第五章 燃烧的基础知识

1、第五章 燃烧的基础知识燃烧是燃料化学能转化为热能的有效途径燃烧是燃料化学能转化为热能的有效途径燃烧直接影响动力输出和燃油经济性燃烧直接影响动力输出和燃油经济性燃烧也直接影响有害物的生成和排放燃烧也直接影响有害物的生成和排放能源消费结构_燃烧方式获取能量占主导世界一次能源消费结构（2004）%Worldwide energy supply in TW (1012W)世界一次能源消费结构In 2005, total worldwide energy consumption was 500Exajoules (= 5 x 1020 J) with 80-90% derived from thecom

2、bustion of fossil fuels.本章主要内容本章主要内容v燃烧现象与分类燃烧现象与分类v可燃混合气的着火与着火理论可燃混合气的着火与着火理论v预混合气的点燃与火焰传播预混合气的点燃与火焰传播v液体燃料的雾化与扩散燃烧液体燃料的雾化与扩散燃烧主要内容1. 燃烧现象与分类2. 可燃混合气的着火与着火理论3. 预混合气的点燃与火焰传播4. 液体燃料的雾化与扩散燃烧1) 燃烧(combustion)定义可燃物质可燃物质(燃料燃料)与氧化剂与氧化剂(空气中的氧气空气中的氧气)产生的产生的剧烈放热化学反应，并伴有流动、传热、传质剧烈放热化学反应，并伴有流动、传热、传质等物理现象（光和热）等

3、物理现象（光和热）2) 燃烧分类固相燃烧固体燃料没有挥发而在表面与空气(氧气)燃烧气相燃烧燃料以气体状态与空气混合燃烧 预混燃烧：着火前燃料气体或燃料蒸气与氧化剂已按一定比例形成混合气的燃烧 扩散燃烧：着火前燃料与氧化剂是相互分开的，着火后燃料边蒸发边与空气混合的燃烧内燃机中所有燃烧属于两种燃烧中的某一种或两种燃烧的组合燃烧火焰分类预混非预混/扩散预混火焰与扩散火焰扩散火焰半预混火焰全预混火焰1：一次空气系数，即燃烧前同气体燃料混合的空气量与理论空气量之比Different flame types of Bunsen Burnerdepending on air flow through th

4、e valve.1. valve closed2. valve semi-opened3. valve nearly fully opened4. valve fully opened蓝焰光谱Spectrum of a blue flame from a pocket butane torch clearly showing non-continuum spectral emission预混燃烧(PFI汽油机)Pre-mixture Combustion扩散燃烧(柴油机)Diffusion Combustion燃烧速度取决于化学反应速度(即混合气温度和浓度)（混合气形成影响不大）燃烧速度取决于

5、燃油和空气的混合速度（混合气形成的影响极大）a=0.8-1.2，难以稀燃a=1.2-6.8，稳定稀燃浓度和温度分布均匀，不易产生碳烟浓度和温度分布不均匀，易产生碳烟无焰（蓝色）燃烧有焰（黄或白色）燃烧有回火可能无回火可能预混燃烧与扩散燃烧的对比1) 着火 Ignition可燃混合气进行化学反应引起的突然加速失控现象叫着火。着火是燃烧过程的初始阶段。本质上也是燃烧主要内容1. 燃烧现象与分类2. 可燃混合气的着火与着火理论3. 预混合气的点燃与火焰传播4. 液体燃料的雾化与扩散燃烧着火阶段主要内容1. 燃烧现象与分类2. 可燃混合气的着火与着火理论3. 预混合气的点燃与火焰传播4. 液体燃料的雾

6、化与扩散燃烧2) 着火理论热着火理论（谢苗诺夫Semenov,N.N）在可燃混合气着火过程中, 主要依靠热量的不断积累而自行升温, 使反应速度按指数函数迅速增大, 最终导致着火“零”维模型假设:容器V内各处混合物浓度及温度都相同在反应过程中，容器V内各处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忽略而不计有一体积为V(m3)的容器，其中充满有化学均匀可燃混合气，其浓度为C(kg/m3)，容器的壁温为T0(K)，可燃混合气以速度w(kg/m3s)进行反应，化学反应后所放出

7、的热量，一部份加热了混合气体，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= C1exp 主要内容1. 燃烧现象与分类2. 可燃混合气的着火与着火理论3. 预混合气的点燃与火焰传播4. 液体燃料的雾化与扩散燃烧2) 着火理论热着火理论（谢苗诺夫Semenov,N.N）放热速率:散热速率:着火条件: dq1/dt dq2/dt : 肯定着火 dq1/dt dq2/dt : 临界着火温度Tc dq1/dt dq2/dt : 肯定不着火dq1dtdq 2dt E RT = A F(T T0 )2) 着火理论热着火理论（谢苗诺夫Semenov,N.N）影响着火因素： 压力：pc Tc 过量

8、空气系数 a: 对某一pc或Tc,存在一个混合气的着火浓限和稀限 燃料特性：燃料不同, Tc不同主要内容1. 燃烧现象与分类2. 可燃混合气的着火与着火理论3. 预混合气的点燃与火焰传播4. 液体燃料的雾化与扩散燃烧主要内容1. 燃烧现象与分类2. 可燃混合气的着火与着火理论3. 预混合气的点燃与火焰传播4. 液体燃料的雾化与扩散燃烧2) 着火理论热着火理论（谢苗诺夫Semenov,N.N）结论： 可燃混合气着火过程中的许多现象可以用热着后理论来解释，并且与实验结果也比较符合 但是，对于可燃混合气的初始浓度较低，或压力低于大气压的一些反应，无法用热着火理论解释。例如，3.8正丁烷和空气混合气即

9、使温度较低（280400）或压力低于大气压力，可燃混合气也会发生着火现象 碳氢燃料的实际着火区并不是简单的T-p双曲线（而是“着火半岛”）为了补充热着火理论, 又发展了链式着火理论1、烃的氧化反应、烃的氧化反应链引发、链传播、链中断链引发、链传播、链中断 以甲烷的燃烧反应为例。 这种化学反应式根据质量守恒定律得到，称为化学计量反应式。它反映化学反应过程中物质变化的等量关系，并不反映化学反应经过的历程 。 以甲烷的燃烧反应为例。 根据化学反应动力学，上述反应需要一个甲烷分子能够同时与三个氧气分子碰撞，过程才能够进行。但是，在化学反应中，三个分子相互同时碰撞的机率几乎为零，而四个分子或更多分子相互

10、同时碰撞可能完全不存在。 以甲烷的燃烧反应为例。 在甲烷燃烧的开始时刻，只存在一个氧气分子与一个甲烷分子碰撞的反应，并且其中一个分子应具有较高的能量，即具有活性。使反应物分子具有活性的过程称为链引发链引发。导致链引发的因素很多，假设氧气分子因热运动而激发，于是 以甲烷的燃烧反应为例。 在激发的氧气分子与甲烷分子反应时，下列结果都有可能 CHCH3 3、CHCH3 3OO、 CHCH4 4OO、OOHOOH、OHOH和 OO等都是燃烧反应的中间产物，称为自由基（活性粒子）。 反应生成产物取决于分子相互碰撞的部位和碰撞能量。 链传递链传递是一个活性粒子通过反应，至少产生一个新的活性粒子，使反应能够

11、继续进行；同时，使反应向前推进一步。 以甲烷的燃烧反应为例。 以甲烷的燃烧反应为例。这种分支链式反应过程结束称为链中止链中止。 结论：结论： （1）在明显燃烧之前，无论用何种方式触发燃烧，都）在明显燃烧之前，无论用何种方式触发燃烧，都存在诱导期（着火延迟阶段），即形成与积累活性中心的存在诱导期（着火延迟阶段），即形成与积累活性中心的过程。过程。 （2）即使反应体系处于较低的温度，但只要能够激发）即使反应体系处于较低的温度，但只要能够激发足够的活性粒子，就能引起燃烧链反应。足够的活性粒子，就能引起燃烧链反应。 反应物物性参数反应物浓度、温度容器形状、材料 结论：结论：（3）烃氧化反应是自动加速的

12、。在快速反应阶段（）烃氧化反应是自动加速的。在快速反应阶段（AB），），反应速度随着温度升高而加快；当反应进行到一定阶段，反应速度随着温度升高而加快；当反应进行到一定阶段，反应物浓度减少，（反应物浓度减少，（BC）反应速度迅速下降。）反应速度迅速下降。 （4）添加剂可以改变反应速度和燃烧特点）添加剂可以改变反应速度和燃烧特点 。ABC2 2、自燃、自燃自燃：自燃：具有适当温度、压力的可燃混合气，在没有具有适当温度、压力的可燃混合气，在没有外部能量引入的情况下，依靠混合气自身的反应自外部能量引入的情况下，依靠混合气自身的反应自动加速，并自发地引起火焰的过程。动加速，并自发地引起火焰的过程。自燃的

13、原因自燃的原因: 由于热量的积累由于热量的积累 热力自燃理论热力自燃理论 2 2、自燃、自燃着火条件：着火条件：1）着火温度不仅与可燃混合气的物理化学性质有关，而）着火温度不仅与可燃混合气的物理化学性质有关，而且与环境温度、压力、容器形状及散热情况有关。且与环境温度、压力、容器形状及散热情况有关。2）临界温度与压力明显的影响到着火区域。）临界温度与压力明显的影响到着火区域。3）存在一个可燃混合气着火的浓度上限（富油极限）和）存在一个可燃混合气着火的浓度上限（富油极限）和下限（贫油极限）。下限（贫油极限）。2 2、自燃、自燃烃燃料的烃燃料的着火半岛着火半岛较低的温度、压力下，有不同的着火规律较低

14、的温度、压力下，有不同的着火规律着火半岛（退化支链反应）着火半岛（退化支链反应）2 2、自燃、自燃 燃料温度较低时，燃燃料温度较低时，燃烧过程经历冷焰烧过程经历冷焰-蓝焰蓝焰-热热焰三个阶段，着火过程称焰三个阶段，着火过程称为为低温多阶段着火低温多阶段着火。2 2、自燃、自燃 在较高温度下，烃燃料在较高温度下，烃燃料氧化反应不经过冷焰诱导期氧化反应不经过冷焰诱导期和冷焰期，直接进入热焰燃和冷焰期，直接进入热焰燃烧。这种情况下，蓝焰与热烧。这种情况下，蓝焰与热焰很难区分，因此统称为焰很难区分，因此统称为高高温单阶段着火温单阶段着火 。退化支链反应，主要是甲醛。退化支链反应，主要是甲醛。3 3、点

15、燃、点燃3 3、点燃、点燃最低点火能量最低点火能量 能够可靠着火所需要的最能够可靠着火所需要的最小能量称为最低点火能量。小能量称为最低点火能量。 对应于一定浓度、温度和压力的可燃混合气，对应于一定浓度、温度和压力的可燃混合气，存在一个最小点火能量，相应的，有一个不存在一个最小点火能量，相应的，有一个不能点燃混合气的电极间隙极限，称为能点燃混合气的电极间隙极限，称为熄火间熄火间隙隙 3 3、点燃、点燃 不同的混合气浓度，其最不同的混合气浓度，其最小点火能量不同；小点火能量不同； 一定的点火能量有一个着一定的点火能量有一个着火界限；火界限； 加大点火能量，着火界限加大点火能量，着火界限有所扩展，但

16、作用有限；有所扩展，但作用有限； 点火能量低于最小点火能点火能量低于最小点火能量极限时，任何浓度的混合气量极限时，任何浓度的混合气都不能点燃；都不能点燃； 最小的点火能量出现在理最小的点火能量出现在理论空燃比附近。论空燃比附近。 3 3、点燃、点燃二、预混气体的火焰传播二、预混气体的火焰传播 着火之前，燃料蒸汽和空气已经充分混合，着火之前，燃料蒸汽和空气已经充分混合，这种混合气称为预混合气，这种混合气的燃烧方这种混合气称为预混合气，这种混合气的燃烧方式称为式称为预混燃烧预混燃烧。 在着火后，预混合气的燃烧自动进行，这个在着火后，预混合气的燃烧自动进行，这个过程称为火焰传播过程。过程称为火焰传播

17、过程。 预混合气中的火焰传播和气体流动情况有很预混合气中的火焰传播和气体流动情况有很大关系，可分为大关系，可分为层流火焰传播层流火焰传播和和紊流火焰传播紊流火焰传播。二、预混气体的火焰传播二、预混气体的火焰传播 层流火焰传播层流火焰传播 在静止或流速极低的预混合气中，在静止或流速极低的预混合气中，着火之后，火焰核心迅速发展为近似球着火之后，火焰核心迅速发展为近似球形火焰，随后火焰表面（称为形火焰，随后火焰表面（称为火焰前锋火焰前锋）以近似圆球的形状向整个混合气空间扩以近似圆球的形状向整个混合气空间扩展推进。火焰锋面之前是未燃的预混合展推进。火焰锋面之前是未燃的预混合气，火焰锋面之后是已燃的、具

18、有很高气，火焰锋面之后是已燃的、具有很高温度的燃烧产物。火焰锋面仅有几十到温度的燃烧产物。火焰锋面仅有几十到几百微米厚，燃烧反应就在这一薄层区几百微米厚，燃烧反应就在这一薄层区域内进行。域内进行。二、预混气体的火焰传播二、预混气体的火焰传播 火焰锋面厚度火焰锋面厚度 d d 分为混分为混合气预热区厚度合气预热区厚度d d p 和反应和反应区厚度区厚度 d d c 两个部分，预热区两个部分，预热区厚度厚度 d dp 大，化学反应速度低，大，化学反应速度低，反应区厚度反应区厚度d d c 小，但化学反小，但化学反应速度快。应速度快。二、预混气体的火焰传播二、预混气体的火焰传播 层流火焰传播速度取决

19、于层流火焰传播速度取决于火焰锋面内混合气的化学反应火焰锋面内混合气的化学反应速度。混合气浓度对层流火焰速度。混合气浓度对层流火焰传播速度影响最大。在略小于传播速度影响最大。在略小于理论空燃比时，化学反应速度理论空燃比时，化学反应速度最快，火焰传播速度最大，反最快，火焰传播速度最大，反应温度最高；混合气过稀或过应温度最高；混合气过稀或过浓，化学反应速度极慢，反应浓，化学反应速度极慢，反应温度过低，火焰传播会中断，温度过低，火焰传播会中断，不能维持燃烧。不能维持燃烧。V=0.40.5m/s二、预混气体的火焰传播二、预混气体的火焰传播在实际汽油机中，气流的在实际汽油机中，气流的紊流运动紊流运动加速火

20、焰传加速火焰传播速度，此时播速度，此时V = 2070ms。评价参数：评价参数：1、紊流尺度、紊流尺度 2、紊流强度、紊流强度二、预混气体的火焰传播二、预混气体的火焰传播紊流对火焰传播的促进作用：紊流对火焰传播的促进作用：1）宏观紊流的作用，使层流火焰前锋）宏观紊流的作用，使层流火焰前锋产生了弯曲与皱折，增大了燃烧的表面积。产生了弯曲与皱折，增大了燃烧的表面积。2）微观紊流虽然不会使火焰前锋产生）微观紊流虽然不会使火焰前锋产生明显的皱折，但有加强传热与传质的作用。明显的皱折，但有加强传热与传质的作用。3）提高紊流的强度，将使火焰前锋的）提高紊流的强度，将使火焰前锋的表面皱折破裂，从而使已燃气体

21、与未然混表面皱折破裂，从而使已燃气体与未然混合物迅速混合，缩短了反应时间，提高了合物迅速混合，缩短了反应时间，提高了燃烧放热的速率。燃烧放热的速率。三、油滴与喷雾燃烧三、油滴与喷雾燃烧 油滴与喷雾燃烧是一种非预混的、不均匀的扩散型燃油滴与喷雾燃烧是一种非预混的、不均匀的扩散型燃烧。烧。 柴油采用喷射与雾化的方法，将燃料粉碎成许许多柴油采用喷射与雾化的方法，将燃料粉碎成许许多多的细小油滴（喷雾），以扩大燃料蒸发的表面积，并多的细小油滴（喷雾），以扩大燃料蒸发的表面积，并在多个油滴的周围形成若干局部的反应区。因此，燃料在多个油滴的周围形成若干局部的反应区。因此，燃料成分在空间的分布是很不均匀的。成分在空间的分布是很不均匀的。 扩散燃烧的典型实扩散燃烧的典型实例为例为油滴燃烧油滴燃烧。 油滴扩散燃烧的油滴扩散燃烧的速度，完全取决于燃速度，完全取决于燃油蒸气从油滴表面向油蒸气从油滴表面向火焰面扩散的速度。火焰面扩散的速度。 油滴油滴三、油滴与喷雾燃烧三、油滴与喷雾燃烧 气流速度对火焰形状有影响。气流速度对火焰形状有影响