|
|
| 燃氣調壓器的工作原理 |
| 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！
解釋說明：①這兒所言速度，是指氣體正常燃燒時，火焰的傳播速度，不同氣體火焰傳播速度不同．火焰傳播速度又叫燃燒速度．
③火焰燃燒時，若穩定在一定的位置，使火焰形狀不發生變化，或只發生稍微變化，稱為穩定燃燒．
③從嚴格意義上講，只有在橡皮膜不動時，上氣室壓強才與外界大氣壓值相等．在呼氣時，上氣室壓強略大于大氣壓；在吸氣時，上氣室壓強略小于大氣壓． |
|
