工程燃烧学-1绪论

,工程燃烧学Combustion,第一章绪论,一、什么是燃烧？放热、发光，区别于铁生锈氧化反应有产物生成，区别于灯泡发光广义燃烧：指一切发光发热的反应。狭义燃烧：物质被氧气剧烈的氧化而产生光和热的反应。燃烧：燃烧是燃料和氧化剂在一定条件下发生的一种同时伴有放热和发光效应的剧烈的氧化反应。,表现现象是火是人类最早发现和应用的现象之一：火使人类摆脱了茹毛饮血和黑暗寒冷；火使人类进入文明社会，促进人类进步；现代社会发展的支撑工业离不开火冶金，制造业能源动力行业：火力发电；汽车、轮船和航空航天发动机,火是人类文明的标志,我国古代传说：燧人氏（炎帝）钻木取火，人类得以发展。希腊传说：普罗米修斯从天上偷来了火种，流传于世，被尊为火神。恩格斯：“火”使人类脱离野蛮进入文明“摩擦生火第一次使人类支配了一种自然力，从而最终把人和动物分开”,人类的物质文明史与燃烧技术的发展不可分割,人类社会文明进程的每一个里程碑，以及发明改进，都离不开燃烧技术的改进与提高。蒸汽机（第一次工业革命）的发明同样依靠人类支配了火的力量；电力和内燃机（第二次工业革命）；航空航天技术（二次世界大战）；能源危机（70年代末）,二、常见的燃烧现象,日常生活：居室取暖、家用电器所用电动力生产：电厂、锅炉厂、交通工具（汽车发动机、航空发动机）、空间技术（火箭燃烧技术）工业：钢、铁、铝及其他有色金属的冶炼过程、石油的炼制、许多的工业燃烧设备（铝合金溶解炉、保温炉、热处理炉、燃烧机、玻璃熔解池、焙烧窑、助气锅炉、水套炉）,火力发电厂,嫦娥一号升空2007/10/24/18:05中国西昌,火箭从天基（在距离地面大约200公里的轨道）上飞起的重量大约为200吨左右，而在地基上起飞时火箭重量达2800吨左右。,火箭运载系统重量241吨，全箭长度53米。火箭这样的“身材”可以将130公斤的“嫦娥一号”探测器及有效载荷送入预定轨道。,火箭发射速度:第一宇宙速度(7.9千米/秒)当炮弹达到第一宇宙速度时，炮弹不再落回地面（不考虑大气作用），而环绕地球作圆周飞行。,三、燃烧的危害,燃烧是大气环境污染的主要来源,火给人类带来的伤痛,燃烧在给人类带来文明的同时，也为人类带来了威胁。对燃烧过程失控，也会带来灾害。火灾：大兴安岭，克拉玛依爆炸：煤矿瓦斯爆炸，锅炉爆炸,火灾,锅炉爆炸11988年9月夜，锦州发电厂配200MW发电机组的670t/h锅炉在灭火后投油，造成炉膛爆，炉膛由方变圆，裂开400mm，锅炉锅筒移位261mm，工字钢梁移位240mm，楼梯断裂，当场炸死一人。,锅炉爆炸,锅炉爆炸21993年，宁波北仑港电厂配600MW的2008t/h锅炉燃烧组织不当，炉膛严重结渣，大渣落下砸坏水冷壁，（18.2Mpa,360）高压水冲破炉墙，当场烧死，烫死，窒息死亡19人，造成严重损失。,核爆,四、燃烧与国民经济和能源的关系,中国是世界上两个最大的能源消费国之一，仅次于美国，也是世界上最大的燃煤国家，2000年消耗了超过10%的世界能源，却仅产出3.4%的GDP，而同期美国消耗20%的世界能源产出了35%的GDP。中国平均万元GDP所消耗的能源是世界各国平均值的2倍多。,我国燃料利用效率低、工艺落后、浪费严重,五、燃烧学的发展史,远古时期普罗米修斯从天上偷来了火种；组成宇宙的四大元素（空气、水、火、土）之一17世纪末：燃素论斯塔尔(G.E.Stah1)17世纪末叶斯嗒尔提出燃素论做为燃烧理论。一切物质之所以能够燃烧，都是由于其中含有着被称为燃素的物质。物质燃素=灰烬后来被证明完全错误。,注意观察和理论总结的研究方法，却为后代科学家提供一个范例，也正是这种精神，使后来正确的燃烧学说得到很快的发现。燃素逸至空气中时就引起了燃烧现象，逸出的程度愈强，就愈容易产生高热、强光和火焰。物质易燃和不易燃的区别，就在于其中含有燃素量的多寡不同。这一学说对于许多燃烧现象给予了说明。燃素论主导很长一段时间，“热素”、“冷素”、“弹性素”燃素的本质是什么?为什么物质燃烧重量反而增加?为什么燃烧使空气体积减少?,18世纪：燃烧的氧化论拉瓦锡（LaVoisier）1772年11月1日法国科学家拉瓦锡关于燃烧的第一篇论文发表，要点是由燃烧而引起的重量增加。这种“重量的增加”是由于可燃物同空气中的一部分物质化合的结果。燃烧是一种化合现象。拉瓦锡尚未完全弄清楚空气的这一部分是何物质。1774年，普利斯特列发现了氧。拉瓦锡很快在实验中证明，这种物质在空气中的比例为1/5，并命名这一物质为“氧”(原义为酸之源)拉瓦锡正确的燃烧学说得到确立，并因此而引起了化学界的一大革新。这仅仅是揭开了燃烧的本质。,19世纪：燃烧热力学Kerchief，Hess19世纪，由于热力学和热化学的发展，燃烧过程开始被作为热力学平衡体系来研究，从而阐明了燃烧过程中一些最重要的平衡热力学特性，如燃烧反应的热效应，燃烧产物平衡组成，绝热燃烧温度、着火温度等。热力学成为燃烧现象认识的重要而唯一的基础。,20世纪初：燃烧反应动力学Semonov,Lewis美国化学家刘易斯和俄国化学家谢苗诺夫等人将化学动力学的机理引入燃烧的研究。确认燃烧的化学反应动力学是影响燃烧速率的重要因素，且发现燃烧反应具有链锁反应的特点。才初步奠定了燃烧理论的基础。,20世纪2050年代：燃烧学Zeldovich，Frank-Kamenetsky，Spalding，Predvoditelev，Khitrin随着本世纪初各学科的迅猛发展，在20年代和50年代之间，苏联科学家泽尔多维奇(Zeldovich)等开始认识到影响和控制燃烧过程的因素不仅仅是化学反应动力学因素，还有气体流动，传热，传质等物理因素，燃烧则是这些因素的综合作用的结果。建立了着火、火焰传播、层流燃烧、湍流燃烧、液滴燃烧和碳粒燃烧等的基本规律。燃烧学,20世纪5060年代：化学（反应）流体力学VonKarmen，钱学森航空、航天技术的发展，使燃烧的研究由一般动力机械扩展到喷气发动机、火箭和飞行器头部烧蚀等问题中，并取得了迅速的发展。因此美国力学家冯卡门和我国力学家钱学森首先倡议用连续介质力学来研究燃烧基本过程，并逐渐建立了所谓的“反应流体力学”。学者们开始以此对一系列的燃烧现象进行了广泛的研究。,20世纪70年代初：燃烧的计算流体力学Spalding，Gosman，Smoot，Swithenbank斯波尔丁在六十年代后期首先得到了层流边界层燃烧过程控制微分方程的数值解，并成功地接受了实验的检验。遇到了湍流问题的困难，斯波尔丁和哈洛在继承和发展了普朗特，雷诺和周培源等人的工作，将湍流模型方法”引入了燃烧学的研究，提出了一系列的湍流输运模型和湍流燃烧模型，并成功地对一大批描述基本燃烧现象和实际的燃烧过程进行了数值求解。最终提出了一系列流动、传热传质和燃烧的数学模型和数值计算方法，把燃烧学的基本概念、化学流体力学理论、计算流体力学方法和燃烧室的工程设计有机地结合起来，建立了燃烧的数学模型方法和数值计算方法。燃烧的计算流体力学,70年代中期以来：燃烧的激光诊断学Durst，Bachalo，Adrain燃烧过程测试手段的进展，先进的激光技术，现代质谱、色谱等光学，化学分析仪器，改进了燃烧实验的方法，提高了测试精度，加深了对燃烧现象的认识。定量预测燃烧过程和燃烧技术，使燃烧理论及其应用达到了一个新的高度，并开始形成燃烧学的完整体系并不断发展。,90年代以来：大型商用模拟计算程序：StarCD、KIVA、Fluent等的出现。推动了燃烧理论、排放控制理论的进一步发展。燃烧学在深度和广度上都有了飞跃的发展。,关于燃烧模拟燃烧模拟的目的：模拟燃烧过程和发展在各种条件下计算燃烧性能的方法；帮助解释和理解观察到的燃烧现象；代替困难或高造价的实验；指导燃烧实验的设计；帮助确定各种参数对燃烧过程的影响。,六、燃烧的本质,人类对火的认识，已经有几十万年的历史了。从钻木取火，到后来发现热可以从各种能量转换，是经亿万人的长期用火实践和大量的科学实验证明，燃烧的本质表现在：1、燃烧是一种化学反应,燃烧中化学反应类型大致有三种：(1)简单组成的可燃物直接与氧化合（单质化合）C+O2CO2;4P+5O22P2O5;4Na+O22Na2O(2)化合物先分解后化合（碳氢化物）CH4+2O2CO2+2H2O;2C2H2+5O24CO2+2H2O(3)复杂的分解反应和复分解反应（指含氧物）4C3H5(ONO2)3(硝化甘油)12CO2+10H2O+6N2;2NH4NO32N2+4H2O+O2,(1)光：燃烧区域的温度较高，使其中高热的固体粒子和某些不稳定（或受激发）的中间分子内电子发生能级跃迁，从而发出各种波长的光；(2)热：一切化学反应都伴随有能量变化，表现在反应中或是吸热，或是放热。燃烧大部分是氧化反应，在化学反应时有旧键的断裂和新键的生成。断键时要吸收能量（活化能），成键时又放出能量。在燃烧反应中，断键时吸收的能量要比成键时放出的能量少，所以都是放热反应。(3)火焰：发光的气相燃烧区域就是火焰，它的存在是燃烧过程中最明显的标志；(4)烟：由于燃烧不完全等原因，会使产物中混有一些微小颗粒，这样就形成了烟。,2、燃烧必须有放热、发光现象,(1)燃料,3、燃烧三要素,(2)助燃物(氧化剂),(3)着火源,固体、固体粉尘可燃液体可燃气体,着火源是指能引起可燃物燃烧的热能源。常见的：火焰、火星、电火花、高温物体等。不易被注意的：静电放电、化学反应放热、光线照射、撞击与摩擦等，是间接转化为热能的着火源。着火源可以引起易燃易爆物品燃烧或爆炸，在生产生活实践中，必须加以控制，以免发生火灾或爆炸事故。例如，在高楼上安装避雷针可防雷击；油罐车尾部的金属链条应直拖地面，防止静电积聚，引发燃烧；在火灾、爆炸易发场所（如加油站、液化气站），应禁止吸烟，不穿带钉子的鞋以防止产生火花，引燃可燃物；生活中，电吹风、电熨斗等电热器具用完后，应及时切断电源，切不可用电灯烘烤可燃物等。,凡是能与可燃物发生反应并引起燃烧的物质，称为助燃物。如空气、氧、氯、溴、高锰酸钾、过氧化钠等都是助燃物,扩散燃烧：如果可燃气（蒸气）与氧化剂（空气中氧气）的混合是在燃烧过程中进行的，即边混合边燃烧，这种燃烧叫做扩散燃烧(蜡烛)。动力燃烧（预混燃烧）：如果可燃气与空气（或其它氧化剂）在未点燃前已经均匀混合好，并且完全是气相，一旦遇火源发生燃烧（爆炸）。这种燃烧叫做动力燃烧，或叫混合燃烧(火箭)。,七、燃烧的分类,在可燃气体（蒸气）与空气混合气的燃烧过程中，可燃气（蒸气）分子与氧比剂分子从释放源通过扩散达到相互接触，在点火源所提供能量的激发下，发生氧化反应而燃烧（或爆炸）。细分起来燃烧过程可以分为分子扩散混合与氧化反应两个阶段，而分子扩散速度远比氧化反应速度慢得多。因此可燃气（蒸气）分子与氧化剂分子扩散混合情况就成了燃烧速度快慢的制约因素。据此，将燃烧分为扩散燃烧和动力燃烧（混合燃烧）两类。,八、燃烧学的研究对象、内容,燃烧学的研究主要从两方面进行1、燃烧理论的研究,燃烧反应的化学动力学机理；火焰传播及火焰稳定预混火焰、扩散火焰液滴燃烧、碳粒燃烧、煤的热解和燃烧、层流和湍流燃烧、点火和着火机理；熄火的机理以及催化燃烧机理等。,2、燃烧技术的研究应用燃烧基本理论解决工程技术中的各种实际燃烧问题(1)对现有的燃烧方法进行分析和改进；(2)对新的燃烧方法进行探讨试验；(3)针对不同燃料的燃烧特性提出合理的燃烧方法；(4)根据具体要求研究设计新型燃烧装置；(5)提高燃料的利用率和燃烧设备的技术水平；(6)降低燃烧过程的噪音和污染物的生成;(7)新型燃烧催化剂的探索;(8)燃烧危害的控制(新型阻燃材料、灭火器、灭火材料)。,九、学习燃烧学的目的,任何事物都是一分为二的利用燃烧过程为人类造福避免燃烧过程给人类带来危害核心问题燃烧过程的可控制性学习燃烧学的双重目的掌握燃烧过程基本概念和基本原理学会应用基本概念和原理分析判断燃烧过程逐步学会控制、利用燃烧过程应掌握燃料燃烧的基本计算了解基本的燃烧方法和装置本课程同时为学生学习相关专业课提供了必要的基础知识,第一章绪论第二章燃料2.1燃料的概念和分类2.2燃料的组成和特性2.3固体燃料2.4液体燃料2.5气体燃料2.6燃料分析方法第三章工程燃烧计算3.1燃烧过程的化学反应3.2燃料空气量的计算3.3燃烧烟气量的计算3.4燃烧温度计算3.5燃料检测及燃烧效率,十、本课程的主要内容,第四章燃烧理论基础4.1燃烧反应的热力学基础4.2燃料反应的化学动力学基础活化分子碰撞理论4.3活化络合物的过渡态理论4.4链锁反应理论4.5燃烧过程中的射流特性及其混合过程第五章气体燃料的燃烧5.1气体燃料燃烧原理及特点5.2预混可燃气体的着火和燃烧5.3气体燃料的扩散燃烧5.4气体燃料的燃烧装置5.5气体燃料的置换第六章液体燃料的燃烧6.1液体燃料燃烧原理6.2液体燃料的雾化过程及装置6.3配风原理及装置6.4液体燃料雾化燃烧的组织及