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1、燃 烧 学第5章气体燃料的熄灭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形状预混气体熄灭半预混气体熄灭分散熄灭熄灭形状层流熄灭湍流熄灭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实际 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托外热源强迫加热，使燃料着火自燃机理主要包括两种：热力着火反响物温度不断升高，反响加快，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值数大于销毁数，反响不断加快，分支链反响和直链反响二、绝热条件下
2、的自燃过程可燃气体混合物在反响过程中的释热率产热率可用下式表示式中：QI熄灭过程的释热率，kJ/(sm3)Q1单位摩尔数燃料的熄灭热，kJ/molv熄灭的化学反响速度，mol/(s m3)C反响物浓度，mol/m3t反响时间，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展积分，得到：当T到达着火温度时，即可实现着火，自发着火，自燃。当燃料燃尽，即C=0时，熄灭产物温度到达实际熄灭温度Ta二、绝热条件下的自燃过程可燃气体混合物在反响过程中的释热率产热率可用下式表示式中，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
3、的热量为：kJ/m3skJ/m3s二、绝热条件下的自燃过程自燃过程中，反响物浓度、反响温度、反响速度和反响时间的关系可用以下图表示：TvCtiti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实际提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外表积V系统容积三、非绝热条件下的自燃过程TQI释热率曲线TQII散热率曲线三、非绝热条件下的自燃过程普通情况下，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
4、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。细微扰动将使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TaTcTbABCT0cQT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成分四、影响着火的要素添加释热量QI添加燃料浓度添加燃料压力添加燃料发热量添加燃料活性
5、释热率曲线左移，在一样温度下，燃料放热量添加，着火温度降低，着火温度降低，着火提早QTQIQIQIIQIICCT0cT0c四、影响着火的要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，着火提早QTQIQII1CT0cABT0bT0aT02T01T03QII2QII3四、影响着火的要素比外表积和散热系数燃料粒径的大小熄灭区周围的散热条件燃料的比外表积越大，相当于散热面积越大，散热率添加，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QII3TQIQII1CT0cAB1T0b1T0aT01
6、QII2T0b2B2Q五、着火延滞期 实践的熄灭设备，不仅要求燃料能稳定地熄灭，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践意义 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所阅历的时间 5.2预混可燃气体的点燃实际预混可燃气体的点燃实际一、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，依托外界能源使部分预混可燃气体首先发生猛烈反响而着火，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，控制电极间隔二、点燃机理炽热物体对预混可燃气体的
7、影响热球T预混可燃气体TwxTT-Tw之间温差带来的温升预混气熄灭带来的温升二、点燃机理对于不可燃气体，当有炽热物体接近时，只带来边境处温升，没有熄灭放热带来的温升对于可燃气体，当有炽热物体接近时，既有温差带来的温升，又有熄灭带来的温升接近壁面处，T=Tw，反响快，放热多，T高；远离壁面处，传热少，温升小温度低，熄灭反响慢，温升小二、点燃机理Tx可燃气体反响发热，但是dT/dx0，可以着火，反响速率大，温度升高TxTx三、热物体外表附近温度浓度分析热物体外表附近，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xTxdxfT三、热物体外表附近温度浓度分析假设
8、：稳定形状下，微元体dx的传热与反响处于稳定形状此时，存在物质平衡 GI=GII式中，GII散热量 GI化学反响量那么三、热物体外表附近温度浓度分析同时，存在热平衡 QI=QII式中：QI单位间隔导热量，主要是传导热 QII化学反响放热量整理后得到三、热物体外表附近温度浓度分析普通情况下，热分散系数导热系数近似等于物质分散系数，那么：积分，并代入边境条件x=+，T=T0，f=f0同时思索实际熄灭温度Ta与Q1的关系Q1C0=Cpr0 (Ta-T0) 得到三、热物体外表附近温度浓度分析代入积分式可见，点燃条件与以下要素有关：气体的物理性质决议Ta气体燃料的浓度决议Ta周围环境温度决议T0点燃物质
9、能量决议f四、点燃热力实际在点燃临界形状下，可燃气体层中的温度和浓度分布应满足下述条件：四、点燃热力实际四、点燃热力实际四、点燃热力实际四、点燃热力实际四、点燃热力实际五、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程度，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、外形及大小等条件下，使一定的可燃混合物发生着火所必需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、影响可燃极限的要素 六、影响可燃极限的要素2、流速的影响六、影响可燃极限的要素3.可燃混合物初温的影响六、影响可燃极限的要素4.掺入其它物质的影响5.3层流火焰传播层流火焰传播 一、层流熄
10、灭的主要内容层流熄灭预混可燃气体与流速不高层流形状的火焰传播称为层流熄灭火焰传播可燃气体混合物的部分首先着火，着火部分向未燃部分传送热量和活性粒子，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，火焰挪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，通常只需1mm到几mm厚层流火焰压力变化很小，可以以为是等压流动、熄灭过程层流火焰传播速度很低，un通常在1m/s以下生成物未燃物unv为平均化学反响速度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实际 三、泽尔多维奇，弗兰克一卡门涅茨基和谢苗诺夫实际三、泽尔多维奇，弗兰克一卡门涅茨基和谢苗诺夫实
11、际三、泽尔多维奇，弗兰克一卡门涅茨基和谢苗诺夫实际三、泽尔多维奇，弗兰克一卡门涅茨基和谢苗诺夫实际三、泽尔多维奇，弗兰克一卡门涅茨基和谢苗诺夫实际四、影响层流火焰传播速度的要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起决议性作用unT0CH4C2H4unTaCH4C2H4四、影响层流火焰传播速度的要素压力a1/p；r p；v pnun pn/2-1n反响级数，通常为12unaa=1化学当量比化学当量比在略小于1时，火焰传播速度最大unpr0unp四、影响层流火焰传播速度的要素燃料性质烷烃含碳量越高，火焰传播速度越大烯烃和炔烃含碳量越高
12、，火焰传播速度越小添加剂参与惰性气体后，火焰传播速度变小参与可燃物后，火焰传播速度变大unnc炔烃烯烃烷烃加惰性气体燃料量un加可燃物unCO+空气5.4湍流火焰传播湍流火焰传播一、湍流火焰的分类实践熄灭过程中，气流速度都很高，多数处于湍流形状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加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dndTF三、大尺度弱湍流火焰大尺度弱湍流火焰条件：流体微团的平均尺寸层流火焰面厚度脉动速度w层流
13、火焰面厚度脉动速度w层流火焰传播速度un景象不存在延续的火焰面F五、湍流火焰的外表实际小尺度湍流火焰和大尺度弱湍流火焰可用外表实际来解释以为熄灭化学反响本身的速度非常高，熄灭化学反响只是在薄薄的一层火焰锋面内进展。对于小尺度湍流火焰: 2300Re6000火焰面被吹得扭曲微团尺寸大于火焰锋面尺寸以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、湍流火焰的外表实际大尺度弱湍流火焰传播外表实际模型稳定情况下 uTS=unS即 uT=unS/S只需求出S/S即可求出uThSSuThll五、湍流火焰的外表实际在燃尽在燃尽时间时间t t内，脉内，脉动间动间隔隔为为h=wth=wt熄熄灭间灭间隔
14、隔为为l/2=untl/2=unt火焰火焰锋锋面的正常面的正常传传播速度从周播速度从周围围向未燃气体委向未燃气体委团团中央中央传传播播过过来，来，终终于在中央会合，封成于在中央会合，封成锥顶锥顶点，忽略点，忽略unun与与h h的方向差的方向差别别六、湍流火焰的容积实际大尺度强湍流火焰用容积实际来解释容积实际：熄灭化学反响在火焰中各处表现都以不同速度进展着。湍流输运使不同成分的气体在火焰区内熄灭同时进展着掺混，熄灭与掺混呵斥火焰传播六、湍流火焰的容积实际大尺度强湍流火焰模型可以想象成大团大团未熄灭的可燃混合物冲破火焰锋面，而输入高温的熄灭产物中，大团大团的高温熄灭产物也冲破火焰锋面而输入未熄灭
15、的可燃混合物中。这些大团的尺寸都超越层流火焰厚度，它们在输运之后都保管本人的独立性，一下子不能和周围气团混合。湍动使火焰迁移的哪里，就熄灭到哪里。所以这时的火焰传播速度可以以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/unRe1032.351051层流小尺度湍流大尺度湍流5.5火焰的稳定火焰的稳定一、强化熄灭的途径强化熄灭设法提高火焰的传播速度强化层流熄灭火焰的途径燃料Q1空气化学当量比v温度Ta与T0压力r0un添加剂Q1v一、强化熄灭的途径强化湍流火焰的途径除针对层流火焰熄灭的影响要素外还要留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、强化熄灭的
16、途径二、工程火焰稳定性工程上希望燃料和氧化剂坚持稳定的化学反响和释放热量，以便于控制和工程运用。因此常要求熄灭设备中火焰稳定在一定位置，即在一定位置着火，按一定速度发生猛烈反响，并在一定位置燃尽和分开熄灭室工程上运用的火焰都是湍流火焰，气流速度和Re比较高,因此可以减少回火景象，而应主要防止脱火稳定火焰的中心方法：坚持着火区部分高温二、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，使主气流遭到小火焰不延续的点燃，只需小火焰的点火能量足够，主火焰就可以坚持稳定。钝体稳燃：钝体是不良流线体，在大Re数下，流体绕过钝体时，在钝体的某个位置会
17、使流体边境层脱分开钝体，从而在下游钝体的反面构成回流区，可以反卷高温烟气成为热源，有利于稳定着火和熄灭。二、工程火焰稳定性小股反向射流：采用小股高速反向射流喷入可小股反向射流：采用小股高速反向射流喷入可燃主气流中，构成部分回流区来提高火焰稳定燃主气流中，构成部分回流区来提高火焰稳定性，原理上和钝体接近，但主气流的阻力损失性，原理上和钝体接近，但主气流的阻力损失较小，小股射流介质可运用紧缩空气，也可以较小，小股射流介质可运用紧缩空气，也可以运用蒸汽。运用蒸汽。旋转射流：利用旋转射流的离心作用，在熄灭旋转射流：利用旋转射流的离心作用，在熄灭室的喷口轴线附近构成回流区。室的喷口轴线附近构成回流区。受
18、限射流：射流空间受限，散热损失小，部分受限射流：射流空间受限，散热损失小，部分气流温度高，火焰容易稳定。气流温度高，火焰容易稳定。二、工程火焰稳定性总结工程上稳定火焰的方法可分为三类：设置点火器，实时对主熄灭器提供点火能量制造回流区，卷吸高温烟气，强化进入熄灭室的燃料的传热，满足着火条件稳定着火改动熄灭区的散热条件，减小着火阶段火焰的散热损失，坚持着火区足够的温度，稳定火焰5.6气体燃料火焰的类型和射气体燃料火焰的类型和射流火焰流火焰 一、预混火焰和分散火焰预混火焰预混射流燃料和空气混合物直接构成的火焰，又称为反响动力火焰或动力火焰分散火焰熄灭时燃料与空气尚未混合，而是边分散边熄灭，熄灭所用的
19、氧气全靠外界分散获得，称为分散控制熄灭，分散熄灭，其火焰称为分散火焰二、本生灯的熄灭景象实验本生灯二、本生灯的熄灭景象实验燃料一次空气二次空气外焰内焰F二、本生灯的熄灭景象实验1.一次空气全关。2.燃料所需空气全部由外部供应，火焰很长，发出黄色亮光，且不时冒黑烟，只需外焰。3.一次空气的当量比远远小于1。4.燃料与一级空气在第一个内火焰处开场熄灭，由于氧量缺乏，预混气中的氧耗尽后，煤气没有烧完，靠二级空气来熄灭，火焰变短，内外焰。5.一次空气的当量比小于1。6.火焰变短，变亮，内外焰7.一次空气的当量比等于1。8.火焰只需一层，更加亮堂9.一次空气的当量比大于1。10.火焰变长，只需一层三、预
20、混火焰长度按质量守恒定律，层流预混火焰长度LSr0wu三、预混火焰长度影响预混火焰长度的要素管径添加，预混火焰长度添加气流速度添加，预混火焰长度添加火焰传播速度添加，预混火焰长度减小湍流形状下，上述公式也成立火焰传播速度为uT，由于此时w已很高，w/u13.5.3分散火焰长度从管内流出的可燃气体流量M1r02w喷出的可燃气体向火焰面外分散量为M2DFdf/dy火焰面Fr0LM2Dr0L(1/r0)平衡形状下，M1=M2r02wDL即Lr02w/Dr0M1LFM2xy三、分散火焰长度影响分散火焰长度的要素喷口直径半径对火焰长度的影响是绝对的，而且成平方关系。为了强化熄灭，应该减小管径，以小孔替代大孔。层流区流速添加，分散系数变化不大，结果随着流速上升，火焰长度添加。湍流区流速添加，分散系数相应添加，结果火焰长度变化不大，但是火焰有折皱和噪音。四、分散熄灭的特点火焰面上，化学当量比等于1。熄灭产物浓度最高，温度最高。碳氢化合物在缺氧条件下，可受热分解产生炭黑，构成光亮火焰，同时能够带来未完全熄灭损失和环境污染燃料浓度温度熄灭产物
