逐渐减小，至管壁处降至零，但火焰并不会传到燃烧器里去，因为该处的火焰传报速度因管壁散热也减小了。
　　在图3—5—5中的点1处，火焰传播速度小于气流速度，即s_n<v。在离燃烧器出口处某一距离的点2处，气流速度变化不多，火焰传播速度却因管壁散热影响明显减小而增加，故s_n>v。这样，在点1和点2之间，势必存在一个s_n=v的点3，在点3上，焰面的法线方向和预混气流方向一致；即夹角ψ=0。这就是说，在燃烧器出口的周边上，存在一个稳定的水平焰面，它就是燃烧器底部预混气流的点火源，称之为“点火环”。
　　蓝色锥体的高度，也与火焰传播速度和可燃混合气流速度有关。如图3—5—6，设锥体高度为h,喷管出口半径为r，在锥休表面取一微元面，它在高度上的投影为dh，在径向上的投影为dr。
 

 

图3-5-5 蓝色锥体表面的速度分布

图3-5-6 蓝色锥体形状

 

　　这就是蓝色锥体形状的微分方程式。为了求锥体高度h，可将该微分方程式积分。但由于沿r方向，v和s_n都是变化的，要求积分很困难。简单的处理方法是，假设锥体为正锥体；锥体底面半径与喷管出口半径相等；s_n为常数，不随r变化。这时cosψ也为常数，即
 

 

为断面上的气流平均速度，设可燃混合气体积流量为q_v,  

。解方程(5—6)得
 

 

 

　　上式表明，影响火焰高度的因素是r、   、q和s_n。当可燃混合气成分和喷管出口尺寸一定时，平均流速或体积流量增加，都将使火焰高度增加；而火焰传播速度加大，其高度减小：当喷管尺寸和可燃混合气流量发生改变时，出口半径加大，火焰高度增加。
　　由锥体高度近似公式(3—5—7)，就可以推导出动力法测定火焰正常传播速度的公式(3—4—6)，即：