冉景煜版 工程燃烧学--第 07 章

重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity第七章气体燃料燃烧热能与动力工程系气体燃料的燃烧火焰类型气体燃料预混式燃烧气体燃料扩散式燃烧重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity第一节概述热能与动力工程系气体的燃烧过程扩散式燃烧火焰部分预混式燃烧火焰完全预混式燃烧火焰重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity3任何一种气体的燃烧过程基本上都包括以下三个阶段：1）可燃气体与空气的混合；2）混合后的可燃气体的加热和着火；3）完成燃烧化学反应。燃气与空气的混合是一种物理过程，需要消耗能量和一定的时间才能完成。混合后的可燃气体只有加热到它的着火温度时才能进行燃烧反应；着火以后，可燃气体的加热是靠其本身燃烧产生的热量而实现的。影响气体燃料燃烧速度的主要矛盾不在燃烧反应本身，而在气体燃料与空气的混合以及混合后的可燃气体的加热升温速度方面，可燃气体与空气的混合与加热对整个燃烧过程起着更为重要的作用。重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity对于气体燃料的燃烧可分为扩散式燃烧，部分预混式燃烧和完全预混式燃烧。4（a）完全预混火焰；（b）部分预混火焰；（c）扩散火焰重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity（一）完全预混式燃烧特征1.完全预混式燃烧是指气体燃料和燃烧所需的全部空气在燃烧器中已均匀混合，预混可燃气体的过量空气系数为为1.05~1.10，因此，燃烧过程只有着火燃烧一个阶段。燃烧速度主要取决于化学反应速度。2.预混火焰的燃烧温度高，燃烧强烈，燃烧完全，无黑烟，火焰呈透明状，无明显轮廓。也称为无焰燃烧。3.由于燃料和空气在燃烧前已均匀混合，所以有回火的危险，应严格控制预热温度。为了防止回火和爆炸，燃烧器的燃烧功率不能太大。5重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity（二）扩散式燃烧特征1.扩散式燃烧时,由于燃料和空气在进入炉膛前没有预先混合，而是分别送入炉膛后，一边混合，一边燃烧，燃烧速度较慢。其燃烧过程有两个阶段，一是可燃气体和空气的混合阶段，二是化学反应阶段。2.燃烧主要在扩散区进行，燃烧速度的大小主要取决于混合速度，为实现完全燃烧则需要较大的燃烧空间。为了减小不完全燃烧热损失，要求较大的过量空气系数，一般为1.15~1.25。3.由于燃气和空气在进入炉膛前不混合，所以无回火和爆炸的危险，可将燃料和空气分别预热到较高的温度，以利于提高炉内温度水平，提高热效率。6重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity（三）部分预混式燃烧特征1.部分预混式燃烧是指气体燃料和燃烧所需的部分空气在喷出喷口前，在燃烧器中预先混合（一次空气系数一般为0.5～0.6），在喷口外再和燃烧所需的其余二次空气逐步混合并继续燃烧。2.它兼有扩散式燃烧和完全预混燃烧的特点，燃烧反应速度很快，燃烧得以强化，火焰温度也提高了。有时也称为半无焰燃烧。7重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity在锅炉设备中广泛采用扩散燃烧，保证火焰稳定；同时利用人工的扰动和涡流的方法来加速可燃物和空气的混合过程，强化燃烧。8重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity第二节气体燃料预混式燃烧热能工程系流动速度分布规律火焰传播速度火焰长度LB出口中心线上火焰传播速度湍流火焰长度LB重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity动力燃烧火焰形状10预先将可燃气体燃料及空气均匀混合后的可燃气体混合物送入燃烧器内，并且在可燃气体混合物中的空气含量足以保证可燃气体燃料的完全燃烧。可燃预混气的动力燃烧在层流运动工况下，化学均匀的可燃气体混合物的火焰形状（即动力火炬的形状）如图所示。重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity一、流动速度分布规律1.管内任一截面上混合物的流动速度呈抛物线分布。可燃气体混合物在燃烧器的管内作层流运动时，管内任一截面上混合物的流动速度w分布规律：2201Rrww11重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity2.当可燃气体温合物流出燃烧器的出口时，将作层流的自由扩张，即为层流自由射流，则在燃烧器出口处以外的混合物的速度将不再按抛物线的规律来分布；3.靠近管壁处的混合物流速并不等于零，而具有某一速度值wR。米海立松认为在燃烧器出口处以外，靠近管壁处的混合物流速并不等于零，并建议采用如下的速度分布规律：在管壁处r=R，混合物的流速w=wR。RwRrww220112重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity当火焰前沿在稳定不动的情况下，在火焰前沿某点处的气体速度和火焰前沿移动的正常速度之间有如下关系(余玄定律)：二、火焰传播速度13cosHvw重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity三、火焰长度LBL00B32uRwwzLRr1.当可燃气体混合物的流速及燃烧器管径越大时，则火焰长度LB越长；2.当可燃气体混合物的火焰传播速度越大时，则火焰长度越短。14重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity(1)实际火焰燃烧过程中，火焰锋面不可能为一数学表面，所以在火焰锥体的内部，可燃气体混合物得到一定程度的预热，这样在喷管中心线上流动的混合物的预热程度较其他部分混合物高，所以在喷管中心线上应具有最大的火焰传播速度。(2)活化中心从火焰的反应区向火焰锥体的内部进行扩散，这样在喷管中心轴线上所获得的活化中心亦较其他部分为多，所以促使在中心轴线上的正常火焰传播速度为最大。四、燃烧器出口中心线上具有最大的火焰传播速度15重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity湍流工况下化学均匀可燃气体混合物的火焰形状亦是圆锥体形的，对于可燃气体混合物在湍流工况下火焰核心的长度亦可用下式：五、湍流火焰长度16TRBTwLv重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity第三节气体燃料扩散式燃烧热能与动力工程系扩散式燃烧主要特征扩散式燃烧分类同轴伴随流射流扩散燃烧特性重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity（1）气体燃料扩散式燃烧所需的空气将从火焰的外界依靠扩散的方式来供给，故火焰的形状和火焰的表面积大小不再是取决于火焰传播的速度，而是取决于气体燃料和空气之间的混合速度；（2）不同流动工况，混合过程不同：层流工况下，混合过程是纯粹依靠分子热运动的分子扩散；而在湍流工况下，混合过程主要依靠微团扰动的湍流扩散。18一、扩散式燃烧主要特征重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity按照气体燃料和空气供入燃烧室的不同方式，扩散式燃烧可以有以下三种情况：1.自由射流扩散燃烧：气体燃料以射流形式由燃烧器喷入大空间的空气中，形成自由射流火焰。2.同轴伴随流射流扩散燃烧：气体燃料和空气分别由环形喷管的内管与外环管喷入燃烧室，形成同轴扩散射流。由于射流受到燃烧室容器壁面的限制和周围空气流速的影响，为受限射流扩散火焰。3.逆向射流扩散燃烧：气体燃料和空气喷出的射流方向正好相反，形成逆向喷流扩散火焰。二、扩散式燃烧分类19重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity扩散燃烧火焰形状1－空气过剩时；2－可燃气体过剩时气体可燃物及空气分别在管径为R1的内管和管径为R2的外管中作层流流动，内、外管系同心的；管径为R2的外管一方面可看为供给空气的“炉膛”，另一方面它限制了火焰向外扩散。20三、同轴伴随流射流扩散燃烧特性1.扩散燃烧火焰形状重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity2.层流火焰长度（1）对于扩散火焰，当气流流动速度w增加和燃烧器半径增大（系平方关系）时，火焰长度增加；当分子扩散系数D增加时，火焰长度减短。（2）对于层流工况来讲，假定D≈υ、其中υ表示运动粘性系数。DwRL22BReRL2B火焰长度与喷口尺寸的比值与Re成正比DQLBDQRL2B矩形喷口圆截面燃烧器气流流动速度w增加和燃烧器半径增大（系平方关系）时，火焰长度增加；分子扩散系数D增加时，火焰长度减短。重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity1）圆截面燃烧器：空气和气体可燃物在单位时间内的流量与成正比，得：所以在圆截面喷燃器中，在一定的气体流量下，其火焰长度与速度、管径无关。2）隙缝型形喷口：气体流量正比于wR2，则：式中的R2应理解为燃烧器喷口的宽度，m。22wR22~vBqLD2~vBqRLD重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity3.紊流工况下扩散燃烧的火焰长度T22TBDwRL84.03T109pReD在紊流流动工况下，扩散燃烧的火焰核心的长度同样随气体流速及燃烧器管径的增加而增加，但其增加的程度将比层流工况下为小。不论气体的流动工况为层流或为紊流，在化学非均匀的扩散燃烧过程中，其火焰的性质在很大程度上取决于气体的空气动力特性和混合过程的物理因素，而火焰核心的长度基本上与火焰传播的正常速度无关。重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity第四节气体燃料燃烧器热能与动力工程系重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity无焰燃烧是指燃气和空气在进入燃烧室之前就预先将其混合均匀。因其燃烧速率只取决于着火和燃烧反应速度，它比有焰燃烧的速率快，火焰短，没有明显的火焰轮廓，故称为无焰燃烧，属于动力燃烧。一、引射式无焰燃烧器25重庆大学能源与环境研究所InstituteofEnergy&Environment,ChongqingUniversity在工业上应用最广泛的是利用引射器，以燃气作为引射介质，空气为被引射介质（少数情况下也有以空气为引射介质的），使空气和燃气通过引射器达到均匀混合。这种装置称为引射式无焰燃烧器，或简称引射式燃烧器。261-燃气喷口；2-空气调节阀；3-空气吸入口；4-混合管；5-扩压管；6-喷头；7-燃烧坑道8-坑道张角重庆大学能