燃烧学西安交大第三章气体燃料的燃烧

dQ1 dQ2 dT dT
2、稳定着火条件： Q1>Q2（燃烧过程中，如煤粉燃烧，可用 于强燃）
二、自燃
讨论：Q1＝Q2、
d Q1 dT

dQ2 dT
可推导出：
A
exp(
E R Tlj
)


S
(Tlj

T
0
)
AE
K
T
2 lj
exp(
E R Tlj
)


S
可求得：
Tlj

E 2R
(1
二、火焰传播速度 火焰锋面在其法线方向上相新鲜
燃料侧移动的速度。 uce——层流火焰传播速度； ut ——湍流火焰传播速度；
Ⅰ、层流时的火焰传播
设有一平面火焰锋面，气流速度 w0=uce,锋面稳定，进入锋面前只 是传导升温。
T0
Tlr

kTlr2 E
火焰锋面内，反应速度都一样：
wmk0exp(RETlr )Cn
同样大小火焰锋面内单位时间内烧掉的燃料将增大一些，所以p对着火影响不大。
Ⅰ、层流时的火焰传播
④Q： uce Q ⑤化学反应速度常数：
k

k0
exp(
E RTlr
)
⑥可燃混合物初温T0： T 0 (T lrT 0) uce
⑦过量空气系数 （燃料的浓稀程度）：
理论燃烧温度应该在过量空气系数为1时最高，过量空气系数不 等于1时，多余的反应物不会发生反应而升温过程要吸热。但实际上， 火焰传播速度最大值出现在过量空气系数略小于1处。
E RT
)C
n
S
dx
Q rl
q1+q3 q2


d 2T dx2
k0 exp(
E RT
)C n Q

0
解得：
( dT dx
)w


2k0CnQ Tqr exp( E )dT

Tqr

RTq2r E
RT
2k0CnQ RTq2r exp( E )dT
E
RTqr
第三章 气体燃料的燃烧
着火基本原理 火焰传播 扩散火焰和预混火焰 提高火焰稳定性措施
第一节 着火基本原理
一、着火机理
着火方式
热力着火（自燃）
强迫着火（强燃）
着火过程
自发进行
强制进行
可燃混合物，只要有T，开 用高温热源放入可燃混合物，温差
始时wc很慢（有活化分子） 存在导致热量传递（导热、对流、 放热 升温 再放热 辐射）在高温热源边界层内可燃混
cp(Tlr T0)—单位容积内可燃混合物燃烧热能转化放出的热量。
uce
a 2Tlr RTlr
0 Tlr T0 E
uce
a
0
Ⅰ、层流时的火焰传播
火焰锋面厚度：
uce 0uce(u a c 2 eT lr2 T0R E T lr)
可燃混合物升温预热区厚度：
S Tlr T0 Tlr T0 a
C——在理论燃烧温度时的可燃 成分浓度。
Ⅰ、层流时的火焰传播
进入火焰锋面前，导热吸热量：
(d dT x)Bw 0cp[(TlrRE Tlr2)T0]
式中：
w 0 — 气 流 速 度 ， m / s ； w 0 u ce —气体未燃时的密度；
(dT dx
)B
—
B点
处
温
度
梯
度
绝
对
值
。
湍动微团尺寸或迁移距离均大于层流锋 面厚度时，而微团湍动脉动速度w’小于层 流火焰传播速度uce，称为大标尺弱湍动。 (w’<<uce)
这时，能保持明显的锋面形状，但将 使平面锋面变成锯齿形锋面，增加了火焰 锋面的面积。
uceS utS0
S——火焰锋面的曲面面积； S0——平均位置平面面积。
ut S u ce S 0
二、强燃
另一方面：w点之外无化学反应（边界层外无化学反应）， 纯导热。
(ddTx)w(Tqr T0)
由传热学：
Nu

L
——物体表面的换热系数。
N L u
2k0CnQ R Tq2 r exp(E)
E (TqrT0)2
RTqr
由式3-14可求得Tqr
二、强燃
第二节 火焰传播
一、火焰传播方式： 1、缓燃：火焰锋面主要以导热和对流方式传热给可燃混合物
所引起的火焰传播。煤粉-空气混合物以辐射和对流为主 （<声波） 2、爆燃：绝热压缩所引起的火焰传播。高温烟气比容比未燃 混合物要大，前者膨胀，产生压力波，使后者绝热压缩， 未燃混合物受绝热压缩后，温度大大升高，迅速着火燃烧， 爆燃火焰传播速度极高，必然高于声速。 （可能会几千米/秒，声音是压差很微弱的压力波。）
边 界 层 内 d dT x0， 此 时 T2Tlj
3、热源温度再升为时T3，边 界 层 内 d dT x0， 此 时 T3Tlj
二、强燃
平板形状热源物体计算：
收入：
q1

(
dT dx
)S
支出：
q2

(
dT dx


d 2T dx2
dx)S
反应产热： q 3

k0
exp(
2 Q Tlr

wmdT
T lr

R
T
2 lr
E
3 18
(3—18)
u ce
a
2Q wm
R
T
2 lr
c p (T lr T 0 ) 2 E
讨论：uce主要影响因素（a、wm）热扩散率、反应速度。
Ⅰ、层流时的火焰传播
燃尽时间： 0
0

cp(Tlr T0)
Q wm
式中： Qwm— ? 单 单 位 位 时时 间间 、、 单单 位位 容容 积积 内内 燃烧 燃 放 烧 出放 的出 热的 量热 ；量 ；
火焰锋面形状：
①凸出的曲面：凸出曲面与低温混合物接触，散热面积大， uce会降低一 些。 ②凹入的曲面：高温火焰包围冷混合物，uce会大些。
设计喷嘴火焰锋面时要考虑，旋流燃烧器卷吸要好。 实验证明，散热或锋面凹凸对火焰传播速度影响不大， uce基本只决
定于燃料与空气混合物的成分和物理化学性质。
Ⅱ、湍流时的火焰传播
再升温 热量积蓄
合物发生反应，当反应放热大于散
达到着火温度 着火 热时，在边界层内可燃混合物升温
（其中有放热>散热）
达到着火温度 着火
（煤场、制粉系统处，煤 （天然气灶点火、煤粉着火） 矿、森林着火）
着火范围
在可燃混合物整个体积内 只在边界层内部首先点燃，再由边
同时进行
界层向周围空间扩散
二、自燃
从热平衡来研究：（对一可燃混合物着火过程） 单位时间产生的热量Q1：Q 1k0ex p (R E T)C n V Q A ex p (R E T)
讨论： ①强然着火温度一般远大于自然着火温度（高几百度）；边 界层散热很大，用自然着火模型解释Q1≥Q2，由于Q2边界层 散热太大，所以要求Q1很大。 ②特征尺寸L（炙热源尺寸）变小时，左边增大，Tqr增大， 更难点燃。 ③散热系数增大，强燃温度增加。
强燃使边界层着火燃烧，边界层着火后再向前推进，这 就是火焰传播。
ut a At 1 At
uce
a
a
式中： At ?- - 湍 湍流 流输 输 运 所 运起 所 的 起 折 算 的热 折 扩 散 算率 热。 扩散率。
当At a时，忽略上式1而得：
ut At Re
uce
a
小标尺湍动主要适用于很细的管内流动。
Ⅱ、湍流时的火焰传播
②大标尺弱湍动：
原因分析：燃料浓度高，挥发分集中，单位体积活化分子浓度大。
Ⅰ、层流时的火焰传播
氢气>乙炔>乙烯>丙 烷>甲烷
火焰传播浓度范围：
min max
过浓或过淡，化学反 应wm很小，散热很大， 火焰不能传播。
Ⅰ、层流时的火焰传播
淬熄距离：
在临近壁面只有数毫米之内的地方，壁面的散热作用十分强烈，以 致火焰不能传播，这段距离称为淬熄距离。
E小，燃料活性强，更易着火；
二、自燃
③着火温度不仅与燃料本身活性有关，还与结构、散热有关。 当燃料装置变化，同一燃料着火温度不同。不同锅炉炉膛、 不同燃烧器、不同的燃烧组织方式均不同。
Tzh S k0Cn
a、散热加强， S 大，着火温度升高； b、反应速度常数k0大，或Cn大，着火温度下降；
由于
R
来自百度文库
T
2 lr
E
远
小
于
T lr，
可
忽
略
(dT dx
)B

u ce a
(T lr

T0)
（3—16）
式 中 a= ? 气 体 的 热 扩 散 率 。 cp
Ⅰ、层流时的火焰传播
然后写出火焰锋面的能量方程式：q1+q2=q3

d 2T dx2
dT

wmQ dT

dT ( dx )B

综 合 3 16、
ut 4.3
w ln(1 w )
uce
Ⅱ、湍流时的火焰传播
讨论：以上计算ut的方法，均属“表面理论”—燃烧化学反应只 在薄薄的一层火焰锋面内进行。 （“容积理论”—燃烧化学反应各处都进行，燃烧与掺混共 存。）
单位时间散热量Q2： Q2S(TT0)
讨论：分析点A、B、C
①对于 Q
2
点A是稳定点（向左或向右波动， 都会回到原位）
点C不稳定点（向左熄火，向右 着火
二、自燃
②对于 Q 2
Q1 Q2
点B：热自燃着火的临界点，对应Tlj
③对于Q2Ⅲ
Q1>Q2Ⅲ，能着火，着火稳定。
结论：
1、着火临界条件：① Q1＝Q2； ②
（3-29）
锥面高度： h w
— 锥 面 顶 点 以 脉 动 速 度 w 冲 刺 而 形 成 这 个 椎 体 的 时 间 。
忽略uce与d的方向差异，也可得：
d 2 u ce
d—锥底的直径。
h w d （3-30） 2 u ce
对于图3-20所示的椎体，底半径r=d/2，可求出：
(
dT dx
)
B
uce a
(Tlr
T)
uce
S ( 2Tlr RTlr )
Tlr T0 E
从式3-22可计算出S值， S 与Tlr相关，Tlr可估算， 所以 也可以估算。
Ⅰ、层流时的火焰传播
讨论uce：
① uce与化学反应速度wm的平方根成正比。（常用测uce来研究wm变
化规律）
1

4
R
T
0
)
E
（3-4）
（+项舍弃）
将根号内式用二项式定理展开成级数，再舍弃高次项：
14RT0)12RT0 2R2T02......
E
E E2
Tlj
T0

RT02 E
，将此代入式3-4得
二、自燃
若取 T 0 1 0 0 0 K , E 2 1 0 K J / m o l ,R 8 . 3 1 4 J / m o l k Tlj T0 40C
S r r2h2
S0
r2

1(h)2 r
代入式（3-29）与式（3-30），得到：
ut 1 ( w )2
uce
uce
大标尺弱湍动时，若w’<<uce，则展开上式为二项级数，并略去高次项得：
ut 1 1（ w ）2 1
uce
2 uce
ut uce
由此式可看出，在很弱的湍动时，ut接近于uce。
Re2000,ut uce; Re2000,ut uce; Re5000,ut AReB（线性关系）
湍流ut的特点（核心就是脉动速度w’) 1、火焰锋面不断抖动，传热与传质共存； 2、火焰锋面很厚，为一区域。
Ⅱ、湍流时的火焰传播
舍谢尔金模型：
①小标尺湍动：湍动微团的尺寸或迁移距离均显著地小于层流锋面 厚度时，这时的传热就由湍动与分子导热两者组成，使火焰锋面内 平面形状不变，未增加锋面面积。
uce wm
②热扩散率a： uce a
③压力p： uce

( awm

1
)2

n 1
p2
其中：wm

pn ; a

1 p
;


p
一般化学反应级数n=1~2
u ce p 1 ( 0~0 .5 )
p u ce稍 ， 但 流 过 火 焰 锋 面 的 可 燃 混 合 物 的 质 量 流 量 u ce ，
c、可燃混合物P增大，由于wc p ，Q1曲线上移，Tzh变
小，更易着火。
二、强燃 T0——可燃混合物的初温。
二、强燃
临界强燃着火的临界条件： 分析：
T Tqr dT （0 放热 散热） dx
1、热源温度为T1，放热少。（实际温降曲线略高于自 然散射温降曲线）
2、热源温度升为T2，实际温降为0，化学反应放热=环 境散热。
Ⅱ、湍流时的火焰传播
③大标尺强湍动：湍动迁移距离l大 于层流锋面厚度d；w’>>uce。 由式（3-31）， w’>>uce 模型1：
ut≈w’
湍动到哪里就烧到哪里。 特征：锋面很厚，为一区域，界面不 清。
Ⅱ、湍流时的火焰传播
③大标尺强湍动：湍动迁移距离l大 于层流锋面厚度d；w’>>uce。
后来又发展模型2为：
着火温度：在一定结构环境和散热条件下，当可燃混合物达 到某一温度，在此温度下，可燃混合物持续进行的化学反应放 热量总是大于等于该结构环境的散热，这个温度就是临界着火 温度。
结论：①Tlj与TⅠ0很接近，所以着火温度Tzh规定为Tlj或TⅠ0都 可；
② Tzh f (E R、S k0Cn )
Tzh E R