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调压器的工作原理
调压器,又称减压器.它是液化石油气*燃烧的一个重要部件,连通在钢瓶和炉具之间.调压器不*能把瓶内的高压石油气变为低压石油气(从980千Pa降至100千Pa左右),还能把低压气,稳定在适合炉具*燃烧的压强范围内.即做到经它输出的石油气,在炉具火孔处的气压,随地*地比外界大气压值大2940Pa左右,因此实际上调压器是一种自动稳压装置.人们习惯地把它称为减压器,是只注意到了它降压的功能,而忽视了它稳压的本领.调压器整个设计之巧妙精细,正是表现在它的稳压本领方面,本文拟在这方面作详尽的说明.
下图是调压器的结构图,它主要由手轮、进气管、上阀盖、下阀盖、橡皮膜、进气喷嘴、阀垫、一个小杠杆、出气管等*部件组成.
调压器中间是一块圆形的橡皮膜,它把调压器分为上下两个气室.上气室内有一弹簧,上端连着调节螺盖,下端连着橡皮膜.在上阀盖边沿处有一个直径为0.8毫m的小孔,使上气室与外界相通,此孔形象地称为呼吸孔.下气室中有一个精黄铜制成的杠杆,总长为5cm左右,转动性能*灵敏.杠杆右端与橡皮膜中心连接在一起,左端粘着阀垫,紧扣在进气喷嘴上,对喷出的高压石油气产生阻尼作用.此杠杆左右两端离支点距离为左短右长,是不等臂杠杆.其表现特点为:对杠杆右端作用力的微小变化,势*使杠杆左端的作用力产生一个较大的变化.在原理上讲,实现了对力的放大;在效果上讲,增加了对高压气的阻尼作用.
为了更清楚地阐明调压器的工作原理,有*要弄清楚这个问题:气体*燃烧应具备什么条件?
固体燃料要*燃烧,要具备两个条件:一是适量的助燃气体(空气或氧气),二是燃烧物质保持*的温度(通常高于着火点).固体燃烧时,已燃部分对未燃部分的传热方式是传导和辐射,燃烧方向是由外向其中心发展.固体燃烧时发生热膨胀,体积变大,但变化不大,其位移几乎为*.气体燃烧时,已燃部分对未燃部分的传热方式,除了传导和辐射外,增加了对流方式,燃烧方向是由中心向外发展.气体燃烧时发生剧烈热膨胀,其生成物的体积为燃烧前体积数百*,并以较快速度发生位移①.因此*满足上述的两个条件,是无法使气体*燃烧的.
现代燃烧理论告诉我们,气体*燃烧还*须具备第三个条件,即维护*大小的气压差,使燃气的出气速度等于燃烧速度.只有这样,在*范围内*动态平衡,火焰就能维持稳定状态,从而实现气体的*燃烧.若出气压强过大,就会使出气速度大于燃烧速度,造成火焰离开火孔*距离燃烧,此现象*语叫做离焰.若燃气压强继续上升,火焰将离火孔更远处燃烧,火焰的稳定性②遭到进一步破坏,火焰飘忽不定,直至*后*熄灭,这种现象叫做脱火.脱火时,燃气会继续外泄,在空气中形成大量的有毒气体或*性气体,*易引发事故;若燃气压强过小,会使燃烧速度大于出气速度,造成火焰会进入火孔继续燃烧,这现象叫做回火.回火时,形成*状态的不*燃烧,产生大量有毒气体,还会向外溢出石油气,也*易引发事故.
经工程技*人员大量实验,不*证实了气体*燃烧要维持*气压差,而且还证实了不同成份的气体,*燃烧所需要的气压差并不相同.例如:人工煤气,80—100mm水柱;液化石油气,250—350mm水柱.前文提到的2940Pa正是这两个数值的平均值.
让我们回到调压器原理上来.当我们打开钢瓶上的角阀(即通气开关)时,高压石油气通过进气管冲开阀垫进入下气室,随着下气室气体的增多,下气室压强就会升高,逼使橡皮膜向上凸起.上气室体积逐步变小,当上气室压强大于大气压时,室内空气从呼吸孔缓慢排出,完成了调压器一次呼气过程.在这一过程中,杠杆右端上移,左端则下压,使进气喷嘴逐步关闭,停止供气,使下气室压强*上升.
当打开燃气炉开关后,由于燃气向外输出,下气室压强变小,橡皮膜下凹,带动杠杆右端下移左端上动,阀垫开启,高压石油气进入下气室.在这一过程中,上气室体积逐渐变大,当它的压强小于外界大气压时,空气从外经呼吸孔进入上气室,完成了调压器一次吸气过程.
因此,在炉具燃烧过程中,橡皮膜不停地上凸下凹,阀垫由杠杆带动,也随着不断关闭开启.在整个动态变化中,我们只要*调压器中的杠杆,它左、右两力臂(注意左短右长的特点)之长,有一个合理的比例,加上橡皮膜与弹簧对杠杆右端,施加一个大小适当的合力,就能让阀垫开启时间远小于关闭时间,并让这两段时间有一个恰当的比值.这个恰当比值,就*了下气室的气压,*比上气室大2940Pa左右.对于上气室气压来讲,可近似地认为就是当时外界的大气压值③.这样就使燃气离开火孔处的压强,*比大气压值大2940Pa左右,燃气在稳定状态下燃烧.这是调压器设计上的*个精妙之处.
第二个精妙之处,表现在呼吸孔的设计上,是那样*匠心.一是呼吸孔为什么开钻在上阀盖的边沿上?而不是开钻在易于钻孔的其它位置?二是呼吸孔直径为0.8毫m,*能穿过*小号的锈花针,孔径为什么如此之小?
小孔开钻在阀盖的边沿上,是为了让它紧靠橡皮膜.如果下气室气压过大,橡皮膜就向上凸起,立刻堵住呼吸孔,*了上气室中的空气由呼吸孔向外排出.根据玻意耳特定律可知,被密闭在上气室内*质量的空气,在体积变小的过程中,其压强不断变大.即是pV=常量.*了橡皮膜因上下气压悬殊过大而破损,避免了因膜片破损造成石油气外泄事故的发生.
呼吸孔直径为0.8毫m,但孔深却在1cm左右,这儿充分应用了流体力学知识.流体在运动时,由于阻滞作用会存在内摩擦力.孔洞面积越小,深度越大,内摩擦力就越大,阻尼效果就明显——每秒流量变小.这样,上气室在呼气和吸气时,有一个较长的时间过程,从而*了在动态变化中,在石油气增减压强时,不是迅猛增加,也不是迅猛减少,就能让火焰稳定燃烧,体现了动态平衡的调节过程.
从前文可知,调压器应用了这几方面的物理知识:(1)杠杆原理,(2)玻意耳定律,(3)动态平衡原理,(4)流体力学知识.现代文明生活真是无处没有物理!
①这儿所言速度,是指气体正常燃烧时,火焰的传播速度,不同气体火焰传播速度不同.火焰传播速度又叫燃烧速度.
③火焰燃烧时,若稳定在*的位置,使火焰形状不发生变化,或只发生稍微变化,称为稳定燃烧.
③从严格意义上讲,只有在橡皮膜不动时,上气室压强才与外界大气压值相等.在呼气时,上气室压强略大于大气压;在吸气时,上气室压强略小于大气压。