2006年哈工大燃烧学期末考试题

2006年哈工大燃烧学期末考试题
一、解释下列名词（每题 3 分，共18 分）
1、绝热火焰温度：燃料在绝热的条件下完全燃烧所能达到的最高温度。

2、化合物的反应焓：在几种化合物（或元素）相互反应形成生成物时，放
出或者吸收的热量称为反应焓。

3、斯蒂芬流：在燃烧问题中，在相分界面处存在着法向的流动，多组分流
体在一定的条件下在表面处将形成一定的浓度梯度，因而可能形成各组分法向的
扩散物质流。

如果相分界面上有物理或化学过程存在，那么这种物理或化学过程
也会产生或消耗一定的质量流。

于是在物理或化学过程作用下，表面处又会产生
一个与扩散物质流有关的法向总物质流。

称为斯蒂芬流。

4、可磨性系数：标准煤样和试验煤样由相同粒度破碎到相同细度所消耗的
能量之比。

5、着火感应期：可燃混合物从初始温度T0 升高到着火温度Tc 所需要的时
间。

6、索太尔平均粒径：用全部颗粒的体积除以总表面积所获得的平均粒径，
3 2 d5 = d32 = Σ nd / Σ nd
二、填空（每空 2 分，共32 分）
1、按照燃料和空气燃烧过程的气体动力学特性，固体燃料的基本燃烧方式
可以分为__层燃__、____流化床燃烧____和___煤粉燃烧___三种。

2、液体燃料的雾化方式可分为_____介质雾化____和_______机械雾化____
两种类型。

3、CH4 在纯氧中燃烧，所生成的NOx 的类型包括____无____和______无
_______。

试题：班号：姓名：
第 2 页（共8 页）
4、某煤的工业分析成分和发热量如下：
Var, % Mar, % Aar, % FCar, % Qnet,ar, MJ/kg
18 10 25 52 20
请计算，该煤质属于___烟__煤，1000 吨该煤相当于___682.4___吨标准煤。

5、链锁反应的三个基本步骤是__链的激发__、__链的传递__和__链的销毁__。

6、设某一反应温度由400℃增至500℃时，反应速率将增加值原来的e(e=2.718)倍，
该反应的活化能是__________________。

7、按照碳燃烧的异相反应理论，当反应温度低于1300℃时，碳粒表面反应的关键控
制步骤是_络合物离解反应_。

8、煤粒一次热解后，生成的产物分为两大类，分别是___挥发分___和__焦炭___。

试题：班号：姓名：
第 3 页（共8 页）
三、假定：1）油滴为均匀对称的球体；2）油滴随风飘动，与空气没有相对运动；3）燃
烧进行得很快，火焰面很薄；4）油滴表面温度为饱和温度；5）忽略对流与辐射换热；6）
忽略油滴周围的温度场不均匀对热导率、扩散系数的影响；7）忽
略斯蒂芬流。

试计算火
焰锋面的直径、油耗量，以及油滴直径与时间的关系。

（10 分）对半径为γ的球面，通过球面向油滴传导的热量应等于燃油气化所需热量和使油气温度由0 T 升高至T 所需热量，即
2 ( )
0 4 p
dT m L C T T
d
πγλ
γ
= ?? +
从油滴表面（0 r 和0 T ）至火焰前锋（ f r 和f T ）积分，则得( )
f f
o
r
ro 2
4 T
T
p
dT m d
c T T L r
γ
πλ =
+ ∫∫
( ) f 0
0 f
4 ln 1
1 1
p
p
c
m TT
L
c
r r
πλ??
= ? + + ?
（6-17）
假设在火焰前锋之外有一半径r 的球面，氧从远处通过这个球面向内扩散的数量必然等于火焰前锋上所消耗掉的氧，即等于式（6-17）的油气流量m 乘上氧与燃油的化学当量比β，即
4 r2D dC m
dr
π = β
将上式改写后在离油滴很远处和火焰前锋之间积分，即
f
0 2
4 C
DdC m d
r
γ
πβ∞∞∫ = ∫
于是可得出火焰前锋半径为
f 4
r m
DC
β
π∞
= （6-18）
式中C∞为远处的氧浓度。

将式（6-18）代入式（6-17）可解出m 为：( ) 0 f 0 4 ln1 p
p
c DC m r T T
c L
λ
π
β
∞
= ?? + ?? + ?
（8-19）
设在某一时刻τ油滴直径为f d ，体积为3
6 f
d π
，经过时间dτ后油滴的体积将减小为2 ( )
2 f f
d d d π
，质
试题：班号：姓名：
第 4 页（共8 页）
量将减小 2 ( )
0 2 f f
d d d π
ρ，在稳态的蒸发气化燃烧时，油滴在单位时间减少的质量即油滴在单位时间烧掉的燃油量为
2 ( )
f f
0 2
d d d m
d
π
τ
= ?
式中0
ρ为燃油的密度。

将（6-19）代入上式，在代入时将0 r 换算为f d （即f 0 d = 2r ）代入，于是可得出
( f ) ( )
f 0
0 f
4 ln 1 p
p
d d c DC T T
d d c L
λ
τρβ
∞
= ?? + ?? + ?
上式可以改写成
( ) f f 2 b d d d = ?K dτ
( 2 )
f b d d = ?K dτ
式中：
( ) f 0
8 ln 1 p
b
p
c DC K TT
λ
ρβ
∞
= ?? + ?? + ?
（6-21）
2 2
f 0 b d = d ? K τ（6-22）
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四、按照碳粒燃烧的速度，碳燃烧过程可以分为那几个控制区？在每个燃烧控制区，为
缩短碳的燃尽时间应该采取哪些措施？（10 分）
碳的燃烧速度可以表示为：∞
+
k
K
d
O
s
α
1 1
1 2
化学反应动力学因素k 和扩散因素d α均影响破燃烧的反应速度，这种影响把碳的燃烧过程分为三个控制区：
(1)k>> d α，∞ K = C d
O
s 2 α，称为扩散控制的燃烧。

(2) k<< d α，∞ K O = kC
2 ，称为动力控制的燃烧。

(3) d k ≈α，k 和d α的数量级差不多，扩散和化学反应动力学因素两者均不可忽略，称为过渡
控制的燃烧。

改善碳粒燃尽时间措施：
1．扩散燃烧区：减小碳粒的粒径；提高碳粒和氧的混合效果，例如提高氧浓度，增加空气量；
延长停留时间。

2．动力燃烧区：提高反应区温度；减小碳粒的粒径；延长停留时间。

3．过渡燃烧区：减小碳粒的粒径；提高碳粒和氧的混合效果，例如提高氧浓度，增加空气量；
提高反应区温度；延长停留时间。

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五、试分析影响可燃气层流火焰传播速度的因素有哪些，为提高层流火焰传播速度应
该采取哪些措施？（10 分）
根据泽尔多维奇火焰传播的热理论，层流火焰锋面内的平均反应速率可以表示为：
( )
1 2
0 2 2
0 0
2
p f
u Q
c T T
λ
ρ
= ??
可燃混气的压力、初温、成分等因素对火焰传播速度有影响。

1.温度的影响：
（1）混合物初温的影响火焰传播速度0 u 随初温0 T 的增大而增大，其关系大致为
0 0
u ∝T m的形式，这里m 大约在1.5-2 之间；
(2）火焰温度的影响从图5-41 可以看出，火焰温度对0 u 的影响较为复杂。

在温度不
太高时，0 u 随f T 的增加主要表现在指数项exp(?E / RT )上，因而火焰温度对0 u 的影响要
比0 T 的影响大得多。

可以认为，就温度而言，对0 u 起决定性影响的是火焰温度。

2.压力的影响：
随着压力增大，而其它参数不变时，0 u 将要减小，，而质量传播速度( ) 0 0 u ρ要增加。

3.燃料／氧化剂很合比的影响：对于大多数火焰，当混合比等于化学计量比时，火焰速
度最大。

对于以空气作氧化剂的火焰，其最大传播速度是当燃料浓度比化学计量比稍富
时才能达到。

4. 燃料结构的影响：
对于饱和烃类，如乙烷、丙烷等，火焰传播速度几乎与分子中碳原子数目C n 无关；
对于不饱和烃类，0 u 随C n 的增加而减少，并且在C n ＜4 的范围内，0 u 下降得很迅速；
随着燃料分子量的增加，火焰传播速度（可燃极限）范围有越来越小的趋势。

5.添加剂的影响
（1）惰性添加剂的影响：惰性物质的加入，将使火焰传播速度降低。

(2)反应添加剂的影响
若有两种以上具有相同火焰传播速度的混气相互混合时，不论其混合比例如何，混合后
的气体火焰速度仍能保持不变。

而当原来混气火焰速度不同，若各种燃料的性质相差又
不太大，则混合后气体火焰速度当介于原来各混气火焰传播速度之间。

试题：班号：姓名：
第7 页（共8 页）
六、本生灯燃烧煤气时，当供给本生灯的一次风过量空气系数分别为0，0.8，1、1.1 和2，
本生灯的火焰形状有什么变化，请画图说明，并分析上述各种火焰的火焰特点。

（10 分）
α=0：燃料所需空气全部由外部供给，火焰很长，发出黄色亮光，且不时冒黑烟，只有外焰。

α=0.8：燃料与一级空气在第一个内火焰处开始燃烧，因为氧量不足，预混气中的氧耗尽后，煤气没有烧完，靠二级空气来燃烧，火焰变短，内外焰。

α=1：火焰只有一层，比过量空气系数小于1 时更加明亮。

α=1.1：火焰只有一层，比过量空气系数等于1 时变长，火焰亮度稍微变暗。

α=2：火焰只有一层，比过量空气系数等于1.1 时进一步变长，火焰亮度明显减弱，容易出现火焰不稳的情形。

试题：班号：姓名：
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七、如果将燃烧过程中过量空气系数自1 提高到1.2，对燃料燃尽会有何影响？如果进一
步提高过量空气系数到2.2，对燃料燃尽和化学反应速度会有和影响？试用有关理论分析
之。

（10 分）
燃烧过程的控制因素既包括燃烧化学反应的动力学因素，也包括燃料和空气混合的扩散因素。

化
学动力学因素主要和燃料本身的物理化学性质、燃烧区温度有关系；而扩散因素既取决于燃烧区温度，也取决于燃料的颗粒尺寸，以及燃料颗粒周围氧气的浓度。

燃烧过程从燃料着火开始，着火的早晚取决于燃料和空气的混合物获得足够着火热的时间。

在相
同的停留时间下，着火越早，燃尽效果越好。

着火热由三部分构成，即干燃料升温所需热量，空气升
温所需热量和水分蒸发和升温所需热量。

这三部分热量中，空气升温所需的热量最多，约占全部着火热的70%。

控制燃烧过程空气量的混入对改善燃料着火至关重要。

过量空气系数增加，一方面提高了燃料周围氧气的浓度，加强了空气和燃料的混合，使燃尽时间
缩短，但同时也增加了燃料燃烧的着火热，使反应区温度降低，着火推迟。

当燃料的停留时间一定时，燃料的燃尽效果会变差。

燃烧过程的过量空气系数从1增加到1.2，按照一般燃烧过程的经验，空气量的增加额度不会对燃
料的着火热有太大的影响，但是极大地改善了燃料和空气的混合效果，这是有利于燃料的燃尽的。

同时随着空气量的增加，燃料所需要的着火热略有增加，会对燃料燃烧的化学反应速度有一定的负面影响，燃烧速度略有降低。

如果把过量空气系数进一步提高到2.2，虽然燃料和空气的混合效果得到大幅度改善，但是由于
着火热的进一步大幅度增加，燃料的着火会严重滞后，导致燃料
在一定的停留时间下，燃尽效果进一步变差。

同时由于着火热的增加，燃烧区温度大幅度降低，化学反应速度也会降低。