燃料與燃燒(第三篇)B

1、 燃 料 與 燃 燒 第三篇 燃燒基本原理 第十章 燃燒傳播過程 本章主要討論可燃預混氣火焰?zhèn)鞑サ漠a生、發(fā)展和火焰?zhèn)鞑サ臋C理，建立正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣鹊臄?shù)學表達公式，分析正常火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩氐取?可燃預混氣在局部點燃形成一微小點火源可燃預混氣在局部點燃形成一微小點火源, ,產生的熱量將加熱鄰近產生的熱量將加熱鄰近較冷的混合氣層較冷的混合氣層, ,使其溫度升高并著火燃燒。這樣一層一層著火把燃燒使其溫度升高并著火燃燒。這樣一層一層著火把燃燒反應逐漸擴展到整個混合氣區(qū)域的現(xiàn)象叫火焰?zhèn)鞑?。反應逐漸擴展到整個混合氣區(qū)域的現(xiàn)象叫火焰?zhèn)鞑ァ?可燃預混氣：可燃預混氣：在著火前將燃氣與空氣按照一定比例預先混

2、合好的能夠燃燒的混合氣。 正常燃燒過程：著火階段正常燃燒過程：著火階段火焰的傳播火焰的傳播穩(wěn)定燃燒穩(wěn)定燃燒第十章 燃燒傳播過程 第十章 燃燒傳播過程 火焰?zhèn)鞑サ娜N類型火焰?zhèn)鞑サ娜N類型: :1、正常火焰?zhèn)鞑?、爆燃3、爆炸 第十章 燃燒傳播過程 正?；鹧?zhèn)鞑フ；鹧鎮(zhèn)鞑? :在管子開口端附近的燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^程形式稱為正?；鹧?zhèn)鞑ィɑ鹧娴膫鞑ニ俣韧ǔ］^小）。 爆燃爆燃：其火焰的傳播速度超過了聲速，一般可達10004000m/s，爆燃主要是由于氣體燃料受沖擊波的絕熱壓縮而引起的。 爆炸爆炸：爆炸是發(fā)生在密閉空間的爆燃爆燃,由于氣體燃料受到絕熱壓縮瞬間產生劇烈反應,高溫產物在密閉空間受限膨脹產生巨

3、大沖擊力的燃燒過程。第十章 燃燒傳播過程第十章 燃燒傳播過程 1 1 火焰前沿面及正?；鹧?zhèn)鞑C理火焰前沿面及正常火焰?zhèn)鞑C理 一、火焰前沿面一、火焰前沿面 在均相的可燃氣體混合物中，點燃一部分可燃氣體混合物，則在著火處就形成了一個極薄的(0.1一0.5毫米厚)溫度非常高的燃燒反應帶，該燃燒反應帶就稱為火焰面或者火焰前沿面。 由于焰面溫度非常高，熱量便從焰面以熱傳導的方式向未燃氣體傳播，使鄰近的末燃氣體層溫度升高,達到著火溫度后又形成了新的焰面。如此下去，焰面就不斷向未燃氣體方向轉移而形成火焰面的移動。 第十章 燃燒傳播過程 二、 燃燒（火焰）傳播機理 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋簩恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣龋涸趯?/p>

4、流氣流中焰面沿其法線方向移動的速度稱為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?第十章 燃燒傳播過程 火焰的傳播、焰面的移動與穩(wěn)定的規(guī)律：火焰的傳播、焰面的移動與穩(wěn)定的規(guī)律： 1、火焰?zhèn)鞑サ姆较蚩偸悄鏆饬鞣较颍?2、火焰面的前方是未燃氣體，后方為燃燒產物，火焰火焰 面是分界面；面是分界面； 3、當|u|w|時火焰面將向氣流上游方向移動； 當|u|w|時火焰面將向氣流下游方向移動； 4、當|u|=|w|時，火焰面將靜止不動（穩(wěn)定燃燒）。 穩(wěn)定燃燒的必要條件：穩(wěn)定燃燒的必要條件： 混合氣的流速必須與火焰?zhèn)鞑ニ俣却笮∠嗟?。混合氣的流速必須與火焰?zhèn)鞑ニ俣却笮∠嗟取?第十章 燃燒傳播過程 火焰?zhèn)鞑ダ碚摰幕疽c：火焰?zhèn)鞑ダ碚?/p>

5、的基本要點： 1、火焰面上的化學反應使其邊界上產生了很大的溫度梯度和濃度梯度； 并產生強烈的熱量和質量的交換； 2、熱量和質量的交換加速了鄰近混合氣的化學反應，形成新的燃燒反應 區(qū)（火焰面）不斷向前推進。 3、火焰中的化學反應主要是由于系統(tǒng)中熱量的導入使分子活化引起的， 因此反應區(qū)的移動主要取決于反應區(qū)向未燃氣區(qū)域傳熱的導熱率（熱 力理論）； 4、火焰中活化中心的存在和向外的擴散使連鎖反應不斷發(fā)展，從而引起 火焰的傳播（活化中心擴散理論）。 火焰的傳播是一種復雜的物理和化學現(xiàn)象，火焰火焰?zhèn)鞑サ目炻饕Q于預混可燃氣的物理化學性質、溫傳播的快慢主要取決于預混可燃氣的物理化學性質、溫度和濃度。度

6、和濃度。 研究火焰?zhèn)鞑ダ碚摰哪康模褪且私鈱恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ゼ捌鋫鞑ニ俣鹊囊?guī)律。以便于正確設計燃燒設備，合理控制燃燒過程，保證燃料的穩(wěn)定和完全燃燒。 第十章 燃燒傳播過程第十章 燃燒傳播過程 2 2 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?一、建立基本方程（導熱方程） 假設 （1）平面一維流動，過程穩(wěn)定，常物性； （2）燃燒反應只在高溫反應區(qū)進行； （3）管壁對流傳熱和輻射傳熱可以忽略（假定絕熱） （4）反應物和生成物的比熱CP基本相同。 第十章 燃燒傳播過程 2 2 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?一、建立基本方程（導熱方程） 火焰面厚度 p預熱區(qū) c反應區(qū)第十章 燃燒傳播過程 2 2 層流火焰?zhèn)鞑?/p>

7、速度層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?一、建立基本方程（熱平衡方程） dxdx微元的熱平衡方程：兩側面導入熱量微元的熱平衡方程：兩側面導入熱量 + + 反應熱反應熱 = = 微元體熱焓增量微元體熱焓增量 dTGCWqdxdxdTdxdTPdxxx)|(|第十章 燃燒傳播過程 2 2 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?一、建立基本方程（熱平衡方程） dTGCWqdxdxdTdxdTPdxxx)|(|dxdxdTdxddxdTdxdTdxx)(|其中：0)(WqdxdTGCdxdTdxdP代入平衡方程得：dxdxdTGCdTGCPP)(第十章 燃燒傳播過程 二、兩區(qū)物理模型二、兩區(qū)物理模型 預熱區(qū)：忽略化學反應，

8、預熱區(qū)：忽略化學反應，W = 0W = 0 反應區(qū)：溫度接近燃燒溫度，反應區(qū)：溫度接近燃燒溫度， dT/dx = 0dT/dx = 0第十章 燃燒傳播過程 三、方程求解三、方程求解 1. 在預熱區(qū) （忽略反應熱忽略反應熱wqdx=0wqdx=0） 邊界條件 x=x0：T = T0 x=x1：T = TB 設 Y= dT/dx x=x0：Y0=0 則方程可寫為： 0)(dxdTGCdxdTdxdP有：dxdTGCdxdYP)(0010TTGCdTGCdYBPTTPxxB)()(|00011TTCuTTGCdxdTYBPLBPx得：第十章 燃燒傳播過程 2. 2. 在反應區(qū)在反應區(qū) （dT/dx=

9、0 dT/dx=0 溫度梯度為溫度梯度為0 0） 邊界條件: x=x1：T = TB, x=x2：T = TK dT/dx = 0 Y2=0 因為 Y= dT/dx 得: dx = （/Y）dT 則微分方程改寫為： dY/dx+Wq = 0 dY=- Wqdx -YdY=WqdT積分： 0)(WqdxdTdxd有：21xxTTdTWqYdYKBdTWqYKBTTxx21)|21(2dTWqYKBTT21221, 0Y積分上式得：因為211)2(|1dTWqdxdTYKBTTx所以：第十章 燃燒傳播過程 3 3、計算層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?、計算層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?根據(jù)以上計算，在預熱區(qū)與反應區(qū)交界面在預

10、熱區(qū)與反應區(qū)交界面的溫度梯度為： 預熱區(qū)： 反應區(qū)： 故 或者 )(|001TTCudxdTBPLx211)2(|dTWqdxdTKBTTxKBTTBPLqWdTTTCu2)(00KBTTBPLqWdTTTCu2)(100第十章 燃燒傳播過程 擴展到擴展到在全部反應區(qū)域均應該滿足：在全部反應區(qū)域均應該滿足： 而在預熱區(qū): （反應產生的熱量很少）（反應產生的熱量很少） 因此: 由于著火溫度與燃燒溫度比較接近 ： 因此: 得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋〝?shù)學解析式）如下： KBTT 00BKKBTTTTTTwqdTwqdTwqdT00BTTwqdTKKBTTTTwqdTwqdT000TTTTKBKTTKPLq

11、WdTTTCu02)(100第十章 燃燒傳播過程 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊亩ㄐ员磉_式：層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊亩ㄐ员磉_式： 可以改寫為： （10-10） 上式具有重要的理論價值，它揭示了層流火焰的傳播機理，上式具有重要的理論價值，它揭示了層流火焰的傳播機理，具體反映了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c各種影響因素的關系。實際上可燃混具體反映了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c各種影響因素的關系。實際上可燃混合氣的正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣鹊木唧w數(shù)值是由實驗測定的。合氣的正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣鹊木唧w數(shù)值是由實驗測定的。KTTKPLqWdTTTCu02)(10000)(21TTqWCuKPL平均 第十章 燃燒傳播過程 4 4、對層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆治?、對層流火焰?zhèn)?/p>

12、播速度的分析 (1)火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c其平均導熱系數(shù)的平方根成正比例，而與其定壓比熱Cp的平方根成反比例，因此層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c氣體混合物的物理常數(shù)有關； (2)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著差值（TK-T0）的減小而增加，因此如果將氣體預先加熱然后再送入燃燒室，則其火焰?zhèn)鞑ニ俣饶艿靡蕴岣摺５谑?燃燒傳播過程 4 4、對層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆治觥恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊姆治?(3)可燃氣體混合物的熱效應及化學反應速度也顯著地影響燃燒速度，當可燃氣體混合物的熱效應及化學反應速度低的情況下，則層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)值也??； (4)可燃氣體混合物的過?？諝庀禂?shù)也將影響其燃燒速度,當可燃混合物中的空氣含量不足（n1）都會使

13、燃燒溫度Tr降低，因而也降低層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?第十章 燃燒傳播過程 四、對四、對 u uL L 的影響因素的影響因素 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?： 理論分析證明，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁强扇細怏w的一個物理論分析證明，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁强扇細怏w的一個物理化學特性參數(shù)，它主要受到可燃混合氣本身的特性、壓力、理化學特性參數(shù)，它主要受到可燃混合氣本身的特性、壓力、溫度、添加劑、惰性氣體含量、組成結構等各種因素的影響。溫度、添加劑、惰性氣體含量、組成結構等各種因素的影響。 00)(21TTqWCuKPL平均第十章 燃燒傳播過程 四、對四、對 u uL L 的影響因素的影響因素 1. 1. 可燃可燃混合混合氣氣性質的

14、影響性質的影響 組分不同，0、CP 、q、W 都不同。 分析：a.化學反應速度W大的燃料， 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?uL也大， 凡是能夠使W增大的因素， 也能使uL增大； b.凡是活化能E小的燃料，W就 大，這時uL也大； c.提高溫度可以使反應加速， 也能使uL增加。 第十章 燃燒傳播過程 四、對四、對 u uL L 的影響因素的影響因素 2. 2. 可燃氣體濃度可燃氣體濃度（n n值）的影響值）的影響 a.可燃混合氣的uL將隨著過剩空氣系數(shù)n 而改變。 b.各種可燃混合氣的最大的uL值處于可 燃物濃度 比化學當量的比例稍大的 混合物中（即n1）。 c.碳氫化合物的最大碳氫化合物的最大u uL L

15、值發(fā)生在值發(fā)生在 n n0.960.96處，且該值不隨壓力與處，且該值不隨壓力與 溫度改變溫度改變。 第十章 燃燒傳播過程 四、對四、對u uL L 的影響因素的影響因素 2. 2. 可燃氣體濃度可燃氣體濃度（ n n值值 ）的影響）的影響 第十章 燃燒傳播過程 四、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣人摹恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?u uL L 的影響因素的影響因素 3. 3. 氧化劑中氧化劑中O O2 2含量含量的影響的影響 氧氣濃度，W，因而 uL 提高氧化劑中氧的含量，相當于 減少了可燃混合氣中的惰性氣體，能 夠明顯增加火焰?zhèn)鞑サ倪M程，因此采 用富氧或純氧燃燒，可以顯著提高燃 燒強度。第十章 燃燒傳播過程 四、對四

16、、對 u uL L 的影響因素的影響因素 4 4. . 可燃可燃混合氣的初始溫度的影響混合氣的初始溫度的影響 TO ，同時W、 ， 0 因此，uL ?；鹧?zhèn)鞑ニ俣扰c初始溫度的關系為： n=1.7-2.0 提高可燃物初始溫度可以大大促進化學提高可燃物初始溫度可以大大促進化學反應速度，從而增大反應速度，從而增大W W值?；旌蠚獬鯗貙χ怠；旌蠚獬鯗貙 uL L的影響主要是通過對化學反應速度的影響而間的影響主要是通過對化學反應速度的影響而間接反映出來的。把燃氣和空氣預熱至高溫可以接反映出來的。把燃氣和空氣預熱至高溫可以明顯提高燃燒速度和燃燒強度。明顯提高燃燒速度和燃燒強度。nTTTuu)(00第十章

17、 燃燒傳播過程 3 3 火焰?zhèn)鞑舛冉缦藁鹧鎮(zhèn)鞑舛冉缦?1.1.火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜母拍罨鹧鎮(zhèn)鞑舛冉缦薜母拍?所謂火焰?zhèn)鞑舛冉缦迣嶋H上是火焰在怎樣的濃度條件下才能進行燃燒傳播的問題,可燃混合氣必須在一定的濃度范圍內才能著火并維持火焰的傳播。 火焰?zhèn)鞑舛认孪蓿夯鹧鎮(zhèn)鞑舛认孪蓿夯鹧婺軌蚓S持火焰能夠維持正常傳播的可燃混合物中燃料的最正常傳播的可燃混合物中燃料的最 小濃度值。小濃度值。 火焰?zhèn)鞑舛壬舷蓿夯鹧鎮(zhèn)鞑舛壬舷蓿夯鹧婺軌蚓S持火焰能夠維持正常傳播的可燃混合物中燃料的最正常傳播的可燃混合物中燃料的最 大濃度值。大濃度值。 第十章 燃燒傳播過程 3 3 火焰?zhèn)鞑舛冉缦藁鹧鎮(zhèn)鞑舛冉缦?1

18、.1.火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜母拍罨鹧鎮(zhèn)鞑舛冉缦薜母拍?對于各種不同的可燃氣體混合物，其濃度接近于上限或下限時，反應產生的熱量不足以抵消燃燒區(qū)傳向外界的熱量損失，使燃燒區(qū)的溫度降低到不足以促進化學反應，這時火焰就將無法維持而熄滅，當強制點火時也會無法著火。 第十章 燃燒傳播過程 2 2、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩?、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩?（1 1）燃料性質的影響）燃料性質的影響 不同性質的可燃氣的火焰?zhèn)鞑舛冉缦薏煌?。不同性質的可燃氣的火焰?zhèn)鞑舛冉缦薏煌?2 2、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩亍⒂绊懟鹧鎮(zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩?（2 2）可燃混合氣壓力的影響）可燃混合氣壓力的影響 提高反應系統(tǒng)的壓力

19、可以擴大火焰?zhèn)鞑サ慕缦蓿舷薜臄U大尤其顯著。 第十章 燃燒傳播過程 第十章 燃燒傳播過程 2 2、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩?、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩?（3 3）可燃混合氣初溫的影響）可燃混合氣初溫的影響 提高可燃混合氣的初始溫度有利于化學反應的加速進行，燃燒溫度會提高，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣龋@有利于于火焰?zhèn)鞑ソ缦薜臄U大。 第十章 燃燒傳播過程 2 2、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩?、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩?（4 4）管徑的大小對傳播界限的影響）管徑的大小對傳播界限的影響 第十章 燃燒傳播過程 2 2、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩?、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩?（4 4）管徑的大小對傳播界限的影響）

20、管徑的大小對傳播界限的影響 意義：意義：a.a.利用淬熄直徑的原理阻止火焰利用淬熄直徑的原理阻止火焰 的通過，是防止回火的重要措施；的通過，是防止回火的重要措施； b. b.增大燃燒器噴孔孔徑可以擴大火焰增大燃燒器噴孔孔徑可以擴大火焰 傳播的濃度范圍。傳播的濃度范圍。 在n=1時 H2+air d=0.9 mm CH4+air d=3.5 mm 焦爐煤氣+空氣 d=2.0 mm 4 4 層流層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灉y定火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灉y定 火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊亩ㄐ怨街荒苓M行定性分析,不能算出uL的準確數(shù)值,準確的uL只能通過實驗測定。 測定方法： 1、靜力法(管子法)：火焰在管子中靜止的可燃氣中傳

21、播，測定 火焰面的移動速度。 2、動力法(本生燈法)：火焰在管口穩(wěn)定燃燒，通過一定測試手 段和計算得到uL。 第十章 燃燒傳播過程 4 4 層流層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灉y定火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灉y定 一、靜力法（管子法）一、靜力法（管子法） 測試原理： 1、管中充滿被測定的可燃混氣，球形容器中充滿惰性氣體，為保持管中壓力穩(wěn)定，使管子體積較小而球體相對較大，體積比1/100。 2、點火器點火，打開氣閥，火焰面將向右方移動，產物會向球內移動。彎曲的火焰面面積為F，管子截面積為f，焰面移動速度為vn,層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葹閡L。 第十章 燃燒傳播過程第十章 燃燒傳播過程 4 4 層流層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灉y定

22、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灉y定 一、靜力法（管子法）一、靜力法（管子法） 根據(jù)質量平衡關系可以寫出： 故法向火焰?zhèn)鞑ニ俣葹? 因為 Ff f/F1 故 結論：1、uL是可燃混合氣的物理化學常數(shù)而Vn是反映火焰面運動快慢的運 動量，數(shù)值上 2、在實驗中很難測出實際火焰面積F，應盡可能使火焰面成為平 面，這樣 F=f, uL = vn 就可以用火焰移動速度近似代替層流火 焰?zhèn)鞑ニ俣取?fvFunLnLvFfunLvu nLvu 第十章 燃燒傳播過程可 燃 氣 體 正 常 速 度 uL, m/s H2 1.6 CO 0.30 CH4 0.28 C2H2 1.0 C2H4 0.5 第十章 燃燒傳播過程 185

23、5年，德國化學家羅伯特威廉本生（Robert Wilhelm Bunsen,1811一1899）發(fā)明了被稱為“本生燈”的煤氣實驗燈具，這種燈具是一種可以將煤氣與空氣預先混合燃燒而產生高溫的燃燒裝置。 燃氣灶具、燃氣熱水器具的發(fā)明、普及以及現(xiàn)代的各種燃氣具的燃燒器都是基于本生燈燃燒的基本原理。 第十章 燃燒傳播過程 第十章 燃燒傳播過程 二、動力法（本生燈法）二、動力法（本生燈法） 1 1、基本原理、基本原理 垂直園管內通入燃氣空氣可燃預混氣體，管內氣流保持層流流動，為在管口獲得均勻速度場均勻速度場，將管做成錐形錐形（常用維達辛斯基型）式噴口?？扇蓟鞖庠诠芸邳c燃后形成一正錐體形的層流火焰。 （1

24、）本生燈火焰結構 火焰有內外兩層組成：內焰（由一次空氣形成）+外焰（二次空氣形成） （2）本生燈火焰形態(tài) 第十章 燃燒傳播過程 二、動力法（本生燈法）二、動力法（本生燈法） 2 2、計算公式推導、計算公式推導 噴口流出的混合氣質量應與整個火焰面上燃燒掉的混合氣質量相等噴口流出的混合氣質量應與整個火焰面上燃燒掉的混合氣質量相等。 即 火焰表面積： FufvFufvLnLn00222sinsinrfF222sinrhr第十章 燃燒傳播過程 二、動力法（本生燈法）二、動力法（本生燈法） 2 2、計算公式推導、計算公式推導 混合氣在管口的平均流速： 得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葹椋?該式即為測定法向火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

25、的計算公式。測定時只要精確測出混合氣測定時只要精確測出混合氣的流量和火焰高度，已知管口半徑，就的流量和火焰高度，已知管口半徑，就可以間接算出火焰的傳播速度可以間接算出火焰的傳播速度u uL L。202)1 (rnLVrVvghn220)1 (rhrnLVFfvugnL第十章 燃燒傳播過程 三三、預預混混可燃氣層流可燃氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊慕朴嬎惴ɑ鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊慕朴嬎惴?實際應用的燃氣一般都是各單一氣體的混合物（天然氣，液化石油氣和人工煤氣），除用以上方法測試外也可以近似計算。 如果已知各單一氣體的uLi，混合燃氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣葹椋?pi 各單一可燃氣體占燃氣可燃質成分的容積百分數(shù)； Li 單

26、一可燃氣體當火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲髸r的可燃質成分百分濃度； uLi 各單一可燃氣體的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?考慮燃氣中的惰性組分的影響時：.332211333222111LpLpLpuLpuLpuLpuLLLL)012. 001. 01 (22CONuuLL 第十章 燃燒傳播過程 5 5 紊流燃燒火焰的傳播紊流燃燒火焰的傳播 實驗和理論都證明,當預混氣濃度、溫度一定時層流火焰?zhèn)鞑ギ旑A混氣濃度、溫度一定時層流火焰?zhèn)鞑ニ俣戎蝗Q于可燃混合氣的物理和化學性質速度只取決于可燃混合氣的物理和化學性質,而且其值一般很小,例如烴類燃料與空氣的層流混合氣中,火焰?zhèn)鞑サ淖畲笏俣葍H為35-80cm/s。為了得到高的燃燒強度

27、一般的工業(yè)燃燒都采用紊流燃燒。 紊流的火焰面?zhèn)鞑サ幕驹砼c在層流中一樣，都是依靠已燃氣體和未燃氣體之間的熱量和質量的交換所形成的化學反應區(qū)在空間的移動。區(qū)別在于紊流燃燒時紊流的流動特性對燃燒過程起著很大的作紊流燃燒時紊流的流動特性對燃燒過程起著很大的作用。用。紊流火焰面?zhèn)鞑ニ俣缺葘恿髦写蟮煤芏唷?第十章 燃燒傳播過程 5 5 紊流燃燒火焰的傳播紊流燃燒火焰的傳播 燃燒過程為紊流流動燃燒時，流體內傳熱、傳質、化學反應都大大加強?；鹧婷嫖蓙y且較厚，有脈動和噪聲。紊流燃燒傳播速度 uT uL 。紊流燃燒傳播速度紊流燃燒傳播速度 u uT T 與混合氣體的流與混合氣體的流動狀態(tài)和物性有關。動狀態(tài)和物

28、性有關。 uT uL的原因： 1. 火焰前沿發(fā)生變形、皺折，反應表面積顯著增加,使燃燒速度明顯加快; 2. 傳熱、傳質過程顯著加劇,使化學反應速度加快; 3. 紊流使得煙氣與可燃氣快速混合，提高了混合氣的溫度,使燃燒過程加速。 第十章 燃燒傳播過程 5 5 紊流燃燒火焰的傳播紊流燃燒火焰的傳播 一、紊流火焰分類： 第十章 燃燒傳播過程 5 5 紊流燃燒火焰的傳播紊流燃燒火焰的傳播 一、紊流火焰分類：一、紊流火焰分類： 1、小尺度紊流火焰 2、大尺度紊流火焰（a.大尺度弱紊流火焰、b.大尺度強紊流火焰） 第十章 燃燒傳播過程 5 紊流燃燒火焰的傳播 一、紊流火焰分類 第十章 燃燒傳播過程 5 紊

29、流燃燒火焰的傳播 一、紊流火焰分類第十章 燃燒傳播過程 5 紊流燃燒火焰的傳播 一、紊流火焰分類第十章 燃燒傳播過程 5 紊流燃燒火焰的傳播 二、紊流火焰?zhèn)鞑サ南嚓P理論 鄧克爾模型uT/uL =Re 0.5 ； 謝爾金模型 uT/uL =（/ ）0.5 -紊流擴散系數(shù)第十章 燃燒傳播過程 5 紊流燃燒火焰的傳播 二、紊流火焰?zhèn)鞑サ南嚓P理論第十章 燃燒傳播過程 5 5 紊流燃燒火焰的傳播紊流燃燒火焰的傳播 二、紊流火焰的相關理論二、紊流火焰的相關理論第十章 燃燒傳播過程 5 5 紊流燃燒火焰的傳播紊流燃燒火焰的傳播 二、紊流火焰的相關理論二、紊流火焰的相關理論第十章 燃燒傳播過程 5 5 紊流燃

30、燒火焰的傳播紊流燃燒火焰的傳播 四、紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒炑芯?1. 1. u uT T與可燃混合氣濃度關系與可燃混合氣濃度關系 同樣存在濃度界限, uT有極大值 2. 2. u uT T與與ReRe關系關系 ReRe， u uT T 第十章 燃燒傳播過程 四、紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒炑芯克摹⑽闪骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒炑芯?3. 3. u uT T與初始溫度關系與初始溫度關系 對焦爐煤氣 層流時：uL T0 1.84； 紊流時：uT T0 1.6； uT /uL T0 - 0.24 溫度影響顯著但對傳播速度 的比值影響較小 4. 4. u uT T與管徑與管徑d d關系關系 （由于管壁散熱的影響）

31、d，uT； uT /uL = 0.18 d 0.25 Re 0.24第十章 燃燒傳播過程 五五、強化燃燒的途徑強化燃燒的途徑 所謂強化燃燒就是想辦法提高火焰?zhèn)鞑サ乃俣?，在單位時間內燃燒反應更多的燃料，以便單位時間內得到更多的熱量來滿足加熱工藝的要求。 一般采用的方法一般采用的方法: a. 用uL大的預混可燃氣 b. 提高紊流強度（Re） c. 提高混合氣的溫度和壓力第十章 燃燒傳播過程 第十章第十章 重點重點 1、火焰面、火焰?zhèn)鞑ズ蛯恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊幕靖拍?2、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣榷ㄐ院瘮?shù)關系式的推導方法、層流火焰 傳播速度的主要影響因素、層流火焰?zhèn)鞑サ臐舛冉缦?3、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灧椒?

32、4、紊流火焰?zhèn)鞑サ母拍睿ㄈ跷闪骱蛷娢闪鳎?、紊流火焰?zhèn)鞑?速度的影響因素、紊流火焰?zhèn)鞑ヅc層流火焰?zhèn)鞑ビ泻螀^(qū)別？ 第十一章 異相燃燒 可燃物質和氧化劑處于不同物態(tài)時的燃燒過可燃物質和氧化劑處于不同物態(tài)時的燃燒過程叫異相燃燒。程叫異相燃燒。 固體燃料和液體燃料的燃燒屬于異相燃燒。 氣體燃料分解出碳粒時的燃燒也是異相燃燒。 異相燃燒過程主要靠氣相分子和固相分子之間的擴散作用,燃燒速度與分子擴散和熱擴散的速度有關但主要取決于分子擴散速度主要取決于分子擴散速度。 第十一章 異相燃燒 碳的燃燒就屬于在相界上進行的異相化學反應，包括碳的燃燒就屬于在相界上進行的異相化學反應，包括初次反應和二次反應。 初次反應初

33、次反應： C + O2 = CO2（完全燃燒） C + 0.5O2 = CO 二次反應二次反應： C + CO2 = 2CO CO + 0.5O2 = CO2 碳的異相反應可以在碳的外表面進行，也可以在碳的內部空隙的所謂內表面進行。異相反應越強烈，反應愈容易在外表面進行，否則就容易向內部進行。 第十一章 異相燃燒 1 碳粒的燃燒 異相反應速度：單位時間在單位反應表面上完成反應的物質數(shù)量（g/cm2.s ,mol/cm2.s)。 異相反應的幾個階段：異相反應的幾個階段： 1.氣相反應介質向反應表面的傳遞 2.氣體被反應表面吸附 3.表面的化學反應 4.反應物質的脫附(碳分子離開反應表面） 5.氣

34、相反應產物從反應表面的排離 異象反應的總速度決定于最慢階段的速度。第十一章 異相燃燒 1 碳粒的燃燒 一、碳的燃燒反應速度 碳的燃燒和氣化反應一般是一級反應。 化學反應速度為：W=kCW=kCb b （11-1） 式中:K反應速度常數(shù); Cb反應表面上反應氣體濃度. 在穩(wěn)定反應條件下燃燒 反應速度與反應氣體向表面的擴散速度相等，即： W=(CW=(C0 0-C-Cb b) ) （11-2） 式中:C0介質中反應氣體向反應反應氣體的初始濃度. 傳質系數(shù); Nu魯謝爾數(shù) D擴散系數(shù) d定性尺寸dDNu第十一章 異相燃燒 1 碳粒的燃燒 一、碳的燃燒反應速度 在穩(wěn)定燃燒過程中,化學反應速度與擴散速度

35、相等，聯(lián)立（11-1）和(11-2)消去Cb ,可以到得: mol/cm2.s (11-3) 設m為燃燒的碳量與消耗的氧量之比,則碳的燃燒速度為: g/cm2.s (11-19)kCW110kCmmKcs11W0第十一章 異相燃燒 1 碳粒的燃燒 二、碳的燃燒時間與反應速度的關系 設d時間內碳粒燃燒使直徑減少了dr,則在此時間內燒掉的碳量為: 碳的燃燒速度KSC就是單位時間單位表面上燒掉的碳量,即 (11-20)drrdGr24ddrdrdrrfddGKrrcs2244第十一章 異相燃燒 1 碳粒的燃燒 二、碳的燃燒時間與反應速度的關系 顆粒直徑由初始直徑燒到某一直徑所需要的時間為: 顆粒完全

36、燒掉所需要的總時間為: (11-21) 00rrCSrrrCSrKdrKdr000rCSrKdr第十一章 異相燃燒 1 碳粒的燃燒 二、碳的燃燒時間與反應速度的關系 在燃燒過程中氧的濃度在燃燒過程中氧的濃度C C逐漸減少逐漸減少, ,氧的濃度和過?？諝庀禂?shù)的關系可以證明為: (11-22) 將各式代入(11-21)得: (11-23) 030330) 1(CnrrnrC003303000) 1()2(rrdrrnrNurkDnrDmC第十一章 異相燃燒 1 碳粒的燃燒 二、碳的燃燒時間與反應速度的關系 (11-23) 當Nu=2(煤粉燃燒得情況)時,積分整理后得: (11-24)0033030

37、00) 1()2(rrdrrnrNurkDnrDmC)()()(21 222010200nnkrnDDmCrr第十一章 異相燃燒 1 碳粒的燃燒 二、碳的燃燒時間與反應速度的關系 當Nu=2(煤粉燃燒得情況)時,積分整理后得: 式中 1（n) 、2（n)為n的函數(shù)。 當n很大時， 1（n) 、2（n)都趨于1。)()()(21 222010200nnkrnDDmCrr第十一章 異相燃燒 1 碳粒的燃燒 二、碳的燃燒時間與反應速度的關系 當Nu=2(煤粉燃燒得情況)，n趨于無窮時， 1（n) 、2（n)都趨于1。得碳粒燃燼所需要的最小時間為：)21 (20020minkrDDmCrr第十一章 異

38、相燃燒 1 碳粒的燃燒 二、碳的燃燒時間與反應速度的關系 n越大，1與2在數(shù)值上越接近， 當12時 )()(21 2)()()(21 22min2002022010200nnkrDDmCrnnkrnDDmCrrr第十一章 異相燃燒 1 碳粒的燃燒 二、碳的燃燒時間與反應速度的關系 n越大， 1 與2在數(shù)值上越接近， 當12時，碳粒燃燼所需的時間為： 當煤中有灰分時：min2)(n)21 (21001000020minkrDDmCrAr第十一章 異相燃燒 1 碳粒的燃燒 二、碳的燃燒時間與反應速度的關系 碳粒燃燒當碳粒燃燒當n n小于小于1.51.5時，燃燒時間將時，燃燒時間將 大為延長。碳的顆

39、粒越大耗時越長。大為延長。碳的顆粒越大耗時越長。 煤的燃燒過程更加復雜，包括煤的干煤的燃燒過程更加復雜，包括煤的干 燥、揮發(fā)份的析出，揮發(fā)份的分解，著火燥、揮發(fā)份的析出，揮發(fā)份的分解，著火 和燃燒，剩余焦炭的燃燒。焦炭的燃燒占和燃燒，剩余焦炭的燃燒。焦炭的燃燒占 總時間的總時間的90%90%左右。左右。)21 (20020minkrDDmCrrmin2)(n第十一章 異相燃燒 2 油粒的燃燒 液體燃料在爐內燃燒時，一般是將燃料油霧化成細小的顆粒噴入爐內燃燒。油粒置于高溫有氧介質中時，將會發(fā)生以下過程： 1.蒸發(fā)(200度以下)：油粒受熱后在表面產生油蒸汽。 2.熱解和裂化：油粒在高穩(wěn)缺氧情況下

40、熱解產生固體的碳粒和氫氣，同時 一些較輕的碳氫化合物分子從油粒中裂化出來，剩下較重的分子（焦粒 或者瀝青）。 3.著火燃燒 ：油蒸汽、熱解和裂化的氣態(tài)碳氫化合物產物與氧氣接觸達到 著火溫度的燃燒，同時固體的碳粒和焦粒也開始燃燒。 燃油的燃燒過程：燃油的燃燒過程： 油的霧化油的霧化油滴蒸發(fā)、高溫熱解與裂解油滴蒸發(fā)、高溫熱解與裂解與空氣混合與空氣混合 著火燃燒著火燃燒特點：特點：1 1、燃燒反應需要油粒的蒸發(fā)提供燃燒反應物質，而油的蒸發(fā)又需要燃燒、燃燒反應需要油粒的蒸發(fā)提供燃燒反應物質，而油的蒸發(fā)又需要燃燒 反應提供熱量，兩者互相依存。油的蒸發(fā)需要吸收反應介質的熱量。反應提供熱量，兩者互相依存。油

41、的蒸發(fā)需要吸收反應介質的熱量。 2 2、油的蒸發(fā)速度和燃燒速度相等。、油的蒸發(fā)速度和燃燒速度相等。第十一章 異相燃燒2 油粒的燃燒 一、油粒完全燃燒所需要的時間一、油粒完全燃燒所需要的時間設油粒的初始半徑為r0,經過d時間后半徑為r。在此時間內介質傳給油滴熱量： dQ = 4dQ = 4 r r2 2 （T T1 1T T0 0）d d 油滴蒸發(fā)吸收的汽化熱： dQ = - 4dQ = - 4 r r2 2 0 0 d dr r L L P126 圖11-7第十一章 異相燃燒2 油粒的燃燒 介質傳給油滴熱量： dQ = 4dQ = 4 r r2 2 （T T1 1T T0 0）d d 油滴蒸發(fā)

42、吸收的汽化熱： dQ = - 4dQ = - 4 r r2 2 0 0 d dr r L L T1 介質溫度 T0 油粒溫度 放熱系數(shù) L 油的蒸發(fā)潛熱 TK 油的沸點 0 沸點下油的密度 126 圖11-7 兩者相等： （T T1 1T T0 0）d d = - = - 0 0 L Ld dr r 第十一章 異相燃燒 一、油粒完全燃燒所需要的時間 兩者相等： 由 r0 0積分： （11-32） 當油粒很小時，Nu = d/ 2 = /r T0 TK（ 油的沸點為常數(shù)） 得油粒燒完所用時間為： （11-33） LdrdTT001）（00010)(rTTdrLLTTddr01020102rTTL

43、K）（第十一章 異相燃燒 2 油粒的燃燒 二、影響油粒燃燒速度的因素： 1. 油粒霧化程度 霧化好： r0 ， 燃燒速度快 2. 周圍介質溫度 溫度高： T1 ， 3. 油的蒸發(fā)潛熱 易汽化： L ， 4. 油的密度 0 ， 5. 油的導熱系數(shù) ， 要強化油的燃燒過程（ ），需要將油霧化成細小的顆粒，還應該保持燃燒室的高溫。燃 料 與 燃 燒 第三篇 燃燒基本原理 第十二章 火焰的結構及其穩(wěn)定性 第十二章 火焰的結構及其穩(wěn)定性 由燃燒火焰面和正在燃燒的質點所包圍的區(qū)域稱為火焰由燃燒火焰面和正在燃燒的質點所包圍的區(qū)域稱為火焰。在燃燒技術中很重要的問題是如何保證已經著火的燃料不再熄滅，即要求火焰面能夠穩(wěn)定在某一位置，這樣才能使燃燒過程穩(wěn)定的繼續(xù)下去。 在不同的燃燒條件下，火焰會呈現(xiàn)不同形態(tài)和結構特征，分類如下： 1.按照燃料種類分 燃氣火焰燃氣火焰 油霧火焰油霧火焰 煤粉火焰煤粉火焰 2.按燃料和空氣的預混程度分 預混火焰預混火焰 擴散火焰擴散火焰 第十二章 火焰的結構及其穩(wěn)定性 3.按照氣體的流動狀態(tài)分 層流火焰 紊流火焰 4.按火焰的幾何形狀分 直流錐形火焰、旋流火焰、平面火焰等 5.按火焰中的相成分 均相火焰和異相火焰 第十二章 火焰的結構及其