燃烧学（西安交大）第三章气体燃料的燃烧.ppt

2019/5/5,第三章 气体燃料的燃烧,着火基本原理 火焰传播 扩散火焰和预混火焰 提高火焰稳定性措施,第一节 着火基本原理,一、着火机理,二、自燃,从热平衡来研究：（对一可燃混合物着火过程） 单位时间产生的热量Q1：,单位时间散热量Q2：,讨论：分析点A、B、C 对于 点A是稳定点（向左或向右波动，都会回到原位） 点C不稳定点（向左熄火，向右着火,二、自燃,对于 点B：热自燃着火的临界点，对应Tlj 对于Q2 Q1Q2，能着火，着火稳定。 结论： 1、着火临界条件： Q1Q2； 2、稳定着火条件： Q1Q2（燃烧过程中，如煤粉燃烧，可用 于强燃）,二、自燃,讨论：Q1Q2、 可推导出：,（3-4） （+项舍弃）,将根号内式用二项式定理展开成级数，再舍弃高次项：,，将此代入式3-4得,二、自燃,若取,着火温度：在一定结构环境和散热条件下，当可燃混合物达到某一温度，在此温度下，可燃混合物持续进行的化学反应放热量总是大于等于该结构环境的散热，这个温度就是临界着火温度。 结论：Tlj与T0很接近，所以着火温度Tzh规定为Tlj或T0都 可； ,E小，燃料活性强，更易着火；,二、自燃,着火温度不仅与燃料本身活性有关，还与结构、散热有关。当燃料装置变化，同一燃料着火温度不同。不同锅炉炉膛、不同燃烧器、不同的燃烧组织方式均不同。,a、散热加强， 大，着火温度升高； b、反应速度常数k0大，或Cn大，着火温度下降； c、可燃混合物P增大，由于 ，Q1曲线上移，Tzh变小，更易着火。,二、强燃,T0可燃混合物的初温。,二、强燃,临界强燃着火的临界条件：,分析： 1、热源温度为T1，放热少。（实际温降曲线略高于自然散射温降曲线） 2、热源温度升为T2，实际温降为0，化学反应放热=环境散热。,3、热源温度再升为时T3，,二、强燃,平板形状热源物体计算：,收入：,支出：,反应产热：,解得：,二、强燃,另一方面：w点之外无化学反应（边界层外无化学反应），纯导热。,物体表面的换热系数。,由传热学：,由式3-14可求得Tqr,二、强燃,讨论： 强然着火温度一般远大于自然着火温度（高几百度）；边界层散热很大，用自然着火模型解释Q1Q2，由于Q2边界层散热太大，所以要求Q1很大。 特征尺寸L（炙热源尺寸）变小时，左边增大，Tqr增大，更难点燃。 散热系数增大，强燃温度增加。 强燃使边界层着火燃烧，边界层着火后再向前推进，这就是火焰传播。,一、火焰传播方式： 1、缓燃：火焰锋面主要以导热和对流方式传热给可燃混合物所引起的火焰传播。煤粉-空气混合物以辐射和对流为主（声波） 2、爆燃：绝热压缩所引起的火焰传播。高温烟气比容比未燃混合物要大，前者膨胀，产生压力波，使后者绝热压缩，未燃混合物受绝热压缩后，温度大大升高，迅速着火燃烧，爆燃火焰传播速度极高，必然高于声速。 （可能会几千米/秒，声音是压差很微弱的压力波。） 二、火焰传播速度 火焰锋面在其法线方向上相新鲜 燃料侧移动的速度。 uce层流火焰传播速度； ut 湍流火焰传播速度；,第二节 火焰传播,、层流时的火焰传播,设有一平面火焰锋面，气流速度w0=uce,锋面稳定，进入锋面前只是传导升温。,火焰锋面内，反应速度都一样：,C在理论燃烧温度时的可燃成分浓度。,、层流时的火焰传播,进入火焰锋面前，导热吸热量：,（316）,、层流时的火焰传播,然后写出火焰锋面的能量方程式：q1+q2=q3,(318),讨论：uce主要影响因素（a、wm）热扩散率、反应速度。,、层流时的火焰传播,燃尽时间：,、层流时的火焰传播,火焰锋面厚度：,从式3-22可计算出S值， 与Tlr相关，Tlr可估算，所以 也可以估算。,可燃混合物升温预热区厚度：,、层流时的火焰传播,讨论uce： uce与化学反应速度wm的平方根成正比。（常用测uce来研究wm变化规律） 热扩散率a： 压力p：,一般化学反应级数n=12,同样大小火焰锋面内单位时间内烧掉的燃料将增大一些，所以p对着火影响不大。,、层流时的火焰传播,Q： 化学反应速度常数： 可燃混合物初温T0： 过量空气系数 （燃料的浓稀程度）： 理论燃烧温度应该在过量空气系数为1时最高，过量空气系数不等于1时，多余的反应物不会发生反应而升温过程要吸热。但实际上，火焰传播速度最大值出现在过量空气系数略小于1处。 原因分析：燃料浓度高，挥发分集中，单位体积活化分子浓度大。,、层流时的火焰传播,氢气乙炔乙烯丙烷甲烷,火焰传播浓度范围：,过浓或过淡，化学反应wm很小，散热很大，火焰不能传播。,、层流时的火焰传播,淬熄距离： 在临近壁面只有数毫米之内的地方，壁面的散热作用十分强烈，以致火焰不能传播，这段距离称为淬熄距离。 火焰锋面形状： 凸出的曲面：凸出曲面与低温混合物接触，散热面积大， uce会降低一些。 凹入的曲面：高温火焰包围冷混合物，uce会大些。 设计喷嘴火焰锋面时要考虑，旋流燃烧器卷吸要好。 实验证明，散热或锋面凹凸对火焰传播速度影响不大， uce基本只决定于燃料与空气混合物的成分和物理化学性质。,、湍流时的火焰传播,湍流ut的特点（核心就是脉动速度w) 1、火焰锋面不断抖动，传热与传质共存； 2、火焰锋面很厚，为一区域。,、湍流时的火焰传播,舍谢尔金模型： 小标尺湍动：湍动微团的尺寸或迁移距离均显著地小于层流锋面厚度时，这时的传热就由湍动与分子导热两者组成，使火焰锋面内平面形状不变，未增加锋面面积。,小标尺湍动主要适用于很细的管内流动。,、湍流时的火焰传播,大标尺弱湍动： 湍动微团尺寸或迁移距离均大于层流锋面厚度时，而微团湍动脉动速度w小于层流火焰传播速度uce，称为大标尺弱湍动。(wuce) 这时，能保持明显的锋面形状，但将使平面锋面变成锯齿形锋面，增加了火焰锋面的面积。,S火焰锋面的曲面面积； S0平均位置平面面积。,锥面高度：,忽略uce与d的方向差异，也可得：,d锥底的直径。,（3-29）,（3-30）,对于图3-20所示的椎体，底半径r=d/2，可求出：,代入式（3-29）与式（3-30），得到：,大标尺弱湍动时，若wuce，则展开上式为二项级数，并略去高次项得：,由此式可看出，在很弱的湍动时，ut接近于uce。,、湍流时的火焰传播,大标尺强湍动：湍动迁移距离l大于层流锋面厚度d；wuce。 由式（3-31）， wuce 模型1： utw 湍动到哪里就烧到哪里。 特征：锋面很厚，为一区域，界面不清。,、湍流时的火焰传播,大标尺强湍动：湍动迁移距离l大于层流锋面厚度d；wuce。 后来又发展模型2为：,、湍流时的火焰传播,讨论：以上计算ut的方法，均属“表面理论”燃烧化学反应只在薄薄的一层火焰锋面内进行。 （“容积理论”燃烧化学反应各处都进行，燃烧与掺混共存。）,本生灯的燃烧过程与火焰结构 1、扩散火焰：,第三节 扩散火焰与预混火焰,特征：火焰软弱无力，温度低，火炬长。,2、预混火焰（ ）：,内火焰锋面是预混物的火焰称为预混火焰。 特征：火焰有力、温度高、火炬短。,本生灯的燃烧过程与火焰结构,、脱火与吹熄： 当 ，预混物流速太高，火焰将被吹离。,、回火 当 ，而预混物流量很小时，流量很低，火焰可能逆流而传进本生灯，这种现象称为回火。,火焰稳定：,本生灯的燃烧过程与火焰结构,、点火环：（射流出口速度特性） 锥形火焰底部存在一稳定的点火环。射流扩散后速度越来越小，有些位置射流速度正好等于火焰传播速度，这样就形成了锚泊固定的火焰锋面，形成点火环。,本生灯的燃烧过程与火焰结构,在ABCD内，ucew：锋面可以在边界BAC上锚泊固定，因为火焰锋面落到区域ABDC之内就必然逆流传播，又移动到边界BAC上；另一方面，火焰锋面如果跑到边界BAC的上游，那里ucew，火焰锋面又会顺流移动回到边界BAC上； 在ABCD外，ucew。,本生灯的燃烧过程与火焰结构,当很小时，记为sin =tg ,由图3-23，,本生灯的燃烧过程与火焰结构,脱火图： 只能在截面上找到一个w=uce点，其余点wuce。 极不稳定，不能建立点火环，煤气与一级空气预混物不能着火，温度t降低，熄火 脱火 回火图： 在1、2、3、4等各截面上都能找到w=uce点，形成稳定的着火环； 在相交点内部，ucew，逆流回火，直到一个截面上只存在一个uce=w点，如煤气的喷口淬熄处。,本生灯的燃烧过程与火焰结构,6、 影响特性： 变化会影响射流各截面上燃料浓度，影响过量空气系数。 1时，uce最大，偏离则uce下降。,本生灯的燃烧过程与火焰结构,煤气中的烃在受热时遇不到氧气，裂解而产生炭黑，火焰呈明亮黄色，碳黑太多会引起燃烧不完全。,不可能回火，也不易脱火、极稳定，但火焰长、无力，化学不完全燃烧损失大，w太大时会冒浓烟。（气焊点火用）,影响气体燃料燃烧火焰稳定因素： 背景：实际w20m/s；高炉气含大量惰性气体，uce低，易脱火； 不利因素：可燃混合物出口流速w；成分不纯。 火焰稳定条件： 措施： 提高空气温度及提高气体燃料温度； 适当降低一次过量空气系数，提高火焰稳定性；（实际上， 缩小预混合距离，预混合程度降低） 完全预混，火焰十分强烈，但稳定性较差。(实际都是预混为提高燃烧效率),第四节 提高火焰稳定性的措施,实例1：板式无焰燃烧器 高速抽吸，多次预混，多孔燃烧(缩短火焰长度)。,实例2 ：喉口收缩型无焰燃烧器,小直径喷口可降低喉口流速下限，不易回火。,讨论： 同一 材料、不同直径喷管时 同一材料，淬熄距离一样； 回火临届条件：在离壁面淬熄距离lcx处，w=uce lcx1=lcx2 w1lcx（陶瓷） w铜管w陶瓷,一、湍流扩散火焰长度 层流预混火焰长度 湍流预混火焰长度 由于整体上预混火焰长度扩散火焰长度，所以一般只研究扩散火焰长度。,第五节 气体燃料燃烧时的火焰长度,一、湍流扩散火焰长度 湍流扩散火焰长度计算机理： 煤气和空气中的氧从火焰锋面的两侧向火焰锋面扩散进来，在火焰锋面上相遇而燃烧，燃烧产物（CO2、H2O）从火焰锋面又向两侧扩散离去，很薄的火焰锋面上煤气与O2流量必然符合化学反应当量比（即火焰锋面上不可能存在煤气或O2过剩）。 火焰锋面：煤气浓度与O2浓度符合化学当量比的点的轨迹连线。,一、湍流扩散火焰长度 设想为等温自由射流：,式中： CZS射流轴心线上浓度； C1射流出口处的浓度； S距出口的轴线距离； a湍流结构系数； R0射流喷口半径。 射流中各点的煤气浓度与空气浓度之和应该是一样的，等于出口处的浓度和C1煤气+0=C1，火焰锋面上这个浓度比近似为化学当量比为1：n，得出：,一、湍流扩散火焰长度,此公式适用条件： 等温自由射流； 射向大空间,讨论： ,二、层流扩散火焰长度,式中： D分子扩散系数； d决定性尺寸（喷口直径）。,与层流预混火焰一致；,明显大于层流预混火焰长度。,三、影响扩散火焰长度的因素,1、雷诺数Re 层流扩散火焰长度与d2、w成正比； 湍流扩散火焰长度与d成正比，而与w无关。,湍流十分强烈时湍流扩散系数 ；而层流时的分子扩散系数只是气体的物性常数。,湍流扩散 层流扩散 层流预混 正比d d2 d 与w无关 正比w 正比w D正比w*d 正比1/D 湍流扩散系数 ； 而层流时的分子扩散系数只是气体的物性常数。,时的火焰长度小于 时的火焰长度。,三、影响扩散火焰长度的因素,2、过量空气系数,三、影响扩散火焰长度的因素,3、化学当量比n与喷口直径（2R0） 对于湍流扩散火焰：,减小R0，可缩短lhy。 当天然气或液化石油气燃烧时，n值很大，必须选小的R0，因此总把