004_燃燒學-大連理工燃燒學116

1、燃 燒 學 第六章,田江平 內(nèi)燃機研究所414 tianjp,左式除以右式，得： 解得： 如果符號取正，TC過大，無意義，保留負號形式，為謝苗諾夫公式,TC與T 的關系（更正）,燃燒學,2,數(shù)值相等,斜率相等,上節(jié)課ppt中，以及課本P116公式6.9，錯誤。,上次課回顧,封閉系統(tǒng)熱自燃理論 熱自燃模型 著火臨界條件：2個 著火影響因素 環(huán)境溫度 燃料活性 容器尺寸 散熱系數(shù) 容器內(nèi)壓力（臨界壓力與臨界溫度的關系）,燃燒學,3,影響自燃著火的因素,容器內(nèi)壓力 復習：壓力對化學反應速率的影響，對于n級反應，其反應速率為壓力的n次方。其實質(zhì)？ 大多數(shù)碳氫燃料的燃燒反應都接近二級反應。二級反應速率為

2、： 帶入自燃條件式 得： 式中，pC為著火臨界壓力。 這樣，就得到了自燃溫度與自燃臨界壓力之間的關系。,燃燒學,4,熱自燃界限,在其他參數(shù)不變時，繪制pC-TC 曲線，稱為熱自燃界限。 當混合氣壓力增大時，自燃溫度降低，混合氣著火容易發(fā)生。 壓力下降，則自燃溫度升高，混合氣不易著火。 內(nèi)燃機在高原地區(qū)及航空發(fā)動機在高空時著火性能都將變壞。,燃燒學,5,用環(huán)境溫度T代替TC，整理，得： 兩邊取對數(shù)，得到謝苗諾夫方程,謝苗諾夫方程測量活化能,令 則謝苗諾夫方程可寫為： 若繪制 圖，應為一條直線，且其斜率為,燃燒學,6,謝苗諾夫方程正確性驗證,ClO2分解及H2與Cl2化合熱自燃的實驗結(jié)果（傅維鑣,

3、1989）,燃燒學,7,ClO2分解的自燃界限,Cl2+H2的自燃界限,影響自燃著火的因素,混合氣成分 若取自燃臨界壓力pC=常數(shù)，可得自燃溫度TC與混合氣成分的關系 若取環(huán)境溫度TC =常數(shù)，可得自燃臨界壓力pC與混合氣成分的關系 混合氣濃度只有在一定范圍內(nèi)才可著火。x2 稱為上限，x1稱為下限 當壓力和溫度下降時，著火界限縮小，下降到某一值時，任何混合氣成分都不能著火。對很多發(fā)動機十分重要，尤其是采用稀薄燃燒方式的氣體燃料發(fā)動機，以及航空發(fā)動機的高空點火。,燃燒學,8,熱自燃感應期,熱自燃感應期，又稱著火延遲期（滯燃期） 物理意義：混合氣由開始發(fā)生反應到火焰出現(xiàn)的一段時間（混合氣達到著火條

4、件，有初始狀態(tài)到溫度驟升的瞬間所需的時間） 圖中表示更為準確：可燃氣由初溫自動升溫到著火溫度所需的時間 思考：這段時間內(nèi)溫度上升的原因？曲線上凸的原因？,燃燒學,9,三種不同初溫條件下溫度變化歷程,著火延遲期的計算,著火延遲期可由下式計算： 式中: F0 為混合氣初始摩爾濃度； FC為混合氣著火時的摩爾濃度； wC,0為以摩爾濃度表示的初始反應速度。 思考：為何使用初始反應速度？ 假設容器壁對環(huán)境沒有散熱，混合氣反應產(chǎn)生的全部熱量用于系統(tǒng)升溫，此時溫度與濃度之間存在如下關系：（Tm為燃料全部燃燒后燃燒產(chǎn)物的溫度。） 思考：原因？,燃燒學,10,著火延遲期的計算,其中 將右側(cè)兩式帶入左側(cè)方程，得

5、 得著火延遲時間表達式： 兩邊取對數(shù)，得：,燃燒學,11,前面已導出,解它得到謝苗諾夫公式,燃燒放出的熱量都用于系統(tǒng)升溫,T與i之間的關系,Arrhenius公式中，指數(shù)前溫度相對于指數(shù)項的溫度對化學反應速率的影響要小得多，因此在壓力和混合氣成分一定的條件下，可認為 所以有： 即：ln i 與1/T呈直線關系。,燃燒學,12,p與i之間的關系,觀察：如果溫度一定，上式中哪項和p有關？ 將 帶入上式，得： 上式中，可認為： 所以：ln i 與ln p呈直線關系。,燃燒學,13,實驗數(shù)據(jù),燃燒學,14,注意：圖中坐標為對數(shù)坐標。 實驗數(shù)據(jù)印證了熱自燃理論的合理性。,(a)煤油； (b)液化氣； (

6、c)乙炔； (d)甲烷,實驗測反應級數(shù)與活化能,燃燒學,15,斜率E/Ru 通過實驗測活化能,斜率1-n 通過實驗測反應級數(shù),有些現(xiàn)象無法用熱自燃理論解釋，如：,鏈自燃理論,熱力自燃理論建立的著火界限與一部分碳氫化合物和空氣的混合物的自燃界限的實驗結(jié)果相吻合。,燃燒學,16,鏈著火條件和自燃感應期,鏈反應速率 鏈載體隨時間的變化率： 其中：n為鏈載體濃度，w1熱作用而生成鏈載體的速率（非常少量）， w2為鏈分支造成鏈載體凈增加速率， w3為鏈載體銷毀速率 令w2 =fn， w3 =gn，=f-g 其中：f為鏈分支造成的鏈載體凈增加速率系數(shù)，g為鏈載體銷毀速率系數(shù) 可得： 移項，積分得：,燃燒學

7、,17,謝苗諾夫定律,鏈反應速率,在反應過程中，大量生成最終產(chǎn)物的過程為鏈傳遞過程。 例如氫氧反應： 鏈的引發(fā) 鏈的傳遞 鏈的終止 氣相終止、器壁終止 以最終產(chǎn)物表示的反應速率為：（a為一個鏈載體參加反應生成產(chǎn)物分子數(shù)）,燃燒學,18,著火條件及自然感應期,著火臨界條件 鏈載體銷毀速率系數(shù)=分支反應造成的鏈載體凈增加速率系數(shù)，即：=f-g=0 當=0時， 為 則： 上式表明，w與時間t呈直線關系。 0, 著火 =0 , 臨界 0 , 不著火,燃燒學,19,直鏈反應 f=0，= -g， 反應速率一直為一很小的值，不著火。 支鏈反應 低溫時， 0 鏈載體濃度、反應速度隨時間呈指數(shù)規(guī)律迅速增加，著火。,燃燒學,20,課本更正,鏈著火自燃感應期,在臨近著火時， 所以 可認為 所以 說明：支鏈反應越強，感應期越短。,燃燒學,21,著火半島理論,爆炸的定義與分類 爆炸：瞬間完成的超快速化學反應 熱爆炸 如果某一放熱反應在一個小空間內(nèi)進行，反應熱來不及散出，則溫度升高溫度升高，又促使反應速度加快而反應速度加快后，導致放出更多的熱量，使溫度升高更快。 如此循環(huán)的結(jié)果，使反應速度在瞬間增大到無法控制而引起爆炸。這種爆炸稱為熱爆炸。 分支鏈爆炸 在分支鏈反應過程中，由于鏈的分支而使鏈載體的數(shù)目不斷增多，因此反應不斷地自行加速，直至產(chǎn)生爆炸