燃料与燃烧(第三篇)B

《燃料与燃烧》第三篇燃烧基本原理第十章燃烧传播过程本章主要讨论可燃预混气火焰传播的产生、发展和火焰传播的机理，建立正常火焰传播速度的数学表达公式，分析正常火焰传播速度的影响因素等。可燃预混气在局部点燃形成一微小点火源,产生的热量将加热邻近较冷的混合气层,使其温度升高并着火燃烧。这样一层一层着火把燃烧反应逐渐扩展到整个混合气区域的现象叫火焰传播。可燃预混气：在着火前将燃气与空气按照一定比例预先混合好的能够燃烧的混合气。正常燃烧过程：着火阶段——火焰的传播——稳定燃烧第十章燃烧传播过程第十章燃烧传播过程火焰传播的三种类型:1、正常火焰传播2、爆燃3、爆炸第十章燃烧传播过程正常火焰传播:在管子开口端附近的燃烧火焰传播过程形式称为正常火焰传播（火焰的传播速度通常较小）。爆燃：其火焰的传播速度超过了声速，一般可达1000～4000m/s，爆燃主要是由于气体燃料受冲击波的绝热压缩而引起的。爆炸：爆炸是发生在密闭空间的爆燃,由于气体燃料受到绝热压缩瞬间产生剧烈反应,高温产物在密闭空间受限膨胀产生巨大冲击力的燃烧过程。第十章燃烧传播过程第十章燃烧传播过程§1火焰前沿面及正常火焰传播机理一、火焰前沿面在均相的可燃气体混合物中，点燃一部分可燃气体混合物，则在着火处就形成了一个极薄的(0.1一0.5毫米厚)温度非常高的燃烧反应带，该燃烧反应带就称为火焰面或者火焰前沿面。由于焰面温度非常高，热量便从焰面以热传导的方式向未燃气体传播，使邻近的末燃气体层温度升高,达到着火温度后又形成了新的焰面。如此下去，焰面就不断向未燃气体方向转移而形成火焰面的移动。第十章燃烧传播过程二、燃烧（火焰）传播机理层流火焰传播速度：在层流气流中焰面沿其法线方向移动的速度称为层流火焰传播速度。第十章燃烧传播过程火焰的传播、焰面的移动与稳定的规律：1、火焰传播的方向总是逆气流方向；2、火焰面的前方是未燃气体，后方为燃烧产物，火焰面是分界面；3、当|u|〉|w|时火焰面将向气流上游方向移动；当|u|〈|w|时火焰面将向气流下游方向移动；4、当|u|=|w|时，火焰面将静止不动（稳定燃烧）。稳定燃烧的必要条件：混合气的流速必须与火焰传播速度大小相等。第十章燃烧传播过程火焰传播理论的基本要点：1、火焰面上的化学反应使其边界上产生了很大的温度梯度和浓度梯度；并产生强烈的热量和质量的交换；2、热量和质量的交换加速了邻近混合气的化学反应，形成新的燃烧反应区（火焰面）不断向前推进。3、火焰中的化学反应主要是由于系统中热量的导入使分子活化引起的，因此反应区的移动主要取决于反应区向未燃气区域传热的导热率（热力理论）；4、火焰中活化中心的存在和向外的扩散使连锁反应不断发展，从而引起火焰的传播（活化中心扩散理论）。火焰的传播是一种复杂的物理和化学现象，火焰传播的快慢主要取决于预混可燃气的物理化学性质、温度和浓度。研究火焰传播理论的目的，就是要了解层流火焰传播及其传播速度的规律。以便于正确设计燃烧设备，合理控制燃烧过程，保证燃料的稳定和完全燃烧。第十章燃烧传播过程第十章燃烧传播过程§2层流火焰传播速度一、建立基本方程（导热方程）假设（1）平面一维流动，过程稳定，常物性；（2）燃烧反应只在高温反应区进行；（3）管壁对流传热和辐射传热可以忽略（假定绝热）（4）反应物和生成物的比热CP基本相同。第十章燃烧传播过程§2层流火焰传播速度一、建立基本方程（导热方程）δ—火焰面厚度δp—预热区δc—反应区第十章燃烧传播过程§2层流火焰传播速度一、建立基本方程（热平衡方程）dx微元的热平衡方程：两侧面导入热量+反应热=微元体热焓增量dTGCWqdxdxdTdxdTPdxxx)|(|第十章燃烧传播过程§2层流火焰传播速度一、建立基本方程（热平衡方程）dTGCWqdxdxdTdxdTPdxxx)|(|dx微元的热平衡方程：两侧面导入热量+反应热=微元体热焓增量导热项焓增项反应项dxdxdTdxddxdTdxdTdxx)(|其中：0)(WqdxdTGCdxdTdxdP代入平衡方程得：dxdxdTGCdTGCPP)(第十章燃烧传播过程二、两区物理模型预热区：忽略化学反应，W=0反应区：温度接近燃烧温度，dT/dx=0第十章燃烧传播过程三、方程求解1.在预热区（忽略反应热wqdx=0）边界条件x=x0：T=T0x=x1：T=TB´设Y=λdT/dxx=x0：Y0=0则方程可写为：0)(dxdTGCdxdTdxdP有：dxdTGCdxdYP)(0''010TTGCdTGCdYBPTTPxxB)()(|0'00'11TTCuTTGCdxdTYBPLBPx得：第十章燃烧传播过程2.在反应区（dT/dx=0温度梯度为0）边界条件:x=x1：T=TB´,x=x2：T=TKdT/dx=0Y2=0因为Y=λdT/dx得:dx=（λ/Y）dT则微分方程改写为：dY/dx+Wq=0dY=-Wqdx-YdY=λWqdT积分：0)(WqdxdTdxd有：21'xxTTdTWqYdYKBdTWqYKBTTxx'21)|21(2dTWqYKBTT'21221,0Y积分上式得：因为21'1)2(|1dTWqdxdTYKBTTx所以：第十章燃烧传播过程3、计算层流火焰传播速度根据以上计算，在预热区与反应区交界面的温度梯度为：预热区：反应区：故或者)(|0'01TTCudxdTBPLx21'1)2(|dTWqdxdTKBTTxKBTTBPLqWdTTTCu'2)(0'0KBTTBPLqWdTTTCu'2)(10'0第十章燃烧传播过程扩展到在全部反应区域均应该满足：而在预热区:（反应产生的热量很少）因此:由于着火温度与燃烧温度比较接近：因此:得层流火焰传播速度（数学解析式）如下：KBTT''00'BKKBTTTTTTwqdTwqdTwqdT'00BTTwqdTKKBTTTTwqdTwqdT0'00'TTTTKBKTTKPLqWdTTTCu02)(100第十章燃烧传播过程层流火焰传播速度的定性表达式：可以改写为：（10-10）上式具有重要的理论价值，它揭示了层流火焰的传播机理，具体反映了火焰传播速度与各种影响因素的关系。实际上可燃混合气的正常火焰传播速度的具体数值是由实验测定的。KTTKPLqWdTTTCu02)(10000)(21TTqWCuKPL平均第十章燃烧传播过程4、对层流火焰传播速度的分析(1)火焰传播速度与其平均导热系数的平方根成正比例，而与其定压比热Cp的平方根成反比例，因此层流火焰传播速度与气体混合物的物理常数有关；(2)层流火焰传播速度随着差值（TK-T0）的减小而增加，因此如果将气体预先加热然后再送入燃烧室，则其火焰传播速度能得以提高。第十章燃烧传播过程4、对层流火焰传播速度的分析(3)可燃气体混合物的热效应及化学反应速度也显著地影响燃烧速度，当可燃气体混合物的热效应及化学反应速度低的情况下，则层流火焰传播速度数值也小；(4)可燃气体混合物的过剩空气系数也将影响其燃烧速度,当可燃混合物中的空气含量不足（n1）或过多时（n1）都会使燃烧温度Tr降低，因而也降低层流火焰传播速度。第十章燃烧传播过程四、对uL的影响因素层流火焰传播速度：理论分析证明，层流火焰传播速度是可燃气体的一个物理化学特性参数，它主要受到可燃混合气本身的特性、压力、温度、添加剂、惰性气体含量、组成结构等各种因素的影响。00)(21TTqWCuKPL平均第十章燃烧传播过程四、对uL的影响因素1.可燃混合气性质的影响组分不同，0、CP、、q、W都不同。分析：a.化学反应速度W大的燃料，层流火焰传播速度uL也大，凡是能够使W增大的因素，也能使uL增大；b.凡是活化能E小的燃料，W就大，这时uL也大；c.提高温度可以使反应加速，也能使uL增加。第十章燃烧传播过程四、对uL的影响因素2.可燃气体浓度（n值）的影响a.可燃混合气的uL将随着过剩空气系数n而改变。b.各种可燃混合气的最大的uL值处于可燃物浓度比化学当量的比例稍大的混合物中（即n＜1）。c.碳氢化合物的最大uL值发生在n＝0.96处，且该值不随压力与温度改变。第十章燃烧传播过程四、对uL的影响因素2.可燃气体浓度（n值）的影响d.在燃料稍富的情况下，火焰中的自由基H、OH等浓度大，链锁反应不容易中断,uL也就相对较大。燃料浓度小，W↓，uL↓燃料浓度过大，氧气浓度↓，因而W↓uL↓第十章燃烧传播过程四、层流火焰传播速度uL的影响因素3.氧化剂中O2含量的影响氧气浓度↑，W↑，因而uL↑提高氧化剂中氧的含量，相当于减少了可燃混合气中的惰性气体，能够明显增加火焰传播的进程，因此采用富氧或纯氧燃烧，可以显著提高燃烧强度。第十章燃烧传播过程四、对uL的影响因素4.可燃混合气的初始温度的影响TO↑，同时W、↑，0↓因此，uL↑。火焰传播速度与初始温度的关系为：n=1.7-2.0提高可燃物初始温度可以大大促进化学反应速度，从而增大W值。混合气初温对uL的影响主要是通过对化学反应速度的影响而间接反映出来的。把燃气和空气预热至高温可以明显提高燃烧速度和燃烧强度。nTTTuu)(00第十章燃烧传播过程§3火焰传播浓度界限1.火焰传播浓度界限的概念所谓火焰传播浓度界限实际上是火焰在怎样的浓度条件下才能进行燃烧传播的问题,可燃混合气必须在一定的浓度范围内才能着火并维持火焰的传播。火焰传播浓度下限：火焰能够维持正常传播的可燃混合物中燃料的最小浓度值。火焰传播浓度上限：火焰能够维持正常传播的可燃混合物中燃料的最大浓度值。第十章燃烧传播过程§3火焰传播浓度界限1.火焰传播浓度界限的概念对于各种不同的可燃气体混合物，其浓度接近于上限或下限时，反应产生的热量不足以抵消燃烧区传向外界的热量损失，使燃烧区的温度降低到不足以促进化学反应，这时火焰就将无法维持而熄灭，当强制点火时也会无法着火。第十章燃烧传播过程2、影响火焰传播浓度界限的因素（1）燃料性质的影响不同性质的可燃气的火焰传播浓度界限不同。2、影响火焰传播浓度界限的因素（2）可燃混合气压力的影响提高反应系统的压力可以扩大火焰传播的界限，上限的扩大尤其显著。第十章燃烧传播过程第十章燃烧传播过程2、影响火焰传播浓度界限的因素（3）可燃混合气初温的影响提高可燃混合气的初始温度有利于化学反应的加速进行，燃烧温度会提高，加快火焰传播速度，这有利于于火焰传播界限的扩大。第十章燃烧传播过程2、影响火焰传播浓度界限的因素（4）管径的大小对传播界限的影响火焰在管子中传播时，管径的大小对火焰传播浓度界限有很大的影响，管径小时，火焰的传播速度会小，当管径小到一定程度时，由于管壁传热相对过大，火焰传播速度将趋于零，火焰将无法传播。此时的管径叫淬熄直径。第十章燃烧传播过程2、影响火焰传播浓度界限的因素（4）管径的大小对传播界限的影响意义：a.利用淬熄直径的原理阻止火焰的通过，是防止回火的重要措施；b.增大燃烧器喷孔孔径可以扩大火焰传播的浓度范围。在n=1时H2+aird=0.9mmCH4+aird=3.5mm焦炉煤气+空气d=2.0mm§4层流火焰传播速度的实验测定火焰传播速度的定性公式只能进行定性分析,不能算出uL的准确数值,准确的uL只能通过实验测定。测定方法：1、静力法(管子法)：火焰在管子中静止的可燃气中传播，测定火焰面的移动速度。2、动力法(本生灯法)：火焰在管口稳定燃烧，通过一定测试手段和计算得到uL。第十章燃烧传播过程§4层流火焰传播速度的实验测定一、静力法（管子法）测试原理：1、管中充满被测定的可燃混气，球形容器中充满惰性气体，为保持管中压力稳定，使管子体积较小而球体相对较大，体积比1/100。2、点火器点火，打开气阀，火焰面将向右方移动，产物会向球内移动。弯曲的火焰面面积为F，管子截面积为f，焰面移动速度为vn,层流火焰传播速度为uL。第十章燃烧传播过程第十章