燃氣調壓器的工作原理

2017-11-08

  調壓器工作原理細說

  隨著我國廚房用火文明程度的不斷提高,作為三大氣體燃料之一的液化石油氣,由于熱效率高、使用方便等特點,正在越來越多地進入千家萬戶.

  調壓器,又稱減壓器.它是液化石油氣安全燃燒的一個重要部件,連通在鋼瓶和爐具之間.調壓器不僅能把瓶內的高壓石油 氣變為低壓石油氣(從980千Pa降至100千Pa左右),還能把低壓氣,穩定在適合爐具安全燃燒的壓強范圍內.即做到經它輸出的石油氣,在爐具火孔處的氣壓,隨地隨時地比外界大氣壓值大2940Pa左右,因此實際上調壓器是一種自動穩壓裝置.人們習慣地把它稱為減壓器,是只注意到了它降壓的功能,而忽視了它穩壓的本領.調壓器整個設計之巧妙精細,正是表現在它的穩壓本領方面,本文擬在這方面作詳盡的說明.

  調壓器它主要由手輪、進氣管、上閥蓋、下閥蓋、橡皮膜、進氣噴嘴、閥墊、一個小杠桿、出氣管等零部件組成.

  調壓器中間是一塊圓形的橡皮膜,它把調壓器分為上下兩個氣室.上氣室內有一彈簧,上端連著調節螺蓋,下端連著橡皮膜.在上閥蓋邊沿處有一個直徑為0.8毫m的小孔,使上氣室與外界相通,此孔形象地稱為呼吸孔.下氣室中有一個精黃銅制成的杠桿,總長為5cm左右,轉動性能非常靈敏.杠桿右端與橡皮膜中心連接在一起,左端粘著閥墊,緊扣在進氣噴嘴上,對噴出的高壓石油氣產生阻尼作用.此杠桿左右兩端離支點距離為左短右長,是不等臂杠桿.其表現特點為:對杠桿右端作用力的微小變化,勢必使杠桿左端的作用力產生一個較大的變化.在原理上講,實現了對力的放大;在效果上講,增加了對高壓氣的阻尼作用.

  為了更清楚地闡明調壓器的工作原理,有必要弄清楚這個問題:氣體安全燃燒應具備什么條件?

  固體燃料要安全燃燒,要具備兩個條件:一是適量的助燃氣體(空氣或氧氣),二是燃燒物質保持一定的溫度(通常高于著火點).固體燃燒時,已燃部分對未燃部分的傳熱方式是傳導和輻射,燃燒方向是由外向其中心發展.固體燃燒時發生熱膨脹,體積變大,但變化不大,其位移幾乎為零.氣體燃燒時,已燃部分對未燃部分的傳熱方式,除了傳導和輻射外,增加了對流方式,燃燒方向是由中心向外發展.氣體燃燒時發生劇烈熱膨脹,其生成物的體積為燃燒前體積數百千倍,并以較快速度發生位移①.因此僅滿足上述的兩個條件,是無法使氣體安全燃燒的.

  現代燃燒理論告訴我們,氣體安全燃燒還必須具備第三個條件,即維護一定大小的氣壓差,使燃氣的出氣速度等于燃燒速度.只有這樣,在一定范圍內達到動態平衡,火焰就能維持穩定狀態,從而實現氣體的安全燃燒.若出氣壓強過大,就會使出氣速度大于燃燒速度,造成火焰離開火孔一定距離燃燒,此現象術語叫做離焰.若燃氣壓強繼續上升,火焰將離火孔更遠處燃燒,火焰的穩定性②遭到進一步破壞,火焰飄忽不定,直至最后完全熄滅,這種現象叫做脫火.脫火時,燃氣會繼續外泄,在空氣中形成大量的有毒氣體或爆炸性氣體,極易引發事故;若燃氣壓強過小,會使燃燒速度大于出氣速度,造成火焰會進入火孔繼續燃燒,這現象叫做回火.回火時,形成缺氧狀態的不完全燃燒,產生大量有毒氣體,還會向外溢出石油氣,也極易引發事故.

  經工程技術人員大量實驗,不僅證實了氣體安全燃燒要維持一定氣壓差,而且還證實了不同成份的氣體,安全燃燒所需要的氣壓差并不相同.例如:人工煤氣,80—100mm水柱;液化石油氣,250—350mm水柱.前文提到的2940Pa正是這兩個數值的平均值.

  讓我們回到調壓器原理上來.當我們打開鋼瓶上的角閥(即通氣開關)時,高壓石油氣通過進氣管沖開閥墊進入下氣室,隨著下氣室氣體的增多,下氣室壓強就會升高,逼使橡皮膜向上凸起.上氣室體積逐步變小,當上氣室壓強大于大氣壓時,室內空氣從呼吸孔緩慢排出,完成了調壓器一次呼氣過程.在這一過程中,杠桿右端上移,左端則下壓,使進氣噴嘴逐步關閉,停止供氣,使下氣室壓強不再上升.

  當打開燃氣爐開關后,由于燃氣向外輸出,下氣室壓強變小,橡皮膜下凹,帶動杠桿右端下移左端上動,閥墊開啟,高壓石油氣進入下氣室.在這一過程中,上氣室體積逐漸變大,當它的壓強小于外界大氣壓時,空氣從外經呼吸孔進入上氣室,完成了調壓器一次吸氣過程.

  因此,在爐具燃燒過程中,橡皮膜不停地上凸下凹,閥墊由杠桿帶動,也隨著不斷關閉開啟.在整個動態變化中,我們只要保證調壓器中的杠桿,它左、右兩力臂(注意左短右長的特點)之長,有一個合理的比例,加上橡皮膜與彈簧對杠桿右端,施加一個大小適當的合力,就能讓閥墊開啟時間遠小于關閉時間,并讓這兩段時間有一個恰當的比值.這個恰當比值,就保證了下氣室的氣壓,始終比上氣室大2940Pa左右.對于上氣室氣壓來講,可近似地認為就是當時外界的大氣壓值③.這樣就使燃氣離開火孔處的壓強,永遠比大氣壓值大2940Pa左右,燃氣在穩定狀態下燃燒.這是調壓器設計上的第一個精妙之處.

  第二個精妙之處,表現在呼吸孔的設計上,是那樣獨具匠心.一是呼吸孔為什么開鉆在上閥蓋的邊沿上?而不是開鉆在易于鉆孔的其它位置?二是呼吸孔直徑為0.8毫m,僅能穿過最小號的銹花針,孔徑為什么如此之小?

  小孔開鉆在閥蓋的邊沿上,是為了讓它緊靠橡皮膜.如果下氣室氣壓過大,橡皮膜就向上凸起,立刻堵住呼吸孔,防止了上氣室中的空氣由呼吸孔向外排出.根據玻意耳特定律可知,被密閉在上氣室內一定質量的空氣,在體積變小的過程中,其壓強不斷變大.即是pV=常量.防止了橡皮膜因上下氣壓懸殊過大而破損,避免了因膜片破損造成石油氣外泄事故的發生.

  呼吸孔直徑為0.8毫m,但孔深卻在1cm左右,這兒充分應用了流體力學知識.流體在運動時,由于阻滯作用會存在內摩擦力.孔洞面積越小,深度越大,內摩擦力就越大,阻尼效果就明顯——每秒流量變小.這樣,上氣室在呼氣和吸氣時,有一個較長的時間過程,從而保證了在動態變化中,在石油氣增減壓強時,不是迅猛增加,也不是迅猛減少,就能讓火焰穩定燃燒,體現了動態平衡的調節過程.

  從前文可知,調壓器應用了這幾方面的物理知識:(1)杠桿原理,(2)玻意耳定律,(3)動態平衡原理,(4)流體力學知識.現代文明生活真是無處沒有物理!

 
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