氣體燃料的燃燒

氣體燃料的燃燒1第一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

第一節(jié)預(yù)混可燃?xì)怏w的著火和自燃理論（《高等燃燒學(xué)》中稱“熱力爆燃理論”）

熱著火

◆著火的反應(yīng)機(jī)理

化學(xué)鏈著火自燃—自發(fā)的著火◆著火方式點(diǎn)燃—強(qiáng)迫著火

2第二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

一、自燃熱力理論

1、絕熱條件下的自燃過程

質(zhì)量作用定律：阿累尼烏斯定律：

產(chǎn)熱率：

kJ/(s·m3)

—熱值；—化學(xué)反應(yīng)速度。

3第三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

若

n=a+b+…化學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)平衡式

將代入：積分

1、絕熱條件下的自燃過程

4第四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

根據(jù)初始條件：時(shí),

反應(yīng)結(jié)束：

（絕熱火焰溫度）兩式除微分

1、絕熱條件下的自燃過程

5第五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

1、絕熱條件下的自燃過程

圖3-1反應(yīng)物濃度與溫度的關(guān)系6第六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

1、絕熱條件下的自燃過程

圖3-2溫度、濃度、反應(yīng)速率隨時(shí)間的變化

7第七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

1、絕熱條件下的自燃過程圖3-3絕熱容器內(nèi)反應(yīng)過程中C與T隨時(shí)間的變化8第八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日1、絕熱條件下的自燃過程圖3-4絕熱容器內(nèi)可燃混合物釋熱率隨時(shí)間的變化9第九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日即各組分?jǐn)U散速度的總和不為0。即各組分?jǐn)U散速度的總和不為0。非絕熱條件下自燃的發(fā)生是有條件的，是散熱和放熱綜合作用的結(jié)果。散熱能量平衡即

2、非絕熱條件下的自燃過程10第十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D3-5非絕熱條件下的熱量平衡

a點(diǎn)—穩(wěn)定點(diǎn)；b點(diǎn)—平衡點(diǎn)，不穩(wěn)定點(diǎn)；c點(diǎn)—不穩(wěn)定點(diǎn)，著火臨界點(diǎn)Tc——著火溫度11第十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日自燃的臨界條件：

2、非絕熱條件下的自燃過程

12第十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日T0c——自燃溫度，一般T0c≈TC⑴維持著火的燃料濃度限⑵一定p，T↓或一定T，p↓→著火范圍變窄⑶一定p，T↓↓或一定T，p↓↓→任意濃度下不會(huì)著火⑷容器散熱程度↑→著火范圍變窄

3．自燃界限13第十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日3．自燃界限圖3-11一定壓力下著火溫度與成分的關(guān)系14第十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日3．自燃界限圖3-12一定溫度下自燃的臨界壓力與成分的關(guān)系15第十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日4．著火延滯（感應(yīng)）期可燃混合物從初始溫度T0上升到著火溫度Tc所經(jīng)歷的時(shí)間。16第十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日二、鏈鎖自燃理論

鏈鎖反應(yīng)基本步驟：鏈的激發(fā)→鏈的傳遞→鏈的中斷（反應(yīng)中存在鏈載體）17第十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)預(yù)混可燃?xì)怏w的點(diǎn)燃理論

點(diǎn)燃——用具有較高能量的外部熱源去接觸可燃混合物，靠近外部熱源的部分先行著火，然后火焰?zhèn)鞑サ秸麄€(gè)混合物中去。18第十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日一、點(diǎn)燃特點(diǎn)熱物體表面附近，取厚度：圖3-16穩(wěn)定的緩慢氧化狀態(tài)下，熱物體附面層中的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)19第十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日◆

能量方程（1）

導(dǎo)熱=反應(yīng)放熱量熱平衡◆

擴(kuò)散方程（2）

反應(yīng)物消耗量=擴(kuò)散量物質(zhì)平衡◆

擴(kuò)散方程乘Q，代入能量方程：。

一、點(diǎn)燃特點(diǎn)20第二十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日一般情況下Le≈1

∴積分，代入邊界條件（環(huán)境）將代入

∴

（3）

一、點(diǎn)燃特點(diǎn)21第二十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日◆可燃?xì)怏w的點(diǎn)燃是有一定條件的?！?/p>

維持熱物體表面附近一薄層氣體穩(wěn)定氧化的極限狀態(tài)，即為點(diǎn)燃的臨界狀態(tài)。

圖3-17溫度不同的熱物體點(diǎn)燃時(shí)的溫度分布

二、點(diǎn)燃熱力理論（4）（1）（3）（4）聯(lián)立，可求解。

但分析解很難，只能求近似解。22第二十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日◆

雙區(qū)理論：反應(yīng)區(qū)——反應(yīng)進(jìn)行比較迅速，反應(yīng)的熱量也主要由這一區(qū)域放出。導(dǎo)熱區(qū)——不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，只從反應(yīng)區(qū)導(dǎo)出熱量（以外區(qū)域）。

二、點(diǎn)燃熱力理論23第二十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日1、熱球點(diǎn)火熾熱的石英球或鉑金球若球溫，可能著火。

2、平面火焰點(diǎn)火火焰為無限大平板

3、電火花點(diǎn)火

點(diǎn)火能熄火距離

◆

最小點(diǎn)火能—

在可燃混合物中能夠引起火焰?zhèn)鞑サ淖钚∧芰俊?/p>

三、點(diǎn)燃方法

24第二十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

◆

可燃混合物著火

——

溫度、時(shí)間。

◆臨界點(diǎn)燃時(shí)間

——

在一定的能源性質(zhì)、形狀及大小等條件下，使一定的可燃混合物發(fā)生著火所必須的能源與混合物的接觸時(shí)間。◆要點(diǎn)燃一定的可燃混合物，必須提供一定的能量：或短時(shí)間提供大量能量，或低水平能源維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。◆可燃極限

——

在一定的壓力和溫度下，點(diǎn)火能量加大到一定程度以后，混合物的點(diǎn)燃濃度界限就不再擴(kuò)大了，這就稱為飽和點(diǎn)火能下的可燃濃度界限，或簡(jiǎn)稱

可燃極限。

四、可燃界限

25第二十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

圖3-25可燃界限示意圖可燃界限示意圖圖3-25

四、可燃界限26第二十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日1、壓力p↓→可燃極限↓2、流速w↑→著火范圍變窄3、可燃混合物初溫T0↓→著火范圍變小4、摻入其它物質(zhì)◆惰性氣體→使著火范圍變窄（上限下降）◆另一種可燃物質(zhì)→可燃極限介于兩者之間。五、影響可燃極限的因素

27第二十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日摻入惰性氣體可消除火災(zāi)熱容（比熱）和導(dǎo)熱性能對(duì)著火和火焰?zhèn)鞑サ挠绊懜叩膶?dǎo)熱性使著火困難，但有利于火焰?zhèn)鞑ィ桓叩臒崛輰?duì)著火有利，但使火焰?zhèn)鞑ダщy。良好的滅火劑都具有較高的值（火焰?zhèn)鞑ダщy）。28第二十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

層流火焰?zhèn)鞑セ鹧鎮(zhèn)鞑ネ牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ケ?/p>

第三節(jié)層流火焰?zhèn)鞑セ鹧驿h面向未燃?xì)饬鞣较虻耐七M(jìn)。29第二十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日一、層流火焰?zhèn)鞑サ母拍?、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

方向一致時(shí)取負(fù)號(hào)。

——火焰面移動(dòng)的絕對(duì)速度

——未燃混合氣體的絕對(duì)速度

火焰不動(dòng)；回火；吹熄。30第三十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日2、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y(cè)定方法

肥皂泡法、圓管法、本生燈法。3、本生燈法

（法向分速度）測(cè)得和，可求。一、層流火焰?zhèn)鞑サ母拍?1第三十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日一、層流火焰?zhèn)鞑サ母拍顚?shí)際的本生燈火焰圖3-344．實(shí)際本生燈火焰*頂部呈圓頭形：原因是熱量與活性粒子擴(kuò)散強(qiáng)烈；*管口邊緣形成凸出部分：原因是熱量損失與活性粒子碰壁銷毀。32第三十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日本生燈火焰的u0、w分布圖3-351.u0分布2.W分布3.理想火焰4.實(shí)際火焰33第三十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日二、層流火焰?zhèn)鞑ダ碚?/p>

層流火焰?zhèn)鞑ダ碚?/p>

-------控制火焰?zhèn)鞑サ闹饕獧C(jī)理◆熱理論-------從反應(yīng)區(qū)到未燃區(qū)的熱傳導(dǎo)◆擴(kuò)散理論-------鏈載體的逆向擴(kuò)散◆綜合理論-------熱傳導(dǎo)與活性粒子的擴(kuò)散有同等影響34第三十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日※熱理論：

1．火焰鋒面內(nèi)幾個(gè)參量的變化◆火焰鋒面——已燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w的分界面。

最大溫差/最大溫度梯度◆火焰鋒面壓力差

（動(dòng)量守恒：）二、層流火焰?zhèn)鞑ダ碚?5第三十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日濃度與溫度關(guān)系——由能量方程與擴(kuò)散方程求得

（假定Le=1）2、澤爾多維奇雙區(qū)理論◆能量方程

預(yù)熱區(qū)——忽略化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)反應(yīng)區(qū)——忽略對(duì)流項(xiàng)二、層流火焰?zhèn)鞑ダ碚?6第三十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日火焰?zhèn)鞑サ臒崂碚搱D3-37二、層流火焰?zhèn)鞑ダ碚?7第三十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日3、火焰鋒面厚度和預(yù)熱及反應(yīng)時(shí)間

—預(yù)熱區(qū)厚度—反應(yīng)區(qū)厚度。

◆預(yù)熱時(shí)間◆反應(yīng)時(shí)間

—火焰鋒面內(nèi)平均反應(yīng)速率，見（3-83）式。二、層流火焰?zhèn)鞑ダ碚?8第三十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日1、溫度

◆

混合物初溫↑→↑m=1.5～2

◆

火焰溫度↑→↑比影響大2、壓力◆

n—總反應(yīng)級(jí)數(shù)，當(dāng)n<2,則↑→↓

（大多數(shù)碳?xì)淙剂系娜紵齨<2）

工程中，↑→燃燒強(qiáng)度↑（增壓燃燒）原因：火焰質(zhì)量傳播速度（燃料消耗量）隨壓力增大。三、影響層流火焰?zhèn)鞑サ囊蛩?9第三十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日3、燃料/氧化劑混合比混合比=化學(xué)計(jì)量比時(shí)，最大。4、燃料結(jié)構(gòu)

飽和烴類（烷），與（碳原子數(shù)目）無關(guān)不飽和烴類，↑→↓

5、添加劑 惰性添加劑，使↓反應(yīng)添加劑三、影響層流火焰?zhèn)鞑サ囊蛩?0第四十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日四、層流火焰?zhèn)鞑ソ缦蕖舢?dāng)降至某一數(shù)值時(shí)，火焰?zhèn)鞑ゲ荒芫S持，產(chǎn)生熄火——淬熄?！舭l(fā)生淬熄時(shí)的臨界條件——火焰?zhèn)鞑ソ缦蕖?1第四十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日第四節(jié)湍流火焰?zhèn)鞑ヒ?、流體的湍動(dòng)參數(shù)

1、湍動(dòng)能

◆湍流脈動(dòng)速度的均方值——湍動(dòng)能

◆湍動(dòng)相對(duì)強(qiáng)度—平均速度

◆湍動(dòng)能耗散率——湍動(dòng)能的減弱速率

2、湍動(dòng)尺度

◆歐拉尺度——考察各瞬間流體微團(tuán)的脈動(dòng)情況

◆拉格朗日尺度——考察空間某一質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況42第四十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

小尺度湍流火焰—微團(tuán)的平均尺寸<層流下火焰鋒面厚度類型大尺度弱湍流火焰——

大尺度強(qiáng)湍流火焰——

湍流火焰的傳播速度比層流時(shí)大得多。原因：（1）湍流脈動(dòng)使火焰變形，從而使火焰表面積增加；（2）湍流脈動(dòng)增加了熱量和活性粒子的傳遞速度；（3）湍流脈動(dòng)加快了已燃?xì)夂臀慈細(xì)獾幕旌?。二、湍流火焰?zhèn)鞑サ奶攸c(diǎn)

43第四十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日三、湍流火焰的表面理論

從火焰鋒面入手展開討論。四、湍流火焰的容積理論容積理論認(rèn)為：不存在火焰鋒面，反應(yīng)也不僅僅發(fā)生在鋒面厚度之內(nèi)。44第四十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

一、本生燈火焰的穩(wěn)定■

穩(wěn)定條件：

—火焰?zhèn)鞑ニ俣龋弧A(yù)混可燃?xì)饬魉俣?。■不穩(wěn)定的因素（使）：

1、管壁的散熱作用；

2、射流邊界層外緣混入外界氣體。第五節(jié)火焰的穩(wěn)定45第四十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D3-60

本生燈管壁面附近及火焰錐根部的氣流速度

uS分布和u0的分布以及穩(wěn)定著火區(qū)域

2截面以下，從出口開始，壁面散熱作用影響愈來愈??；2截面以上，射流外緣混入外界氣體的影響愈來愈大。46第四十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D3-62

在本生燈管口加障礙物使預(yù)混可燃?xì)怏w火焰穩(wěn)定的方法噴口外加障礙物，可使火焰穩(wěn)定。47第四十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

1、熱平衡原理

2、著火和滅火的臨界工況

3、火焰穩(wěn)定傳熱原理二、火焰穩(wěn)定的均勻攪混熱平衡原理

和傳熱原理48第四十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日1、用小型點(diǎn)火火焰穩(wěn)定主火焰；2、用鈍體穩(wěn)定火焰形成回流區(qū)三、湍流火焰的穩(wěn)定方法49第四十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D3-69常見的鈍體及其回流區(qū)和溫度場(chǎng)50第五十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日3、用小股反向射流提高火焰穩(wěn)定性◆

形成回流區(qū)，且阻力損失小。

圖3-74小股反向高速射流形成的回流區(qū)和火焰形狀示意圖三、湍流火焰的穩(wěn)定方法51第五十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期日

◆

大速差——同向小股高速射流，形成回流區(qū)。三、湍流火焰的穩(wěn)定方法圖3-75大速差同向小股高速射流形成的回流區(qū)示意圖52第五十二頁，共五