燃烧基本原.ppt

1、第三章 燃烧基本原理,要求：掌握射流混合过程；燃烧反应速度和反应机理；理解着火过程，燃烧传播过程的影响因素。 重点：射流混合过程；燃烧反应速度和反应机理,燃烧过程：在燃烧技术中，把从混合到燃烧反应的整个过程称为燃烧过程。 燃烧过程所需要的时间：=混+热+化 混合所需要的时间混即可燃分子与氧化剂分子按一定浓度相混合（扩散）达到分子间接触的时间； 热混合后的可燃混合物，为达到开始反应的温 度所需的加热时间； 化完成化学反应所需要的时间。,燃烧过程分类 依据各阶段的时间在总时间中所占 比例不同，燃烧过程可分为： 动力燃烧：混热+化 燃烧过程进行的速度主要受可燃物的加热和化学反应速度的限制。 扩散燃烧

2、： 混热+化 ，燃烧过程进行的速度主要受混合速度的限制。 中间燃烧：介于上述二者之间的燃烧过程。,按燃烧室中气体的流动性质或参加反应的物质的物态来分： 层流燃烧：燃烧室中煤气、空气和火焰都是以层流流动。 紊流燃烧：火焰气体为紊流流动。 介于二者之间的燃烧的过度性质的燃烧。,按参加反应的物质的物态： 同相燃烧：燃料和氧化剂的形态相同。 异相燃烧：燃料和氧化剂的形态不同。,射流分类,根据射流喷嘴：,平面射流与圆形射流,根据射流结构：,直流射流与旋转射流 平行射流与相交射流 环形射流与同轴射流,根据射流环境：,自由射流与受限射流,根据射流流动：,层流射流与湍流射流,3-1 射流混合过程,静止气体中的

3、自由射流（煤气喷射到大气中的燃烧） 沿射流的的前进方向可将射流分为初始段，过 渡段和自模段。 射流的初始段：核内各截面上的速度，浓度和温 度仍保持喷口截面上的u0，C0，T0； 射流的过渡段：势流核心逐渐缩小至消失，射流 沿程各截面上的速度不断变化，成相似速度分布。,射流的自模段：射流的充分扩展区，射流各段面 上的轴向速度呈正态相似分布。 从燃烧学角度来讲,射流核心相当于火焰的黑 根，它的长度与喷口形状,喷嘴出口速度分布及 紊流强度等因素有关。 Beer：xp=(45)d0，xT=10d0 ceMNHkN： xp=(56)d0,射流轴向速度、轴心浓度的衰减规律及径向分布 规律,射流轴向速度的沿

4、程衰减规律,射流轴向浓度的沿程衰减规律,在射流的充分发展区，轴向流速的径向分布具有相似性,在射流的充分发展区，浓度的径向分布,自由射流对周围气体的卷吸率,自由射流对周围气体的卷吸能力（卷吸率）：,射流向前运动时，由于横向的速度脉动及粘性，与周围介质产生动量交换，带动周围介质运动，使射流的质量沿流向逐渐增加，这种现象称为射流的吸卷或引射。,Ricou,Spalding公式为,Hegge,Zijnen公式为,当气体的密度与出流空间的气体密度（0=s）相等时，根据实测证明，射流流量与轴向距离成正比。,当气体的密度与出流空间的气体密度（0=s) 应 用Thring提出的当量直径de代替喷口直径d0，即

5、认为 直径de喷出的是密度s的气体，但喷出速度和动量 仍保持原有数值u0和G0，根据动量相等的概念：,将当量直径代入卷吸率公式，得到非等温射流的卷吸率为：,同向平行流中的自由射流 当射流出流于同向平行气流中时，射流的扩展，轴 心速度的衰减，势流的长度等，都和射流与外围气流 之间的速度梯度有关。速度梯度越小，射流扩展及轴 心速度衰减就越慢，势流的长度也越大，当外围流的 速度与射流本身的流速相等时，势流核心将贯穿整个 流场。 轴向速度的分布公式:,如图所示为平行射流中轴向速度的衰减情况。表示外围流速与射流初速之比。当流速=0，2.13 时，势流核心最小，速度衰减最快，这就说明混合比较强烈。当=0

6、2.13，势流核心越来越大，射流轴心速度衰减变慢。 Forstall和Shapiro曾对这种射流进行了实验研究，并提出了下列经验公式：,势流长度：,势流充分发展区轴心速度的衰减：,射流的扩展规律：,截面速度分布：,当射流与外围流的密度不同时，射流特性不仅与流速比有关，而且也和密度比有关，并且是sus / 0u0的函数。通过密度差对射流特性的影响的实验研究发现，当射流的密度小于外围流的密度时，射流的衰减速度会变快。 交叉射流 以某一角度与主流相交叉的射流叫做交叉射流。在向火焰中喷射二次助燃空气或稀释空气（高速等温烧嘴）时，经常采用交叉射流。在计算燃烧装置时，必须掌握交叉射流的走向，它在主流中的穿

7、透深度、以及它和主流的混合情况。,交叉射流,其它形式的射流,环状射流,同轴射流,旋转射流,旋转射流旋流数,S0.6为强旋流,S0.6为弱旋流,受限射流,3-2 燃烧反应速度及机理,化学动力学是研究化学反应机理和化学反应速率及其影响因素的一门科学,化学动力学与化学热力学有什么不同？,燃烧现象的本质是化学反应,单相反应:在一个系统内各个组成物质都是同一物态，如都是气态或液态，则此系统为单相系统，在此系统内进行的化学反应为单相反应。,掌握化学动力学基础，是弄清燃烧速率及其影响因素以及掌握燃烧污染物形成机理的前提,化学反应速率,一、化学反应速率的概念,单位时间内，反应物（或生成物）浓度的变化量。,定义

8、：,例：,其反应速率可以表示为：,浓度及其表示： 浓度：单位体积中所含某物质的量。 分子浓度： 摩尔浓度： 质量浓度： 摩尔相对浓度： 质量相对浓度：,根据定比定律，化学反应速率与计量系数之间有如下关系：,反应速率可以用任一反应物或生成物的浓度变化确定 不同反应物或生成物确定的反应速率可能是不相同的 但它们是相互关联的，都表示同一个反应的速度,二、化学反应的分类,化学反应是具有不同原子结构的物质重新组合的过程。人们把那种能代表反应机理的、由反应微粒（分子、原子、离子或自由基等）一步直接实现的变化称为“基元步骤”。,由反应物经一步反应直接生成产物的反应,反应不是经过简单的一步就完成，而是要通过生

9、成中间产物的许多反应步骤来完成，其中每一步反应称为基元反应,按反应机理的复杂程度不同，通常把反应分成两大类：,三、质量作用定律,实验证明，在一定温度下，通常基元反应的反应速率是反应物浓度的函数，即：W=f ( C )。,反应速度方程式,简单反应或复杂反应的基元反应，其反应速率与各反应物浓度以其化学计量系数为指数幂的乘积成正比。,质量作用定律指出：,通式：,四、化学反应级数n和反应分子数,化学反应级数是指化学反应速率与浓度呈多少次方的关系，就称为几级反应，它是浓度影响反应速率大小与快慢的反映。,零级反应 一级反应 二级反应 三级反应,简单反应：,对于简单反应或基元反应，反应级数等于反应的分子数,

10、反应级数与反应分子数是两个完全不同的概念，反应分子数概念只能用于一个基元反应，反应级数则是实验测定浓度对反应速度的影响的总结果 反应分子数的概念是用来解释反应机理的，而反应级数则是用以区分各种实验测定的反应速度方程式的类型 简单反应的级数常常与反应式中作用物的分子数相同 反应级数可以不是整数，如一般碳氢燃料与氧的反应是1.5级反应,测定的反应速度方程：,例：,实际反应：,三级反应，但不是三分子反应,阿累尼乌斯定律,一、温度对反应速率常数的影响,反应速率随温度变化关系,温度对反应速率的影响，集中反应在反应速率常数K上。在大量实验的基础上，阿累尼乌斯于1889年提出（a）型反应速率常数K与反应温度

11、T之间的关系为：,式中为K0频率因子，Ea为活化能，R为气体常数,阿累尼乌斯定律反应了温度对反应速率的影响 阿累尼乌斯定律是实验得出的结果 并不是所有的化学反应都符合阿累尼乌斯定律,符合阿累尼乌斯定律的反应速率常数与温度的关系,二、分子碰撞理论,分子之间需要通过碰撞才能引起化学反应 单位时间内碰撞次数越多，反应速率越快 不是所有的碰撞都会发生反应 发生反应所需的临界能量叫活化能,论述：,活化能越小，物质的化合能力越强 能量大于活化能的分子为活化分子 活化分子间的碰撞可以发生反应,反应速率：,对于气相反应：,由分子碰撞理论可以推出：,三、可逆反应与化学平衡,可逆反应：,化学方程式：,总的反应速率

12、：,化学平衡：,化学平衡是动态平衡，反应物与产物的浓度均不变，但反应没有停止 。,化学平衡常数：,温度对化学平衡常数的影响：,Q为反应热，放热反应为正，吸热反应为负,分解复合反应的活化能,影响反应速率的因素,一、反应物质的性质对反应速率的影响,饱和分子的活化能比较大，根与离子的反应活化能趋于0,二、温度对反应速率的影响,温度升高，分子运动速度加快，碰撞能量超过活化能的部分增大，反应速度加快。,三、压力对反应速率的影响,一级反应：,二级反应：,若以相对浓度计算反应速率：,四、反应物质成分的影响,双分子反应,链锁反应,现象,1、 2、低温时磷、乙醚的蒸气氧化出现冷焰 3、,定义与特性,链锁反应物定

13、义： 一种在反应历程中含有被称为链载体的低浓度活性中间产物的反应，这种链载体参加到反应的循环中，并且它在每次循环之后都重新生成，这种反应称为链锁反应，也称为链反应。,链载体：自由原子或自由基等,链锁反应的特点： 不论用什么方法，只要使反应一旦开始，它便能相继产生一系列的连续反应，使反应不断发展。 在这些反映过程中始终包括有自由原子或自由基（链载体），只要链载体不消失，反应就一定能进行下去。,过程与分类,链锁反应的三个基本步骤： 链的引发（形成） 链的增长（发展） 链的中断（终止） 链锁反应分两大类： 不分枝链锁反应（直链反应） 分枝链锁反应（支链反应）,链的形成：,由反应物分子生成最初链载体的

14、过程。此过程一般藉光化作用、高能电磁辐射或微量活性物质的引入等。,链的增长：,活性中间产物与原物质作用产生新的活性中间产物的过程。链的增长可以是直线、不分枝式，也可以是分枝式，即：,不分枝链锁反应 分枝链锁反应,链的中断：,活性中间产物消失或失去活性的过程。,1、两个自由原子（活性中心）碰撞后组成一个正常分子 2、自由原子与分子碰撞后失去能量 3、自由原子与器壁碰撞后失去能量,一、不分枝链锁反应,氢与氯在光的作用下合成氯化氢：,链的形成,链的增长,反应2比反应1快得多，Cl的浓度可看成不变,链的中断,不分枝链锁反应的反应速度在等温条件下随时间变化有两种可能：,1、如果反应在初始时活性中间产物的

15、浓度已达到离解平衡的数值（最大值），则反应速度将随着反应物质的浓度下降而减小。 2、如果反应在初始时活性中间产物的浓度未达到平衡的最大值，则反应速度起初较小，而后随着活性中间产物增多而加快，一直到浓度为平衡数值时，然后随着反应物的消耗而减小。,二、分枝链锁反应爆炸反应,氢的氧化反应：,链的形成,链的增长,总的效果：,链的中断,分枝链锁反应的特点：,1、反应随着时间进展显著地自行加速。 2、有感应期存在。,从开始反应到反应显著加速的这段时间,可燃气体的燃烧反应机理,氢的燃烧反应机理,链的产生：,链的继续及支化：,器壁断链：,空间断链：,氢的反应速度,一氧化碳的燃烧反应机理,链的产生：,链的继续：

16、,断链：,链的支化：,CO的反应速度,适用条件: mO20.05,mH2O=2.02.7%,PK0=(1.12.5)*109,一定水的浓度有利于CO的燃烧反应，据有关资料介绍，水分的最佳含量为79%。,甲烷的燃烧反应机理,链的产生,链的继续,退化分支,链的继续,第九章着火过程,研究着火与熄火的意义：,从无化学反应向稳定强烈的放热反应的过渡过程。,熄火,从稳定强烈的放热反应向无化学反应的过渡过程。,着火,迅速、可靠地点火 稳定的燃烧 防火、防爆,点燃（强迫着火）：,链锁（化学）自燃：,不需要外界加热，在常温条件下依靠自身的化学反应发生的着火过程。,热自燃：,着火方式,将燃料和氧化剂混合物迅速而均

17、匀地加热，当混合物被加热到某一温度出现火焰。,用电火花、电弧、热板等高温源使混合气局部受到强烈地加热而先着火，然后火焰传播到整个空间。,着火方式的区别与联系,链锁自燃与热自燃均为整个空间的着火过程，链锁自燃基于链锁反应机理，热自燃基于热活化机理，但前者也有热的作用，后者也有活性中间产物的作用。 热自燃与点燃的区别在于整体加热与局部加热，着火机理均基于热活化。,影响着火与熄火的因素,化学动力学因素：燃料性质、混气成分、环境温度 流体力学因素：气流速度、燃烧室结构尺寸,第一节 着火过程和着火温度,一、着火条件,在一定的初始条件（闭口系统）或边界条件（开口系统）下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统

18、在某个瞬间或空间的某部分达到高温反应态（即燃烧态），那么实现这个过渡的初始条件或边界条件为“着火条件”。着火条件不是一个简单的初温条件，而是化学动力参数和流体力学参数的综合函数。,闭口系统：,开口系统：,利于着火的因素：反应放热（放热量与放热速率） 不利于着火的因素：散热,着火、熄火的本质：,着火、熄火就是反应放热因素与散热因素相互作用的结果。如果在某一系统中反应放热占优势，则着火容易发生（或熄火不易发生），反之，则着火不易，熄火容易。,非稳态分析法,着火、熄火条件的分析方法：,着火是一个非稳态过程，考察过程随时间变化，确定着火条件,二、非稳态分析法,分析对象：闭口系统 分析理论：热自燃理论,热自燃理论：,基本思想：,反应放热曲线与系统向环境散热曲线相切。,当反应系统与周围介质间热平衡被破坏时就发生着火。,着火临界条件：,分析模型：,在密闭容器中储存着具有一定初始温度的可燃混合气，在进行化学反应的同时，也通过容器向外界散热。,结果是在容器内形成了温度梯度和浓度梯度，即在容器中心，混气的温度较高、浓度较低；在器壁附近，混气的浓度较高、温度较低。,计算单位容积内的放热速率,温度分布浓度分布,导热微分方程扩散微分方程,谢苗诺夫提出了一种简化的热理论，他认为容器内混气的温度和浓度是均匀的，它们只随时间变化。,谢苗诺夫的可燃气体混合物的热力着火