燃燒學實驗報告1

1、燃燒學實驗報告 學 院 專 業(yè) 學 號 學生姓名 指導教師 2017 年 01 月目 錄實驗原理系統(tǒng)圖、實驗儀器儀表型號規(guī)格及燃料物理化學性質3實驗一 Bensun火焰及Smithell法火焰分離. 6實驗二 預混火焰穩(wěn)定濃度界限測定8實驗三 氣體燃料的射流燃燒、火焰長度及火焰溫度的測定11實驗四 本生燈法層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定15燃燒噴管及石英玻璃管說明燃燒噴管共4根，分別標記為：I號長噴管 細的長噴管(噴口內徑7.18mm)II號長噴管 粗的長噴管(相配的冷卻器出口直徑10.0mm)I號短噴管 細的短噴管(噴口內徑5.10mm)II號短噴管 粗的短噴管(噴口內徑7.32mm)石英玻璃套管共

2、3個，分別標記為：I號玻璃管 最細的石英玻璃管(本生燈火焰內外錐分離用)II號玻璃管 中間直徑的石英玻璃管(觀察Burk-Schumann火焰現象及測定射流火焰長度用)III號玻璃管 最粗的石英玻璃管(測定射流火焰溫度用)燃燒學實驗注意事項1. 實驗臺上的玻璃管須輕拿輕放，用完后橫放在實驗臺里側，以防墜落。 2. 燃燒火焰的溫度很高，切勿用手或身體接觸火焰及有關器件。 3. 燃燒完后的噴嘴口、水平石英管的溫度仍很高，勿碰觸，以防燙傷。 4. 在更換燃燒管時，手應握在下端，盡量遠離噴嘴口。 本生燈燃燒實驗系統(tǒng)介紹 一、本生燈燃燒實驗系統(tǒng)本生燈燃燒實驗系統(tǒng)如圖1所示。壓縮空氣（藍色導管）通過減壓閥

3、門調節(jié)，進入浮子流量計調節(jié)測量。甲烷（桔紅導管）由氣瓶開關、減壓閥提供，接通單向電磁閥進入浮子流量計調節(jié)測量。主控制面板上設計了一個主控單向電磁閥開關，只有當電源接通，開關按下時，燃料才能供應?？諝夂腿細庹{節(jié)好當量比被分別輸送進入一個混合管（混合管的功用是緩和氣流的脈動，并使甲烷、壓縮空氣兩股氣體充分混合，以保證在本生燈管的進口處獲得穩(wěn)定、均勻的流動），該混合管連接一個內徑為25mm的本生燈管，用于火焰結構演示實驗、鈍體火焰穩(wěn)定實驗。根據火焰?zhèn)鞑サ挠嘞叶ɡ?，已知管口直徑，測量出火焰的高度，就能算出火焰錐角。再通過浮子流量計的讀數，測出氣流流出管口的速度，就可以算出火焰的傳播速度。 圖 1 本生

4、燈燃燒實驗系統(tǒng) 二、 實驗裝置 本生燈燃燒實驗系統(tǒng)由本生燈，壓縮空氣閥，甲烷氣瓶一個，浮子流量計兩個，空氣壓力表、甲烷壓力表各一個，減壓閥兩個，單向逆止閥一個，混合器，鋼尺，點火槍等組成。實驗用儀器儀表型號規(guī)格見表.試驗用儀器儀表型號規(guī)格名 稱型號規(guī)格生產廠家浮子式流量計(燃氣)LZB-4F常州熱工儀表總廠浮子式流量計(空氣)LZJ-10常州熱工儀表總廠空氣穩(wěn)壓定值器QGD-101廣東肇慶恒星儀表氣動元件廠空氣壓力表膜合壓力表(2.5級)上海儀川儀表廠空氣壓縮機NCSE-150上海龍海力霸通用機械有限公司數字式溫度計XMT-1100上海大華儀表廠石英玻璃管內徑12.7mm上海泰恒科學儀器有限公

5、司三、燃氣的物理化學性質實驗用燃氣可用甲烷氣體，也可用液化石油氣(LPG)，在本實驗中選用液化石油氣作為實驗用燃氣，其物理化學性質見表.燃氣的物理化學性質燃料主要成分相對分子質量液態(tài)密度(kg/L)沸點()理論空氣量kg/kgkmol/kg液化石油氣(LPG)C3H8440.54-42.115.80.541自燃溫度()閃點()燃料低熱值(MJ/kg)汽化潛熱(kJ/kg)混合氣熱值(kJ/m3)辛烷值RONMON504-73.346.39426349096-11189-96實驗一 Bensun火焰及Smithell法火焰分離一、目的：1. 觀察Bensun火焰的圈頂效應、壁面淬熄效應及火焰外凸

6、效應；燃料濃度對火焰顏色的影響；氣流速度對火焰形狀的影響等各種火焰現象。2. 了解本生燈火焰內外錐分離的原理和方法。二、原理預混合燃燒即動力燃燒，其機理是燃氣與燃燒所需的部分空氣進行預先混合，燃燒過程在動力區(qū)進行，形成的火焰稱之為Bensun火焰。當燃料和空氣流量調節(jié)到化學當量比時，本實驗臺上即能出現穩(wěn)定的Bensun火焰，其內錐為藍綠色的預混火焰(內錐表面呈白色)，外錐為淡黃色的擴散火焰。同時能觀察到火焰的圓形頂點效應、壁面淬熄效應及火焰外凸效應。改變可燃氣的混合比，可以觀察到火焰顏色的變化。當空氣濃度較低時，擴散火焰占主要部分，反應不完全炭顆粒被析出，火焰呈黃色；空氣濃度增大后變成預混火焰

7、，反應溫度高，完全燃燒，火焰呈藍色。富燃料的Bensun火焰可以用Smithell分離法進行內外錐分離。Bensun火焰及Smithell火焰分離現象如圖1所示。三、試驗設備與燃料空氣壓縮機、穩(wěn)壓筒，Bensun火焰試驗系統(tǒng)，I號長噴管，I號玻璃管，點火器。燃料：液化石油氣。四、試驗步驟1. 開啟排風扇，保持室內通風，防止燃氣泄漏造成對人員的危害。2. 開啟空壓機，使空壓機上壓力表達到0.4MPa。保證儲氣罐有足夠的空氣量。3. 按實驗原理系統(tǒng)圖，檢查并連接好各管路，裝上I號長噴管(內徑7.18mm)，并套上支撐環(huán)架及I號玻璃管。4. 打開空氣(進氣)總閥，按要求設定預混空氣定值器壓力(定值器

8、已預先調整好，勿需學生調整)。開啟液化石油氣開關閥，使燃氣管充滿石油氣，然后打開燃氣(進氣)總閥。5. 緩慢打開預混空氣調節(jié)閥，使空氣流量指示在150L/h左右。再打開燃氣調節(jié)閥，使燃氣流量指示在67L/h左右，用點火器在噴管出口點火。6. 調節(jié)空氣流量，觀察不同空燃比時火焰顏色及形狀的變化。待管口形成穩(wěn)定的Bensun火焰時(空氣流量約275L/h左右)，記錄燃氣和空氣壓力、流量值。7. 火焰內外錐分離：調節(jié)空氣流量(約150L/h左右)，使火焰內錐出現黃尖，托起支撐環(huán)架，使玻璃外管升高，當外管口超過內管口時，火焰便移到外管口上；外管再升到一定距離，外錐仍留在外管口處，而內錐移至內管口燃燒，

9、從而實現了火焰分離；玻璃外管繼續(xù)升高，外錐被吹脫。記錄燃氣和空氣壓力、流量值。8. 關閉燃氣和空氣閥門，整理試驗現場。五、數據處理記錄形成穩(wěn)定的Bensun火焰及Smithell火焰分離現象時的燃氣和空氣壓力、流量值。記錄實驗臺號、環(huán)境壓力和溫度。六、思考題1本生燈火焰的內外錐各是什么火焰？為什么？在什么情況下外錐比較明顯？答：外錐是擴散火焰，里面是預混火焰；預混氣處于內管的脫火限和外管的回火限之間；火焰燃燒速度增加。2火焰分離時，為什么錐間距離過大，外錐會被吹脫？答：供應速度比燃燒速度大。實驗二 預混火焰穩(wěn)定濃度界限測定一、目的：觀察預混火焰的回火和吹脫等現象，測定預混火焰的穩(wěn)定濃度界限。二

10、、原理火焰穩(wěn)定性是氣體燃料燃燒的重要特性，在不同的空氣/燃料比時，火焰會出現冒煙、回火和吹脫現象。本試驗裝置可以定量地測定燃料濃度對火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定性的影響，從而繪制得到火焰穩(wěn)定性曲線(回火線)。三、試驗設備與燃料試驗設備：小型空壓機、穩(wěn)壓筒，Bensun火焰試驗系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)，II號長噴管，有機玻璃擋風罩，點火器。燃料：液化石油氣。四、試驗步驟1. 開啟排風扇，保持室內通風，防止燃氣泄漏造成對人員的危害。2. 啟動壓縮空氣泵，直至壓氣機停止工作，保證儲氣罐有足夠的空氣量。3. 按試驗原理系統(tǒng)圖，檢查并連接好各管路，裝上II號長噴管及冷卻器(出口直徑10.0mm)，接通循環(huán)冷卻水；罩上有機玻璃擋

11、風罩，稍開冷卻水閥，確保冷卻器中有少量水流過。4. 打開空氣(進氣)總閥，按要求設定預混空氣定值器壓力(定值器已預先調整好，勿需學生調整)。開啟液化石油氣開關閥，使燃氣管充滿石油氣，然后打開燃氣(進氣)總閥。5. 緩慢打開預混空氣調節(jié)閥，使空氣流量指示在150L/h左右。再打開燃氣調節(jié)閥，使燃氣流量指示在3.8L/h左右，用點火器在噴管出口點火。6. 調節(jié)(增加)空氣流量，使火焰內錐出現黃尖，記錄火焰發(fā)煙時的燃氣和空氣參數。再增加空氣流量，使管口形成穩(wěn)定的Bensun火焰，記錄圓錐火焰的燃氣和空氣參數。然后緩慢調小空氣流量，待形成平面火焰時，記錄燃氣和空氣參數。管口形成平面火焰為回火的貧富燃料

12、線界限。緩慢增加空氣流量，待火焰被吹脫時，記錄燃氣和空氣參數。上述各種現象時的燃氣和空氣壓力及流量記錄于表一中。7. 在3.85.2L/h之間，再選24個不同燃氣流量點，重復6.中的實驗內容。8. 關閉燃氣和空氣閥門，整理試驗現場。五、數據處理1. 根據理想氣體狀態(tài)方程式(等溫)，將燃氣和空氣的測量流量換算成相同壓力(如0.1MPa)下的流量值。2. 根據換算流量值計算各種情況下的空氣/燃料比。3. 以空/燃比為縱坐標，輸入燃氣量為橫坐標，繪制火焰穩(wěn)定性曲線(回火線、吹脫線及發(fā)煙線)。表一 層流火焰穩(wěn)定性的測定燃料：石油液化氣 實驗臺號：1 室溫：20 當地大氣壓：101kpa 單位：壓力：k

13、Pa 流量：L/h序號黃尖圓錐火焰回火吹脫燃氣空氣燃氣空氣燃氣空氣燃氣空氣壓力流量壓力流量壓力流量壓力流量壓力流量壓力流量壓力流量壓力流量11021101510541015108710151111010152103210151065101510981015112111015310430151076101511091015113121015六、思考題1. 在怎樣的空燃比下，點火比較容易，為什么？答：空燃比越接近理論空燃比14.7：1，點火比較容易；因為燃燒較完全。2. 確定回火的濃度界限時，應該怎樣調節(jié)空氣和燃氣流量？為什么？答：先打開空氣閥門，使浮子流量計中空氣流量和燃料分別達到預定的點火值。

14、在管口點火，穩(wěn)定燃燒后再精確調節(jié)空氣和燃料流量；因為要保證燃料空氣充分混合，并保持實驗過程中預混氣溫度恒定。實驗三 氣體燃料的射流燃燒、火焰長度及火焰溫度的測定一、目的1. 比較射流擴散燃燒與預混合燃燒的異同。2. 測定射流火焰的溫度分布。3. 觀察貝克-舒曼(Burk-Schumann)火焰現象。4. 測定層流擴散火焰長度與燃料體積流量之間的關系曲線。二、原理氣體燃料的射流燃燒是一種常見的燃燒方式，燃料和氧化劑都是氣相的擴散火焰。與預混火焰不同的是：射流擴散火焰燃料和氧化劑不預先混合，而是邊混合邊燃燒（擴散），因而燃燒速度取決于燃料和氧化劑的混合速度，它是擴散控制的燃燒現象。射流擴散火焰可以

15、由本生燈試驗系統(tǒng)關閉一次空氣而得到，一般說擴散火焰顏色發(fā)黃，比預混火焰更明亮，更長。沒有管內回火，燃料較富時易產生炭煙。縱向受限同軸射流擴散火焰是研究和應用較多的一種火焰。將一根細管放在一粗管（玻璃管）內部，使兩管同心，燃料和氧化劑分別從兩管通過。在管口點燃。調整燃料和氧化劑流量可以得到貝克-舒曼火焰。當燃料低速從噴嘴口流出，在管口點燃，可以得到層流擴散火焰。層流擴散火焰長度h與燃氣容積流量qv成正比。本試驗裝置可以驗證這一關系(實驗中用自制的簡易測高儀或直尺測量火焰高度)?；鹧娴臏囟确植际腔鹧嫜芯康闹匾獌热?。本實驗中用鉑-老鉑熱電偶測定射流火焰的溫度分布，并以數字溫度表顯示。三、試驗設備1.

16、 空氣壓縮機、穩(wěn)壓筒，射流擴散火焰試驗系統(tǒng)2. 熱電偶，數字溫度表3. I號及II號短噴管，II號及III號石英玻璃套管四、試驗步驟1. 開啟排風扇，保持室內通風，防止燃氣泄漏造成對人員的危害。2. 接通數字溫度表進行預熱，預熱時間約半小時。3. 啟動壓縮空氣泵，直至壓氣機停止工作，保證儲氣罐有足夠的空氣量。4. 按試驗原理系統(tǒng)圖，檢查并連接好各管路，安裝好II號短噴管(噴口內徑7.32mm)。5. 打開空氣(進氣)總閥，按要求設定射流空氣定值器壓力(定值器已預先調整好，勿需學生調整)。開啟液化石油氣開關閥，使燃氣管充滿石油氣，然后打開燃氣(進氣)總閥。6. 分別打開預混空氣及燃氣調節(jié)閥，輸入

17、燃氣和空氣(預混空氣量250L/h左右，燃氣流量4L/h左右)，在噴口點燃，獲得穩(wěn)定的預混火焰。7. 適當開啟射流空氣調節(jié)閥，安裝III號石英玻璃同心套管，逐漸關閉預混空氣調節(jié)閥，實現從預混燃燒到擴散燃燒的轉變。減小燃氣流量(2L/h)，調節(jié)射流空氣量，形成不冒黑煙的穩(wěn)定火焰。8. 調整裝有熱電偶的坐標架，使熱電偶順利穿過玻璃套管側面的測溫孔，并使熱電偶球頭接近火焰。調節(jié)微分測頭，從火焰表面開始，使熱電偶球頭每隔0.5mm測量一個火焰溫度。將測量結果記錄到表二中。9. 換裝II號石英玻璃同心套管，將燃氣流量穩(wěn)定在10L/h左右，調節(jié)射流空氣量，觀察并比較通風不足和通風過量的火焰現象。過量：火焰

18、明亮，成錐形，長度短；不足：火焰暗紅，變長，冒煙，最后成碗形。10. 將射流空氣量穩(wěn)定在2500L/h左右，調節(jié)燃氣流量(47L/h)，用直尺測量不同燃氣流量(不同雷諾數)時的火焰高度。將結果記錄在表三中。11. 關閉燃氣及空氣調節(jié)閥，換裝I號短噴管(噴口內徑5.10mm)。分別打開預混空氣及燃氣調節(jié)閥，輸入燃氣和空氣，在噴口點燃，獲得穩(wěn)定的預混火焰。12. 適當開啟射流空氣調節(jié)閥，安裝II號石英玻璃同心套管。13. 將射流空氣量穩(wěn)定在2400L/h左右，調節(jié)燃氣流量(46L/h)，測量不同燃氣流量(不同雷諾數)時的火焰高度。將結果記錄在表三中14. 關閉燃氣和空氣閥門，整理試驗現場。五、數據

19、處理1. 根據表二中從數字式溫度計讀得的溫度值，作出火焰斷面溫度分布曲線。2. 根據理想氣體狀態(tài)方程式(等溫)，將燃氣測量流量換算成噴管出口壓力(當地大氣壓)下的流量值，求出噴管出口燃氣速度us。填入表三中。3. 作出hqv (火焰高度與燃氣的體積流量)曲線。六、思考題1. 射流擴散火焰與預混火焰有哪些主要區(qū)別？答：擴散燃燒的燃氣和助燃空氣在燃燒時進行混合，擴散火焰比較穩(wěn)定。預混是在著火前，燃氣與空氣通過旋流器進行充分混合。2. 當燃料量輸入量大時，火焰會大量冒煙，試作分析。答：一方面有燃燒后的粉塵等,另一方面有未充分燃燒的產物：二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫（與空氣接觸可產生三氧化硫）、二氧化

20、氮（一定條件下可形成四氧化二氮）、一氧化氮。3. 用熱電偶測量火焰溫度有何利弊？答：測量較高的溫度時，一般選擇熱電偶?；鹧鏈囟群芨?，一般選鉑銠鉑銠熱電偶。優(yōu)點，穩(wěn)定性好，耐用。缺點，價格相對貴些。表二 火焰溫度分布測定記錄實驗臺號：1 噴嘴直徑：7.32mm 溫度單位：25 測點項 mm目 溫度0123456789101112II號短噴管110111214151213111612101314212131212151213111214141512平均1112121315121311141312413表三 擴散火焰長度h與雷諾數Re的關系工況項目 數值 II號短噴嘴(噴口內徑7.32mm)I號短噴

21、嘴(噴口內徑5.10mm)1234512345燃氣流量12345678910燃氣壓力12345678910火焰高度50515253545556575859換算后燃氣流量45678910111213當地大氣壓力：101kpa 實驗四 本生燈法層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定一、目的1. 鞏固火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊母拍?，掌握本生燈法測量火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑砗头椒ā?. 測定液化石油氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?. 掌握不同的氣/燃比對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀瑴y定出不同燃料百分數下火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓€。二、原理層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侨剂先紵幕緟?。測量火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆椒ê芏唷１驹囼炑b置是用動力法即本生燈法進行測定。正常法向火焰

22、傳播速度定義為在垂直于層流火焰前沿面方向上火焰前沿面相對于未燃混合氣的運動速度。在穩(wěn)定的Bensun火焰中，內錐面是層流預混火焰前沿面。在此面上某一點P處，混合氣流的法向分速度與未燃混合氣流的運動速度即法向火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗥胶猓@樣才能保持燃燒前沿面在法線方向上的燃燒速度(圖7)，即u0=us.sin （1）式中：us混合氣的流速（cm/s）；火焰錐角之半?；?（2）式中：qv混合氣的體積流量（L/s）；h火焰內錐高度（cm）；r噴口半徑（cm）?；鹧娓叨萮，可由自制簡易測高儀測出。三、試驗設備及燃料1. 試驗系統(tǒng)與試驗二相同，用II號長噴管加冷卻水套。2. 燃料：液化石油氣。四、試驗步驟1.

23、分別通過預混空氣調節(jié)閥與燃氣調節(jié)閥將燃燒管上端火焰，調節(jié)至標準的本生火焰。2. 調整攝像頭對準火焰，保持100mm左右近距離，使攝像畫面清晰地出現在計算機顯示屏上。3. 根據試驗所用燃氣的穩(wěn)定性曲線，預先估值得各種混合比所需的空氣和燃料流量值作為實驗參數，其中需注意避免燃料百分比數過于接近，從而影響數據在繪圖時的曲線。4. 試驗中應緩慢調節(jié)空氣和燃氣流量，使火焰穩(wěn)定后，開始采集圖像。五、數據處理1. 根據理想氣體狀態(tài)方程式(等溫)，將燃氣和空氣測量流量換算成(當地大氣壓下)噴管內的流量值，然后計算出混合氣的總流量，求出可燃混合氣在管內的流速us(II號長噴管內徑10.0mm)，并求出燃氣在混合氣中的百分數。2. 計算出火焰?zhèn)鞑ニ俣萿0，將有關數據填入表四內，以火焰?zhèn)鞑ニ俣葹榭v坐標，繪制火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬τ谌細獍俜直鹊那€。六、思考題1. 液化石油氣的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣仁嵌嗌?？對應的燃氣百分數是多少？誤差如何？答：4m/s;5%;誤差不大。2. 應選定Bensun火焰的哪個面為火焰前沿面？為什么？答：在穩(wěn)定的Bensun火焰中，內錐面是層流預混火焰前沿面。在此面上某一點處，混合氣流的法向分速度與未燃混合氣流的運動速度即法向火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗥胶?，這樣才能保持燃燒前沿面在法線方向上的燃燒速度。3. 測