燃气热水器培训之燃烧系统3-稳定燃烧(万和新电气股份有限公司).pdf

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之燃烧系统之燃烧系统33-稳定稳定燃烧燃烧编制：

热水器研发编制：

热水器研发代先锋代先锋dai_dai_燃烧是物质因剧烈氧化而发光燃烧是物质因剧烈氧化而发光、发热的现发热的现象象，也称之为火也称之为火。

燃气热水器研发燃气热水器研发火焰稳定燃气燃烧方法的分类本生灯燃烧过程及其火焰稳定本生灯燃烧过程及其火焰稳定火焰的稳定措施火焰的稳定措施高速气流中的火焰稳定高速气流中的火焰稳定钝体稳焰钝体稳焰火焰稳定的基本原理和方法火焰稳定的基本原理和方法气体燃料燃烧所需的全部时间通常包括两部分：

气体燃料与空气混合所需时间和燃烧反应所需时间。

按照混合时间与化学反应时间两者比较

（1）扩散式燃烧（有焰燃烧）燃气、空气分别喷入，混合速度控制燃烧；火焰长，稳定性好；燃烧时间长；燃气与空气可分别预热以提高温度。

（2）全预混式燃烧（无焰燃烧）燃烧速度快，火焰短；空气消耗系数n较小，燃烧温度高，空间热强度较大；但空气与煤气温度不能预热过高。

（3）大气式燃烧（部分预热式燃烧）燃气燃烧方法的分类扩散火焰：

燃料和氧化剂边混合边燃烧，这时由于扩散作用对燃烧起控制作用，又称扩散燃烧。

扩散火焰确定扩散火焰高度即寻找火焰锋面与轴心线相交的位置。

预混火焰：

燃料和氧化剂预先混合好，这时化学动力学因素对燃烧起控制作用，亦称动力燃烧。

预混火焰大气式燃烧器（部分预混式燃烧）全预混式燃烧（无焰燃烧）燃气与燃烧所需的全部空气在着火前预先进行混合，即，1，在稳焰装置的配合下燃烧过程瞬间完成，称这种燃烧方法为完全预混式燃烧。

由于燃气-空混合物达到燃烧区后能瞬间燃烧完毕，因此火焰很短甚至看不清，所以完全预混式燃烧又称为无焰式燃烧。

完全预混式燃烧是在部分预混式燃烧的基础上发展起来的,虽然出现较晚，但因在技术上比较合理，很快得到广泛应用。

火焰稳定燃烧过程中的一个重要课题是研究火焰的稳定性燃烧过程中的一个重要课题是研究火焰的稳定性及其稳定方法及其稳定方法。

要求懂得在什么条件下能保证火焰的稳定要求懂得在什么条件下能保证火焰的稳定，还还要知道如何防止火焰不稳定的方法要知道如何防止火焰不稳定的方法本生灯燃烧过程及其火焰稳定本生灯的燃烧过程本生灯的燃烧过程右图为本生灯简图。

燃烧所需的空气可全部从底部供入，也可在管口下游通过射流的引射获取，或两者兼有，这时火焰分外焰与内焰两部分。

内焰：

预混火焰内焰：

预混火焰外焰：

扩散火焰外焰：

扩散火焰本生灯是实验室里广泛使用的燃烧装置，是德国人本生（Bunsen）首先推荐使用的。

它的工作特性与工程上的低速燃烧装置（如喷射式无焰烧嘴、家用煤气灶喷嘴等）有很多相似之处。

本生灯的燃烧过程本生灯的燃烧过程直管形收缩管形火焰顶端呈圆形；火焰底部不和喷嘴出口相重合，存在向外突出的一个区域以及靠近壁面处有一段无火焰区域火焰形状接近正圆锥形火焰的几何形状：

火焰的几何形状：

本生灯火焰的稳定本生灯火焰的稳定一维管流的火焰稳定条件：

一维管流的火焰稳定条件：

一维管流的火焰稳定条件：

混气速度等于火焰传播速度气流流速增大气流流速减小本生灯火焰稳定分析：

本生灯火焰稳定分析：

vnvu本生灯火焰根部有一环形平面火焰，起着固定点火源的作用，称之为点火环；点火环形成的原因及作用分析：

点火环形成的原因是由于靠近射流壁面附近气流速度及火焰传播速度分布不均匀的缘故。

气流速度对本生灯火焰稳定性的影响：

气流速度对本生灯火焰稳定性的影响：

1u2u3u1nv2nv3nv4nv1u1nv2nv气流速度增大气流速度减小举举例例本生灯：

燃料气流进入本生灯后由一喷口流出，引射部分空气（一级空气）预先混合。

*如1级空气阀门关死，点燃，此时为扩散火焰10k2k1k燃料燃料*逐渐增加逐渐增加（煤气煤气+1K）流动火焰锋面即形成燃烧流动火焰锋面即形成燃烧一级空气氧烧完，再靠二级空气来燃烧，此时有两个火焰锋面，内（1空气）外（二级空气）预混火焰2k1k燃料燃料如如，一级空气氧已足够一级空气氧已足够此时也只有一个内火焰锋面此时也只有一个内火焰锋面，此时为此时为全预混火焰全预混火焰。

11k1k燃料燃料1k11k01k1扩散预混全预混0特征只有外火焰面；缺氧，碳黑（冒黑烟）a.燃烧不强烈，火焰无力，T；b.火焰长度长；c.火焰颜色是黄，发光火焰。

有内、外火焰面；燃烧强化，温度火焰长度短，半发光火焰，淡兰色。

只有内火焰面T，火焰更短，不发光火焰。

火焰稳定问题当当或当煤气与一级空气预混物流量太大或当煤气与一级空气预混物流量太大，流流速很高时速很高时，火焰将被吹离火焰将被吹离，后面随之而来的煤气空气后面随之而来的煤气空气混合物根本不能着火混合物根本不能着火，该现象称为该现象称为脱火脱火（吹熄吹熄）。

1k1当当而煤气与而煤气与1级空气预混物流量很小级空气预混物流量很小，流速很流速很低时低时，火焰很可能逆流而传播进本生灯火焰很可能逆流而传播进本生灯，一直烧到本一直烧到本生灯里面的煤气小喷口处生灯里面的煤气小喷口处，该现象为该现象为回火回火。

1k0对于本生灯，气焊枪而言，当或当煤气与一级空气预混物流量太大，流速很高时，火焰将被吹离，后面随之而来的煤气空气混合物根本不能着火，该现象称为脱火（吹熄）。

，只有预混合流量在某一范围时才既不回火也不脱火只有预混合流量在某一范围时才既不回火也不脱火，亦即稳定的亦即稳定的。

由上可看出，回火、脱火均是针对预混火焰而言，扩散火焰不存在回火，脱由上可看出，回火、脱火均是针对预混火焰而言，扩散火焰不存在回火，脱火也不易。

火也不易。

Wn为为在法向分在法向分量：

量：

w脱火、回火的本质在于火焰传播速度与气流速度之间平衡的问题。

ceuw回火回火ceuw脱火脱火cenuwcenuw回火回火脱火脱火wmwnucew本生灯的火焰稳定机理：

本生灯出口Re较小一般属层流，火焰锋面以传播，可燃混合气以W速度前进，合成速度的结果就是形成了的圆锥面。

这也称为余弦定律。

ceucosncewwuw越大越大，越大越大，就越小就越小，火焰瘦长火焰瘦长90wwnucelhy的存在使得火焰锋面上质点沿a-b方向移动，为使火焰稳定，当质点由a移至b时，必须有另一质点补充上来。

因此在接近火炬根部的焰锋表面上，必须存在一固定的点火源（不断点燃火焰根部附近的可燃气体以补充被气流带走的质点）。

此即圆锥面火焰锋面的策源，底部四周一圈环形火焰锋面点火环。

mw点火环的存在是由于燃料混合物喷出本生灯后在边缘上速度很低点火环的存在是由于燃料混合物喷出本生灯后在边缘上速度很低，有一些有一些地方射流速度正好等于地方射流速度正好等于Uce，即形成了点火环即形成了点火环。

ba西安交通大学能源与动力工程学院29脱火：

各处均为cewuceuw回火：

w很小，火焰逆流传播，而成回火uceO1234wOuceO123wO火焰稳定OABCDuceO12345w的大小对于火焰稳定与否有很大影响1k在在略小于略小于1时最大，但时最大，但1时时火焰稳定区不宽，尤其当火焰稳定区不宽，尤其当1时更时更窄。

窄。

ceu1kw0.41.01.4黄黄色色火火焰焰区区稳定区稳定区脱火区脱火区回火区回火区当1K=0，纯扩散火焰，不可能回火，因为管道中没有氧气，火焰传播速度为0。

也不易脱火，因为，随着燃料在环境中的扩散，与氧气混合，火焰传播速度上升，而流速却在扩散过程中不断下降，很容易出现火焰稳定点。

火焰极为稳定，但化学不完全燃烧损失大。

1kw0.41.01.4黄黄色色火火焰焰区区稳定区稳定区脱火区脱火区回火区回火区1K=0.40.7，稳定区域很大，运行较为可靠。

混合物中火焰传播速度很低，不容易回火。

与纯扩散火焰类似，随着燃料在环境中的扩散，与氧气混合，火焰传播速度上升，而流速却在扩散过程中不断下降，很容易出现火焰稳定点。

10k1K太小时，气体中烃缺氧，发生高温裂解，产生炭黑，火焰呈明亮黄色，发光火焰，黑度大，有利于炉内传热。

1kw0.41.01.4黄黄色色火火焰焰区区稳定区稳定区脱火区脱火区回火区回火区1K1时，既容易回火，也容易脱火，火焰很不稳定。

火焰传播速度很快，管道内供氧充分，很容易回火。

混合气流离开喷嘴以后，火焰传播速度不断下降，虽然流速也不断下降，但是，火焰传播速度的下降更快，很容易脱火。

10k扩散预混合全预混燃烧不强，燃烧强烈不可能回火，防止回火既可能回火,w也不易脱火有，w存在脱火可能也可能脱火ceTu10k101kceTu1k11.0k小小结结火焰稳定的基本原理和方法一维火焰及锥形火焰稳定条件一维火焰及锥形火焰稳定条件层流火焰传播速度层流火焰传播速度（法向火焰传播速度法向火焰传播速度）定义定义为：

为：

其中其中uupp为火焰前沿法向移动的分速度；为火焰前沿法向移动的分速度；uunn为可为可燃混气在火焰前沿法向移动的分速度燃混气在火焰前沿法向移动的分速度。

如果火焰传播速度和可燃混气的流动速度方向如果火焰传播速度和可燃混气的流动速度方向一致一致，取负号取负号，反之反之，取正号取正号。

npLuuS如果火焰传播速度和可燃混合气的流动速度相等如果火焰传播速度和可燃混合气的流动速度相等，即即，则则火焰前沿移动速度为零火焰前沿移动速度为零，即即,火焰稳定在管道内某一处火焰稳定在管道内某一处.如果火焰传播速度大于可燃混合气的流动速度如果火焰传播速度大于可燃混合气的流动速度，即即，则火焰前沿就会一直向可燃混合气侧的方则火焰前沿就会一直向可燃混合气侧的方向移动向移动。

通常称为回火通常称为回火。

反之，如果火焰传播速度小于可燃混合气的流动速反之，如果火焰传播速度小于可燃混合气的流动速度度，即。

则火焰前沿就会一直向燃烧产物侧，即。

则火焰前沿就会一直向燃烧产物侧方向移动，直至火焰前沿被可燃混合气吹走，这种方向移动，直至火焰前沿被可燃混合气吹走，这种情况，称为吹熄或称脱火。

情况，称为吹熄或称脱火。

nLuSnLuS为了保证一维火焰的稳定为了保证一维火焰的稳定，既不回火既不回火，又不吹熄又不吹熄，就必须是火焰传播速度与可燃混合气的流动速度相等就必须是火焰传播速度与可燃混合气的流动速度相等，即：

即：

这个关系式就是一维火焰的稳定条件这个关系式就是一维火焰的稳定条件。

实际上火焰稳定的条件是：

必须保证火焰前沿各处实际上火焰稳定的条件是：

必须保证火焰前沿各处法向传播速度法向传播速度SL等于可燃气在火焰前沿法向分速度等于可燃气在火焰前沿法向分速度。

nLuS同时火焰稳定的基本条件同时火焰稳定的基本条件，是在火焰根部产生稳定是在火焰根部产生稳定的的点火源点火源。

为此为此，在高速气流中必须创造条件建立在高速气流中必须创造条件建立一个平衡点一个平衡点，以满足：

以满足：

LnSu锥形火焰的稳定条件锥形火焰的稳定条件锥型火焰锥型火焰。

其外形有如下特征：

火焰顶端呈圆形；火其外形有如下特征：

火焰顶端呈圆形；火焰底部不和喷嘴出口相重合焰底部不和喷嘴出口相重合，存在向外突出的一个区域以及存在向外突出的一个区域以及靠近壁面处有一段无火焰区域靠近壁面处有一段无火焰区域。

如果采用收敛管如果采用收敛管，火焰形状火焰形状将接近正圆锥形将接近正圆锥形。

在锥体顶部在锥体顶部，由于火焰前沿的曲率半径和火焰前沿厚由于火焰前沿的曲率半径和火焰前沿厚度在数量级上相当度在数量级上相当，因此因此，热传导及活性分子扩散非常强烈热传导及活性分子扩散非常强烈，提高了当地的火焰传播速度提高了当地的火焰传播速度，使得锥顶度圆使得锥顶度圆。

由于火焰向由于火焰向金属壁面的散热或活性分子的销毁金属壁面的散热或活性分子的销毁，靠近喷口处有一个无火靠近喷口处有一个无火焰区焰区，称穿透距离称穿透距离，又称熄火距离又称熄火距离。

锥形火焰锥形火焰，主要体现在本生灯所形成的火焰与工程上主要体现在本生灯所形成的火焰与工程上的低速燃烧装置有很多相似之处的低速燃烧装置有很多相