燃烧原理与设备第三篇

第三篇燃烧基本原理,燃烧过程是一种复杂的化学过程和物理过程，不仅需要温度和浓度条件，而且需要一定的时间和空间。我们将燃烧的整个过程人为地分为三个阶段，即：=混+热+化燃烧过程的分类：1、动力燃烧、扩散燃烧、中间燃烧2、层流燃烧、紊流燃烧、过渡燃烧3、同相燃烧、异相燃烧,第七章射流混合过程,静止气体中的自由射流同向平行流中的自由射流交叉射流环状射流和同心射流旋转射流,第八章燃烧反应速度和机理第一节化学反应速度,质量作用定律：在一定温度下，气相化学反应速度与当时的反应物浓度的乘积成正比。K反应速度常数x+y反应级数,阿累尼乌斯定律：反应速度常数K0取决于反应物的常数R通用气体常数E活化能，其数值取决于反应物简单反应：化学反应的反应物只经一步即直接生成最终产物的反应称为简单反应或基元反应。,复杂反应：需要经过中间反应步骤才能完成的反应。确定复杂反应的反应速度时，必须寻求诸基元反应中那个反应速度最慢的基元反应，其反应速度就是整个复杂反应的速度，我们称这个基元反应为复杂反应中的控制反应。麦克斯韦速度分布函数：,分子碰撞理论化学反应是反应物分子解体，而重新结合成新的分子结构。化学反应是如何进行的呢？分子运动理论启发我们假设：当反应物分子群与其他反应物分子群混在一起时，分子运动必然发生碰撞，在一定条件下，就可能使反应物原分子结构解体，重新组合成新的分子结构，完成全部化学反应。如果设想正确，我们可据此计算出分子碰撞次数与反应速度有关，与质量作用定律和阿累尼乌斯定律相符合。,对于简单反应：A+B=C+D假设：1）分子是刚体2）稀释气体有效碰撞频率为：,绝对反应速度理论对于复杂的分子，碰撞理论计算与事实相差很大，另外分子碰撞理论中反应速度系数只能靠实验计算出来。绝对反应速度理论用分子的参数来计算反应速度。论点如下：当具有一定能量的分子（大于活化能）相互碰撞时，首先形成一种过渡状态的活化络合物M*，过一段时间，这个活化络合物分解成生成物，即A+BM*M*C+D,每个M*分解所需时间为，则反应速度W=nm*/=hp/(kT)hp为普朗克常数，k为波尔兹曼常数平衡常数K=nm*/(nAnB)故：,第二节可燃气体燃烧反应机理,连锁反应：是一种需要经过若干中间基元反应才能完成的复杂反应，中间反应会产生一些活性很高的中间活性产物（活化中心），再由活化中心与原始反应物进行化学反应，这时除产生最终生成物外，同时也产生若干活化中心，因此可以使化学反应得以继续下去，在这种化学反应中，活化中心起着一种中间链节的作用，故称其为链锁反应。如果一链锁反应基本环节完成后，再生出来的活化中心数多于反应开始时的活化中心数（活化中心增殖），称为支链反应。由前苏联学者1927年发现的。,氢的燃烧反应机理氢的燃烧反应机理被认为是典型的支链反应。链的产生：H2+O22OHH2+M2H+MO2+O2O3+O链的继续与支化：H+O2OH+OOH+H2H2O+HO+H2H+OH器壁断链：H+器壁0.5H2OH+器壁0.5(H2O2)O+器壁0.5O2,空间断链：H+O2+MHO2+M*O+O2+MO3+M*O+H2+MH2O+M*将链的支化反应合并为：H+3H2+O22H2O+3H如果按反应式：2H2+O22H2O，反应速度应该是：,H2的反应速度取决于链的支化三个反应，第一个反应的活化能最大，因此总体来说，反应速度取决于反应：H+O2OH+O，估计到温度的影响，氢的反应速度为：,一氧化碳的燃烧反应机理实践证明只有存在H2O的情况下，CO才有可能开始快速的燃烧反应。链的产生：H2O+COH2+CO2H2+O22OH链的继续：OH+COCO2+H链的支化：H+O2OH+OO+H2H+OH断链：H+器壁0.5H2CO+OCO2一氧化碳的化学反应速度见P91公式8-5,甲烷的燃烧反应机理碳氢化合物的燃烧反应机理很复杂，各类碳氢化合物再较低温度下即开始氧化，温度区域不同，反应机理往往不同，在高温下除了氧化反应外，还存在着分解和裂化反应。详细介绍见教材P9192。链锁反应的特点链锁反应的反应速度随时间的变化有一个重要特点：再反应的初期有一个“感应期i”。感应期内活化中心的不断积累的过程。,第三节影响化学反应速度的因素,从化学反应机理的分析，以及实验研究的结果，我们认识到影响化学反应速度的因素很多。活化能E活化能：是用以克服两分子碰撞时之排斥力，及破坏原有分子结构的化学键。例如：E1-E2=1000R，均在300K反应，其它参数相同，则W1/W2=exp(-1000/300)=1/28,温度T温度对化学反应速度的影响成指数关系。例如：E=2000R，在T1=500K和T2=1000K，W1/W2=exp(2)=7.4活化能越大，温度对化学反应速度的影响越大。浓度C（分压力p）当反应物浓度增加，由于分子间碰撞次数增加故化学反应速度增大。反应级数越大，反应速度随浓度增加越大。,反应混合物的成分1、化学当量比条件下，反应速度最快。2、反应混合物中的惰性气体成分会降低反应速度。,第九章着火过程,着火：燃烧化学反应速度很高时，释放大量的热，其中部分以光的形式火焰表现出来，此瞬间现象称为着火。爆炸：当燃烧反应速度达到不可控制的地步时就叫爆炸。爆炸与着火没有严格的界限。使可燃混合物着火并开始燃烧，有两种方式：1、自燃着火（着火）：使混合物整个容积同时达到某一温度，混合物自动地、不再需要外界作用而着火达到燃烧状态，这种过程称为着火。,2、被迫着火（点火）：用外界的能源如电热、电火花、炽热物体或小火苗等加入到可燃混合气中，使局部温度提高，发生着火燃烧，再自动地把火焰传播到其余混气去的过程称为点火。着火的条件分析：燃料、助燃氧化剂和温度。着火必须着重研究温度条件和能量平衡。,第一节着火过程第一部分（热自燃着火理论）,热自燃着火理论：既然着火的反应是放热反应，那么化学反应速度达到急剧程度的主要原因是热量，即化学反应中的放热，除了各种损耗以外，仍有多余的热量加热自身，因而反应速度自我加速达到很高的程度而着火，研究的着眼点在于反应过程中热量的变化，故叫热着火理论。,我们研究一个容器，其容积为Vr，表面积为S，其中充满可燃混合气，起始温度为T0，假设：1）反应中压力不变2）忽略辐射散热，粘性耗能和体积力3）混合气在容器中是静止的能量方程可简化为：,常物性条件下：反应速度是温度的指数函数，此方程求解困难。1、简化理论认为自燃的瞬间即达到稳定状态，故（*）式简化为：,等式左边为散热量，稳定的均匀散热为：式中：换热系数T容器内混气瞬时温度Q散单位容积的散热量等式右边为反应产生的热量(温度变量的形式)：Q放单位容积的散热量,作图求解满足热平衡的温度，并分析。,着火条件除热平衡条件以外，应加入相切条件：联立方程组：得：,所以：E/2R1，着火温度不高，取正号无意义。如果4RT0/E1，则,几点说明：取4RT0/E1，展开多项式，对一般燃料是合理的；不能得到初始温度T0越低，自燃着火温度越小的结论；T0和TC之间只相差50左右，实验中通常用T0代表TC，不会引起很大的误差。将上式带入能量方程，得：,此式是自燃着火时各参数之间的关系式,2、非稳态理论容器内混合气温度随时间改变，而在容器内温度成分均匀，能量平衡方程：带入无因次温度：得：,上式简化为：2/1有极值，必须小于此值，才有解。上述近似理论结论基本一致，反映了自燃现象的本质达到自燃之临界条件是热平衡能量关系。,3、影响自燃的主要因素压力如果其它参数为常数，自燃温度求解曲线,P在温度相同的情况下反应物浓度增加反应速度增加，反应放热Q放，放热曲线向左移。降低压力的实质是降低了反应速度，必须提高起始温度，反应才能自行加速到着火。对应一定的自燃温度，有一个最低的压力使自燃能够实现，这个压力低限为自燃的临界压力。高空飞机点火问题。,混合气成分（Xi）对于一定的自燃温度，反应物浓度最少必须达到XAP才能产生自燃，这是反应物低限着火浓度。另一极端是当反应物浓度超过一定值XAR，不能自燃，此浓度为高限着火浓度。为什么？,0,1,浓度Xi,T0,着火区,容器尺寸（特征尺寸r）尺寸越小，越不容易着火。rVr/S,混合气性质活化能E，反应热H，反应速度常数K0等都会改变Q放或Q散，所以使TC发生变化。,第一节着火过程第二部分（链锁自燃理论）,谢苗诺夫的热自燃着火理论表明自燃之所以产生主要是由于感应期内分子热运动的结果，使热量不断积累达到反应自行加速。这一理论可以阐明可燃混合气中的不少现象，很多燃料在空气中常压下自燃的结果也大多符合这一理论。但也有不少现象合实验结果，热着火理论无法解释。比如着火半岛现象。在低压下一些可燃混合气，如H2+O2、CO+O2和CH4+O2等，其着火温度和临界压力的关系曲线不是热着火理论所提出的单调下降，呈S形，有两个或两个以上的着火界限，出现所谓的着火半岛现象。,这种现象说明着火并非在所有情况下都是由于放热的积累而引起，实际上，大多数碳氢化合物燃料的燃烧过程都是极复杂的链锁反应，真正简单的双分子反应并不多，热着火理论之所以能解释一些实际燃烧现象，是由于链锁反应中间反应是由简单分子碰撞所构成，对于这些基元反应热着火理论是可以适用的。但整个反应不是简单的分子碰撞，所以有些现象热着火理论是解释不了的，特别是在低温、低压的条件下，链锁反应的特点突出，必须用链锁着火理论解释。,链锁着火理论：认为使反应自行加速并不一定要依靠热量积累，可以通过链锁的分支，迅速增殖活化中心，来促使反应不断加速达到着火爆炸。1、链锁分支反应的发展条件链锁反应中，不但有导致活化中心形成的反应，也有使活化中心消灭的反应，所以链锁反应的速度是否增加，取决于二者之间的关系，即活化中心浓度增加的速度。活化中心浓度增大有两种因素：1）由于分子热运动的结果，显然这与链锁反应本身无关；2）由于链锁分支的结果。,下面是一个简单的链锁反应：链的始发：MK1R链的增殖：R+MK2R+M*链的终止：R+MK3P（生成物）RK4碰壁RK5气相断链生成物的形成速度：,活化中心生成速度：准稳态时：,当自燃发生时：,上式表明达到自燃临界链锁增殖系数与增殖反应及终止反应速度系数有关，还与原始反应物浓度有关。2、以H2+O2为例，不同温度下的分支反应当温度较低时（T0400）由于温度太低，热水平不高，无论氧分子或氢分子碰撞都不足以破坏自身的键，使链始发过程无法进行（即使有少量链始发反应，但终止反应很快），在任何压力下，反应无法加速到自燃。,当温度较高时（400（uLmax）烯（uLmax）烷3、可燃混气组成的影响4、混合气压力的影响5、可燃混合气初始温度6、可燃混合气掺杂物,第三节湍流火焰的传播,学习层流火焰的传播，我们可以得出结论，在低速或静止气流中，火焰传播正交速度只是可燃混合气的物理化学参数的函数，与流速无关。在高速气流中又如何呢？通过研究本生灯火焰，当增加混气流速时，我们发现一些与层流火焰不同的特点。a)皱折；b）宽度增大；c）噪音,湍流的基本知识湍流尺度a）连续空间不同位置A和B之同一方向脉动速度之相关函数：称为欧拉相关函数。相应定义湍流尺度为：,b）在连续空间一个流体微团在不同时间的同一方向脉动速度之相关函数：称为拉格朗日相关函数。相应定义湍流尺度为：湍流尺度的物理含义是流体微团的脉动的空间范围。,湍流火焰的表面理论首先研究湍流对火焰传播速度的影响并提出表面理论的是德国德邓克勒和苏联的谢尔金。1、论点和假设（1）在垂直于气流方向基元厚度y的火焰来看，仍然保留层流焰锋的基本结构，所以也具备以发光为标志的火焰前锋，燃烧反应主要在焰锋中进行，同样也以层流火焰的传播速度的大小表示湍流火焰的速度。,（2）湍流焰锋比层流焰锋传播速度快的原因，主要在于湍流对焰锋的影响，具体表现在：a、湍流使火焰表面皱折不平，因而大大增加了火焰前锋的表面积，这是主要方面；b、湍流中微团脉动加强了焰锋中热量传递与活化中心的传递速率，因此虽然焰锋基本结构未变，而其中之传递过程加速。,（3）假设湍流各向同性，同时所有湍流参数（V，l，DT，aT，T）都是常数。2、湍流尺度l与湍流脉动速度V对火焰传播的影响,湍流,强湍流,弱湍流,VuL,lL,（1）小尺度弱湍流（lL，Vam若在管内流动ld，VV,实验表明：当Re=23005000时uT/uL与Re0.5成正比；当Re=500018000时uT/uL与Re成正比。此时焰锋的宽度也因湍流脉动作用有所增大。,（3）大尺度弱湍流（lL，VL，VuL）焰锋受强湍流的脉动作用不仅变得更加弯曲皱折，甚至撕裂而不能保持连续的着火面，形成燃烧气团可能跃出焰锋面进入未燃新鲜混合气，新鲜混合气也可窜入到火焰区中燃烧，这种混合使燃烧区是一个相当宽的区域。定义湍流火焰传播速度未湍流气团的扩散速度和层流火焰的传播速度之和，即：,定义：式中x气团在x方向上的瞬间位移；湍流的平均扩散位移tb气团燃烬时间,根据湍流扩散理论，当湍流度较小时，根据湍流扩散理论，当湍流度较大时，,怎么样得到tb？根据定义，tb是当气团由初始尺寸l0减到0时所经历的时间。气团缩小是由于气团外表面燃烧之故，表面有弯曲皱折，但是连续的，可用式计算火焰传播速度。即当气团初始尺寸l0时开始燃烧，火焰传播速度为随着气团尺寸减小，焰锋相对面积增量减小，uT减小，燃烬时,达朗托夫假设：火焰向气团内部传播的速度随气团中未燃部分的尺寸l变化规律是线性，即：t=0，l=l0；t=tb，l=0,达朗托夫湍流火焰传播速度公式（如果VuL，uL项可省去）,若已知燃烧区中气流平均速度，燃烧区的厚度可近似表示为：当湍流度很大时，实验结果为：,微扩散容积燃烧理论表面理论经补充和修正，已接近实际情况，但在实验观察中也发现了不少矛盾。索莫菲尔德等人提出了另一种解释，微扩散容积燃烧理论：湍流对燃烧的影响是以微扩散作用为主，由于微扩散极其迅速，以至在气团中不可能保持层流火焰面的结构，气团内温度和浓度分布在其存在时间内是均匀的，但不同的气团中浓度和温度不同，因而在各个气团容积内进行化学反应的程度不同。类比层流火焰传播速度和反应区厚度公式，得到：,假设：aT=T=DT,影响uT的因素研究uT是非常有价值的工作。（1）V和uL对uT的影响V和uL是最基本最重要的影响因素。达朗托夫的实验数据：（2）尺寸d对uT的影响在大尺度强湍流下，d和uT几乎无关。（3）可燃混合气的性质组成对uT的影响主要对uL影响所致，对V没有影响。,（4）温度对uT的影响T通过uL对uT影响。但对uT/uL变化不显著。（5）压力对uT的影响压力通过uL和V影响uT，一般PuT,小结（1）湍流火焰传播速度的机理研究不充分，但现有资料可以看出uT与V和uL有关，大尺度强湍流V是主要因素。（2）uT和uL不同，不能视为混合气理化性质之一，uT比uL大得多。（3）P，T对uT和T影响有实际意义，用以控制燃烧过程的好坏。（4）改善燃烧性能（uT）的方法主要有：提高P、T加强湍流度采用uL大的燃料。,（5）实验精确测量uT比较困难，因为：湍流理论发展不够；测量技术复杂；uT值与研究者理论观点与采用方法有关；火焰本身扰动使uT值在整个过程中变动。,第十二章火焰的结构及其稳定,火焰：由燃烧前沿和正在燃烧的质点所包围的区域。火焰的分类：（1）按燃料种类分（2）按预混程度分（3）按气体的流动性质分（4）按火焰中的相成分分（5）按火焰的几何形状分,第一节预混火焰,层流火焰为了保证在管道内可燃混合气能连续不断地燃烧而不致产生回火或吹熄现象，就要求火焰前锋稳定在某一位置上不动，以点燃新鲜混合气，这就是火焰的稳定。实际层流预混火焰的结构如图12-1所示。在火焰焰锋曲面上取一微元段ab，近似认为是直线段，新鲜混合气以与焰锋表面ab法线方向成角平行流向焰锋速度为V。,Vn使火焰在法线方向移动，Vt使火焰在顺着火焰面ab方向移动。,为了维持该段焰锋面的稳定，即空间位置不动，必须平衡两速度分量Vn和Vt存在的影响。平衡Vn是燃烧过程本身的相应传播速度，即：uL=Vcos这是火焰前锋稳定存在的第一条件，一般称为余弦定律或米赫尔松余弦定律。它表达层流火焰传播速度与迎面来流气流速度在火焰稳定情况下的平衡关系。测uL方法之一。,Vt使焰锋上质点顺着ab方向移动，为了保持火焰前锋的稳定存在，必须有另一质点从焰锋的前端补充到a点位置。在接近火焰根部的焰锋表面处必须有一个固定点火源存在，不断地点燃根部附近新鲜混合气以补充在根部被带走的质点，这个点火源还应具有足够强度，否则仍不能稳定焰锋的存在。在火焰根部具有一个足够强度的固定点火源是火焰前锋存在的第二条件。,综上所述，在气流中火焰稳定存在的充要条件是：（1）火焰传播速度和垂直于焰锋表面的气流法向分速平衡，即：uL=Vcos（2）必须具有一个固定的点火源，而且该点火源还应具有足够强度。提问：请解释火焰面（前沿面）呈图12-3所示。,湍流火焰湍流预混火焰的形状如图12-6所示。湍流火焰的稳定性问题主要是脱火问题。主要采用的方法是（1）利用引燃火焰稳定火焰（2）利用钝体稳定