内蒙古科技大学燃烧实验指导书(.doc

燃烧学实验指导书

燃烧学实验指导书

内蒙古科技大学
热能与动力工程学院
教学实验中心

二O一一年三月

目 录

实验原理系统图、实验仪器仪表型号规格及燃料物理化学性质………………2
实验一 Bensun火焰及Smithell法火焰分离…………………………………….. 3
实验二 预混火焰稳定浓度界限测定……………………………………………4
实验三 气体燃料的射流燃烧、火焰长度及火焰温度的测定…………………6
实验四 本生灯法层流火焰传播速度的测定……………………………………11

燃烧喷管及石英玻璃管说明
燃烧喷管共4根，分别标记为：
I号长喷管 — 细的长喷管(喷口内径7.18mm)
II号长喷管 — 粗的长喷管(相配的冷却器出口直径10.0mm)
I号短喷管 — 细的短喷管(喷口内径5.10mm)
II号短喷管 — 粗的短喷管(喷口内径7.32mm)
石英玻璃套管共3个，分别标记为：
I号玻璃管 — 最细的石英玻璃管(本生灯火焰内外锥分离用)
II号玻璃管 — 中间直径的石英玻璃管(观察Burk-Schumann火焰现象及测定射流火焰长度用)
III号玻璃管 — 最粗的石英玻璃管(测定射流火焰温度用)

燃烧学实验注意事项
1． 实验台上的玻璃管须轻拿轻放，用完后横放在实验台里侧，以防坠落。
2． 燃烧火焰的温度很高，切勿用手或身体接触火焰及有关器件。
3． 燃烧完后的喷嘴口、水平石英管的温度仍很高，勿碰触，以防烫伤。
4． 在更换燃烧管时，手应握在下端，尽量远离喷嘴口。

试验用仪器仪表型号规格
名 称
型号规格
生产厂家
浮子式流量计(燃气)
LZB-4F
常州热工仪表总厂
浮子式流量计(空气)
LZJ-10
常州热工仪表总厂
空气稳压定值器
QGD-101
广东肇庆恒星仪表气动元件厂
空气压力表
膜合压力表(2.5级)
上海仪川仪表厂
空气压缩机
NCSE-150
上海龙海力霸通用机械有限公司
数字式温度计
XMT-1100
上海大华仪表厂
石英玻璃管
内径12.7mm
上海泰恒科学仪器有限公司

燃气的物理化学性质
燃料
主要成分
相对分子质量
液态密度
(kg/L)
沸点
(℃)
理论空气量
kg/kg
kmol/kg
液化石油气(LPG)
C3H8
44
0.54
-42.1
15.8
0.541
自燃温度
(℃)
闪点
(℃)
燃料低热值
(MJ/kg)
汽化潜热
(kJ/kg)
混合气热值
(kJ/m3)
辛烷值
RON
MON
504
-73.3
46.39
426
3490
96-111
89-96
实验一 Bensun火焰及Smithell法火焰分离

一、目的：
1. 观察Bensun火焰的圈顶效应、壁面淬熄效应及火焰外凸效应；燃料浓度对火焰颜色的影响；气流速度对火焰形状的影响等各种火焰现象。
2. 了解本生灯火焰内外锥分离的原理和方法。
二、原理
预混合燃烧即动力燃烧，其机理是燃气与燃烧所需的部分空气进行预先混合，燃烧过程在动力区进行，形成的火焰称之为Bensun火焰。当燃料和空气流量调节到化学当量比时，本实验台上即能出现稳定的Bensun火焰，其内锥为蓝绿色的预混火焰(内锥表面呈白色)，外锥为淡黄色的扩散火焰。同时能观察到火焰的圆形顶点效应、壁面淬熄效应及火焰外凸效应。改变可燃气的混合比，可以观察到火焰颜色的变化。当空气浓度较低时，扩散火焰占主要部分，反应不完全炭颗粒被析出，火焰呈黄色；空气浓度增大后变成预混火焰，反应温度高，完全燃烧，火焰呈蓝色。富燃料的Bensun火焰可以用Smithell分离法进行内外锥分离。Bensun火焰及Smithell火焰分离现象如图1所示。
三、试验设备与燃料
空气压缩机、稳压筒，Bensun火焰试验系统，I号长喷管，I号玻璃管，点火器。
燃料：液化石油气。
四、试验步骤
1. 开启排风扇，保持室内通风，防止燃气泄漏造成对人员的危害。
2. 开启空压机，使空压机上压力表达到0.4MPa。保证储气罐有足够的空气量。
3. 按实验原理系统图，检查并连接好各管路，装上I号长喷管(内径7.18mm)，并套上支撑环架及I号玻璃管。
4. 打开空气(进气)总阀，按要求设定预混空气定值器压力(定值器已预先调整好，勿需学生调整)。开启液化石油气开关阀，使燃气管充满石油气，然后打开燃气(进气)总阀。
5. 缓慢打开预混空气调节阀，使空气流量指示在150L/h左右。再打开燃气调节阀，使燃气流量指示在6~7L/h左右，用点火器在喷管出口点火。
6. 调节空气流量，观察不同空燃比时火焰颜色及形状的变化。待管口形成稳定的Bensun火焰时(空气流量约275L/h左右)，记录燃气和空气压力、流量值。
7. 火焰内外锥分离：调节空气流量(约150L/h左右)，使火焰内锥出现黄尖，托起支撑环架，使玻璃外管升高，当外管口超过内管口时，火焰便移到外管口上；外管再升到一定距离，外锥仍留在外管口处，而内锥移至内管口燃烧，从而实现了火焰分离；玻璃外管继续升高，外锥被吹脱。记录燃气和空气压力、流量值。
8. 关闭燃气和空气阀门，整理试验现场。
五、数据处理
记录形成稳定的Bensun火焰及Smithell火焰分离现象时的燃气和空气压力、流量值。记录实验台号、环境压力和温度。
六、思考题
1．本生灯火焰的内外锥各是什么火焰？为什么？在什么情况下外锥比较明显？
2．火焰分离时，为什么锥间距离过大，外锥会被吹脱？
实验二 预混火焰稳定浓度界限测定

一、目的：
观察预混火焰的回火和吹脱等现象，测定预混火焰的稳定浓度界限。

二、原理
火焰稳定性是气体燃料燃烧的重要特性，在不同的空气/燃料比时，火焰会出现冒烟、回火和吹脱现象。本试验装置可以定量地测定燃料浓度对火焰传播稳定性的影响，从而绘制得到火焰稳定性曲线(回火线)。

三、试验设备与燃料
试验设备：小型空压机、稳压筒，Bensun火焰试验系统，冷却水系统，II号长喷管，有机玻璃挡风罩，点火器。
燃料：液化石油气。

四、试验步骤
1. 开启排风扇，保持室内通风，防止燃气泄漏造成对人员的危害。
2. 启动压缩空气泵，直至压气机停止工作，保证储气罐有足够的空气量。
3. 按试验原理系统图，检查并连接好各管路，装上II号长喷管及冷却器(出口直径10.0mm)，接通循环冷却水；罩上有机玻璃挡风罩，稍开冷却水阀，确保冷却器中有少量水流过。
4. 打开空气(进气)总阀，按要求设定预混空气定值器压力(定值器已预先调整好，勿需学生调整)。开启液化石油气开关阀，使燃气管充满石油气，然后打开燃气(进气)总阀。
5. 缓慢打开预混空气调节阀，使空气流量指示在150L/h左右。再打开燃气调节阀，使燃气流量指示在3.8L/h左右，用点火器在喷管出口点火。
6. 调节(增加)空气流量，使火焰内锥出现黄尖，记录火焰发烟时的燃气和空气参数。再增加空气流量，使管口形成稳定的Bensun火焰，记录圆锥火焰的燃气和空气参数。然后缓慢调小空气流量，待形成平面火焰时，记录燃气和空气参数。管口形成平面火焰为回火的贫富燃料线界限。缓慢增加空气流量，待火焰被吹脱时，记录燃气和空气参数。上述各种现象时的燃气和空气压力及流量记录于表一中。
7. 在3.8~5.2L/h之间，再选2~4个不同燃气流量点，重复6.中的实验内容。
8. 关闭燃气和空气阀门，整理试验现场。

五、数据处理
1. 根据理想气体状态方程式(等温)，将燃气和空气的测量流量换算成相同压力(如0.1MPa)下的流量值。
2. 根据换算流量值计算各种情况下的空气/燃料比。
3. 以空/燃比为纵坐标，输入燃气量为横坐标，绘制火焰稳定性曲线(回火线、吹脱线及发烟线)。

表一 层流火焰稳定性的测定

燃料：石油液化气 实验台号： 室温： 当地大气压：

单位：压力：kPa 流量：L/h
序号
黄尖
圆锥火焰
回火
吹脱
燃气
空气
燃气
空气
燃气
空气
燃气
空气
压力
流量
压力
流量
压力
流量
压力
流量
压力
流量
压力
流量
压力
流量
压力
流量
1

2

3

六、思考题
1. 在怎样的空燃比下，点火比较容易，为什么？
2. 确定回火的浓度界限时，应该怎样调节空气和燃气流量？为什么？
实验三 气体燃料的射流燃烧、火焰长度及火焰温度的测定

一、目的
1. 比较射流扩散燃烧与预混合燃烧的异同。
2. 测定射流火焰的温度分布。
3. 观察贝克-舒曼(Burk-Schumann)火焰现象。
4. 测定层流扩散火焰长度与燃料体积流量之间的关系曲线。
二、原理
气体燃料的射流燃烧是一种常见的燃烧方式，燃料和氧化剂都是气相的扩散火焰。与预混火焰不同的是：射流扩散火焰燃料和氧化剂不预先混合，而是边混合边燃烧（扩散），因而燃烧速度取决于燃料和氧化剂的混合速度，它是扩散控制的燃烧现象。
射流扩散火焰可以由本生灯试验系统关闭一次空气而得到，一般说扩散火焰颜色发黄，比预混火焰更明亮，更长。没有管内回火，燃料较富时易产生炭烟。
纵向受限同轴射流扩散火焰是研究和应用较多的一种火焰。将一根细管放在一粗管（玻璃管）内部，使两管同心，燃料和氧化剂分别从两管通过。在管口点燃。调整燃料和氧化剂流量可以得到贝克-舒曼火焰。
当燃料低速从喷嘴口流出，在管口点燃，可以得到层流扩散火焰。层流扩散火焰长度h与燃气容积流量qv成正比。本试验装置可以验证这一关系(实验中用自制的简易测高仪或直尺测量火焰高度)。
火焰的温度分布是火焰研究的重要内容。本实验中用铂-老铂热电偶测定射流火焰的温度分布，并以数字温度表显示。
三、试验设备
1. 空气压缩机、稳压筒，射流扩散火焰试验系统
2. 热电偶，数字温度表
3. I号及II号短喷管，II号及III号石英玻璃套管
四、试验步骤
1. 开启排风扇，保持室内通风，防止燃气泄漏造成对人员的危害。
2. 接通数字温度表进行预热，预热时间约半小时。
3. 启动压缩空气泵，直至压气机停止工作，保证储气罐有足够的空气量。
4. 按试验原理系统图，检查并连接好各管路，安装好II号短喷管(喷口内径7.32mm)。
5. 打开空气(进气)总阀，按要求设定射流空气定值器压力(定值器已预先调整好，勿需学生调整)。开启液化石油气开关阀，使燃气管充满石油气，然后打开燃气(进气)总阀。
6. 分别打开预混空气及燃气调节阀，输入燃气和空气(预混空气量250L/h左右，燃气流量4L/h左右)，在喷口点燃，获得稳定的预混火焰。
7. 适当开启射流空气调节阀，安装III号石英玻璃同心套管，逐渐关闭预混空气调节阀，实现从预混燃烧到扩散燃烧的转变。减小燃气流量(＜2L/h)，调节射流空气量，形成不冒黑烟的稳定火焰。
8. 调整装有热电偶的坐标架，使热电偶顺利穿过玻璃套管侧面的测温孔，并使热电偶球头接近火焰。调节微分测头，从火焰表面开始，使热电偶球头每隔0.5mm测量一个火焰温度。将测量结果记录到表二中。
9. 换装II号石英玻璃同心套管，将燃气流量稳定在10L/h左右，调节射流空气量，观察并比较通风不足和通风过量的火焰现象。过量：火焰明亮，成锥形，长度短；不足：火焰暗红，变长，冒烟，最后成碗形。
10. 将射流空气量稳定在2500L/h左右，调节燃气流量(4~7L/h)，用直尺测量不同燃气流量(不同雷诺数)时的火焰高度。将结果记录在表三中。
11. 关闭燃气及空气调节阀，换装I号短喷管(喷口内径5.10mm)。分别打开预混空气及燃气调节阀，输入燃气和空气，在喷口点燃，获得稳定的预混火焰。
12. 适当开启射流空气调节阀，安装II号石英玻璃同心套管。
13. 将射流空气量稳定在2400L/h左右，调节燃气流量(4~6L/h)，测量不同燃气流量(不同雷诺数)时的火焰高度。将结果记录在表三中
14. 关闭燃气和空气阀门，整理试验现场。
五、数据处理
1. 根据表二中从数字式温度计读得的温度值，作出火焰断面温度分布曲线。
2. 根据理想气体状态方程式(等温)，将燃气测量流量换算成喷管出口压力(当地大气压)下的流量值，求出喷管出口燃气速度us。填入表三中。
3. 作出h―qv (火焰高度与燃气的体积流量)曲线。
六、思考题
1. 射流扩散火焰与预混火焰有哪些主要区别？
2. 当燃料量输入量大时，火焰会大量冒烟，试作分析。
3. 用热电偶测量火焰温度有何利弊？

表二 火焰温度分布测定记录
实验台号： 喷嘴直径：7.32mm 温度单位：℃
测点
项 mm
目 温度
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
II号
短
喷管
1

2

平均

表三 扩散火焰长度h与雷诺数Re的关系

工况

项目 数值
II号短喷嘴(喷口内径7.32mm)
I号短喷嘴(喷口内径5.10mm)
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
燃气流量

燃气压力

火焰高度

换算后燃气流量

当地大气压力：

实验四 本生灯法层流火焰传播速度的测定

一、目的
1. 巩固火焰传播速度的概念，掌握本生灯法测量火焰传播速度的原理和方法。
2. 测定液化石油气的层流火焰传播速度。
3. 掌握不同的气/燃比对火焰传播速度的影响，测定出不同燃料百分数下火焰传播速度的变化曲线。

二、原理
层流火焰传播速度是燃料燃烧的基本参数。测量火焰传播速度的方法很多。本试验装置是用动力法即本生灯法进行测定。
正常法向火焰传播速度定义为在垂直于层流火焰前沿面方向上火焰前沿面相对于未燃混合气的运动速度。在稳定的Bensun火焰中，内锥面是层流预混火焰前沿面。在此面上某一点P处，混合气流的法向分速度与未燃混合气流的运动速度即法向火焰传播速度相平衡，这样才能保持燃烧前沿面在法线方向上的燃烧速度(图7)，即
u0=us.sinα （1）
式中：us－混合气的流速（cm/s）；
α－火焰锥角之半。
或 （2）
式中：qv－混合气的体积流量（L/s）；
h－火焰内锥高度（cm）；
r－喷口半径（cm）。
火焰高度h，可由自制简易测高仪测出。

三、试验设备及燃料
1. 试验系统与试验二相同，用II号长喷管加冷却水套。
2. 燃料：液化石油气。

四、试验步骤
1. 分别通过预混空气调节阀与燃气调节阀将燃烧管上端火焰，调节至标准的本生火焰。
2. 调整摄像头对准火焰，保持100mm左右近距离，使摄像画面清晰地出现在计算机显示屏上。
3. 根据试验所用燃气的稳定性曲线，预先估值得各种混合比所需的空气和燃料流量值作为实验参数，其中需注意避免燃料百分比数过于接近，从而影响数据在绘图时的曲线。
4. 试验中应缓慢调节空气和燃气流量，使火焰稳定后，开始采集图像。

五、数据处理
1. 根据理想气体状态方程式(等温)，将燃气和空气测量流量换算成(当地大气压下)喷管内的流量值，然后计算出混合气的总流量，求出可燃混合气在管内的流速us(II号长喷管内径10.0mm)，并求出燃气在混合气中的百分数。
2. 计算出火焰传播速度u0，将有关数据填入表四内，以火焰传播速度为纵坐标，绘制火焰传播速度相对于燃气百分比的曲线。

六、思考题
1. 液化石油气的最大火焰传播速度是多少？对应的燃气百分数是多少？误差如何？
2. 应选定Bensun火焰的哪个面为火焰前沿面？为什么？
3. 测量富燃料的火焰传播速度，存在哪些困难？用本生灯法能否解决？

表四 本生灯法层流火焰传播速度的测定

喷管口面积： 室温： ℃ 当地大气压： kPa

实验台号： 单位：压力：kPa 流量：mL/h
序号
燃气测量值
空气测量值
折算流量
总流量qv(mL/s)
燃气
体积
百分数
气流出口速度us
(cm/s)
火焰传播速度u0
(cm/s)
火焰高度
(mm)
压力
流量
压力
流量
燃气
空气
1

1

2

3

平均

2

1

2

3

平均

3

1

2

3

平均

燃烧实验操作细则
一、 实验前准备工作
1、 检验实验装置的各个阀门是否处在关闭状态；
2、 启动压气机。查验压气机运行是否正常后，查看管路减压阀的压力表是否处在实验要求数值（一般为0.3~0.4Mpa）；
3、 开启燃气瓶阀门，查验是否有漏气现象；
4、 检验点火器是否正常，实验装置及配件是否齐全和完好。
二、 实验装置操作
1、 开启空气总阀和燃气总阀，查验压力表是否正常。
2、 点火：将预混空气阀门打开，将其流量读数调至150~180L/h左右后，开启燃气阀门至6~8L/h ，约等3分钟后用点火器对准燃烧管口点火，火焰形成后，查验压力表和流量计读数是否稳定，开始进行实验。
3、 火焰调节：可先将燃气阀门进行调节，如火焰过小，可逐渐加大预混空气量及燃气量，直至满足实验要求。
4、 如遇特殊情况，应先将燃气阀门关闭。
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