燃氣燃燒與應用-chap4

第四章燃氣燃燒的火焰?zhèn)鞑?/p>

(FlamePropagation)第一節(jié)火焰?zhèn)鞑サ睦碚摶A第二節(jié)法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定第三節(jié)影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩氐谒墓?jié)混合氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠嬎愕谖骞?jié)紊流火焰?zhèn)鞑サ诹?jié)火焰?zhèn)鞑舛葮O限當前第1頁\共有75頁\編于星期二\11點意義：

火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侨細馊紵钪匾奶匦?；對火焰的穩(wěn)定性、互換性有很大的影響；涉及：

燃燒方法的選擇……燃燒器的設計……安全……

當前第2頁\共有75頁\編于星期二\11點第一節(jié)火焰?zhèn)鞑サ睦碚摶A火焰的定義

快速放熱的氣相反應、以亞音速在空間傳播，同時伴隨可見光輻射?？臻g傳播特性：化學反應、氣體流動、分子擴散、熱量轉(zhuǎn)移等綜合作用當前第3頁\共有75頁\編于星期二\11點未燃的可燃混合物是分層的；在某一點上點燃后，形成火焰；火焰是熱量、自由基的中心；熱量以導熱的形式向未燃的相鄰區(qū)域傳遞；自由基以擴散的形式向相鄰區(qū)域傳播。相鄰區(qū)域溫度升高、自由基濃度增大，著火。形成火焰的傳播過程。火焰?zhèn)鞑サ幕疚锢砀拍睿?）當前第4頁\共有75頁\編于星期二\11點火焰?zhèn)鞑サ幕疚锢砀拍睿?）1.焰面(FlameFront):

火焰鋒面、火焰前鋒燃燒反應進行的區(qū)域；未燃氣體與燃燒產(chǎn)物的分界面；2.火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>

焰面的移動速度；符號S表示。單位為m/s,m3/m2.s意義：單位面積上、單位時間內(nèi)燃燒的可燃混合物的體積。當前第5頁\共有75頁\編于星期二\11點一、火焰?zhèn)鞑サ姆绞剑ㄒ唬┱；鹧鎮(zhèn)鞑?緩燃波Deflagration)

由于傳熱作用，高溫焰面將熱量傳給未燃氣體，使其著火、燃燒；依次傳遍整個體積。等壓下進行。1.層流火焰?zhèn)鞑aminarFlamePropagation依靠分子擴散、導熱等實現(xiàn)火焰的傳播。2.紊流火焰?zhèn)鞑urbulentFlamePropagation依靠紊流擴散等實現(xiàn)傳播。當前第6頁\共有75頁\編于星期二\11點法向火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n問題的描述：

火焰在管狀的靜止氣體中傳播；傳播方向與焰面垂直；傳播速度的大小與管壁散熱有關(guān)當前第7頁\共有75頁\編于星期二\11點散熱對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懝軓皆叫。釋鹧鎮(zhèn)鞑ビ绊懺酱螅?/p>

小到一定程度→火焰不能傳播管徑越大，對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懺叫。?/p>

大到一定程度→散熱影響完全消失→此時的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到最大

法向火焰?zhèn)鞑ニ俣龋篠n

當前第8頁\共有75頁\編于星期二\11點可見火焰?zhèn)鞑ニ俣萐v管徑增大時，由于燃燒及管壁散熱，在焰面附近引起擾動，焰面皺曲，此時焰面的移動方向仍為管子軸向，但不是焰面的法向。沿管子的軸向移動的速度稱為可見火焰速度，記作Sv。顯然Sv>Sn當前第9頁\共有75頁\編于星期二\11點層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇笮恿鲿r一般很??；H2最大：Sn=2.8m/s;Sv=4.85m/s;CH4最?。篠n=0.38m/s;Sv=0.67m/s;在d=25.4mm管子中的實驗結(jié)果當前第10頁\共有75頁\編于星期二\11點紊流火焰?zhèn)鞑饬鞒蔀槲闪鳡顟B(tài)：

紊流擴散系數(shù)大于分子擴散熱量傳遞加劇火焰速度增大；St>SnSt不僅與可燃混合物的物理化學性質(zhì)有關(guān)，還與紊動程度有關(guān)(Re/管徑等)當前第11頁\共有75頁\編于星期二\11點（二）爆炸(Explosion)背景：

均勻的燃氣-空氣混合物在密閉容器內(nèi)局部著火，燃燒放熱與高溫產(chǎn)物熱膨脹，壓力急劇升高。結(jié)果：

未燃氣體絕熱壓縮；瞬間燃燒完畢。爆炸自身(緩慢)加熱或點燃當前第12頁\共有75頁\編于星期二\11點（三）爆燃(Detonation)管子的長與短

短管——燃燒產(chǎn)物及時排出，等壓下燃燒；長管——燃燒產(chǎn)物對未燃氣體絕熱壓縮，產(chǎn)生激波；火焰到達之前未燃氣體已到著火溫度；可燃混合物“一層”“一層”地燃燒。著火的原因：沖擊波的絕熱壓縮；火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?000~3500m/s;極具破壞力當前第13頁\共有75頁\編于星期二\11點二、法向火焰?zhèn)鞑ダ碚搯栴}的描述：一端封閉(點燃)、一端開口的管子；假設管子不散熱焰面不皺曲；熱量傳遞僅依靠分子熱傳導進行；燃燒過程在等壓下進行。焰面移動、氣流靜止焰面的移動速度焰面靜止、氣流反向移動氣流的移動速度當前第14頁\共有75頁\編于星期二\11點需回答的問題法向火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n=?焰面厚度δ=？燃燒反應時間=？當前第15頁\共有75頁\編于星期二\11點可燃混合物的歷程冷態(tài)時——濃度為C0，溫度為T0；接近焰面時——被預熱(溫度逐漸升高)，但未發(fā)生化學反應，C0近似不變。T0Ti

——開始著火，經(jīng)感應期后到達Ti

’，進行劇烈燃燒，溫度很快升高到Tth；濃度從溫度Ti時開始下降，燃燼時C=0。當前第16頁\共有75頁\編于星期二\11點可燃組分的濃度變化曲線沿火焰厚度方向的溫度變化曲線燃燒產(chǎn)物的濃度分布曲線化學反應速度曲線當前第17頁\共有75頁\編于星期二\11點火焰的結(jié)構(gòu)焰面以左：預熱區(qū)+感應區(qū)厚度ph反應速度很慢焰面以右：反應區(qū)厚度ch化學厚度ch<物理厚度ph當前第18頁\共有75頁\編于星期二\11點在火焰鋒面中取一薄層，討論在單位時間內(nèi)/單位面積內(nèi)的平衡情況。連續(xù)性方程：動量方程：能量方程：混合物自身的焓變化導熱導致的凈能量變化化學反應產(chǎn)生的熱量在未燃處的邊界條件：在燃盡處的邊界條件：當前第19頁\共有75頁\編于星期二\11點將火焰分為預熱區(qū)和反應區(qū)，其交界處的溫度為Ti在預熱區(qū)中忽略化學反應在反應區(qū)中忽略自身的能量變化從T0~Ti積分從Ti~Tm積分交界面上的熱流量連續(xù)當前第20頁\共有75頁\編于星期二\11點Ti是未知量；可利用已知條件簡化：化學反應集中在反應區(qū)，預熱區(qū)中反應速率很小。反應區(qū)內(nèi)的溫度變化很小，當前第21頁\共有75頁\編于星期二\11點為進一步簡化；定義T0~Tm之間的平均反應速率當前第22頁\共有75頁\編于星期二\11點分析1、導溫系數(shù)a=/Cp;化學反應時間與平均反應速率成反比，即可有層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c導溫系數(shù)的平方根成正比；與化學反應時間的平方根成反比。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁强扇蓟旌衔锏奈锢砘瘜W常數(shù)當前第23頁\共有75頁\編于星期二\11點2、壓力的影響平均的燃燒反應速率對理想氣體，成立綜觀反應級數(shù)一般n=1.5~2，所以Sn隨著壓力增大而減??！當前第24頁\共有75頁\編于星期二\11點3、火焰的厚度由和火焰厚度與導溫系數(shù)成正比，與火焰速度成反比。導溫系數(shù)與溫度、壓力的關(guān)系是因此壓力越低，火焰厚度越大。當前第25頁\共有75頁\編于星期二\11點第二節(jié)法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定

一般可使用實驗方法測出各種單一氣體在一定條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?；再計算得到混合氣體的火焰速度。技術(shù)上的困難定義：焰面為平面；焰面與火焰?zhèn)鞑シ较蚧驓饬鞣较虼怪?。難以實現(xiàn)當前第26頁\共有75頁\編于星期二\11點目前采用的實驗方法焰面不能嚴格垂直于氣流，但焰面必須是平面；焰面不是平面，而有很小的曲率，但氣流方向必須與焰面垂直。當前第27頁\共有75頁\編于星期二\11點靜力法（動態(tài)火焰法）焰面在靜止的可燃混合物中運動；

火焰核法；皂泡法；管子法；動力法(靜態(tài)火焰法)

焰面靜止；可燃混合物以層流狀態(tài)與火焰?zhèn)鞑シ较蜃鱿喾催\動。球形火焰法；錐形火焰法；平面火焰法倒置火焰法；新月形火焰法；當前第28頁\共有75頁\編于星期二\11點管子法原理管子內(nèi)充滿可燃混合物；點燃后形成火焰、在管子內(nèi)移動；用照相機或攝象機記錄火焰在不同時刻的位置。

注意Vb=100Vt保持燃燒過程中壓力不變當前第29頁\共有75頁\編于星期二\11點實際情況管子散熱，導致氣流紊動，焰面成為曲面，所測的火焰速度為可見火焰?zhèn)鞑ニ俣?。當管子直徑增大到一定程度，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⒔咏赟n……但是，直徑越大，氣流紊動越強烈，焰面彎曲越大，二者相差越大……當前第30頁\共有75頁\編于星期二\11點隨著管子直徑減小，散熱的影響增大，可見火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小。當小到某一值時，管子的散熱使火焰無法傳播。此時的直徑稱做“臨界直徑”——dc在工程上，dc可用來防止回火

H2:dc=0.9mm;CH4:dc=3.5mm;

焦爐氣：dc=2mm當前第31頁\共有75頁\編于星期二\11點管子法總結(jié)直觀；受管徑影響比較大、準確性不夠；只能在相同管徑下對各種燃氣的實驗結(jié)果進行比較。當前第32頁\共有75頁\編于星期二\11點氫氣水煤氣CO乙烯煉焦煤氣乙烷甲烷高壓富氧汽化煤氣當前第33頁\共有75頁\編于星期二\11點皂泡法(火焰核法)原理：

皂泡是一個球體，火焰的傳播是對稱的；焰面與火焰?zhèn)鞑サ姆较虼怪?；皂泡具有彈性壁面，可自由膨脹，過程是等壓的。計算：按照皂泡的膨脹率(火焰空間所占體積的變化)當前第34頁\共有75頁\編于星期二\11點問題與解決皂泡溶液蒸發(fā)，導致氣體混合物變濕。對CO，問題尤甚；含凈化劑的甘油無水皂泡皂泡的擴張速度起始時的皂泡半徑結(jié)束時的皂泡半徑當前第35頁\共有75頁\編于星期二\11點本生火焰法一次空氣→內(nèi)錐；二次空氣→外錐；當前第36頁\共有75頁\編于星期二\11點Benson火焰的特點直徑略大于管口直徑，根部較平

近管口處的未燃氣體向外擴散，火焰根部不與管口銜接——火焰外凸；頂部較平頂點附近散熱損失小，活化中心集中，火焰?zhèn)鞑ニ俣却螅蛭慈細怏w溯進——頂部變圓。只有圓錐中部比較真實地代表了混合氣參數(shù)下的層流火焰面。當前第37頁\共有75頁\編于星期二\11點Sn計算原理對管口出口斷面和錐形火焰面，列連續(xù)性方程：燃燒器出口斷面積燃燒器出口處空氣-燃氣混合物的平均流速火焰內(nèi)錐表面積出口處的平均流速火焰內(nèi)錐表面積當前第38頁\共有75頁\編于星期二\11點火焰表面的位置/面積測量符合法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊亩x；光學方法：發(fā)光法、陰影法、紋影法、干涉法；發(fā)光法：靠近火焰的一面比真正面積大；陰影法：測的是密度梯度最大的位置，處于中間值；紋影法、干涉法：測定的是密度的直接分布情況、靠近混合物一側(cè)，較為準確。當前第39頁\共有75頁\編于星期二\11點顆粒示蹤法Lewis-VonElbe提出；在可燃混合物中摻入氧化鎂/氯化銨/硅油煙霧等既閃光、又不引起化學反應的微小顆?！B續(xù)頻閃攝象；由頻閃和顆粒移動距離，計算顆粒移動速度；顆粒移動速度=氣流速度；當前第40頁\共有75頁\編于星期二\11點Benson內(nèi)錐微粒移動軌跡——流線當前第41頁\共有75頁\編于星期二\11點內(nèi)錐焰面大部分Sn為常數(shù)中心處有所下降邊緣處Sn下降當前第42頁\共有75頁\編于星期二\11點平面火焰法平面火焰的面積容易測量；Powling燃燒器。多孔板/蜂窩格/整流網(wǎng)平面火焰防止外圍空氣的擴散破壞火焰外緣的平整性適合火焰速度低于15cm/s的氣體當前第43頁\共有75頁\編于星期二\11點不同方法測量值的比較錐形火焰法平面火焰法Powling火焰CH4當前第44頁\共有75頁\編于星期二\11點第三節(jié)影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩匾?、燃氣濃?混合氣比例)的影響Snmax在燃氣比例略高于化學計量比處稍富時：自由基濃度高；斷鏈概率小；稍富時，火焰溫度最高，反應速度最快；當前第45頁\共有75頁\編于星期二\11點氫氣（化學計量比29.6%）CO（化學計量比29.6%）乙烯（化學計量比6.54%）丙烯煉焦煤氣存在上限/下限！?。‘斍暗?6頁\共有75頁\編于星期二\11點二、燃氣性質(zhì)的影響導溫系數(shù)越大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱蟆?、導溫系數(shù)H2:=0.186,Snmax=2.8m/s;CH4:=0.0286,Snmax=0.38m/s當前第47頁\共有75頁\編于星期二\11點2、分子結(jié)構(gòu)炔族>烯族>烷族燃料分子量越大，火焰速度越小；烷烴：火焰速度與碳原子數(shù)無關(guān)；烯烴/炔烴：碳原子數(shù)以4為界，下降速度趨緩。碳原子數(shù)當前第48頁\共有75頁\編于星期二\11點三、溫度的影響1、初始溫度的影響T0，火焰速度升高。Tm增大，火焰速度增大2、火焰溫度的影響當前第49頁\共有75頁\編于星期二\11點初始溫度當前第50頁\共有75頁\編于星期二\11點四、壓力的影響1、一般燃燒反應：n<2;2、質(zhì)量燃燒速率隨壓力增大而增大；Sn=25cm/s的火焰，n=1.4;Sn=25~50cm/s的火焰，n<2;Sn=50~100cm/s的火焰，n=2;Sn>100cm/s的火焰，n=2;Sn>800cm/s的火焰，n=2.5;當前第51頁\共有75頁\編于星期二\11點壓力對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懏斍暗?2頁\共有75頁\編于星期二\11點五、惰性氣體的影響CO中加入少量的水，火焰速度快速增大——近1倍！惰性氣體加入、降低了氧含量，降低了火焰速度。填加組分的具體影響，需按照對物性、化學反應途徑等的影響來全面考慮。當前第53頁\共有75頁\編于星期二\11點CO的火焰速度與水蒸汽含量的關(guān)系無水當前第54頁\共有75頁\編于星期二\11點1——1.5%N2+98.5%O2;2——20%N2+80%O2;3——40%N2+60%O2;4——60%N2+40%O2;5——70%N2+30%O2;6——75%N2+25%O2;7——79%N2+21%O2;當前第55頁\共有75頁\編于星期二\11點第四節(jié)混合氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠嬎阌斜匾?、有條件時，可進行實驗測試；或按照經(jīng)驗公式、根據(jù)單一氣體的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣龋M行計算。CO<20%(以燃氣中的可燃組分為100%計)N2+CO2<50%(扣除燃氣中的O2所對應的空氣！?。?計算公式的適用條件準確程度：與實測的偏差小于5%當前第56頁\共有75頁\編于星期二\11點燃氣中O2所對應的N2燃氣中的O2所對應的空氣考慮惰性氣體的影響各單一氣體的最大法向火焰?zhèn)鞑ニ俣雀鲉我粴怏w在最大法向火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r的一次空氣系數(shù)當前第57頁\共有75頁\編于星期二\11點計算燃氣最大火焰速度的數(shù)據(jù)當前第58頁\共有75頁\編于星期二\11點第五節(jié)紊流火焰?zhèn)鞑ヅc層流相比：

層流——火焰鋒面很薄、光滑；紊流——鋒面變厚、焰面抖動/粗糙。燃燒速度增大十幾倍或更高。當前第59頁\共有75頁\編于星期二\11點一、紊流火焰結(jié)構(gòu)燃燒反應在發(fā)光的燃燒區(qū)內(nèi)完成；少量未燃盡氣體在高溫燃燼區(qū)內(nèi)繼續(xù)燃燒；紊流火焰特點：焰面皺曲、輪廓模糊；焰面厚度較大、火焰高度較短；火焰穩(wěn)定性變差，易脫火；燃燒時噪聲較大。當前第60頁\共有75頁\編于星期二\11點二、紊流火焰?zhèn)鞑サ囊话憬Y(jié)論1、紊流火焰的傳播取決于紊流流動特性：St與Re有關(guān)Re<2300,St/Sn=1Re=2300~6000,St/SnRe1/2Re>6000,St/SnRe當前第61頁\共有75頁\編于星期二\11點2、紊流火焰速度與混合物濃度的關(guān)系與層流時基本相同在氣流速度較小時，相對層流而言，受濃度影響較小層流紊流當前第62頁\共有75頁\編于星期二\11點表征紊流特性的參數(shù)氣流脈動速度的時均方根值紊動微團從形成到分裂過程所經(jīng)過的平均自由行程表示紊流程度的強弱表示紊動范圍的大小，尺度的大小層流火焰的厚度當前第63頁\共有75頁\編于星期二\11點紊流火焰的種類劃分小尺度紊流火焰大尺度紊流火焰大尺度弱紊動大尺度強紊動焰面厚度稍大于層流焰面皺曲不存在連續(xù)焰面當前第64頁\共有75頁\編于星期二\11點紊流火焰結(jié)構(gòu)圖示小尺度紊動大尺度弱紊動大尺度強紊動容積燃燒模型燃燒產(chǎn)物新鮮混合氣部分燃盡氣體當前第65頁\共有75頁\編于星期二\11點三、紊流火焰的表面理論主要論點：層流火焰鋒面的基本結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，燃燒集中于鋒面中；紊流火焰比層流火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟮脑颍簜鬟f過程的加快、焰面的增大；小尺度紊流對層流火焰aA=a+DTSnSt紊流擴散系數(shù)當前第66頁\共有75頁\編于星期二\11點所以由于當有小尺度紊流一般只發(fā)生在燃燒器管壁附近；只有在小口徑管子的中心，才有可能出現(xiàn)小尺度紊流。當前第67頁\共有75頁\編于星期二\11