燃烧学讲义2010-第三章气体

西安交通大学能源与动力工程学院1第三章气体燃料燃烧3.1着火基本原理3.2火焰传播3.3扩散火焰和预混火焰3.4气体燃料燃烧时的火焰稳定措施3.5气体燃料火焰长度西安交通大学能源与动力工程学院2燃烧过程是包括发光放热的化学反应，故存在两个最基本的阶段：着火阶段、着火后燃烧阶段。着火定义：燃料和氧化剂混合后，由无化学反应（从缓慢的氧化反应）向稳定的强烈放热状态的过渡过程。热着火链式着火西安交通大学能源与动力工程学院3热着火：可燃混合物由于本身氧化反应放热大于散热，或由于外部热源加热，温度不断升高导致化学反应不断自动加速，积累更多能量最终导致着火。——大多数气体燃料着火特性符合热着火的特征。链式着火：由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中心产生速率大于销毁速率时，导致化学反应速度不断加速，最终导致着火。——某些低压下着火实验（如H2+O2，CO+O2的着火）和低温下的“冷焰”现象符合链式着火的特征。西安交通大学能源与动力工程学院43.1着火基本原理热着火过程与链式着火过程区别——热着火通常比链式着火过程强烈得多。热着火过程：温度升高引发的，将使得系统中整体的分子动能增加，超过活化能的活化分子数按指数规律增加。导致燃烧反应自动加速。链式着火过程：主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的，由于活化中心会被销毁，所以链式着火通常局限在活化中心的繁殖速率大于销毁速率的区域，而不引起整个系统的温度大幅度增加，形成“冷焰”。但是，如果活化中心能够在整个系统内加速繁殖并引起系统能量的整体增加，就形成爆炸。一个完善的燃烧过程应是：及时着火，稳定燃烧，充分燃尽西安交通大学能源与动力工程学院5热着火过程分两类自燃：自发的着火，依靠系统自身化学反应的放热来维持系统的升温。强燃：强迫着火，借助外部能量（固壁、火花塞），使其局部着火，然后火焰传播到整个可燃混合物中。西安交通大学能源与动力工程学院6零元系统：容器内可燃气体混合物的成分、温度与压力是均匀的，也称强烈掺混模型。3.1.1自燃一、由热平衡的角度分析西安交通大学能源与动力工程学院7产热（单位时间）：C——可燃混合物中反应物浓度n——反应级数V——容器体积Q——可燃混合物的燃烧热T——温度10exp()nEQkCVQRT散热：20()QSTTη——散热系数S——容器壁散热面积T0——容器壁温度T——容器内可燃混合物温度热平衡西安交通大学能源与动力工程学院8QTABCT0ⅠT0ⅡT0ⅢTljQ2ⅠQ2ⅡQ2ⅢQ1产热：10exp()nEQkCVQRT散热：20()QSTT西安交通大学能源与动力工程学院9①两个交点：A点，稳定，但其温度绝对值太低，熄灭状态;C点，不稳定，脉动→燃烧or熄灭②线Ⅲ：Q1＞Q2，没交点，着火③线Ⅱ：Q1≥Q2，一个切点切点B不稳定，有波动→要么回到B点，要么着火B：着火临界点西安交通大学能源与动力工程学院10由切点的数学条件得着火临界条件002exp()exp()(exp()nljljljljEEkCVQASTTRTRTEEASRTRTⅡ）解方程得：01422ljTEETRRRⅡE（另一根舍去）0500~1000TKⅡ80~400/EkJmol8.314/RJmol014TRⅡE200014122TRTRTR2ⅡⅡⅡ2－EEE所以：将展开，忽略高次项，2112QQdQdQdTdT西安交通大学能源与动力工程学院11两种着火温度的定义0039.5ljRTTT2ⅡⅡ＝℃EljzhTT0zhTTⅡ区别不大影响因素：η↓有利着火燃料活性强（E小或k0大）易着火T0↑容易着火01000TKⅡ210/EkJmolQTABCT0ⅠT0ⅡT0ⅢTljQ2ⅠQ2ⅡQ2ⅢQ1定义一：T0II定义二：Tlj西安交通大学能源与动力工程学院12Ⅰ、Ⅱ不至于着火情况Ⅲ着火，在Tlj时，温度拐点，孕育时间Tyu如果系统初温升高是有利于着火，孕育时间缩短（V线）。（为Tyu↓,可以提高初温）二、自燃过程温度变化TτⅠⅡⅢTljⅣⅤTyu示例：使用FORTRAN语言求解常微分方程的方法，求解零维系统自燃问题求解对象：系统热平衡方程其中，系统产热为系统散热为得到一个常微分方程这个方程手工求解很困难，但是用计算机编程的方法求解则很容易西安交通大学能源与动力工程学院1312vdTVcQQd10exp()nEQkCVQRT20()QSTT00exp()()nvEkCVQSTTdTRTdVck0——频率因子，初值取100.0E——活化能，初值取1.E5R——气体常数，初值取8.314C——可燃混合物中反应物浓度，初值取1.0n——反应级数，初值取1.0V——容器体积，初值取1.0Q——可燃混合物的燃烧热，初值取2.E7T——容器内可燃混合物温度，初值取与T0相等的数值。——散热系数，初值取5.0S——容器壁散热面积，初值取6.0T0——容器壁温度，初值取800.0定解条件：=0时，T=T0。以上方程描述了一个零维系统的温度从=0开始随时间变化的过程。西安交通大学能源与动力工程学院14Euler法求解常微分方程设有一个常微分方程定解条件：取向前差分，令得由此可以构造一个由初始条件进行递推的算法：可以通过x0,x1,x2,…,xn的值算出对应的y0,y1,y2,…,yn的值西安交通大学能源与动力工程学院15(,())dyfxyxdx00,yyxx11nnnnyydydxxx11()(,)nnnnnnyyxxfxy0100111201(,),(,)nxxxxfxyyfxyyyyyyyprogramself_igniteimplicitnonereal::tao0,T0,tao,T,tao1,T1,dtao,taomax,Tmaxinteger::ii=0tao0=0.T0=800.dtao=0.1tao1=tao0T1=T0taomax=1000.Tmax=1.e30西安交通大学能源与动力工程学院16open(01,file='t.dat')dowhile(abs(tao)=taomax.and.abs(T)=Tmax)i=i+1tao=tao+dtaoT=T1+dtao*f(tao1,T1)print*,i,tao,f(tao,T),Twrite(01,*)tao,f(tao,T),Ttao1=taoT1=Tenddoclose(01)西安交通大学能源与动力工程学院17containsfunctionf(tao,T)implicitnonerealf,tao,T,q1,q2,V,rho,cvrealk0,c,n,E,R,Q,yita,Sk0=100.c=1.n=1.E=100.e3R=8.314V=1.Q=2E7yita=5S=6.rho=1.cv=1000.q1=k0*c**n*exp(-E/(R*T))*V*Qq2=yita*S*(T-T0)f=(q1-q2)/(V*rho*cv)endfunctionendprogramself_ignite西安交通大学能源与动力工程学院18求解结果：变化初始温度T0的情况西安交通大学能源与动力工程学院1902004006008001000200300400500600700800900100011001200130014001500TemperatureT/KTime/sCT0=300~800T0=820T0=840T0=860T0=880T0=900T0=1000T0=1100求解结果：变化散热系数的情况西安交通大学能源与动力工程学院20020040060080010008008208408608809009209409609801000TemperatureT/KTime/sC=1~9=4.2=4.4=4.6=4.8西安交通大学能源与动力工程学院21一些燃料空气混合物大气压下着火温度(α≈1)名称分子式着火温度氢H2530~590一氧化碳CO644~658甲烷CH4658~750乙烷C2H6520~630乙烯C2H4542~547乙炔C2H2406~480苯C6H6580~740航空汽油—390~685原油—360~367重油—336煤油—250~609木柴—250~350烟煤—200~500无烟煤—600~700焦炭—700西安交通大学能源与动力工程学院22烷、烯、炔的着火温度是烷烃最高（为饱和烃，所以活性低）炔烃最低（三价键不饱和烃，活性最强）液体燃料着火温度一般小于气体燃料着火温度。——注意，这里说的着火温度是自燃的着火温度固体燃料中挥发分高的着火温度低，无烟煤、焦炭挥发分很少，所以着火温度最高。褐煤煤场、油炉空气预热器上积的油、制粉系统的积粉等等，在通风不良（散热Q2很小时），经相当长时间孕育，可燃物浓度达到着火限时，在低于室温的情况下，也会自燃着火。着火温度与燃料空气混合物的浓度有关；通常用过量空气系数α（实际空气量/符合化学当量比的空气量）来表示西安交通大学能源与动力工程学院23Tα散热系数η增大自燃温度Tzr着火温度与燃料空气混合物的浓度（过量空气系数α）的关系自燃范围如果温度T和燃料浓度（过量空气系数α）配合的点在U形曲线以上的区域，则会发生自燃甚至爆炸，称为爆炸区。西安交通大学能源与动力工程学院24特别强调，无论定义Tlj或T0为着火温度Tzh，这个Tzh不是一个物理常数，它是随着着火条件变化而变化的，散热条件增强，则着火温度上升。自选作业：刚才的零维系统自燃问题中，燃料浓度C是常数，不随燃烧过程减少。这不符合真实的燃烧情况。试改进以上模型，考虑到燃烧过程中产生的燃料浓度减少，重新绘制自燃过程的温度、物料浓度变化曲线。进一步引入氧气浓度影响化学反应速度的模型，讨论过量空气系数变化的时候，临界自燃温度的差异，并绘制自燃曲线（U形线）。西安交通大学能源与动力工程学院25西安交通大学能源与动力工程学院263.1.2强迫点燃强迫点燃：用炽热物体使可燃混合物着火常用方法：炽热固壁点燃、电火花或电弧点燃（汽油发动机）、火焰点燃、自燃方法点燃（柴油机中的压缩的点燃）。炽热物体向周围可燃混合气散热，在边界层中可燃混合物由于温度升高而进行化学反应，反应产热使气体温度不断升高而着火。西安交通大学能源与动力工程学院27强迫点燃的热过程高温火源向可燃混合物加热在高物物体边界层中着火整个可燃混合物点着反应热量再加热西安交通大学能源与动力工程学院28强迫点燃的临界条件：设有温度不同的炽热物体置于静止或低速可燃混合气中（T0），则有以下几种可能性：1.Tw较低，远低于自燃温度，但Tw＞T0。此时，炽热物体与混合可燃气间由于导热作用交换热量，仅使得靠近物体表面附近的薄层内（热边界层）的气体温度升高，导致该层内化学反应速度升高、产热。但不足以点燃主流中的气体。TxT0可燃混合物的温度分布（不含化学反应）可燃混合物实际的温度分布（含化学反应）化学反应放热西安交通大学能源与动力工程学院292.如Tw升高，则上图中实线虚线均上升，边界层的温度分布达到下图所示：此时边界层内，边界层内气体与固壁间已无热交换，可以想象此时气体边界层会一点点向混合气推进，使混合气T升高。这是主流着火的临界条件。TxT0Tqr可燃混合物的温度分布（不含化学反应）可燃混合物实际的温度分布（含化学反应）化学反应放热西安交通大学能源与动力工程学院303.如Tw进一步升高，边界层内混合气化学反应加速，产热增多，边界层内温度快速上升，高温的边界层将向混合气导热，一层层的混合气化学反应加速，高温区扩大，最终整个主流的可燃气着火。TxT0Tqr可燃混合物的温度分布（不含化学反应）可燃混合物实际的温度分布（含化学反应）化学反应放热西安交通大学能源与动力工程学院31强燃的临界条件应为：Tw=T