層流預(yù)混火焰

1、 2021-5-12 卷面成績分布 2021-5-13 系列1, 50以下, 6 系列1, 50-59, 20 系列1, 60-69, 24 系列1, 70-79, 19 系列1, 80以上, 6 期中總體成績分布 2021-5-14 4 7 26 19 14 5 , 50以下, 4 4 7 26 19 14 5 , 50-59, 7 4 7 26 19 14 5 , 60-69, 26 4 7 26 19 14 5 , 70-79, 19 4 7 26 19 14 5 , 80-89, 14 4 7 26 19 14 5 , 90分以上, 5 第1題 要組成1摩爾的C8H18-空氣混合物，當(dāng)

2、=2/3時(shí)，需要多少空氣量？如果這一混合物進(jìn)行燃燒，請給出燃 燒后的產(chǎn)物的組成（分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)來表示），假設(shè)燃燒為完全燃燒。 2021-5-15 =2/3時(shí)反應(yīng)方程式為： 即： 所以對1mol的混合物，需要的空氣量為： mol 2021-5-1 6 818222222 318118318 (8)(3.76)89(8)(8)3.76 242424 C HONCOH OON 818222222 18.75(3.76)896.2570.5C HONCOH OON 18.75 4.76 0.9889 1 18.75 4.76 第2題 假設(shè)在化學(xué)當(dāng)量比條件下，計(jì)算C3H8 和 O2 燃燒的理論

3、燃燒溫度，產(chǎn)物有50%的回流，并假設(shè)產(chǎn)物分解 （H，O，OH,）等可以忽略。即產(chǎn)物僅考慮為水和二氧化碳。（且燃料溫度為298K，氧氣濃度為398K， 回流的煙氣的溫度為448K，理想氣體，壓力為1atm） 2021-5-17 2021-5-18 38222 534C HOCOH O 3822222 53468C HOCOH OCOH O 在化學(xué)當(dāng)量比條件下的反應(yīng)方程式為： 在有50%的產(chǎn)物回流的時(shí)候，最后平衡時(shí)的反應(yīng)方程式為： 定壓絕熱燃燒，所以反應(yīng)物和產(chǎn)物的焓應(yīng)相等， TFuel=298K, TOxygen=398K，Trecirculation=448K，所以， 假設(shè)理論燃燒溫度為3100

4、K，定性溫度約為1700K， 則有： T=3108K prodreact HH 第3題 2021-5-19 0 exp(/) pTu KGR T 0 T G 假設(shè)對化學(xué)反應(yīng)H2O+CO=CO2+H2 ，其在1100K 和p=1大氣壓下的平衡常數(shù)K=1，試計(jì)算在at p=8 atm , T=1100K下的平衡常數(shù)K 答：平衡常數(shù) 對于一個(gè)反應(yīng)來說， 是只與溫度有關(guān)的一個(gè)函數(shù)，所以從公式可以看 出，平衡常數(shù)與壓力無關(guān)，只和溫度相關(guān)。所以，在 p=8 atm , T=1100K下的平衡常數(shù)K=1。 第4題 2021-5-110 下述反應(yīng)中哪些是基元反應(yīng)，哪些不是？哪些又是沒有更多的 信息是無法確定是

5、否是基元反應(yīng)？ 1H2+Br2 2HBr 22H2+O22H2O 3O+H2OH+H 42O+CH3CO+OH+2H 5H+O2OH+O 6N2+O22NO 7H+H+MH2+M 8NO+NO+O2NO2+NO2 9C3H8+MC2H5+CH3+M 基元反應(yīng)：3，5：只斷一個(gè)鍵，生成一個(gè)鍵； 7，只形成一個(gè)新鍵，M傳遞能量； 9，只斷一個(gè)鍵，M傳遞能量； 非基元反應(yīng)：1，斷兩個(gè)鍵，生成兩個(gè)鍵，且對碰撞的方向要求 高； 2，斷三個(gè)鍵，形成四個(gè)鍵，且對碰撞的 方向要求高； 4，斷三個(gè)鍵，形成兩個(gè)鍵； 6，斷兩個(gè)鍵，形成兩個(gè)鍵，且對碰撞的 方向要求高 附加條件： 8，斷一個(gè)鍵，形成兩個(gè)鍵，在高壓高溫

6、的情況下可 能為基元反應(yīng)。 第5題 2021-5-111 在各種工業(yè)品的制造中都需要加入阻燃 劑，一般采用鹵素類元素作為阻燃劑， 試從你學(xué)習(xí)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)知識分析其阻 燃原理。 答：鹵素元素結(jié)合自由基形成穩(wěn)定的化 合物，使得自由基的濃度減少，從而減 緩反應(yīng)的進(jìn)行，達(dá)到阻燃的目的。 第6題 2021-5-112 2021-5-113 2021-5-114 內(nèi)容 概述 物理描述 簡化分析 完全分析 影響火焰速度和厚度的因素 不同燃料的火焰速度 熄火，可燃性和點(diǎn)火 火焰穩(wěn)定性 總結(jié) 2021-5-115 概述 應(yīng)用: 對湍流火焰研究的重要性 基本特征 簡化分析 完全分析 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 火焰速度；火焰形狀；

7、火焰穩(wěn)定性；吹熄 （blow-off; blow-out）；回火 可燃性；點(diǎn)火；熄滅（ extinction） 2021-5-116 2021-5-117 物理描述 定義 主要參數(shù) 典型的實(shí)驗(yàn)室火焰 2021-5-118 Understanding Flames Jet Burner: 2000W/cm2 Stoichiometric burn temperature Premixed Flame: 1000 W/cm2 Stoichiometric burn temperature Diffuse Flame: 0.1-10 W/cm2 Lower burn temperature; non

8、- stoichiometric 燃料與潔淨(jìng)燃燒燃料與潔淨(jìng)燃燒實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室 6 0 F F= 6 0 F= 9 0 F= 9 0 x y z L 細(xì)目鐵絲網(wǎng) 整流段 凸緣 銜接段 入口 混合管路 流量計(jì) 調(diào)壓閥 高壓甲烷 高壓空氣 混合管路 高壓空氣 高壓甲烷 4 C H= 1 1 % 1 0 . 5 %1 0 %9 . 5 %9 %8 . 5 % W V = 1 . 6 m / s e c , T= 7 0C 2021-5-120 Triple-pump CARS measurements performed in laminar hydrogen/air diffusion flame.

9、Simultaneous acquisition of single-shot H2/N2 and H2/O2 spectra demonstrated. Triple-Pump CARS Experiments 2021-5-121 Premixed Results from gaseous reactants that are mixed prior to combustion Flame propogates at velocities slightly less than a few m/s Considered constant pressure combustion Reacts

10、quite rapidly Example: Spark Ignition Engine 2021-5-122 Laminar Premixed Ex. Bunsen Burner Flame moves at fairly low velocity Mechanically create laminar conditions Diffusion Ex. Candle Flame Fuel: Wax, Oxidizer: Air Reaction zone between wax vapors and air Principle of Flame Stabilization by Low-sw

11、irl Fuel/Air mixture Propagating against the divergent flow, the flame settles where the local velocity equals the flame speed Small inclined air jets swirl the perimeter of the fuel/air mixture A divergence flow region is generated above the burner tube The swirler is recessed from the burner exit

12、by a distance L to allow interaction between the core and the swirl flow Vane Swirler for Practical LSBs Angled vanes to induce swirling motion in annulus Center channel allows some premixture to bypass swirl annulus Screen balances pressure drops between swirl and center flows New definition of swi

13、rl number, S, for scaling to different sizes 22222 3 ) 1/1(1 1 tan 3 2 RRmR R S Ratio of center channel radius to burner radius 0.8 R = Rc/Rb = 0.5 Straight or curved vane with angles 37o 45o Ratio of mass flow rates through center channel and swirl annulus 0.3 m 0.5 2021-5-125 Unique Features of LS

14、B Can Overcome Limitations of Premixed Combustion Freely propagating premixed turbulent flame Unattached and lifted flame Flame stabilization does not rely on flow recirculation Stable under very rich to ultra lean conditions High turn-down exceeding 50:1 Emissions not highly sensitive to degree of

15、mixing Simple design compatible to current hardware Flashback conditions can be predicted No flame oscillations towards lean blow-off 2021-5-126 Vane Swirler Scalable to Different Sizes 2.54 cm LSB for water heaters (6 kW to 30 kW) 12.7 cm LSB for boilers (150 kW to 3 MW) 6.35 cm LSI for gas turbine

16、s (7 MW) Applied swirl number criterion 0.4 S 0.55 to scale LSB up to 30 cm diameter at 8 MW output 2021-5-127 Evaluate 12.7 cm LSB in Commercial Watertube Boiler with External FGR Use blower and controls for the commercial product Performance targets NOx 12 ppm and 0.87, 35% FGR LSB exceeded most t

17、argets 9 ppm NOx with 12% FGR at f = 0.87 at 1.2 MW Pressure slightly higher than conventional burners 2nd prototype can reduce pressure requirement by 40% 2021-5-128 5 ppm NOx Concept: LSB + FGR and Partial Reformed Natural Gas Exploit combustion features of hydrogen-enriched natural gas flames Use

18、 LSB to capture these benefits Incorporate a partial reformer to produce proper H2:CH4 ratio Demonstrated in water heater simulator Natural Gas Radiant section of boiler Convective section Stack Nat. gas + Flue gas + Reformed gas Reformer flue gas Steam Air fan Flue gas A B Burner 0.7 f 0.9 0 FGR 0.

19、3 PRNG = 0 and 0.05 Reformer at 650 C CH4 = 0.12 l/s steam = 0.04 l/s Steam (5%) has no effect on LSB 2021-5-129 Current DLN Gas Turbine Engines Use High-Swirl Injectors (HSI) Centerbody promotes formation of recirculation to entrain and ignite fresh mixture Flame attachment at centerbody rim 2021-5

20、-130 LSI can be Configured at Atmospheric Pressure and Low Velocities Removed centerbody from SoLoNOx swirler Fitted with an exit tube and center channel screen Optimized flame lift off at 6-8 m/s 2021-5-131 VP130(98)-004 Titan 130 雙軸燃?xì)廨啓C(jī)雙軸燃?xì)廨啓C(jī) 1997投入運(yùn)行 由金牛 70動(dòng)力學(xué)模型放大 初始功率 - 18,300 hp (ISO) 熱效率 - 34.

21、5% 14-級軸流壓縮機(jī) 傾斜預(yù)混燃燒室 多孔冷卻火焰筒和可調(diào)機(jī)構(gòu)噴嘴 2-級 燃?xì)獍l(fā)生器和 2-級動(dòng)力渦 輪 2021-5-132 Titan 130 燃燒室燃燒室 可變空氣閥 燃燒室火焰筒 外殼 噴嘴 VP130(98)-022 2021-5-133 Titan 130 燃燒室燃燒室 可調(diào)機(jī)構(gòu)閥可調(diào)機(jī)構(gòu)閥 可調(diào)空氣閥機(jī)械機(jī)構(gòu) 燃燒室外殼 VP130(98)-023 噴嘴法蘭 2021-5-134 Titan 130 可調(diào)機(jī)構(gòu)閥和噴嘴可調(diào)機(jī)構(gòu)閥和噴嘴 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 空氣進(jìn)口 可調(diào)閥 低預(yù)混噴嘴 VP130(98)-024 2021-5-135 火焰的定義 亞音速下，局部燃燒區(qū)域可自維持的傳播

22、. 局部 亞音速 不連續(xù)的燃燒: 爆燃（deflagration) 超音速: 爆震(detonation) 2021-5-136 溫度分布 火焰速度 SL uLuub b S Av Av A 2021-5-137 快速化學(xué)反應(yīng)區(qū) 緩慢反應(yīng) 2021-5-138 本生燈 一維平面火焰 絕熱燃燒器 非絕熱燃燒器 sin Lu Sv 2021-5-139 2021-5-140 2021-5-141 2021-5-142 2021-5-143 例題 8.1 一個(gè)穩(wěn)定燃燒的層流預(yù)混火焰，混合氣可視為一維流動(dòng)，其軸向速度 vu 與水平坐 標(biāo)x呈線性關(guān)系，如圖8.6所示，試確定火焰形狀以及火焰面與軸向所呈的

23、局部角 度。 假設(shè)火焰速度均為0.4 m/s, （一般化學(xué)當(dāng)量比下甲烷空氣預(yù)混火焰的速度） 2021-5-144 求解 根據(jù)圖8.7，可以通過公式8.2來計(jì)算火焰面與軸向平面所呈的角度。 其中，根據(jù)圖8.61 sin (/) Lu Sv 1200800 (mm/s)800(mm) 20 u vx 2021-5-145 2021-5-146 2021-5-147 因此，有 計(jì)算結(jié)果繪于圖8.6（上圖）， 當(dāng)x=0時(shí),角度為 30; 當(dāng)x=20時(shí), 角度為 19.5 為了計(jì)算火焰位置，我們先在x-z平面上得到火焰面局部斜率(dz/dx)的表達(dá) 式，然后對其求積分解出z(x) ，根據(jù)圖8.7我們可以

24、看到： 1 400 sin (), 80020 (mm)x 2021-5-148 A/SL=2 ， B /SL=0.05 求積分得： 1/2 2 1 LL dzABx dxSS 2021-5-149 0 21/2 1/2 2 ( )() (801200)(1) 40 10ln801200(40) 20 310ln(20 340). x dz z xdx dx x xx xxx 2021-5-150 簡化分析(基于Spalding的理論) 傳熱 傳質(zhì) 化學(xué)動(dòng)力學(xué) 熱力學(xué) 目標(biāo)：找出層流火焰速度的簡化表達(dá)形式. 2021-5-151 建模對于燃燒研究是非常重要的:尚無精確的理論 我們需要通過建模做

25、模擬計(jì)算: 物理描述(物理模型) 假設(shè) 守恒方程(數(shù)學(xué)模型) 求解(解析解或數(shù)值解) 結(jié)果分析或與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較 2021-5-152 假設(shè) 1.一維，穩(wěn)流， constant-area, 2.動(dòng)能、勢能、粘性力做功以及熱輻射均忽略 3.忽略火焰面兩側(cè)微小的壓力差;即壓力恒定 4. 熱擴(kuò)散和質(zhì)擴(kuò)散由傅立葉（Fourier）定律及費(fèi)克（Fick）定律決定 二元擴(kuò)散（Binary diffusion）. 2021-5-153 5. 劉易斯（ Lewis ）數(shù)Le：熱擴(kuò)散 率與質(zhì)擴(kuò)散率的比, Le1.即 k/cp=D,大大簡化了能量 方程。 , p k Le Dc D 2021-5-154 6.混合物

26、的比熱不受溫度或組分的 控制。相當(dāng)于假設(shè)所有組分的比熱 均為常數(shù)且相等。 7.燃料與氧化劑經(jīng)一步放熱反應(yīng)生 成燃燒產(chǎn)物。 8. 氧化劑為化學(xué)當(dāng)量值或過量； 即燃料完全氧化。 2021-5-155 火焰分析的控制體 m x x=+ x=- x 控制體 T(x) 2021-5-156 守恒定律 質(zhì)量: 或 () 0 x dv dx constant. x mv 2021-5-157 組分 或者，根據(jù)費(fèi)克定律 i i dm m dx i i i dY d m YD dx m dx 2021-5-158 1kg 燃料+vkg 氧化劑(v+1)kg 即, 燃料 Pr 11 1 Fox mmm vv ()

27、 F F F dY dD dY dx mm dxdx 2021-5-159 氧化劑 產(chǎn)物 () Ox Ox F dY dD dY dx mvm dxdx Pr Pr () (1) F dY dD dY dx mvm dxdx 2021-5-160 能量 重排: 0 , () ppf ii dTddT m cDch m dxdxdx 1 FC pp mhdTddT mk dxc dxdxc 2021-5-161 我們的任務(wù)：找到SL uL mS 2021-5-162 解 邊界條件: 距離火焰無限遠(yuǎn)處： () ()0. u T xT dT x dx () ()0. b T xT dT x dx 2

28、021-5-163 T(x) - 0 x d 0 d u TT T x d 0 d b TT T x 分析層流預(yù)混火焰時(shí)的假設(shè)溫度分布分析層流預(yù)混火焰時(shí)的假設(shè)溫度分布 2021-5-164 0 0 b T TdT d c T TudT dF pp hkdT m Tm dx cdxc () c buF p h m TTm dx c 2021-5-165 () b u T c buF pb u T h m TTm dT cTT 1 () b u T FF buT mm dT TT 2021-5-166 () c buF p h m TTm c 2 bu TT T d d bu TTT x 2021

29、-5-167 20 p mk c 1 2 2 () 2 () c F bup hk mm TTc 2() p kc m 2021-5-168 L F u u F L S mv m vS /2 ) 1( 2 ) 1(2 2/1 2/1 2021-5-169 例8.2 用簡化方法的結(jié)果(上述)來計(jì)算化學(xué)當(dāng)量的丙烷空氣混合物的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。采用總包的一步反?yīng)機(jī)理 來計(jì)算平均反應(yīng)速度。 2021-5-170 解 用式： 關(guān)鍵是求得式中的各物理量 1/2 2 (1) F L u m Sv 2021-5-171 簡化理論認(rèn)為反應(yīng)在火焰厚度的后半 段發(fā)生（Tb=Tad=2260,Tu=300K) 1 1

30、 ) 2 2 1770 bub TTTT K （ （ 2021-5-172 , 1 (0) 2 0.06015/20.0301 FF u YY 2 , 1 0.2331(1)0 2 0.1095 OF u YY 2021-5-173 0.11.65 38 382 FG d C H kC HO dt 3 2.439(44) 107.3/ FFF mMW kg sm 2021-5-174 52 ( ) . ( ) 0.0809 5.89.10/ 1.16(1186) up k T c T ms 2021-5-175 SL=0.425m/s Homework 8.3: 5-7cm/s 2021-5-

31、176 完全分析 為什么要研究完全（與總包的區(qū)別）？ Chemkin： Sandia 國家實(shí)驗(yàn)室,1990-1991 控制方程 2021-5-177 控制方程 連續(xù)性方程 0 dm dx 2021-5-178 組分守恒 能量守恒 , () for =1,2,.,N species i ii diffii dYd mYvMW dxdx , 11 () NN pii diffp iiii ii dTddTdT m ckYvchMW dxdxdxdx 2021-5-179 理想氣體狀態(tài)方程 擴(kuò)散速度關(guān)系 與溫度有關(guān)的參數(shù) :hi(T),cpi(T),ki(T),Dij(T) 混合物特性 MWmix,

32、k,Dij 用完全化學(xué)動(dòng)力學(xué)求解 Xis的互換關(guān)系 2021-5-180 邊界條件 ,0 11 () d ()0 d () d ()0 d () u ii i T xT T x x Y xY Y x x T xT 2021-5-181 CH4-air 火焰的結(jié)構(gòu) 1 atm, 化學(xué)當(dāng)量, CH4-air 火焰; CHEMKIN ; GRI-MECH 2.11 2021-5-182 2021-5-183 2021-5-184 2021-5-185 影響火焰速度和厚度的因素 1過量空氣系數(shù)的影響。 2燃料化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響。 3添加劑的影響。 4混合可燃物初始溫度T0的影響。 5火焰溫度的影響。 6壓

33、力的影響 7惰性物質(zhì)含量的影響。 8熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱的影響。 2021-5-186 過量空氣系數(shù)的影響 可燃?xì)怏w混合物的火焰?zhèn)鞑ニ俣萿H將隨著過量空氣系數(shù)而改變。對于各種不同可燃?xì)怏w混合物其最大的 uHmax并非處于可燃?xì)怏w混合物的過量空氣系數(shù)等于1的情況，即混合物按化學(xué)當(dāng)量的比例來混合的成份。 實(shí)驗(yàn)表明，其uHmax系發(fā)生在含可燃物濃度比化學(xué)當(dāng)量的比例稍大的混合物中（即f,所示uruH?？偟膩碚f,由此法測得結(jié)果與本生燈測 量的結(jié)果相近。 2021-5-1113 2021-5-1114 定容球法 一個(gè)其內(nèi)充滿可燃?xì)怏w直徑通常為30cm的球形容 器,在其中心處點(diǎn)火時(shí),火焰就向四周傳播,已燃?xì)怏w

34、的膨脹會使壓力和溫度由于絕熱壓縮而升高。溫 度升高又會使火焰速度自中心到球壁不斷增加。 如果在此方法中,同時(shí)記錄已燃?xì)怏w的球形域的尺 寸和容器內(nèi)的壓力,則uH 上面所得的火焰速度假設(shè)了在火焰鋒面后處于 完全平衡態(tài),并且沒有熱損失。實(shí)際上在一個(gè)很大 容積中,火焰鋒面后部達(dá)到平衡狀態(tài)是有時(shí)滯的,因 此會產(chǎn)生誤差,所以用上面表達(dá)式計(jì)算所得的uH值 常常會小于真實(shí)值。 2021-5-1115 肥皂泡法( (定壓法) ) 這種方法是將一些均勻可燃混合物吹進(jìn)附近有一對電火花塞極的肥皂泡中, 點(diǎn)火 如果反應(yīng)區(qū)域中的平均有效溫度不變,則反應(yīng)機(jī)理不會隨成分的改變而變化。 假定: (1) 球形火焰沿徑向傳播。 (

35、2) 壓力保持不變。 (3) 用照相法確定火焰鋒面的發(fā)展過程。 2021-5-1116 一個(gè)明顯不足是難于確定溫度比Tu/Tb。雖然可以 假定煙氣具有理論火焰溫度,但對比膨脹比的計(jì)算 值與實(shí)測值,往往出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。而且, 由于計(jì)算 中要用到肥皂泡半徑的立方,所以必需很準(zhǔn)確地知 道肥皂泡的初始和最終尺寸,而實(shí)際上最終尺寸卻 難于精確測量。此外,還有一些其它問題: 去研究干可燃物的火焰速度是不合適的,這是因?yàn)?肥皂溶液的蒸發(fā)會使混合物變潮。 不可避免地會產(chǎn)生向電極的傳熱 對于緩慢的燃燒,火焰鋒面不可能保持球形,而且反 應(yīng)區(qū)會變厚。 對于快速反應(yīng),由于火焰結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀,火焰鋒面不 可能總是光滑的。

36、2021-5-1117 粒子示蹤法 將很細(xì)的氧化鎂粒投入氣流中,產(chǎn)生間歇性的 光亮,對示蹤粒子的拍照便可顯示它的方向,圖 是所測得的典型結(jié)果。由一級連續(xù)照片還可確 定出粒子的速度。 所采用的噴口寬度很小,只有0.755cm,如果采 用大的噴口,則由于燃燒速度均勻分布會使火 焰?zhèn)鞑ジ?。燃燒速度是一個(gè)不變的物理本征 值(由圖3-28上的水平段可以看出)。 不足之處是引入固體粒子將對火焰表面起催 化作用,以致影響燃燒過程,從而改變uH。此外, 如粒子太大,就不能準(zhǔn)確地隨氣流流動(dòng),也會產(chǎn) 生誤差。非常規(guī)測量,是非常費(fèi)力的。 2021-5-1118 2021-5-1119 2021-5-1120 平面

37、火焰燃燒器法 最簡單的火焰鋒面,并且其陰影面、紋影和可見 鋒面的輪廓都相同,可能是最精確的。將一多孔 金屬盤或一束直徑小于或等于1mm的管子置于 大管道的出口處,由一個(gè)水冷式多孔銅制(或不銹 鋼制)的噴嘴組成,在其周圍,為了引入屏蔽氣體,布 置了一組多孔罩環(huán)。這兩個(gè)部件都安裝在一個(gè)加 工精度很高,冷卻水、燃?xì)夂推帘螝怏w集中布置 的裝置中。 氣體混合物常常是在高速流動(dòng)狀態(tài)下被點(diǎn)燃 的,然后調(diào)整流速直到形成平面火焰,利用柵格控 制已燃煙氣的流出率,就可以得到一個(gè)十分穩(wěn)定 的火焰。適用于燃燒速度低于15cm/s的可燃?xì)?體,對于高uH,火焰鋒面會遠(yuǎn)離噴口,形成錐面。 2021-5-1121 2021

38、-5-1122 , , () () (1 2.1) u LL refdil u refref TP SSY TP 2021-5-1123 例題 8.3 SL=50.6cm/s 2021-5-1124 熄火,可燃性,點(diǎn)火 穩(wěn)定傳播-瞬時(shí)過程:火焰熄火和點(diǎn)火 當(dāng)通道小到一定程度，火焰會在通過時(shí)熄滅。 加入稀釋劑：水，鹵素 吹熄：blow-off: 不同吹熄 blow-out：推舉后吹熄 2021-5-1125 冷壁面熄火 正如上文提到的那樣，當(dāng)火焰進(jìn)入一個(gè)充分小的通道中時(shí)，就會熄滅。如果 通道不是太小，火焰就會傳播過去。火焰進(jìn)入圓形管熄滅而不是傳播過去的 臨界直徑，稱為熄火距離。實(shí)驗(yàn)中，對一特定直

39、徑的試管，在反應(yīng)物流突然 停止的時(shí)候，通過觀察穩(wěn)定在試管上方的火焰是否回火來確定熄火距離。 2021-5-1126 熄火距離也可以用長寬比較高的矩形狹槽來確定。這種情形，熄火距離基 于圓管的測量值比基于狹縫的測量值大一些（大約2030%） 2021-5-1127 點(diǎn)火和熄火準(zhǔn)則 Williams給出了支配點(diǎn)火和熄滅的 兩個(gè)基本準(zhǔn)則。第二個(gè)準(zhǔn)則可用于 冷壁熄火問題: 準(zhǔn)則1僅當(dāng)足夠多的能量加入到一個(gè)和穩(wěn)態(tài)傳播的層流火焰一樣厚的板 狀區(qū)域內(nèi)，使其中氣體的溫度升高到絕熱火焰溫度時(shí)，才能點(diǎn)燃。 2021-5-1128 準(zhǔn)則2板形區(qū)域內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的放熱速率必需近 似平衡于由于熱傳導(dǎo)從這個(gè)區(qū)域散熱的速率。

40、接下來，用這些準(zhǔn)則對火焰熄滅作一個(gè)簡化分析。 2021-5-1129 簡化熄火分析 如圖8.18所示的兩平行板組成一個(gè)狹縫，考慮恰好進(jìn)入其中的火焰。利用 Williams的第二個(gè)準(zhǔn)則，按照Friedman的方法，可以寫出一個(gè)使反應(yīng)生成的熱量 和壁面導(dǎo)熱損失的熱量相等的能量平衡式，即 , ,totcond QVQ 2021-5-1130 2021-5-1131 其中，單位體積的放熱率 和前面定義的 的關(guān)系是 在繼續(xù)分析之前，有一點(diǎn)很重要，就是注意到分析中已經(jīng)取板狀氣體區(qū)域（圖8.18） 的厚度為8，即方程8.21表示的絕熱火焰厚度?，F(xiàn)在的目標(biāo)是確定滿足方程8.34所 表達(dá)的熄火準(zhǔn)則的距離，即熄火

41、距離。 . cF hmQ Q F m 2021-5-1132 根據(jù)傅立葉定律，從火焰區(qū)域損失到壁面的熱量是 其中熱導(dǎo)率k和溫度梯度都是用壁面處的氣體來估算的。面積A很容易表 成 ，其中L是狹縫的厚度（垂直于紙面），2是因?yàn)榛鹧婧蛢蛇叺谋诿娼?觸。 , at wall gasIn dx dT kAQcond 2 L 2021-5-1133 然而，溫度梯度dT/dx的近似要難得多。合理的dT/dx的下限值是(Tb- Tw)/(d/2) ，這是假設(shè)中心面的溫度Tb下降到壁面溫度Tw是線性變化的結(jié)果。 由于dT/dx很可能遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)值，所以引入一個(gè)任意常數(shù)b ，由下式定義, , /bd TT dx

42、dT wb 2021-5-1134 其中，通常是一個(gè)比2大很多的數(shù)。利用方程8.35-8.37，熄滅判別式（方程 8.34）變成下面的形式： 或 bd TT LkdLhm wb cF / )2()( . )(2 2 cF wb hm TTkb d 2021-5-1135 假設(shè) Tw=Tu, 利用前面推導(dǎo)出的 和SL 之間的關(guān)系，再利用關(guān)系式： hc=(v+1)cp(Tb-Tu), 方程 8.38b 變?yōu)?或者用 表示： F m L Sbd/2 bd 2021-5-1136 方程8.39b表明，熄火距離比火焰厚度大；這和圖8.16所示的甲烷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 是一致的。 多種燃料的熄滅距離如表8.4所示

43、。應(yīng)該指出，利用方程8.28b可以估算出熄 火距離對溫度和壓力的依賴關(guān)系。 2021-5-1137 例題 8.4 層流，絕熱平面火焰。燃燒器為方形薄壁管，內(nèi)部密布圓形細(xì)管。燃料空氣 混和氣流從細(xì)管及其縫隙中流過?；瘜W(xué)當(dāng)量比的甲烷空氣氣流流出管口時(shí)溫 度為300K，壓力為5 atm. 2021-5-1138 A. 求已知條件下，單位橫截面積的混和物質(zhì)量流率。 B. 試估計(jì)不會引起回火的最大管徑。 2021-5-1139 求解 A. 對于所形成的平面火焰，要求平均流速要在給定的溫度和壓力下等于層流火 焰速度。如圖8.14, 質(zhì)量流率為： 假設(shè)混和物為理想氣體，我們可以估計(jì)混和物的密度： ./2 .

44、195/43)(/43)5 ,300(scmatmPatmKS L m LuS Amm / 2021-5-1140 及 這樣，質(zhì)量流率為 kmolkg MWxMWxMW airCHCHCHmix /6 .27)85.28(905. 0)04.16(095. 0 )1 ( 444 3 /61. 5 )300)(6 .27/8315( )325,101(5 )/( mkg TMWR P umixu u 2 /08. 1)192. 0(61. 5mskgSm Lu 2021-5-1141 B. 我們假設(shè)，如果管子的直徑小于熄火距離，在加上一個(gè)安全系數(shù)，燃燒器在燃 燒過程中就不會發(fā)生回火。這樣，我們需

45、要找到已知條件下的熄火距離。由如 8.16可知，1 atm下，狹縫的熄火距離約為1.7 mm. 由于狹縫的熄火距離比圓管 的小20-50 %，我們可以直接采用此值，并利用其差值做為安全系數(shù)?，F(xiàn)在，我 們將這個(gè)值轉(zhuǎn)換到5-atm時(shí)的情況。根據(jù)方程8.39a，得： 2021-5-1142 根據(jù)方程 8.27, 聯(lián)立上面的兩個(gè)方程 L Sd/ ./ 75. 1 PT , /2 .19 /43 5 1 7 . 1)5( 2, 1 , 2 1 1 2, 1 , 1 2 12 scm scm atm atm mmatmd S S P P d S S dd L L L L 2021-5-1143 因此有，

46、需要檢驗(yàn)的是，在此直徑下，管內(nèi)會保持層流， 即 Red2300. 用空氣特性求出粘度， 可見，此值遠(yuǎn)小于過渡值；也就是說設(shè)計(jì)是符 合熄火標(biāo)準(zhǔn)的。 mmd design 76. 0 5 .51 1089.15 )192. 0)(00076. 0(61. 5 Re 6 Ldesignu d Sd 2021-5-1144 評述： 最終的設(shè)計(jì)都應(yīng)該基于最小的熄火距離，如圖 8.16，我們可以看到最小的熄火距離出現(xiàn)在 =0.8附近，而我們的計(jì)算值與之相近。 2021-5-1145 可燃極限 2021-5-1146 2021-5-1147 火焰?zhèn)鞑ソ缦?可燃?xì)怏w混合物中的可燃物含量過濃或過稀即使在容器的一

47、處著火后，其火焰仍不能傳播到整個(gè)容器，因 而對于每種可燃?xì)怏w混合物來講，都有火焰?zhèn)鞑サ臐舛冉缦蕖?可燃物在混合物中的濃度低于某值而使正常速度為零的濃度值稱為下限，而高于某值而使正常速度為零的 濃度值稱為上限。 2021-5-1148 2021-5-1149 幾種氣體在與空氣混合時(shí)的火焰?zhèn)鞑舛葮O限（在0.10.1MPaMPa， 2020時(shí) 氣體濃度下限%濃度上限%最高火焰?zhèn)鞑ニ俣?所處濃度% 速度（米/秒） =1.0 時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?（米/秒） 氫 H26.565.2422.671.60 一氧化碳 CO16.370.9430.420.30 甲烷 CH46.311.910.50.370.28

48、乙炔 C2H23.552.3101.351.0 乙烯 C2H44.014.070.630.5 2021-5-1150 點(diǎn)火 2021-5-1151 2021-5-1152 2021-5-1153 強(qiáng)迫著火的基本概念 5.1實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫著火的條件 5.2強(qiáng)迫著火的熱理論 5.3各種點(diǎn)燃方法的分析 5.3.1 熱球點(diǎn)火 5.3.2 電火花點(diǎn)火 5.3.3 用熱金屬塊點(diǎn)火 5.3.4 用輻射能點(diǎn)燃 5.3.5 電熱絲點(diǎn)火 5.3.6 熱氣流點(diǎn)火 2021-5-1154 實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫著火的臨界條件 在熾熱體附近可燃物的溫度梯度等于零: () dT dn 界面 0 2021-5-1155 圖2-35 燃料強(qiáng)迫著

49、火 過程 2021-5-1156 圖2-36 點(diǎn)燃溫度和熾熱 球體直徑的關(guān)系 2021-5-1157 強(qiáng)迫著火的熱理論 臨界的著火條件 21 qq )( )( 01 2 TTq dX dT q 2021-5-1158 有化學(xué)反應(yīng)的一元導(dǎo)熱微分方程式 有內(nèi)部升溫時(shí) 0),( 2 2 TCQw dX Td ),( 2 1 2 2 2 TCQw dT dy dT dy y dX Td 2021-5-1159 結(jié) 果 dTTCwQ dX dT yq T T ),(2 熾 2 dTTCw Q y T T ),( 2 熾 2021-5-1160 圖2-37臨界氣流速度和湍流強(qiáng)度的關(guān)系 2021-5-116

50、1 各種點(diǎn)燃方法的分析 熱球點(diǎn)火 用熱金屬塊點(diǎn)火 電火花點(diǎn)火 電熱絲點(diǎn)火 用輻射能點(diǎn)燃 熱氣流點(diǎn)火 2021-5-1162 熱球點(diǎn)火條件 2 1 00 0 2 )/exp()( n CC Cqk RTETTNu d 2021-5-1163 圖2-38 點(diǎn)燃溫度TC與熱球直 徑d的關(guān)系 2021-5-1164 電火花點(diǎn)火 (Emin)min=kd 0 2 2021-5-1165 圖2-39 火花點(diǎn)火過程 2021-5-1166 圖2-40 無量綱溫度 分布 2021-5-1167 圖2-41 點(diǎn)火能量E與電極間隙距離d的函數(shù)關(guān)系 a)最小點(diǎn)火能量與熄火距離 b)凸緣直徑的影響 2021-5-11

51、68 圖2-42 不同可燃混合物點(diǎn)火能比較 2021-5-1169 2021-5-1170 2021-5-1171 2021-5-1172 表2-2 室溫和大氣壓下，化學(xué)當(dāng)量比混合物的熄火距離和最小 點(diǎn)火能 燃料氧化劑 d0/mm (Emin)min/10-5/J 燃料氧化劑d0/mm (Emin)min/10-5/J 氫空氣0.642.01乙烯氧0.190.25 氫氧0.250.42丙烷空氣2.0330.52 甲烷空氣2.5533.07丙烷氬+氧1.047.70 甲烷氧0.300.63丙烷氦+氧2.5345.33 乙炔空氣0.763.01丙烷氧0.240.42 乙炔氧0.090.04異丁烷空氣2.2034.41 乙烷空氣1.7824.03苯空氣2.7955.05 乙烯空氣1.2511.09異辛烷空氣2.8457.40 2021-5-1173 表 2-3 物質(zhì)硝化棉硝化聚乙稀疊氮化鋇 m h A/J/molm h Am h A 計(jì)算1.55 2.54 406001.5