燃气课件-第四章

1、山西大学工程学院 太原电力高等专科学校燃燃 气气 主讲主讲：李东雄李东雄 动力工程系系动力工程系系山西大学工程学院 太原电力高等专科学校第一节第一节 火焰传播的理论基础火焰传播的理论基础 第三节第三节 影响影响S的因素的因素 第五节第五节 紊流火焰传播紊流火焰传播 第六节第六节 火焰传播极限浓度火焰传播极限浓度 山西大学工程学院 太原电力高等专科学校 工程实践中工程实践中,可燃混合物着火的方法可燃混合物着火的方法 先引入外部热源，使局部着火；先引入外部热源，使局部着火； 生成活性中心；生成活性中心； 向未燃部分输送热量，使其相继着火燃烧，即为火焰传向未燃部分输送热量，使其相继着火燃烧，即为火焰

2、传播。播。 火焰传播实际上是化学反应在气体或气流中的运动。火焰传播实际上是化学反应在气体或气流中的运动。一一. 火焰传播机理火焰传播机理1. 静止气体静止气体(指可燃混合物静止不动指可燃混合物静止不动)点源点源火焰火焰:在可燃混合物中放入点火源点火，产生局部燃烧反在可燃混合物中放入点火源点火，产生局部燃烧反应后形成。应后形成。球形球形火焰火焰:点源火焰形成后，释放出的热量和生成的自由基等点源火焰形成后，释放出的热量和生成的自由基等活性中心向四周扩散，使紧挨着的一层未燃气体着火燃烧，反活性中心向四周扩散，使紧挨着的一层未燃气体着火燃烧，反应依次向外扩张，形成瞬间的球形火焰面。应依次向外扩张，形成

3、瞬间的球形火焰面。山西大学工程学院 太原电力高等专科学校 火焰传播速度：球形火焰面的法向移动速度即为火焰传播速火焰传播速度：球形火焰面的法向移动速度即为火焰传播速度，用度，用S表示。表示。火焰传播方向：向高浓度反应物存在的地方传播。火焰传播方向：向高浓度反应物存在的地方传播。 火焰锋面火焰锋面(或称火焰面或称火焰面)：未燃气体和已燃气体的分界面。：未燃气体和已燃气体的分界面。2.流动气体流动气体 设气流速度为设气流速度为u，且速度分布平均，则点燃后形成一平整的，且速度分布平均，则点燃后形成一平整的火焰面，火焰面很薄。火焰面，火焰面很薄。 流管中的火焰锋面流管中的火焰锋面山西大学工程学院 太原电

4、力高等专科学校如果如果Su，则火焰面向气流的上游方向移动。，则火焰面向气流的上游方向移动。 （S：火焰传播速度；：火焰传播速度； u: 气流速度）气流速度）如果如果Su，则火焰面向气流的下游方向移动。，则火焰面向气流的下游方向移动。如果如果S=u，则火焰面驻定不动，这是连续流动的可燃混合物稳，则火焰面驻定不动，这是连续流动的可燃混合物稳定燃烧的条件之一。定燃烧的条件之一。若气流速度层流速度，则火焰面不再平整，而是混乱和曲若气流速度层流速度，则火焰面不再平整，而是混乱和曲折，形成火焰的紊流传播。折，形成火焰的紊流传播。二、层流火焰传播理论二、层流火焰传播理论 理论主要有三方面理论主要有三方面:

5、热理论：即认为控制火焰传播的主要是热传导。热理论：即认为控制火焰传播的主要是热传导。 扩散理论：即认为来自反应区的扩散理论：即认为来自反应区的链载体链载体的扩散是控制层的扩散是控制层流火焰扩散的主要因素。流火焰扩散的主要因素。 可燃气体反应都是链反应，存在中间产物可燃气体反应都是链反应，存在中间产物,这些中间产物这些中间产物如如H、O、OH等成为反应继续下去的载体，所以叫链载体，等成为反应继续下去的载体，所以叫链载体，中间产生的自由原子和游离基称为活化中心。中间产生的自由原子和游离基称为活化中心。 综合理论：即认为热传导和活化中心的扩散对火焰传播综合理论：即认为热传导和活化中心的扩散对火焰传播

6、可能同等重要。可能同等重要。山西大学工程学院 太原电力高等专科学校 几个结论几个结论: 层流的火焰传播速度层流的火焰传播速度S与导温系数与导温系数a的平方根成正比，与化学的平方根成正比，与化学反应时间反应时间 的平方根成反比。的平方根成反比。 层流的火焰传播速度层流的火焰传播速度S是一个是一个化学常数。其数学表达式为：化学常数。其数学表达式为： C21Ca(S）（导温系数（导温系数 ，-导热系数导热系数, -密度密度, cP-比热）比热）Pca 层流火焰的厚度层流火焰的厚度包括反应区厚度包括反应区厚度c + 预热区厚度预热区厚度p。与导与导温系数温系数a成正比，与火焰传播速度成正比，与火焰传播

7、速度s成反比。其数学表达式为：成反比。其数学表达式为：bo0)PP(SPo未燃气体压力未燃气体压力, b系数，系数，b=1.00.75 当压力当压力Po增加时增加时,将增加，其中预热区厚度增加明显，而反将增加，其中预热区厚度增加明显，而反应区厚度基本不变，或减小。应区厚度基本不变，或减小。 当压力当压力Po下降时，下降时，也将增加，其中预热区厚度减小，反应也将增加，其中预热区厚度减小，反应区厚度增加。区厚度增加。山西大学工程学院 太原电力高等专科学校一、混合气比例（燃气浓度）的影响一、混合气比例（燃气浓度）的影响火焰传播速度火焰传播速度S与混合物中的与混合物中的燃气浓度直接有关，混合比燃气浓度

8、直接有关，混合比变化时，变化时，S随之变化，变化随之变化，变化规律如右图规律如右图1氢；氢；2氧化碳；氧化碳；3乙烯；乙烯；4丙丙烯；烯；5甲烷；甲烷；6乙烷；乙烷；7丙烷；丙烷；8丁烷；丁烷；9炼焦煤气；炼焦煤气；10发生炉煤气发生炉煤气燃气燃气-空气混合物的空气混合物的Sn与燃气含量的关系与燃气含量的关系山西大学工程学院 太原电力高等专科学校规律：规律： S随浓度变化呈倒随浓度变化呈倒U或或V形。形。 S最小处所对应的浓度为最小处所对应的浓度为混合物着火浓度的下限和混合物着火浓度的下限和上限。上限。 当浓度低于下限当浓度低于下限(燃气少燃气少)或高于上限或高于上限(氧气少氧气少)时，时，反

9、应放热不足，无法实现反应放热不足，无法实现对未燃气体的充分预热，对未燃气体的充分预热，并使其达到着火点，而使并使其达到着火点，而使火焰传播停止。火焰传播停止。S=0 Smax出现于燃气含量略高出现于燃气含量略高于化学计量比时。于化学计量比时。(因自由因自由基浓度高基浓度高) 火焰温度达到最高时，火焰温度达到最高时，S也最大。也最大。 燃气燃气-空气混合物的空气混合物的Sn与燃气含量的关系与燃气含量的关系山西大学工程学院 太原电力高等专科学校二二. 燃气性质的影响燃气性质的影响 燃气的燃气的 （导热系数）越大，（导热系数）越大，S越大。越大。 反应中离子（反应中离子（H、O、OH ）扩散速度越小

10、，）扩散速度越小，S越小。越小。 活化能越高，活化能越高，S越小。越小。 随分子量的增大，随分子量的增大，S减小。减小。三三. 温度温度 初始温度初始温度T0： T0，反应温度，反应温度， 化学反应速度化学反应速度，S。 火焰温度：火焰温度： 火焰温度不太高时，火焰温度不太高时，S随随 火焰温度火焰温度呈指数关系呈指数关系 变化，影响很大。变化，影响很大。 当当t2500时，因自由基浓度时，因自由基浓度,促进了反应促进了反应,火焰传播。火焰传播。 火焰温度对火焰传播速度的影响火焰温度对火焰传播速度的影响山西大学工程学院 太原电力高等专科学校四四. 压力压力P，S,但燃烧强度但燃烧强度。CO-空

11、气混合气火焰传播速空气混合气火焰传播速度与加入水蒸气的关系度与加入水蒸气的关系五五. 温度和惰性气体的影响温度和惰性气体的影响 在在CO中加入水蒸气可促中加入水蒸气可促进反应加快，进反应加快，S 加入惰性气体，将使燃烧加入惰性气体，将使燃烧温度下降，温度下降，S。山西大学工程学院 太原电力高等专科学校一一. 紊流火焰传播的特点：紊流火焰传播的特点：1. 紊流脉动使火焰变形，紊流脉动使火焰变形，使火焰面积增加使火焰面积增加，曲面法向传播速度，曲面法向传播速度仍为层流火焰速度。仍为层流火焰速度。2. 增加了热量和增加了热量和活化中心的传递速度活化中心的传递速度，反应速度，反应速度，火焰表面火焰表面

12、的燃烧速度，即燃烧反应主要在锋面中进行。的燃烧速度，即燃烧反应主要在锋面中进行。3. 加快了已燃气和未燃气的混合，加快了已燃气和未燃气的混合，混合时间缩短混合时间缩短，燃烧速度。燃烧速度。 火焰面积火焰面积、活化中心的传递速度、活化中心的传递速度、混合时间缩短，使、混合时间缩短，使紊流火焰传播速度层流火焰传播速度紊流火焰传播速度层流火焰传播速度 山西大学工程学院 太原电力高等专科学校4. 小尺度紊流。在小尺度紊流。在2300Re6000范围，紊流火焰属于小尺范围，紊流火焰属于小尺度（即紊流微团的平均尺寸层流火焰面厚度度（即紊流微团的平均尺寸层流火焰面厚度)，小尺度紊，小尺度紊流增加了热量和活化

13、中心的传输速度及气团脉动传递速度，流增加了热量和活化中心的传输速度及气团脉动传递速度，进而进而S，而且燃烧区厚度层流火焰面厚度，火焰面较规，而且燃烧区厚度层流火焰面厚度，火焰面较规则。则。5. 大尺度弱紊流。若紊流微团尺寸层流火焰面厚度且微团大尺度弱紊流。若紊流微团尺寸层流火焰面厚度且微团脉动速度层流脉动速度层流S时，火焰面发生扭曲。时，火焰面发生扭曲。6. 大尺度强紊流。若紊流微团尺寸层流火焰面厚度且微团大尺度强紊流。若紊流微团尺寸层流火焰面厚度且微团脉动速度层流脉动速度层流S时，气团脉动剧烈，使很多正在燃烧的气时，气团脉动剧烈，使很多正在燃烧的气团冲出火焰表面，形成脱群火团，从而增加了火焰

14、面传播团冲出火焰表面，形成脱群火团，从而增加了火焰面传播速度。速度。 山西大学工程学院 太原电力高等专科学校1. 火焰传播浓度下限火焰传播浓度下限: 能使火焰连续不断传播所必需的最低能使火焰连续不断传播所必需的最低燃气浓度，称为火焰传播浓度下限。燃气浓度，称为火焰传播浓度下限。2. 火焰传播浓度上限火焰传播浓度上限: 能使火焰连续不断传播所必需的最高能使火焰连续不断传播所必需的最高燃气浓度，称为火焰传播浓度上限。燃气浓度，称为火焰传播浓度上限。3. 火焰传播浓度极限又称着火浓度极限火焰传播浓度极限又称着火浓度极限,或爆炸极限或爆炸极限:火焰传火焰传播浓度极限范围内的燃气播浓度极限范围内的燃气空

15、气混合物，在一定条件下会空气混合物，在一定条件下会瞬间完成燃烧而形成爆炸，因此火焰传播浓度极限又称为瞬间完成燃烧而形成爆炸，因此火焰传播浓度极限又称为爆炸极限。爆炸极限。4. 火焰传播浓度范围：上限和下限之间是火焰连续传播的火焰传播浓度范围：上限和下限之间是火焰连续传播的浓度范围。浓度范围。 山西大学工程学院 太原电力高等专科学校5. 影响火焰传播浓度极限的因素：影响火焰传播浓度极限的因素： 燃气在纯氧中着火燃烧时，火焰传播浓度极限范围将扩燃气在纯氧中着火燃烧时，火焰传播浓度极限范围将扩大。大。 提高燃气提高燃气空气混合物温度，会空气混合物温度，会反应速度，反应速度，火焰温度，火焰温度，使火焰

16、传播浓度极限范围扩大。使火焰传播浓度极限范围扩大。 可燃气体中加入惰性气体时，火焰传播浓度极限范围缩可燃气体中加入惰性气体时，火焰传播浓度极限范围缩小。小。 含尘量、含水蒸气量以及容器形状和壁面材料等因素，含尘量、含水蒸气量以及容器形状和壁面材料等因素，有时也影响火焰传播浓度极限。如在氢有时也影响火焰传播浓度极限。如在氢-氧混合物中引进金属氧混合物中引进金属微粒，能使火焰传播浓度极限范围扩大，并能降低其着火温度。微粒，能使火焰传播浓度极限范围扩大，并能降低其着火温度。 山西大学工程学院 太原电力高等专科学校 提高燃气提高燃气空气混合物压力，使分子间距空气混合物压力，使分子间距，火焰传播，火焰传播浓度极限范围扩大。其上限变化最为明显。某些燃气浓度极限范围扩大。其上限变化最为明显。某些燃气空空气混合物火焰传播浓度极限随压力的变化关系见表气混合物火焰传播浓度极限随压力的变化关系见表4-3。（个别单一气体的变化规律不影响整个燃气的规律）（个别单一气体的变化规律不影响整个燃气的规律） 常温下火焰传播浓度极限随压力的变化关系常温下火焰传播浓度极限随压力的变化关系燃气燃气压力（压力（MPaMPa）火焰传播浓度极限（火焰传播浓度极限（V%V%）下限下限上限上限极限范围极限范围COCO0.10.114147171575