燃烧学第五章

1、第5-1节 预混可燃混合气的着火和自燃理论,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,2,燃烧过程两个阶段：着火阶段、燃烧阶段 着火的定义 着火过程是一种典型的受化学动力学控制的燃烧现象,着火：燃料与氧化剂分子混合后，从开始发生化学反 应，反应加速，温度升高达到激烈的燃烧反应之前的 一段过程,一、着火的概念,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,3,1、着火的方式与机理 自然界中燃料的着火方式,自燃着火 （自燃） 强迫着火 （点燃或点火,把一定体积的混合气预热到某一温度，在该 温度下，混合气的反应速率即自动加速， 急剧增大直到着火。 整体加热,可燃混合气内的

2、某一处用点火热源点着相 邻一层混合气，尔后燃烧波自动的传播到 混合气的其余部分。 局部加热,自燃和点燃过程统称之为着火过程,一、着火的概念,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,4,影响着火的因素 燃料性质 燃料与氧化剂的比例 环境压力及温度 气流速度 燃烧室尺寸等等,化学动力学因素 流体力学因素（燃烧阶段,一、着火的概念,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,5,自燃着火机理主要包括两种,热自燃机理反应物温度不断升高，反应加 快，直到着火，可用阿累尼乌斯定律和质量作 用定律解释。 链锁自燃机理活性中心增殖数大于销毁数，反应不断加快，分支链反应和直链反应

3、,一般来说，在高温下，热自燃是着火的主要原因，而在低温时则支链反应是着火的主要因。但实际燃烧过程中，不可能是纯粹的热自燃或链锁自燃存在，事实上，它们是同时存在而且是相互促进的,一、着火的概念,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,6,2着火的两大特征,着火温度：在该温度下，取决于导热性能的初始散失热量等于同样时间内因化学反应转化而形成的热量(Vanthoff)。热着火理论指出着火温度不是物质的一个专门性质，事实上它表示在正常化学过程中(可燃物和氧化剂之间的反应过程)放热的反作用的结果。 着火延迟期 ：着火前的物理准备过程,一、着火的概念,2020/12/31,哈尔滨工业大学

4、（威海）汽车工程学院,7,3.热自燃过程分析,放热和散热过程 着火是反应放热因素和散热因素相互作用的结果。 放热散热：着火成功； 放热散热：着火失败,一、着火的概念,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,8,二、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,9,二、绝热条件下的自燃过程,式中，Q1可燃气体混合

5、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,10,二、绝热条件下的自燃过程,稳定条件下，QI=QII，即,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,11,二、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（绝热火焰温度）Ta,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,12,二、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

6、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,13,三、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,14,着火热理论的发展,范特荷夫(VantHoff)提出基本思想，认为， 当反应系统与周围介质间热平衡破坏时就发 生着火,利恰及利耶(Lechateli

7、er)明确提出了着火 的临界条件：反应放热曲线与系统向环境散 热的散热曲线相切,谢苗诺夫（Semonov）完成了数学上的描述,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,15,谢苗诺夫的可燃混合气热自燃理论,有一体积为V(m3)的容器，其中充满有化学均匀可燃气体混合物，其分子浓度为n(1/m3)，容器的壁温为T0(K)，容器内的可燃气体混合物正以速度wn(1/m3s)在进行反应，化学反应后所放出的热量，一部份加热了气体混合物，使反应系统的温度提高，另一部份则通过容器壁而传给周围环境,目标：求出放热速率q1、散热速率q2的数学表达式， 做出q1 、 q2随温度T的变化曲线，然后分析

8、容器内 的放热和散热与温度T的关系，分析热自燃过程,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,16,容器V内各处的混合物浓度及温度都相同。 在反应过程中，容器V内各处的反应速度都相 同。 容器的壁温T0及外界环境的温度，在反应过程 中保持不变，而决定传热强度的温度差就是壁 温和混合物之间的温压。 在着火温度附近，由于反应所引起的可燃气体 混合物浓度的改变是略而不计的,假设,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,17,三、非绝热条件下的自燃过程,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,18,三、非绝热条件下的自燃过程,一般情况下，释热率曲线和

9、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,19,三、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,20,三、非绝热条件下的自燃过程,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,21,三、非绝热条件下的自燃过程,按泰勒级数

10、展开指数项,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,22,三、非绝热条件下的自燃过程,假定预混气体为理想气体,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,23,三、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,24,四、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,25

11、,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交点B降低，着火温度降低，着火提前,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,26,四、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,27,五、着火延滞期,实际的燃烧设备，不仅要求燃料能稳定地燃烧，而且要求预混气体能及时地着火，因此了解可燃混合

12、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,结论：着火延迟期随混合气压力和自燃温度的升高而缩短，因此，在燃烧室内提高混合气的压力和温度都会缩短燃烧自燃的着火延迟期，从而有利于混合气的着火,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,28,六、热自燃界限,热自燃温度与压力的关系 P ：T0 易热自燃 P ： T0 不易热自燃,应用：内燃机在高原地区， 航空发动机在高空时着火 性能不好,热自燃界限图,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,29,热自燃温度与混合气组分的关系,无论是均相气体燃料还是固体燃料，当周围

13、介质温度T0达到一定值后，即出现热自燃着火，其临界自燃条件前已分析，此时的周围介质温度即为自燃温度。但试验亦表明，在一定的炉内压力下，可燃混合物的浓度变化时，其自燃温度也不相同,六、热自燃界限,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,30,着火浓度界限（P =定值,六、热自燃界限,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,31,着火浓度界限（T0 =定值,六、热自燃界限,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,32,着火的可燃界限：P=定值，得出着火温度与混合气 成分的关系；T0 =定值，得出 临界压力与混合气成 分的关系,只有x1x2的浓度

14、范围内混合气才可能着火。 x2浓限（富油）； x1稀限(贫油)。 当压力（或温度）下降时，则可燃界限缩小，当压力（或温度）下降到某一值时，则可燃界限缩小成一点，当压力（或温度）再继续下降，则任何混合气成分都不能着火,六、热自燃界限,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,33,几种可燃气体的着火范围,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,34,着火的临界压力与容器尺寸的关系,结论：增大容器的尺寸，可以降低着火临界压力。 应用：高原地区不宜用小尺寸的燃烧室,T0及其余参数不变,PD=定值,定值,球形容器，1,六、热自燃界限,2020/12/31,哈尔滨工业大

15、学（威海）汽车工程学院,35,容器体积对热自燃着火过程的影响,六、热自燃界限,第5-2节 预混可燃混合气的点燃理论,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,37,一、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,38,强迫着火和自燃着火的区别： 强迫着火是局部

16、加热，自燃着火是整体加热； 点火温度一般要比自燃温度高得多 ； 点燃过程要比自燃过程复杂得多,一、什么是点燃,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,39,常用点火方法,电火花或电弧点火 工程上常用，用于流速较低、易燃的混合气中，如一般的汽油发动机。 炽热物体点火 常用金属板、柱、丝或球作为电阻，通以电流使其炽热；亦有用热辐射加热耐火砖或陶瓷棒等形成各种炽热物体在可燃混合气中进行点火。 火焰点火 常用于锅炉、燃气轮机燃烧室中的点火。最大优点就在于具有较大的点火能量,基本原理：使混合气的局部受到外来的热作用而使之 着火燃烧,一、什么是点燃,2020/12/31,哈尔滨工业大学（

17、威海）汽车工程学院,40,二、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,41,二、点燃机理,对于不可燃气体，当有炽热物体靠近时，只带来热传导温升，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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,42,二、点燃机理,热源温度低，可燃气体反应发热，但是dT/dx0，不能着火,热源温度升高，可燃气体反应发热

18、，同时dT/dx=0，处于着火临界状态,热源温度继续升高，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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,43,三、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 (预混气浓度/预混气密度,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,44,三、热物体表面附近温度浓度分析,假设： 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扩散量 GI化学反应消耗量,则,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）

19、汽车工程学院,45,三、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,46,三、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,47,三、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（

20、决定Ta） 气体燃料的浓度（决定Ta） 周围环境温度（决定T0） 点燃物质能量（决定f,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,48,四、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,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,49,四、点燃热力理论,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,50,四、点燃热力理论,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,51,四、点燃热力理论,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,52,四、点燃热力理论,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威

21、海）汽车工程学院,53,四、点燃热力理论,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,54,五、电火花点火,两种理论,热理论（热机理） 较高压力 电离理论 (链锁机理） 低压力,实验表明，以上两种机理并不矛盾，而是同时存在的,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,55,电火花点火的特点 能量不大，但瞬间在小范围内产生高温,电火花点火后在空间产生的温度分布与变化,五、电火花点火,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,56,电火花点火方法 将两电极之间的空隙所产生的电火花或电弧作为外加热源，使附近可燃混合物温度升高和活性分子浓度增加而点燃,a,

22、b,研究电火花点火的电极 (a) 无法兰的电极 (b)有法兰的电极,圆形玻璃法兰,五、电火花点火,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,57,dq淬熄距离（Quenching distance) Emin临界点火能 （最小点火能,电火花点火原理,点火能随电极距离的变化关系 (a) 最小点火能和熄火距离 （b）电极法兰直径的影响,五、电火花点火,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,58,ddq ：随d的增加，点火能E不断减少，开始减少很快，然后变慢，达到最小值以后，进一步增加d又会使其增加； EEmin：对任何电极距离，混合物均不能着火； 只有E -d曲线以上才有可能着火； 随电极法兰直径的增加，着火区域缩小,Emin和dq主要与混合气的物理化学性质、压力、速度和温度有关，而与电极几何形状及材料的关系较少。 Emin和dq表征不同混合气的着火性能,五、电火花点火,2020/12/31,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,59,试验得出：EminKdq2 Emin 和dq随过量空气系数而变化 接近化学计量比组 成的混合气，最小 点火能和淬熄距离 为最小； 随碳氢化合物分子 量的增加，着火区 域及最小点火能量 的极限值均向燃料 较