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)鞑ニ俣仍娇欤饺菀谆鼗?，如人工燃?xì)猓珻P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)鞑ニ俣龋蜁l(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，會助長離焰，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?；鹕w火孔向上(便于實(shí)驗(yàn)測量)，共30個火孔，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。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?。根?jù)離開孔壁的距離不同，分別測定兩個速度。
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單從上圖可以看出，火焰在2kpa和3.2kpa時(shí),有一個共同點(diǎn)，在離開火孔壁的某處，存在兩個曲線近似相切。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)兩個速度不匹配的時(shí)候，就會出現(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)，火焰則會離焰，甚至脫火。兩個速度的匹配，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)鞑ニ俣鹊脑黾樱@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，但需通盤考慮兩個速度的變化。
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