第五章 燃燒的基礎(chǔ)知識(shí)

第五章燃燒的基礎(chǔ)知識(shí)★燃燒是燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的有效途徑★燃燒直接影響動(dòng)力輸出和燃油經(jīng)濟(jì)性★燃燒也直接影響有害物的生成和排放能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)_燃燒方式獲取能量占主導(dǎo)世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)（2004）

%WorldwideenergysupplyinTW(1012W)世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)

In2005,totalworldwideenergyconsumptionwas500Exajoules(=5x1020J)with80-90%derivedfromthecombustionoffossilfuels.本章主要內(nèi)容燃燒現(xiàn)象與分類可燃混合氣的著火與著火理論預(yù)混合氣的點(diǎn)燃與火焰?zhèn)鞑ヒ后w燃料的霧化與擴(kuò)散燃燒主要內(nèi)容

1.燃燒現(xiàn)象與分類

2.可燃混合氣的著火與著火理論

3.預(yù)混合氣的點(diǎn)燃與火焰?zhèn)鞑?/p>

4.液體燃料的霧化與擴(kuò)散燃燒

1)燃燒(combustion)定義

可燃物質(zhì)(燃料)與氧化劑(空氣中的氧氣)產(chǎn)生的 劇烈放熱化學(xué)反應(yīng)，并伴有流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì) 等物理現(xiàn)象（光和熱）2)燃燒分類

固相燃燒

固體燃料沒(méi)有揮發(fā)而在表面與空氣(氧氣)

燃燒

氣相燃燒

燃料以氣體狀態(tài)與空氣混合燃燒 ①預(yù)混燃燒：著火前燃料氣體或燃料蒸氣與 氧化劑已按一定比例形成混合氣的燃燒 ②擴(kuò)散燃燒：著火前燃料與氧化劑是相互分 開(kāi)的，著火后燃料邊蒸發(fā)邊與空氣混合的 燃燒 內(nèi)燃機(jī)中所有燃燒屬于兩種燃燒中的某一 種或兩種燃燒的組合燃燒火焰分類

預(yù)混非預(yù)混/擴(kuò)散預(yù)混火焰與擴(kuò)散火焰擴(kuò)散火焰半預(yù)混火焰全預(yù)混火焰α1：一次空氣系數(shù)，即燃燒前同氣體燃料混合的空氣量與理論空氣量之比?DifferentflametypesofBunsenBurnerdependingonairflowthroughthevalve. 1.valveclosed 2.valvesemi-opened 3.valvenearlyfullyopened 4.valvefullyopened藍(lán)焰光譜

Spectrumofablueflamefromapocketbutanetorchclearlyshowingnon-continuumspectralemission

預(yù)混燃燒(PFI汽油機(jī))Pre-mixtureCombustion

擴(kuò)散燃燒(柴油機(jī))DiffusionCombustion燃燒速度取決于化學(xué)反應(yīng)速度(即混合氣溫度和濃度)（混合氣形成影響不大）燃燒速度取決于燃油和空氣的混合速度（混合氣形成的影響極大）φa=0.8-1.2，難以稀燃φa=1.2-6.8，穩(wěn)定稀燃濃度和溫度分布均勻，不易產(chǎn)生碳煙濃度和溫度分布不均勻，易產(chǎn)生碳煙無(wú)焰（藍(lán)色）燃燒有焰（黃或白色）燃燒有回火可能無(wú)回火可能預(yù)混燃燒與擴(kuò)散燃燒的對(duì)比

1)著火Ignition

可燃混合氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)引起的突然加速 失控現(xiàn)象叫著火。著火是燃燒過(guò)程的初始 階段。本質(zhì)上也是燃燒主要內(nèi)容

1.燃燒現(xiàn)象與分類

2.可燃混合氣的著火與著火理論

3.預(yù)混合氣的點(diǎn)燃與火焰?zhèn)鞑?/p>

4.液體燃料的霧化與擴(kuò)散燃燒 著火階段主要內(nèi)容

1.燃燒現(xiàn)象與分類

2.可燃混合氣的著火與著火理論

3.預(yù)混合氣的點(diǎn)燃與火焰?zhèn)鞑?/p>

4.液體燃料的霧化與擴(kuò)散燃燒

2)著火理論

熱著火理論（謝苗諾夫Semenov,N.N）

在可燃混合氣著火過(guò)程中,主要依靠熱量的不 斷積累而自行升溫,使反應(yīng)速度按指數(shù)函數(shù)迅 速增大,最終導(dǎo)致著火“零”維模型假設(shè):

容器V內(nèi)各處混合物濃度及溫度都相同 在反應(yīng)過(guò)程中，容器V內(nèi)各處反應(yīng)速度都 相同 容器的壁溫T0及外界環(huán)境的溫度在反應(yīng) 過(guò)程中保持不變，而決定傳熱強(qiáng)度的溫 度差是壁溫和混合物之間的溫壓 在著火溫度附近，由于反應(yīng)所引起的可 燃?xì)怏w混合物濃度的改變忽略而不計(jì)?有一體積為V(m3)的容器，其中充滿有化學(xué)均勻可燃混合氣，其濃度為C(kg/m3)，容器的壁溫為T0(K)，可燃混合氣以速度w(kg/m3s)進(jìn)行反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)后所放出的熱量，一部份加熱了混合氣體，使反應(yīng)系統(tǒng)的溫度提高，另一部份則通過(guò)容器壁而傳給周圍環(huán)境=C1exp???主要內(nèi)容

1.燃燒現(xiàn)象與分類

2.可燃混合氣的著火與著火理論3.預(yù)混合氣的點(diǎn)燃與火焰?zhèn)鞑?.液體燃料的霧化與擴(kuò)散燃燒

2)著火理論

熱著火理論（謝苗諾夫Semenov,N.N）放熱速率:散熱速率:著火條件:①dq1/dt>dq2/dt:肯定著火②dq1/dt＝dq2/dt:臨界著火溫度Tc③dq1/dt<dq2/dt:肯定不著火dq1

dtdq2

dt

?E? ?RT?=A?F(T?T0)

2)著火理論

熱著火理論（謝苗諾夫Semenov,N.N）

影響著火因素： ①壓力：pc↑→Tc↓ ②過(guò)量空氣系數(shù)φa:對(duì)某一pc或Tc,

存在一個(gè)混合氣的著火濃限和稀限 ③燃料特性：燃料不同,Tc不同主要內(nèi)容

1.燃燒現(xiàn)象與分類

2.可燃混合氣的著火與著火理論

3.預(yù)混合氣的點(diǎn)燃與火焰?zhèn)鞑?/p>

4.液體燃料的霧化與擴(kuò)散燃燒主要內(nèi)容

1.燃燒現(xiàn)象與分類

2.可燃混合氣的著火與著火理論

3.預(yù)混合氣的點(diǎn)燃與火焰?zhèn)鞑?/p>

4.液體燃料的霧化與擴(kuò)散燃燒

2)著火理論

熱著火理論（謝苗諾夫Semenov,N.N）

結(jié)論： ①可燃混合氣著火過(guò)程中的許多現(xiàn)象可 以用熱著后理論來(lái)解釋，并且與實(shí)驗(yàn) 結(jié)果也比較符合 ②但是，對(duì)于可燃混合氣的初始濃度較 低，或壓力低于大氣壓的一些反應(yīng)， 無(wú)法用熱著火理論解釋。例如，3.8％ 正丁烷和空氣混合氣即使溫度較低 （280～400℃）或壓力低于大氣壓 力，可燃混合氣也會(huì)發(fā)生著火現(xiàn)象

③碳?xì)淙剂系膶?shí)際著火區(qū)并不是簡(jiǎn)單的T- p雙曲線（而是“著火半島”）

為了補(bǔ)充熱著火理論,又發(fā)展了鏈?zhǔn)街鹄碚?、烴的氧化反應(yīng)鏈引發(fā)、鏈傳播、鏈中斷以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。這種化學(xué)反應(yīng)式根據(jù)質(zhì)量守恒定律得到，稱為化學(xué)計(jì)量反應(yīng)式。它反映化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)變化的等量關(guān)系，并不反映化學(xué)反應(yīng)經(jīng)過(guò)的歷程。以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，上述反應(yīng)需要一個(gè)甲烷分子能夠同時(shí)與三個(gè)氧氣分子碰撞，過(guò)程才能夠進(jìn)行。但是，在化學(xué)反應(yīng)中，三個(gè)分子相互同時(shí)碰撞的機(jī)率幾乎為零，而四個(gè)分子或更多分子相互同時(shí)碰撞可能完全不存在。以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。在甲烷燃燒的開(kāi)始時(shí)刻，只存在一個(gè)氧氣分子與一個(gè)甲烷分子碰撞的反應(yīng)，并且其中一個(gè)分子應(yīng)具有較高的能量，即具有活性。使反應(yīng)物分子具有活性的過(guò)程稱為鏈引發(fā)。導(dǎo)致鏈引發(fā)的因素很多，假設(shè)氧氣分子因熱運(yùn)動(dòng)而激發(fā)，于是以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。在激發(fā)的氧氣分子與甲烷分子反應(yīng)時(shí)，下列結(jié)果都有可能

CH3、CH3O、CH4O、OOH、OH和O等都是燃燒反應(yīng)的中間產(chǎn)物，稱為自由基（活性粒子）。反應(yīng)生成產(chǎn)物取決于分子相互碰撞的部位和碰撞能量。

鏈傳遞是一個(gè)活性粒子通過(guò)反應(yīng)，至少產(chǎn)生一個(gè)新的活性粒子，使反應(yīng)能夠繼續(xù)進(jìn)行；同時(shí)，使反應(yīng)向前推進(jìn)一步。以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。這種分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程結(jié)束稱為鏈中止。結(jié)論：（1）在明顯燃燒之前，無(wú)論用何種方式觸發(fā)燃燒，都存在誘導(dǎo)期（著火延遲階段），即形成與積累活性中心的過(guò)程。（2）即使反應(yīng)體系處于較低的溫度，但只要能夠激發(fā)足夠的活性粒子，就能引起燃燒鏈反應(yīng)。

反應(yīng)物物性參數(shù)反應(yīng)物濃度、溫度容器形狀、材料結(jié)論：（3）烴氧化反應(yīng)是自動(dòng)加速的。在快速反應(yīng)階段（A~B），反應(yīng)速度隨著溫度升高而加快；當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定階段，反應(yīng)物濃度減少，（B~C）反應(yīng)速度迅速下降。（4）添加劑可以改變反應(yīng)速度和燃燒特點(diǎn)。ABC2、自燃自燃：具有適當(dāng)溫度、壓力的可燃混合氣，在沒(méi)有外部能量引入的情況下，依靠混合氣自身的反應(yīng)自動(dòng)加速，并自發(fā)地引起火焰的過(guò)程。自燃的原因:由于熱量的積累

熱力自燃理論

2、自燃著火條件：1）著火溫度不僅與可燃混合氣的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、壓力、容器形狀及散熱情況有關(guān)。2）臨界溫度與壓力明顯的影響到著火區(qū)域。3）存在一個(gè)可燃混合氣著火的濃度上限（富油極限）和下限（貧油極限）。2、自燃烴燃料的著火半島較低的溫度、壓力下，有不同的著火規(guī)律——著火半島（退化支鏈反應(yīng)）2、自燃燃料溫度較低時(shí)，燃燒過(guò)程經(jīng)歷冷焰-藍(lán)焰-熱焰三個(gè)階段，著火過(guò)程稱為低溫多階段著火。2、自燃在較高溫度下，烴燃料氧化反應(yīng)不經(jīng)過(guò)冷焰誘導(dǎo)期和冷焰期，直接進(jìn)入熱焰燃燒。這種情況下，藍(lán)焰與熱焰很難區(qū)分，因此統(tǒng)稱為高溫單階段著火。退化支鏈反應(yīng)，主要是甲醛。3、點(diǎn)燃3、點(diǎn)燃最低點(diǎn)火能量能夠可靠著火所需要的最小能量稱為最低點(diǎn)火能量。

對(duì)應(yīng)于一定濃度、溫度和壓力的可燃混合氣，存在一個(gè)最小點(diǎn)火能量，相應(yīng)的，有一個(gè)不能點(diǎn)燃混合氣的電極間隙極限，稱為熄火間隙3、點(diǎn)燃不同的混合氣濃度，其最小點(diǎn)火能量不同；一定的點(diǎn)火能量有一個(gè)著火界限；加大點(diǎn)火能量，著火界限有所擴(kuò)展，