燃燒原理基礎

第一部分燃燒原理基礎掌握化學反應速率的基本規(guī)律和影響因素了解著火過程和熱自燃理論掌握火焰?zhèn)鞑サ幕疽?guī)律掌握擴散和動力燃燒的基本內(nèi)容了解兩相燃燒的基本規(guī)律化學熱力學化學動力學燃燒學化學熱力學：反應體系的初始、終了狀態(tài)化學動力學：反應的過程和所需時間、反應速率§2-1化學動力學基礎化學反應速率阿累尼烏斯定律影響反應速率的因素鏈鎖反應1、化學反應的分類化學反應是具有不同原子結構的物質(zhì)重新組合的過程。

把能代表反應機理的、由反應微粒（分子、原子、離子或自由基等）一步直接實現(xiàn)的變化稱為“基元步驟”。

基元步驟簡單反應：復雜反應：僅有一個基元步驟構成由兩個以上基元步驟構成的一、化學反應速率復雜反應簡單反應單位時間內(nèi)，反應物或產(chǎn)物濃度的變化。2、化學反應速率k對化學反應：aA+bBcC+dD化學反應速率表達式：

濃度（3）質(zhì)量濃度（密度）：（1）摩爾濃度：（2）分子濃度：3、質(zhì)量作用定律簡單反應的速率與各反應物濃度以其化學計量系數(shù)為指數(shù)冪的乘積成正比。

反應速率常數(shù)4、化學反應級數(shù)n化學反應級數(shù):化學反應速率與濃度呈多少次方的關系，就稱為幾級反應，它是濃度影響反應速率大小與快慢的反映。零級反應一級反應二級反應三級反應簡單反應的級數(shù)常與反應式中作用物的分子數(shù)相同反應級數(shù)可以不是整數(shù)，如一般碳氫燃料與氧的反應是1.5～２級反應

反應級數(shù)是從化學動力學實驗測定溫度對反應速率的影響，集中反應在反應速率常數(shù)K上。1889年阿累尼烏斯提出反應速率常數(shù)K與反應溫度T之間的關系：

K0為頻率因子Ea為活化能R為通用氣體常數(shù)

二阿累尼烏斯定律阿累尼烏斯定律反應了溫度對反應速率的影響阿累尼烏斯定律是實驗得出的結果不是所有的化學反應都符合阿累尼烏斯定律實際反應速率隨溫度變化關系對燃料和氧化劑的反應，反應速度式子：燃料的質(zhì)量相對濃度氧化劑的質(zhì)量相對濃度，n為反應級數(shù)ρ混合物密度分子之間需要通過碰撞才能引起化學反應單位時間內(nèi)碰撞次數(shù)越多，反應速率越快不是所有的碰撞都會發(fā)生反應發(fā)生反應所需的臨界能量叫活化能

活化能越小，物質(zhì)的化合能力越強

能量大于活化能的分子為活化分子活化分子間的碰撞可以發(fā)生反應

分子碰撞理論在單位時間內(nèi)所有A分子與所有B分子的總碰撞次數(shù)為：對于氣相反應：

能量超過活化能的活化分子占分子總數(shù)的比值：反應速率：頻率因子K活化分子之間的有效碰撞次數(shù)為：質(zhì)量作用定律只適用于基元反應對復雜反應，取決于其中一個反應最慢的基元反應。三影響反應速率的因素1、反應物性質(zhì)飽和分子的活化能比較大，根與離子的反應活化能趨于02、溫度對反應速率的影響溫度升高，分子運動速度加快，碰撞能量超過活化能的部分增大，反應速度加快。3、壓力對反應速率的影響一級反應：二級反應：4、反應物質(zhì)成分的影響雙分子反應四鏈鎖反應現(xiàn)象1、2、低溫時磷、乙醚的蒸氣氧化出現(xiàn)冷焰3、一種在反應歷程中含有被稱為鏈載體的低濃度活性中間產(chǎn)物的反應。鏈載體參加到反應的循環(huán)中，并且它在每次循環(huán)之后都重新生成。

鏈載體：自由基、離子等§2-2著火過程燃燒過程分為兩個階段：著火、燃燒。著火是燃燒的起始和準備階段。著火方式：（1）鏈鎖自燃（2）熱自燃（3）點燃（強迫著火）熱自燃理論熱理論認為：著火是反應放熱因素和散熱因素相互作用的結果。

放熱＞散熱：著火成功放熱＜散熱：不成功1、閉口系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)分析法通過器壁的散熱量：ω-化學反應速率，V-體積q-熱值，系統(tǒng)的化學反應放熱量：α-對流換熱系數(shù)，A-表面積T-反應過程中溫度系統(tǒng)熱量的變化量：系統(tǒng)的熱平衡方程：取決于Exp(-E/RT)為T的線性函數(shù)，斜率初始值：T0改變α：改變P：（1）E↓或kn↑TB↓（2）↑（即α↑或V↓）T0c↑（3）Pc↓TB↑，Pc↑TB↓（4）熱自燃有一定濃度界限

影響熱自燃的因素著火著火不著火不著火貧燃限富燃限富燃限貧燃限PB=c，TB～xMTB=c，PB～xM3、著火感應期混氣由初始狀態(tài)到溫度急速上升所經(jīng)歷的時間。感應期表達式：對于烴類燃料，反應級數(shù)近似為二級，有：壓力↓，溫度↓，感應期↑§2-3均勻混氣的火焰?zhèn)鞑ヒ弧恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ヒ讶細馕慈細饣鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣燃囱娣宓姆ㄏ蛩俣龋ㄓ址Q正交速度）：1、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑サ臋C理有三種理論：熱理論：認為控制火焰?zhèn)鞑サ闹饕獧C理為從反應區(qū)到未燃區(qū)域的熱傳導擴散理論：認為來自反應區(qū)的鏈載體的逆向擴散是控制層流火焰?zhèn)鞑サ闹饕蛩鼐C合理論：認為熱的傳導和活性粒子的擴散對火焰?zhèn)鞑タ赡苡型戎匾挠绊?、火焰?zhèn)鞑C理將火焰鋒面可分為兩部分：反應區(qū)預熱區(qū)設：u0=un，則火焰鋒面駐定。3、火焰?zhèn)鞑ニ俣萓n連續(xù)方程：P≈常數(shù)對于一維帶化學反應的定常層流流動，其基本方程為：

動量方程：能量方程：絕熱條件下，火焰的邊界條件為：把火焰分成預熱區(qū)與反應區(qū)，在預熱區(qū)中忽略化學反應的影響，而在反應區(qū)中忽略能量方程中溫度的一階導數(shù)項。

分區(qū)近似解法：(1)壓力的影響一般碳氫燃料燃燒過程的反應級數(shù)1.5～2，因此：壓力對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戄^小(v=-0.25～0)4、影響層流火焰?zhèn)鞑サ囊蛩?2)溫度的影響溫度增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾印?/p>

（C=1.5～2）

(3)混氣成分的影響存在一個最佳混氣成分，這時火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?。對每一種混氣，都存在一個火焰?zhèn)鞑サ臐舛冉缦?，當混氣太貧或太富時，火焰就不能傳播。

(4)混氣性質(zhì)導溫系數(shù)活化能氧濃度二、紊流火焰?zhèn)鞑ダ字Z數(shù)直管段中，Re＜2300時，層流混氣的流動為紊流時，Re＞3200時火焰為紊流火焰1、紊流的基本屬性描述紊流的運動速度為：—平均速度，—瞬時脈動速度紊流強度：描述紊流流動的主要參數(shù)：紊流尺度l：紊流中形成的氣體微團的平均直徑?；蛭F的平均脈動距離三個方向上的分量一般不等2、紊流火焰特征和火焰速度紊流火焰特征1）火焰長度縮短2）火焰前鋒變寬3）火焰峰面粗糙4）有噪音紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@大于層流1)焰鋒表面積增加2)加速熱量和活性中心的傳輸3)加快了新鮮混氣和燃氣的混合

3紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣?）紊流尺度遠小于層流火焰前鋒的厚度2）紊流尺度大于層流火焰前鋒的厚度，但紊流強度ε較小——表面燃燒理論單位時間內(nèi)焰峰表面燒掉的混氣量以層流焰峰表示以紊流焰峰表示3）當紊流強度ε很大時u’》unu’/un》1ut∝u’ut只取決于脈動速度，與化學動力學因素無關4、影響紊流傳播速度的因素（1）雷諾數(shù)Re↑ut↑（2）壓力Pt↑ut↑（3）溫度T↑ut↑（4）u’u’↑ut↑（5）混氣濃度§2-4擴散燃燒與動力燃燒燃料燃燒時間包括兩部分：τ=τm+τrτm：燃料與空氣混合所需要的時間τr：化學反應時間τm》τr：

擴散燃燒，τ≈τmτr》τm：

動力燃燒，τ≈τr

τr、τm相差不大

：

動力—擴散燃燒一、擴散燃燒和動力燃燒基本概念α1=1α1＞1α1＜1α1=0本生燈二、氣相擴散燃燒1、層流擴散火焰結構火焰面位置火焰形狀濃度/溫度變化2、紊流擴散火焰1—火焰頂點2—層流向紊流的轉變點3火焰高度Q—容積流量Dm—擴散系數(shù)層流紊流4、擴散火焰的特點（1）擴散火焰的穩(wěn)定性（2）碳氫化合物的熱分解三、氣—液兩相燃燒1、蒸發(fā)或燃燒時的油珠溫度表面溫度開始時高于核心溫度，到一定時候，兩者溫度平衡－蒸發(fā)平衡溫度或濕