分析解決火焰穩(wěn)定性的有效嘗試
對于家用燃?xì)庠顏碚f，更多的還是采用大氣式燃燒，也就是預(yù)混燃燒，產(chǎn)生預(yù)混(部分)火焰，正常的燃燒應(yīng)該是火孔上方的火焰駐定在某個(gè)位置上，形成穩(wěn)定火焰。任何形式的回火、回火傾向、離焰、脫火、黃焰等都屬于火焰不穩(wěn)定的狀況，屬火焰不穩(wěn)定范疇。
火焰不穩(wěn)定性在燃具上的表現(xiàn)
在燃?xì)饩咴O(shè)計(jì)開發(fā)過程中，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)：
1、回火傾向容易出現(xiàn)在以下幾種情況：
• 預(yù)混燃燒中燃?xì)獾幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仍娇?，越容易回火，如人工燃?xì)?，CP值較高，容易回火。
• 同比條件下，燃具的熱態(tài)容易回火，即燃?xì)?空氣混合物噴出火孔前溫度越高，越容易回火。
• 火孔孔徑越大，越容易發(fā)生回火。
• 火孔材料導(dǎo)熱性能越差，越容易發(fā)生回火。
• 火孔出口流速分布不均勻，特別是出現(xiàn)逆向渦流時(shí)，只要有一處流速小于該處的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，就?huì)發(fā)生回火。
• 一次空氣系數(shù)越大，越容易發(fā)生回火。(和氣源有關(guān))
2、離焰則和回火的表現(xiàn)因素剛好相反
• 火焰?zhèn)鞑ニ俣仍铰?，越容易離焰，如：天然氣更容易離焰
• 燃燒器冷態(tài)時(shí)，火孔壁越冷，越容易離焰、脫火。
• 火孔材料導(dǎo)熱性能越好，越容易離焰、脫火。
• 火孔孔徑越小，越容易離焰、脫火。
• 一次空氣系數(shù)越大，越容易離焰、脫火。(和氣源有關(guān))
• 貧氧燃燒時(shí)，吸入燃燒器的空氣含氧量不降，一些惰性氣體如氮?dú)?，二氧化碳含量增加，?huì)助長離焰，脫火趨勢。
通過實(shí)驗(yàn)研究得出的印證
實(shí)驗(yàn)條件：液化石油氣，一款普通燃燒器，無內(nèi)環(huán)火。火蓋火孔向上(便于實(shí)驗(yàn)測量)，共30個(gè)火孔，火孔直徑2.6mm,噴嘴直徑0.85，熱負(fù)荷經(jīng)測量為2.52kW。
實(shí)驗(yàn)方法：壓力調(diào)整到額定壓力，不座鍋，并調(diào)整風(fēng)門開度，使火焰穩(wěn)定燃燒。根據(jù)離開火孔內(nèi)壁的不同距離測試火焰?zhèn)鞑ニ俣??；鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣劝幢旧鸁舾叨确y得，并連接繪制平滑曲線(至少四點(diǎn))。用熱線風(fēng)速儀測定內(nèi)外焰面邊界氣流速度U，氣流速度U1=Uxsina,a為法線夾角。(很多初學(xué)者容易犯此錯(cuò)誤，把實(shí)際測得的火焰氣流速度當(dāng)作了法線氣流速度，此情況只存在火焰焰尖)。
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圖一：氣流速度在靠近火孔內(nèi)壁，按照速度梯度理論，該處氣流速度近似為0。
本生燈火焰高度法：
利用高度尺測得火焰內(nèi)錐高度h，噴管出口半徑r為已知管直徑的一半。燃?xì)饬髁縇g通過濕式流量計(jì)獲得，一次空氣系數(shù)?則需要通過頭部取樣，通過色譜分析計(jì)算后獲得，利用一次空氣系數(shù)可以算得空氣流量La。
火焰?zhèn)鞑ニ俣萐1如下式：
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按以上方法分別在不同壓力狀態(tài)下測試火焰?zhèn)鞑ニ俣群蜌饬魉俣?，注意在此過程中風(fēng)門開度維持不動(dòng)。分別在壓力2kpa/3.2kpa/5.7kpa時(shí)定氣流速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
圖二：U1為氣流速度，S1為火焰?zhèn)鞑ニ俣取８鶕?jù)離開孔壁的距離不同，分別測定兩個(gè)速度。
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單從上圖可以看出，火焰在2kpa和3.2kpa時(shí),有一個(gè)共同點(diǎn)，在離開火孔壁的某處，存在兩個(gè)曲線近似相切。但在5.7kpa時(shí)，離開孔壁的任何一處，氣流速度均大于火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
從實(shí)際燃燒效果來看，在2kpa時(shí)，火焰燃燒穩(wěn)定，燃燒噪音也不大。在壓力從2～3.2kpa調(diào)節(jié)過程中，火焰明顯拉長，燃燒噪音變大，火焰又重新穩(wěn)定在離火孔壁更遠(yuǎn)點(diǎn)的上方。
但從3.2kpa到5.7kpa壓力調(diào)節(jié)的過程中，火焰繼續(xù)拉長，并隨著壓力的增大，火焰開始出現(xiàn)了部分離焰——脫火，到5.7kpa時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)了完全脫火。(在5.7kpa時(shí)，為了測試火焰?zhèn)鞑ニ俣?，需要在單個(gè)火孔處用打火機(jī)持續(xù)穩(wěn)焰)。
為了得出實(shí)驗(yàn)本質(zhì)，維持此時(shí)的狀態(tài)，并用一根短細(xì)鐵絲(0.6mm)用鑷子固定，放置在火孔壁的表面，此時(shí)出乎意料的發(fā)現(xiàn)，這個(gè)被細(xì)鐵絲阻擋的火孔，原本脫火的狀態(tài)竟然被生生的拉回來，火焰燃燒比較穩(wěn)定。此時(shí)再測試速度參數(shù)。(如圖三)
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圖三：根據(jù)圖三曲線發(fā)現(xiàn)，無論兩種速度曲線如何變化，但總會(huì)出現(xiàn)某處，該處的氣流速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀跸嗤?/strong>
此外，在4.3kpa時(shí)火焰若即若離,保持其它狀態(tài)不變,燃燒半小時(shí)和燃燒1分鐘后座鍋，兩種不同情況也能得到類似結(jié)論——離焰邊界的火焰變得穩(wěn)定，總會(huì)存在一處，該處氣流速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣冉葡嗤?/p>
按照此實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證回火火焰機(jī)理，會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣流速度曲線與火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€相割時(shí)，會(huì)發(fā)生熄火噪音等回火傾向。
火焰基底平衡理論
空燃混合物從火孔噴出燃燒，只要預(yù)混的混合物在著火極限內(nèi)，就會(huì)在火孔壁的上方形成內(nèi)，外雙圓錐的火焰結(jié)構(gòu)，稱之為外焰和內(nèi)焰，內(nèi)外焰面邊界稱之為火焰基底。
如圖所示;在火焰基底處，必然存在兩個(gè)速度。焰面法線方向的氣流速度U1和此處的火焰?zhèn)鞑ニ俣萐1，兩個(gè)速度方向截然相反。
大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，要想使火焰穩(wěn)定燃燒在某一空間位置，必須有穩(wěn)定的火焰基底，如果要想有穩(wěn)定的火焰基底，則必須使火焰基底處U1與該處的火焰?zhèn)鞑ニ俣萐1相等。
當(dāng)兩個(gè)速度不匹配的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)火焰的不穩(wěn)定。當(dāng)出口流速小于火焰的傳播速度，就會(huì)出現(xiàn)回火傾向，甚至自然回火。
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出口流速大于火焰的傳播速度時(shí)，火焰則會(huì)離焰，甚至脫火。兩個(gè)速度的匹配，就是我們追求的最佳效果。
在熱力學(xué)上，這種速度不平衡的問題，歸根到底是熱平衡的問題，也就是說在火焰焰面上可燃混合物燃燒釋熱率對于整個(gè)火焰熱焓變化率以及向火孔壁與周圍環(huán)境之間的熱平衡問題。
為保持兩個(gè)速度的平衡，必須以一定量的燃?xì)夂涂諝饣旌衔镆怨潭ǖ乃俾蔬B續(xù)供應(yīng)。以保持釋熱量，焓變化量，孔壁散熱量之間的精確平衡，任何不平衡都會(huì)導(dǎo)致火焰的不穩(wěn)定。如果靠近火孔口的火焰基底能持續(xù)自行著火燃燒，整個(gè)火焰錐就能持續(xù)燃燒，火焰基底熱平衡的程度決定著火焰的穩(wěn)定程度。
要使火焰基底的焰面穩(wěn)定，就要滿足：
Q1=Q2+Q3
Q1：火焰基底焰面上混合物燃燒所釋放的熱量
Q2：混合物通過焰面的焓變
Q3：火焰向周圍環(huán)境和火孔壁散失的熱量
用火焰基底熱平衡可以解釋圖二的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
如圖二a)，火焰處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，隨著燃?xì)鈮毫Φ脑龃?，氣流速度明顯增大，氣流速度曲線斜率增加，此瞬間，火焰熱平衡狀態(tài)被打破。只有火焰基底上升到b)處才能重新平衡。這是因?yàn)榛旌衔飶幕鹂讎姵龅乃俣仍黾樱婷嫔蠚饬鞣较蛩俣入S之增加，由于噴出速度增加，火焰基底距離火孔口距離增大，孔壁散熱量減小，又由于噴出速度增加，單位時(shí)間，單位面積焰面釋熱量增加，導(dǎo)致通過焰面的焓變增加。
后兩種因素有利于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑黾?，這樣氣流速度增加到b)時(shí)，就可在b)處重新找到U1=S1的平衡位置，火焰重新駐定。繼續(xù)增大壓力，找不到穩(wěn)定的火焰基底，也就是說熱平衡被打破的時(shí)候，脫火就產(chǎn)生了。
基底平衡理論也可以解釋不同狀態(tài)下的回火：
熱態(tài)時(shí)，由于燃燒溫度的增加，熱焓增加，熱平衡被打破?；鼗饍A向增加?；鹂卓讖皆龃髸r(shí)，氣流噴出距離縮短，火焰基底靠近火孔上表面，孔壁的散熱增加，熱平衡被打破，回火傾向增加。
火焰基底平衡理論在燃具研發(fā)過程中的指導(dǎo)意義
火焰基底平衡理論能很好的解釋火焰燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。開發(fā)過程中一個(gè)很常見的誤區(qū)就是，只考慮調(diào)整氣流速度，而忽略甚至不清楚，在調(diào)整氣流速度的同時(shí)，也改變到了燃燒速度。這兩個(gè)速度必須通盤考慮。
當(dāng)出現(xiàn)二者速度不均衡時(shí)，可利用流體力學(xué)和熱力學(xué)去分析匹配。如果流速過高造成脫火時(shí)，同時(shí)不允許減少流量，可在流動(dòng)方向放置金屬環(huán)或細(xì)鐵絲等，使局部氣流速度減小，火焰在金屬環(huán)或細(xì)鐵絲處實(shí)現(xiàn)基底平衡，穩(wěn)定燃燒。
為形成穩(wěn)定的火焰基底，可使用明火穩(wěn)焰，小孔穩(wěn)焰。也可在主火孔的側(cè)方，上方或者下方形成一些出口流速較小的穩(wěn)定的輔助火焰，通常稱之為穩(wěn)焰槽穩(wěn)焰。
除此種方法之外，也可采用鈍體穩(wěn)焰，燃燒器壁面設(shè)置凹槽或者沉孔穩(wěn)焰，其工作原理都是形成熱氣回流，增加燃燒器壁面摩擦，形成局部的U1=V1的火焰基底。
基于以上介紹，可以得出兩個(gè)結(jié)論：
第一，火焰穩(wěn)定性取決于是否有穩(wěn)定的火焰基底，穩(wěn)定的火焰基底實(shí)質(zhì)是氣流速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠胶猓腔鹧婊谉崃?，能量的平衡?/p>
第二，利用火焰基底理論指導(dǎo)解決研發(fā)過程中的火焰不穩(wěn)定現(xiàn)象，但需通盤考慮兩個(gè)速度的變化。
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