燃料与燃烧(第三篇)A

《燃料与燃烧》第三篇燃烧基本原理第三篇燃烧基本原理学习的重点内容1.气体射流的混合过程2.燃烧的主要分类：动力燃烧和扩散燃烧3.化学反应速度及其影响因素，阿伦尼乌斯定律4.连锁反应和支链反应5.自燃着火和强制点火6.层流火焰传播速度，火焰稳定性的基本原理，影响传播速度的因素；紊流火焰传播速度的概念7.层流和紊流扩散火焰的结构，层流和紊流预混火焰的结构第三篇燃烧基本原理当燃料中的可燃分子与氧气分子接触时,在一定的浓度和温度条件下就会产生燃烧反应,并放出一定的热量。在燃烧发生以前为了使燃料和氧化剂分子相接触，必须创造条件使反应物质充分的混合，这就是燃烧的气流混合和扩散过程。在燃烧技术中把从混合到燃烧反应完成的整个过程称为燃烧过程。燃烧现象是一种包括流体流动、传热传质和化学反应的复杂的物理和化学的综合过程。燃烧过程的建立不仅需要浓度和温度的条件，还需要一定的时间和空间条件。第三篇燃烧基本原理燃料燃烧过程：煤块/油滴/燃气燃烧过程燃烧是复杂的物理和化学的综合过程包括三传一反：动量传递（流动）热量传递质量传递（扩散）化学反应燃烧所需的时间：=混+（热+反）=扩+反第三篇燃烧基本原理燃烧的基本分类：（1）动力燃烧（动力学控制，预混燃烧）：反»扩（2）扩散燃烧（扩散混合控制）：扩»反（3）中间燃烧：介乎两者之间：扩与反相当其它燃烧分类：按燃料：气/液/固体燃料燃烧按气体流动状态：层流/紊流/过渡燃烧按反应物物态：均相/异相燃烧第七章气体射流的混合过程工业炉的燃烧过程：气体混合、传热传质、化学反应（物理因素+化学因素）在燃气的燃烧过程中，燃烧反应的速度、火焰的传播速度、火焰的长度和宽度、炉内的温度场分布等燃烧特性都与燃气和空气的混合过程密切相关。混合过程中燃气和空气相对速度的大小、气流的交角、旋转气流的强度等物理因素都会对燃烧过程产生直接的影响。在燃烧技术中，研究射流的混合规律对正确设计燃烧装置，合理组织燃烧过程非常重要。采用的射流类型：园断面自由射流、同心射流、交叉射流、旋转射流等第七章气体射流的混合过程§1静止气体中的自由射流射流结构—初始段+过渡段+自模段（充分发展区）射流边界层：射流喷入静止气体中，在边界上由于两种气体间的速度差和粘性的存在，会产生动量交换和质量的交换。使射流的断面沿程增大。第七章气体射流的混合过程§1静止气体中的自由射流射流结构—初始段+过渡段+自模段（充分发展区）特点:初始段：射流核心内的速度、浓度和温度保持与喷口出口相同。过渡段：射流核心消失，断面轴向速度分布不断变化，中心和边缘的速度差大。自模段：射流得到充分发展，断面轴向速度分布规律呈正态分布，速度逐渐趋于均匀，气流的混合渐趋均匀。第七章气体射流的混合过程§1静止气体中的自由射流初始段和过渡段长度与喷口形状、喷口速度分布和紊流强度有关。初始段长度：xp=(4-5)d0过渡段长度:xT=10d0射流半宽度与轴向距离呈正比：y=constx射流轴心速度um的衰减规律：um-轴心速度轴心浓度cm的衰减规律：5.116.0uu0m0dx5.122.0cc0m0dxcm-轴心浓度第七章气体射流的混合过程§1静止气体中的自由射流在射流的充分发展区，轴向流速的径向分布规律：实验常数Ku=82-92浓度的径向分布规律：实验常数Kc=54-57])([expuu2mxyKu])([expcc2mxyKc第七章气体射流的混合过程§1静止气体中的自由射流自由射流对周围气体的卷吸率等密度射流：非等密度射流：me、m0为卷吸质量流量和初始质量流量。根据喷射到静止气体中的紊流自由射流的基本特征，可以估算紊流扩散火焰的长度。132.0mm00edx1)32.0mm05.000edxsρρ（第七章气体射流的混合过程§2同向平行流中的自由射流射流喷于同向平行的主气流中时，其射流的扩展、核心区的长度等都和射流与外围气流之间的速度梯度有关。速度梯度小，射流的扩展慢，两种气体的混合也就慢，射流核心会加长。速度梯度的大小对于气流的混合非常重要。射流出口附近轴向流速的分布规律：（7-15）其中：r1、r2—混合区的外半径和内半径射流核心xp长度：λ124dx0p)cos1(2u120rrrruusπ5.02.00uusλ第七章气体射流的混合过程§2同向平行流中的自由射流射流喷射于同向平行的主气流中时，其射流的扩展、核心区的长度等都和两气流之间的速度梯度有关。速度梯度小，射流的扩展慢，两种气体的混合也就慢，射流核心会加长。速度梯度的大小对于气流的混合非常重要。射流充分发展区轴心速度uc的衰减：（7-17）射流截面的速度分布规律：Y0.5是计算截面上的最大和最小速度平均值处的径向距离。xxuuuupss0c)2cos15.05.00Yruuuussπ（第七章气体射流的混合过程特点：1、射流要受到迎风面主流的动压的冲击剪切，背风面出现降压旋涡，射流逐渐弯曲变形并产生强烈的卷吸掺混作用。2、射流弯曲变形的程度与射流、主流的交角θ0，射流与主流的速度比λ=v0/u0有关。3、射流分为3段：射流核心段、显著弯曲段（射流剖面迅速变形）、旋涡扩展段（射流的方向逐渐转到主流方向）。§3交叉射流交叉射流：以一定的角度与主气流相交的射流叫交叉射流。为了加强燃气与空气的混合，在工程燃烧技术上经常采用交叉射流的技术来达到两种气流更好更快的均匀混合。第七章气体射流的混合过程38.085.0)(dxdy0o/vu§3交叉射流应用交叉射流时原则：1、尽可能增大射流的穿透深度(y/d),2、对应的射流不能互相碰撞，以避免阻塞主流的正常流动，增加阻力。3、多股平行射流不能相交，以避免前后射流相互干扰，影响与主流的混合效果。正交射流穿透深度的经验公式：（7-21）λ是主流与喷射流的速度比值。第七章气体射流的混合过程§3交叉射流交叉射流的弯曲变形情况和射流轴心的轨迹线可以通过分析射流中的受力建立微分方程，在一定的条件下可以求解得到射流的轴线方程。如窄缝交叉射流的轴线方程为：（7-31）当θ0大于900时上式取负值。K是实验常数。)(2002θθctgctgKxKy第七章气体射流的混合过程§5旋转射流旋转射流的特点：1、具有轴向、径向和切向速度分量。2、在流场的径向和轴向都有压力梯度，当轴向压力梯度大时流体将会产生回流形成回流区。3、流场特征：旋转紊流运动、自由射流和尾流的运动组合旋转射流的作用：在燃烧技术中利用旋流的特点来控制火焰长度、强化燃烧过程和改善火焰的稳定性。第七章气体射流的混合过程§5旋转射流旋流强度和旋流数：旋转射流的旋转强度的强弱用旋流数S的大小来判定。旋流数：GΦ-旋转自由射流的角动量Gx-旋转自由射流的轴向动量R-旋流器出口半径RGGxS第七章气体射流的混合过程§5旋转射流旋流强度和旋流数：在旋转的射流中角动量和轴向动量是恒量保持不变。角动量（旋转动量)：轴向动量：vx、vΦ、p–射流断面的轴向分速度、切向分速度和静压力。RxconstrdrvrvG02)(RRxxconstrdrprdrvG00222第七章气体射流的混合过程§5旋转射流旋流数：vx、vΦ、p–射流断面的轴向分速度、切向分速度和静压力。RRxRxxRrdrprdrvrdrvrvRGGS0020)22(2)(第七章气体射流的混合过程§5旋转射流要计算旋流数必须知道旋流中切向速度、轴向速度和静压力沿半径的分布规律，对工程设计计算一般是困难的。可以通过旋流器的入口初始条件并忽略压力项进行近似计算：（7-49）vx0、vΦ0–旋流器中气流的轴向分速度和切向分速度。RrdrvrdrvrvRGGSRxRxx)2(2)(020000''第七章气体射流的混合过程§5旋转射流对于已知结构的叶片式旋流器，计算出轴向动量和角动量的积分就可以按以下公式近似计算旋流数：（7-51）只要知道了旋流器的内外半径r1和r2,以及叶片的安装角度φ就可以算出S。判定：S﹤0.6，弱旋流（无回流）S﹥0.6，强旋流（有回流）tgrrrrrGGSx2213212'')(1)(132第八章燃烧反应速度和反应机理§1化学反应速度一、化学反应速度单位时间内反应物浓度的变化叫化学反应速度：W=dC/d（kMol/m3·s）例如：CO+H2O=CO2+H2(还原反应)W=dCCO2/d=dCH2/d=-dCCO/d=-dCH2O/d生成物的生成速度等于反应物的反应速度。第八章燃烧反应速度和反应机理化学反应速度：W=KCn反应级数n（燃烧反应多为二级反应）化学反应速度常数K阿伦尼乌斯定律：K=K0exp（–E/RT）频率因子（前指数因子）K0活化能E；通用气体常数R。第八章燃烧反应速度和反应机理二、影响化学反应速度的因素W=K0exp（–E/RT）Cn1.温度T温度升高，反应速度加快；到一定温度（10000K）后，增加缓慢；2.活化能E(分子活化所必须的分子能量)反应本身固有性质；E高，难于反应；3.反应物浓度C浓度高，反应速度加快（与反应级数n有关）；4.反应物分压分压大即浓度也高，反应速度也加快5.反应级数n由化学反应本身决定。第八章燃烧反应速度和反应机理§2可燃气体的燃烧反应机理一、链锁反应机理可燃气体的燃烧反应属于链锁反应中的支链反应。支链反应过程中不断有中间活性产物（活化中心）产生，这些活性产物主要是自由态原子或基团。活化中心能与反应物继续反应，生成产物的同时又产生新的活化中心，使得反应不断加快。活化中心具有高能量，反应时所需的活化能要低得多。第八章燃烧反应速度和反应机理§2可燃气体的燃烧反应机理链锁反应：直链反应（不分支）：链锁反应过程中，活化中心数量不增加，反应速度保持稳定不变。支链反应（分支）：链锁反应过程中，活化中心数量不断增加使支链反应的反应速率不断加快。第八章燃烧反应速度和反应机理§2可燃气体的燃烧反应机理一、链锁反应机理1、链的形成过程---即反应物由于热力活化或其他作用而形成初始活化分子的过程。2、链的传递过程---活化分子与反应物相互化合而产生反应产物的同时,又再生新的活化分子,在分支链锁反应过程中,再生的新的消化分子数目要大于消耗的活化分子数目。3、链的断裂过程---亦即为活化分子与器壁,或与惰性分子相碰后而失去能量,活化分子销毁的过程。第八章燃烧反应速度和反应机理二、氢的燃烧反应机理H2+0.5O2=H2O1.链的产生（形成活化中心）H2+O22OHH2+M2H+MO2+O2O3+O（M为活化分子，M为惰性分子）2.链的继续与支化（支链反应）H+O2OH+OE=75.4kJ/Mol控制反应2OH+2H22H2O+2HE=41.9kJ/MolO+H2OH+HE=25.1kJ/MolH+3H2+O22H2O+3H活化中心增加，反应速度加快第八章燃烧反应速度和反应机理3.器壁断链（活化中心消失）2H（碰器壁）H22OH（碰器壁）H2O2(过氧化氢-双氧水）2O（碰器壁）O24.空间断链H+O2+MHO2（超氧酸，一种自由基）+MO+O2+MO3（臭氧）+MO+H2+MH2O+M第八章燃烧反应速度和反应机理二、氢的燃烧反应机理感应期1—开始阶段，得到的能量用以产生活化中心，并不提高反应速度。等温过程的支链反应速度绝热过程的支链反应速度第八章燃烧反应速度和反应机理二、氢的燃烧反应机理H2的反应速度主要取决与活化能最大的基元反应，H+O2OH+O燃烧反应的控制反应为：H+O2OH+O燃烧反应速度可表示为：考虑到温度的影响，H2的反应速度为：可见温度对燃烧反应速度的影响非常显著。2OHCKCW2)1054.7exp(10411OHCCRTTW第八章燃烧反应速度和反应机理§3碳的燃烧反应机理第八章燃烧反应速度和反应机理§3碳的燃烧反应机理第八章燃烧反应速度和反应机理§3碳的燃烧反应机理一、碳的晶格结构第八章燃烧反应