燃料与燃烧.ppt

1、第八章燃烧传播过程,1、燃烧前沿（面）,实际燃烧室内燃烧前沿面应该驻定而不移动,回火与脱火,2、火焰传播速度 （1）、正常（层流）传播速度（uL）： 当可燃混合物为层流流动或静止不动时所得到的燃烧前沿传播速度。这时，火焰前沿是一平整的形状。,（2）、紊流传播速度（uT）： 当可燃混合物为紊流流动时所得到的燃烧前沿传播速度。这时，火焰前沿是不平整的，是紊乱的、曲折的。这也是实际条件下得到的。,第二节燃烧前沿正常传播速度,燃烧前沿的传播过程 质量交换 热量交换 化学反应 描写燃烧前沿的方程式 导热方程 扩散方程,燃烧前沿导热微分方程的建立,预热区,反应区,X+dx,X,设可燃混合物的初始温度为T0

2、，最终达到的燃烧温度为Tk，反应区与预热区交接处的温度为TB 则反应区的热平衡关系：,该单元体（单位面积）中的热收入项,化学反应放热 单元体下游（x+dx）界面向该单元体传入热量,该单元体（单位面积）中的热支出项,由单元体向上游边界传出的热量： 该单元体温度升高消耗的热量,根据收支平衡： 简化假设：化学反应只是在温度接近于最终温度的较窄范围内进行，那么反应区温度升高所消耗的热量dq4便忽略不计 （1）,对二阶齐次方程求解,令 ，则（1）式变为（ 为常物项）：,又由于 ，所以： 定解条件反应高温区间为：TB-Tk,且： T=TB，Y=Y1 ; T=TK, Y=Y2,在此条件下对微分方程积分得：

3、（2） Y1即为通过T=TB的热流。因为Y2=0，且在反应区温度升高而消耗的热量已忽略不计，故热流应与反应区放出的热量相等，即： （3）,另（2）式等于（3）式，即得正常传播速度为： qW为单位时间单位体积的反应释热量，即单位体积的释热速度，根据化学动力学的原理，这一释热速度与温度的关系如图10-3：,可以得到：,因为：,由图得到：,正常传播速度的影响因素,一、绝热条件下（近似绝热条件） 1、可燃气体种类影响 uL,正常传播速度的影响因素,2、可燃气体浓度（空气消耗系数）的影响： 注意：正常传播速度的最大值并不是在n=1.0的地方，而是在n1.0的地方。这是应为，在煤气浓度偏高的条件下，燃烧链

4、锁反应的活化中心的浓度较大，因而燃烧反应进行较快，即得到较大的传播速度。,正常传播速度的影响因素,3、氧化剂含氧量的影响：（如下图）,uL,正常传播速度的影响因素,4、可燃混合物的初始温度的影响(见下图) T0 uL 1)可以从计算uL的公式看出 2）气体的导热系数随温度的升高而增加 3）密度随温度的升高而减少,正常传播速度的影响因素,二、强化冷却系统中（散热系统） 管径的影响： 以管中燃烧传播为例： 管子直径越小，相对冷却表面积越大。所以，当管子直径减少时，燃烧传播速度将减少。,火焰传播临界直径（熄灭直径）,当直径小于某一个值时，便不能进行燃烧反应，这时所得到的直径称为“燃烧传播临界直径”，

5、或称“熄灭直径”。,5、影响正常火焰传播速度的因素,1、可燃气体的浓度（空气消耗系数） 2、氧化剂中的含氧量 3、可燃混合物的温度 4、散热条件,紊流燃烧前沿的传播,紊流流动特点 流体内的传热、传质以及燃烧过程得到加强 燃烧传播速度远远大于层流 不仅与燃料物理化学性质有关，更与流动状态有关,紊流燃烧前沿的传播,紊流燃烧前沿 火焰前沿面厚很多 火焰面是紊乱的，毛刷状，伴有噪声和脉动。 紊流燃烧前沿是一个近似的几何面 紊流燃烧前沿传播速度 紊流燃烧前沿法向相对于新鲜可燃气体的运动速度,紊流燃烧前沿的传播,紊流燃烧前沿传播速度增加的原因： 1）紊流流动可能使火焰前沿变形、皱折，反应表面增加。（皱折表

6、面任一处法向速度与层流相等） 2）紊流，加剧了热传导速度或活性物质的扩散速度。（法向速度增加） 3）紊流使可燃混和气与燃烧产物之间快速混和，使火焰本质上成为均匀预混可燃混和物。,紊流燃烧前沿的传播,皱折表面燃烧理论 容积燃烧理论,紊流燃烧前沿的传播,皱折表面理论 紊流火焰中，存在许多大小不同的微团在不规则运动。如果这些不规则运动的微团平均尺寸相对的小于可燃预混气的层流燃烧前沿厚度时，称为小尺度紊流，反之称为大尺度紊流。,紊流燃烧前沿的传播,小尺度紊流火焰： 较规则的燃烧前沿面，只是燃烧前沿面厚度略大于层流火焰。 大尺度紊流： 大尺度弱紊流：uLu 大尺度强紊流：uLu,紊流燃烧前沿的传播,小尺

7、度紊流火焰传播速度： 邓克尔： 谢尔金：,紊流燃烧前沿的传播,大尺度弱紊流火焰传播速度： 邓克尔： 紊流火焰传播之所以比层流大，是由于紊流脉动促使火焰紊流皱折变形而使燃烧面积增大的结果。计算火焰传播速度即是计算皱折火焰表面积来确定。,紊流燃烧前沿的传播,谢尔金： 假设紊流火焰由无数锥形组成。所以紊流火焰传播速度与层流火焰传播速度之比等于微元锥体侧表面与锥体底面之比。,提高实际工程中预混气的燃烧速度,使用ul大的预混气； 提高紊流强度； 提高混合气体的压力和温度,第十一章 火焰的结构及其稳定,一、火焰 1、定义：由前沿面（燃烧）和正在燃烧区的质点所包围的区域。,2、分类： （1）按燃料种类分,（

8、2）按燃料和氧化剂（空气）的预混程度分,（3）按气体流动的性质分,（4）按火焰中的相成分分,（5）按火焰的几何形状分,二、 层流预混火焰,点火圈：锥形前沿的锥底联在喷口附近，锥底面比喷口断面略大一点，并会有一小段水平段，点火后，这一水平段形成一个“点火圈”。 形成点火圈的原因： 作用：连续点火的作用,1、正常传播速度uL,1o、uL的分布,燃烧前沿面上任何一点：,Wcos = uL,2o、火焰高度,简化：设uL=C，=C（正锥体） 锥体底面的半径与管口半径相等。,3o、火焰长度、流速、火焰传播速度间的关系,火焰稳定的条件：,3、回火及脱火条件 （1）在00面，若有 Wn uL则脱火。,2、预混

9、火焰的稳定基本原理,避免脱火和回火,脱火会造成可燃气体在燃烧室及其周围环境中的积累，一旦再遇到明火便会造成大量燃气迅速着火，从而造成大规模的爆燃；同时燃气的毒性也会影响人员安全 回火容易引起燃烧器乃至储存燃气的容器发生爆炸，造成严重的设备事故或人员伤亡。,4、边界速度梯度 （回火、脱火的临界条件） 设管内可燃混合气体的流速分布符合管中层流分布：,管内气体体积流量：,边界速度梯度：,5、燃料浓度与回火、脱火的关系,(二)、紊流火焰 1、火焰结构 （1）结构特点：燃烧前沿厚 （2）浓度变化特点：变化缓慢 (3)火焰结构大致可分为三个区域,紊流预混火焰,2、主要问题脱火 保证不脱火的措施： 由于质点

10、不同方向的运动，正在燃烧的质团或高温燃烧产物返回到新鲜的可燃混合物处 高强度燃烧时，采用附加手段使更多的燃烧产物回到火焰根部，或者增加附加烧嘴。,气流出口速度大于回火临界速度 出口断面速度均匀，避免气流受外界扰动 燃烧能力大的烧嘴，将烧嘴头进行冷却。烧嘴口径较小时可用空气冷却，烧嘴口径较大时用水冷。,保焰技术防回火,防脱火措施,燃烧通道做成突扩式 钝体型稳定器 辅助性点火烧嘴或安置高温砌体,火焰监视和保焰技术,火焰监视系统的作用： 对点火过程进行程序控制，提供切实可行的点火措施和确认点火的成功与否； 核实燃烧所需的正常条件，使燃料和空气的比例及压力始终处在火焰稳定范围内； 执行经常性的火焰监视

11、任务，当火焰熄灭时，能立即作出反应，发出警报，并切断通向该燃烧装置的燃料供应系统；,火焰监视和保焰技术,火焰的监视方法： 直接监视法 反映不及时 整流棒式火焰监视装置 利用火焰导电和整流作用的装置 紫外线火焰监视系统 注意由于电火花发出的紫外线而产生误操作。,现代保焰技术,分焰点火，预热主焰底部 这种火焰的导电性较好，可设置导电棒监视火焰的安全 需要高温和高强度的工业炉中 反向气流 在空气煤气的混合气流的出口附近人为的制造一个反向漩涡流。 出口通道设置障碍物作为点火高温热源 燃烧坑道,钝体,一次空气,二次空气,煤气,旋流片,第三篇 燃烧基本原理,2、燃烧过程 燃烧过程是一个复杂的物理扩散过程和

12、化学反应过程的综合过程。,1、燃烧现象可燃分子与氧化剂分子相互接触时，在一定温度、浓度和压力等条件下发生的剧烈反应，放出一定的光和热.,基本概念,反应时间, 1 ：混合所需要的时间，主要受到扩散因素的影响。 2 ：混合后的可燃混合物为达到开始燃烧反应的 条件（温度）所需要的加热时间。 3 ：完成化学反应所需要的时间，主要受到化学反应动力因素的影响。 ：燃烧过程所需要的总的反应时间。= 1 +2 +3,根据 1与2 、3这两类因素的影响，可将燃烧过程划分为三类： （1）动力燃烧： 即 1 2 +3 ，如预混气体的燃烧 （2）扩散燃烧：即 1 2 +3 ，即燃烧主要是受到混合的影响，如边混合边燃烧

13、。 （3）中间燃烧：介于上述二者之间。,燃烧基本类型,根据流（气）体的流动性能可划分为： （1）层流燃烧：燃烧室中的煤气和空气均为层流流动。 （2）紊流燃烧：燃烧室中的煤气和空气均为紊流流动。 （3）过渡燃烧：介于上述二者之间的流动。,按可燃物与氧化剂的物态划分为： （1）同相燃烧：燃料与氧化剂的物态相同，又称均相燃烧。 （1）异相燃烧：燃料与氧化剂的物态不同，又称非均相燃烧。,第九章 着火过程与着火温度 一、基本概念： 1、着火过程：从无化学反应向稳定的强烈的放热反应状态的过渡过程，即为着火过程。,基本概念：,2、着火及着火温度：即燃料与氧化剂的燃烧反应可以自动加速的这一时刻即为着火，此时燃

14、料与氧化剂的混合可燃物所达到的温度为着火温度。 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。,瞬间过程,基本概念：,3 、使可燃混合物着火并开始燃烧，有两种方式： 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。,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。,基本概念：,第一节 着火过程第一部分（热自

15、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。,着火化学模型（反应为简单反应）,我们研究一个容器，其容积为V，表面积为S，其中充满可燃混合气，起始温度为T0，热效应为q。假设：,T、C T=T() C=C(),To=C（常数）,V,S,着火化学模型（反应为简单反应）,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 根据能量守恒定律，方程可简化为：,

16、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：,热力学能增量,热损失,生成热,等式左边为散热量，稳定的均匀散热为： （直线） 式中： 换热系数 T容器内混气瞬时温度 Q2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)： 式中q、V、k0均为定值。在开始燃烧之前，即在着火过程之中，假设反应物质的浓度不变，即C相当于初始浓度： （曲线）,作图求解满足热平衡的温度，并分析。,图2-2 稳定在低温度范围时的氧化反应,1称为低温稳定点。 点1之前，Q1Q2，说明发出的热量大于系统向外散失的热量，这时系统被加热

17、。 达到1点后稳定 超过1点， Q2 Q1，系统将会受到冷却重新回到1点 自燃着火不可能发生,图2-4处于临界状态的放热与散热关系,Q2,Q2,Q2是散热很弱的情况，这时Q1总是大于Q2，这时反应是自动加速，直道发生自燃。 Q2是散热很强的情况，不会发生自燃 Q2与Q1有一个切点，切点之前系统不断被加热，达到切点时，Q1=Q2，但是该点不稳定，稍过B点，就会发生自燃,图2-3放热与散热关系图,Q1与Q2会在高温区有1个交点 点2为高温不稳定点 当过程稍向右移动，系统就会自然；稍向左移动，系统便会被冷却而降到低温稳定点1。,散热曲线不变，发热曲线改变。如书上P98，图9-4,总结,发生自燃的基本

18、条件是 Q1Q2，T TB 临界条件是Q1与Q2有一个切点B 切点B对应的温度，便称为“着火温度”或“着火点”,5、着火温度：（切点B）,=,RTB2/E =TBTo 得： TB = （取“-” 号，“ +”是一个达不到的值）,展开 , 忽略高阶项次,TB E/2R-E/2R(1-2RTo/E-2R2To2/E2) = To+RTo2/E,或 TB-To= RTo2/E,该式表示在可以自燃着火的条件下气体的着火温度与器壁温度之间的关系。,取 E=167470 J/mol , To=1000 K, 则 TBTo=50 oC 故可用To代TB，或 TB To,三、影响着火的主要因素,1、压力 压力

19、 如果其它参数为常数，自燃温度求解曲线,To,PTB，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 PTB，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，低压增加了着火的难度。 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。,2、当To=C时，P与X的关系,1o、当P Pmin时，不能着火 2o、当P Pmin时，有一个着火浓度范围 3o、当P 时，X下，X上,3、浓度（在一定压力）,着火浓度范围,T,Tmin,T,0 X下 X佳 X上,P=常数,XA,当TTmin时，任何浓度下均不能着火，而Tm

20、in对应的浓度称为最佳浓度。,当T Tmin时，着火浓度有一个范围。 当T时，着火浓度范围增加。,4、容器尺寸,T,（V/S）= r,着火区,1o、（ ）TB图 2o、（ ）TB关系： （ ） TB （ ） TB,5、换热状况的影响,TB,混合可燃气的浓度界限,四 、点火及点火过程,1、定义：点火即强制着火，是依靠外界的热源（能量）使燃料与氧化剂达到着火的目的，即为点火。,2、点火过程(见右图),3、点火温度（T2） 能使混合物着火的最低外界热源温度。 4、点火临界条件,五、燃烧室中的着火与熄灭,燃烧室特点：,一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡,根据燃烧室特点提出简化模型 着火过程和燃烧过程均为绝热过程 反应放出的热量全部转化为燃烧产物的热量 燃烧室内温度、浓度、压力等参数的平均值与出口参数是相同的 设初始温度T0；初始浓度为C0；燃烧产物温度T；没有燃尽的可燃混合物浓度为C，可燃混合物在燃烧室内停留的时间为 ；完成燃烧反应所需时间为,（一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡,1、定义无因次参数,1o、燃烧完全系数,2o、无因次温度,3o、无因次时间 1 可燃混合物在燃烧室内停留时间