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1、燃 烧 学,第5章,气体燃料的燃烧,本章内容综述,着火方式： 自燃 点燃 着火机理 热力着火 连锁着火 气体燃料和氧化剂混合状态 预混气体燃烧 半预混气体燃烧 扩散燃烧,燃烧状态 层流燃烧 湍流燃烧 小尺度湍流火焰 大尺度弱湍流火焰 大尺度强湍流火焰 工业火焰稳定性 值班火焰 钝体稳焰 小股反向射流 旋转射流 受限射流,3.1预混可燃气体的着火和自燃理论,一、自燃的分类,自然界中燃料的着火可分为两种： 自燃燃料自发地着火 点燃依靠外热源强迫加热，使燃料着火 自燃机理主要包括两种： 热力着火反应物温度不断升高，反应加快，直到着火，可用Arrihenius定律和质量作用定律解释 连锁着火活化粒子增
2、值数大于销毁数，反应不断加快，分支链反应和直链反应,二、绝热条件下的自燃过程,可燃气体混合物在反应过程中的释热率（产热率）可用下式表示,式中： QI燃烧过程的释热率，kJ/(sm3) Q1单位摩尔数燃料的燃烧热，kJ/mol v燃烧的化学反应速度，mol/(s m3) C反应物浓度，mol/m3 t反应时间，s,二、绝热条件下的自燃过程,稳定条件下，QI=QII，即：,二、绝热条件下的自燃过程,对上式进行积分，得到：,当T达到着火温度时，即可实现着火，自发着火，自燃。 当燃料燃尽，即C=0时，燃烧产物温度达到理论燃烧温度Ta,二、绝热条件下的自燃过程,可燃气体混合物在反应过程中的释热率（产热率
3、）可用下式表示,式中，Q1可燃气体混合物的热值，kJ/mol 可燃气体吸收热量而升温，单位时间单位容积内吸收的热量为：,kJ/m3s,kJ/m3s,二、绝热条件下的自燃过程,自燃过程中，反应物浓度、反应温度、反应速度和反应时间的关系可用下图表示：,ti称为着火感应期，着火延迟期或着火诱导期,三、非绝热条件下的自燃过程,自然界中不存在绝热过程，任何系统总是存在散热过程，在有散热的条件下，可以用谢苗诺夫非稳态着火理论揭示自燃的热力着火规律。,单位时间、单位体积内释放的热量,单位时间、单位容积内散热损失量,式中： a放热系数 S表面积 V系统容积,三、非绝热条件下的自燃过程,三、非绝热条件下的自燃过
4、程,一般情况下，释热率曲线和散热率曲线有两个交点，A点和B点。 A点稳定。当外界有微小扰动时，例如T，散热释热，T，回到A点;当T，散热释热， T，回到A点。 B点不稳定。轻微扰动将使B点失去平衡。,图中 c点为着火临界点 Tc为着火温度 T0c为自燃温度 T0cTc之间的时间为着火感应期,三、非绝热条件下的自燃过程,c点是曲线qg与ql的切点，因此可得自燃的临界条件,三、非绝热条件下的自燃过程,三、非绝热条件下的自燃过程,按泰勒级数展开指数项,三、非绝热条件下的自燃过程,假定预混气体为理想气体,三、非绝热条件下的自燃过程,图5-9 自燃条件下温度与压力的关系,临界压力温度 一定压力下着火温度
5、成分,四、影响着火的因素,增加释热量QI 增加燃料浓度 增加燃料压力 增加燃料发热量 增加燃料活性,释热率曲线左移，在相同温度下，燃料放热量增加，着火温度降低，着火温度降低，着火提前,四、影响着火的因素,环境温度,环境温度升高，相当于散热曲线右移，散热率曲线与释热率曲线的焦点B降低，着火温度降低，着火提前,四、影响着火的因素,比表面积和散热系数 燃料粒径的大小 燃烧区周围的散热条件,燃料的比表面积越大，相当于散热面积越大，散热率增加，燃料着火条件变差，着火温度上升，着火推迟； 散热系数越大，散热率越大，燃料着火条件变差，着火温度上升，着火推迟,五、着火延滞期,实际的燃烧设备，不仅要求燃料能稳定
6、地燃烧，而且要求预混气体能及时地着火，因此了解可燃混合物的着火延滞期具有实际意义 着火延滞期就是可燃混合物从初始愠度T0上升到着火温度Tc所经历的时间,5.2预混可燃气体的点燃理论,一、什么是点燃,工程上是燃料着火的方式通常为点燃 点燃定义 具有较高能量的外界热源接触可燃气体，依靠外界能源使部分预混可燃气体首先发生剧烈反应而着火，然后火焰传播到整个混合气中去，又称为强迫着火，强燃 常用的外界热源 炽热物体（石英球、铂球） 小火焰（具有一定的温度和火焰厚度） 电火花，工程上常用，控制电极距离,二、点燃机理,炽热物体对预混可燃气体的影响,热球 T,预混可燃气体,Tw,二、点燃机理,对于不可燃气体，
7、当有炽热物体靠近时，只带来边界处温升，没有燃烧放热带来的温升 对于可燃气体，当有炽热物体靠近时，既有温差带来的温升，又有燃烧带来的温升 靠近壁面处，T=Tw，反应快，放热多，T高； 远离壁面处， 传热少，温升小 温度低，燃烧反应慢，温升小,二、点燃机理,可燃气体反应发热，但是dT/dx0，不能着火,可燃气体反应发热，同时dT/dx=0，处于着火临界状态,可燃气体反应发热，同时dT/dx0，能够着火，反应速率大，温度升高,三、热物体表面附近温度浓度分析,热物体表面附近，预混气温度浓度分析 条件 稳定工况 定义相对混度：f=c/r (预混气产物浓度/预混气密度）,三、热物体表面附近温度浓度分析,假
8、设： 稳定状态下，微元体dx的传热与反应处于稳定状态 此时，存在物质平衡 GI=GII 式中，GII散热量 GI化学反应量,则,三、热物体表面附近温度浓度分析,同时，存在热平衡 QI=QII 式中：QI单位距离导热量，主要是传导热 QII化学反应放热量,整理后得到,三、热物体表面附近温度浓度分析,一般情况下，热扩散系数（导热系数）近似等于物质扩散系数，则：,积分，并代入边界条件 x=+，T=T0，f=f0 同时考虑理论燃烧温度Ta与Q1的关系 Q1C0=Cpr0 (Ta-T0) 得到,三、热物体表面附近温度浓度分析,代入积分式,可见，点燃条件与下列因素有关： 气体的物理性质（决定Ta） 气体燃
9、料的浓度（决定Ta） 周围环境温度（决定T0） 点燃物质能量（决定f）,四、点燃热力理论,在点燃临界状态下，可燃气体层中的温度和浓度分布应满足下述条件：,四、点燃热力理论,四、点燃热力理论,四、点燃热力理论,四、点燃热力理论,四、点燃热力理论,五、可燃界限,要使可燃混合物着火，不仅要求热源要有一定的温度水平，而且热源与可燃混合物的接触要保证有一定的时间。 在一定的能源性质、形状及大小等条件下，使一定的可燃混合物发生着火所必须的能源与混合物的接触时间，称临界点燃时间tc。,五、可燃界限,六、影响可燃极限的因素,六、影响可燃极限的因素,2、流速的影响,六、影响可燃极限的因素,3.可燃混合物初温的影
10、响,六、影响可燃极限的因素,4.掺入其它物质的影响,5.3层流火焰传播,一、层流燃烧的主要内容,层流燃烧 预混可燃气体与流速不高（层流状态）的火焰传播称为层流燃烧 火焰传播 可燃气体混合物的局部首先着火，着火部分向未燃部分传递热量和活性粒子，使之相继着火的过程称为火焰传播 火焰传播速度 沿火焰锋面的法向，火焰移动的速度称为火焰传播速度,二、层流火焰传播,火焰锋面很薄，通常只有1mm到几mm厚 层流火焰压力变化很小，可以认为是等压流动、燃烧过程 层流火焰传播速度很低，un通常在1m/s以下,F,二、层流火焰传播,二、层流火焰传播,三、泽尔多维奇，弗兰克一卡门涅茨基和谢苗诺夫理论,三、泽尔多维奇，
11、弗兰克一卡门涅茨基和谢苗诺夫理论,三、泽尔多维奇，弗兰克一卡门涅茨基和谢苗诺夫理论,三、泽尔多维奇，弗兰克一卡门涅茨基和谢苗诺夫理论,三、泽尔多维奇，弗兰克一卡门涅茨基和谢苗诺夫理论,三、泽尔多维奇，弗兰克一卡门涅茨基和谢苗诺夫理论,四、影响层流火焰传播速度的因素,可燃混合气体初温 unT01.52 绝热火焰温度 v e-E/RT影响很大 而1/(Ta-T0)影响很小, v起决定性作用,四、影响层流火焰传播速度的因素,压力 a1/p；r p； v pn un pn/2-1 n反应级数，通常为12,化学当量比 化学当量比在略小于1时，火焰传播速度最大,四、影响层流火焰传播速度的因素,燃料性质 烷
12、烃含碳量越高，火焰传播速度越大 烯烃和炔烃含碳量越高，火焰传播速度越小,添加剂 加入惰性气体后，火焰传播速度变小 加入可燃物后，火焰传播速度变大,un,5.4湍流火焰传播,一、湍流火焰的分类,实际燃烧过程中，气流速度都很高，多数处于湍流状态 湍流火焰分类,湍流火焰,小尺度湍流火焰,大尺度湍流火焰,大尺度弱湍流火焰,大尺度强湍流火焰,二、小尺度弱湍流火焰,小尺度湍流火焰 条件：流体微团的平均尺寸层流火焰面厚度dn 特点： 小尺度湍流火焰只是增强了物质的输运特性，从而使热量和活性粒子的传输加速，而在其他方面没有什么影响,dn,dT,F,三、大尺度弱湍流火焰,大尺度弱湍流火焰 条件： 流体微团的平均
13、尺寸层流火焰面厚度 脉动速度w层流火焰传播速度un 现象： 火焰锋面扭曲 火焰锋面未被吹破,dn,dT,un,uT,w,F,四、大尺度强湍流火焰,大尺度强湍流火焰 条件 流体微团的平均尺寸层流火焰面厚度 脉动速度w层流火焰传播速度un 现象 不存在连续的火焰面,F,五、湍流火焰的表面理论,小尺度湍流火焰和大尺度弱湍流火焰可用表面理论来解释 认为燃烧化学反应本身的速度非常高，燃烧化学反应只是在薄薄的一层火焰锋面内进行。 对于小尺度湍流火焰: 2300Re6000,对于管内流动,因此,有人认为：,五、湍流火焰的表面理论,对于大尺度弱湍流火焰Re6000 火焰面被吹得扭曲 微团尺寸大于火焰锋面尺寸
14、认为微团面上发现方向火焰传播速度仍为层流火焰传播速度un,五、湍流火焰的表面理论,大尺度弱湍流火焰传播表面理论模型,稳定情况下 uTS=unS 即 uT=unS/S 只要求出S/S即可求出uT,五、湍流火焰的表面理论,在燃尽时间t内，脉动距离为h=wt 燃烧距离为l/2=unt 火焰锋面的正常传播速度从四周向未燃气体委团中央传播过来，终于在中央会合，封成锥顶点，忽略un与h的方向差异,六、湍流火焰的容积理论,大尺度强湍流火焰用容积理论来解释 容积理论： 燃烧化学反应在火焰中各处表现都以不同速度进行着。湍流输运使不同成分的气体在火焰区内燃烧同时进行着掺混，燃烧与掺混造成火焰传播,六、湍流火焰的容
15、积理论,大尺度强湍流火焰模型可以设想成大团大团未燃烧的可燃混合物冲破火焰锋面，而输入高温的燃烧产物中，大团大团的高温燃烧产物也冲破火焰锋面而输入未燃烧的可燃混合物中。这些大团的尺寸都超过层流火焰厚度，它们在输运之后都保存自己的独立性，一下子不能和周围气团混合。湍动使火焰迁移的哪里，就燃烧到哪里。所以这时的火焰传播速度可以认为近似等于脉动速度。,七、火焰传播速度规律,根据上述规律，得出火焰传播速度规律,uT/un,Re103,2.3,5,10,5,1,层流,小尺度湍流,大尺度湍流,5.5火焰的稳定,一、强化燃烧的途径,强化燃烧 设法提高火焰的传播速度 强化层流燃烧火焰的途径 燃料Q1 空气化学当
16、量比v 温度Ta与T0 压力r0un 添加剂Q1v,一、强化燃烧的途径,强化湍流火焰的途径 除针对层流火焰燃烧的影响因素外 还要注意提高湍流的气流速度 但是气流速度过大会使火焰吹熄,一、强化燃烧的途径,二、工程火焰稳定性,工程上希望燃料和氧化剂保持稳定的化学反应和释放热量，以便于控制和工程应用。因此常要求燃烧设备中火焰稳定在一定位置，即在一定位置着火，按一定速度发生剧烈反应，并在一定位置燃尽和离开燃烧室 工程上应用的火焰都是湍流火焰，气流速度和Re比较高,因此可以减少回火现象，而应主要防止脱火 稳定火焰的核心方法：保持着火区局部高温,二、工程火焰稳定性,工程火焰稳定方法 值班火焰：在流速较高的预混可燃气体附近放置一个流速较低的稳定的小型点火火焰，使主气流受到小
