《燃烧学讲义》课件
燃烧学讲义第一章
第1章燃烧化学基础燃烧的本质和条件1.1.1 燃烧的本质所谓燃烧，就是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和发烟的现象。
燃烧区的温度很高，使其中白炽的固体粒子和某些不稳定（或受激发）的中间物质分子内电子发生能级跃迁，从而发出各种波长的光；发光的气相燃烧区就是火焰，它的存在是燃烧过程中最明显的标志；由于燃烧不完全等原因，会使产物中混有一些微小颗粒，这样就形成了烟。
从本质上说，燃烧是一种氧化还原反应，但其放热、发光、发烟、伴有火焰等基本特征表明它不同于一般的氧化还原反应。
如果燃烧反应速度极快，则因高温条件下产生的气体和周围气体共同膨胀作用，使反应能量直接转变为机械功，在压力释放的同时产生强光、热和声响，这就是所谓的爆炸。
它与燃烧没有本质差别，而是燃烧的常见表现形式。
现在，人们发现很多燃烧反应不是直接进行的，而是通过游离基团和原子这些中间产物在瞬间进行的循环链式反应。
这里，游离基的链锁反应是燃烧反应的实质，光和热是燃烧过程中的物理现象。
1.1.2 燃烧的条件及其在消防中的应用1.1.2.1 燃烧的条件燃烧现象十分普遍，但其发生必须具备一定的条件。
作为一种特殊的氧化还原反应，燃烧反应必须有氧化剂和还原剂参加，此外还要有引发燃烧的能源。
1．可燃物（还原剂）不论是气体、液体还是固体，也不论是金属还是非金属、无机物还是有机物，凡是能与空气中的氧或其它氧化剂起燃烧反应的物质，均称为可燃物，如氢气、乙炔、酒精、汽油、木材、纸张等。
2．助燃物（氧化剂）凡是与可燃物结合能导致和支持燃烧的物质，都叫做助燃物，如空气、氧气、氯气、氯酸钾、过氧化钠等。
空气是最常见的助燃物，以后如无特别说明，可燃物的燃烧都是指在空气中进行的。
3．点火源凡是能引起物质燃烧的点燃能源，统称为点火源，如明火、高温表面、摩擦与冲击、自然发热、化学反应热、电火花、光热射线等。
上述三个条件通常被称为燃烧三要素。
但是即使具备了三要素并且相互结合、相互作用，燃烧也不一定发生。
燃烧学讲义
燃烧学讲义现代的工业炉大部分都以燃料作为炉子热能来源，对于燃烧过程的评价及其特点的分析，从总的来说可以归纳为以下几个方面的主要问题：（1）燃烧温度：燃烧温度应满足炉内被加热钢料对炉温的要求。
（2）燃烧速度：它影响着炉内温度的高低和高温区集中的程度。
燃烧速度的特性指标是燃烧室容积热强度、简称“燃烧强度”，它表示单位容积内单位时间完全燃烧掉的燃料量（米3/米3•小时、千克/米3•小时或千焦/米3•小时），燃烧强度大，说明燃烧速度快（或用火焰传播速度表示），火焰短，高温区集中。
（3）燃烧完全程度：它影响到炉内温度，炉内气氛和燃料消耗量以及对大气的污染程度等。
燃烧完全程度一般由炉内气体成分或烟气成分决定。
假如可以用烟气中化学损失来表示，也可用“燃烧完全系数”表示。
炉内气氛的特点经常用CO/CO2和H/H2O等气体成分的比值来表示。
（4）燃烧的稳定性和可调性：为了调节燃烧装置的燃烧能力。
在所要求的调节范围内，燃烧过程应当稳定进行，比如要保持火焰的连续性，不回火，不脱火，不爆炸，不灭火。
每种燃烧装置都允许一定的调节范围，其大小通常用“调节倍数”或简称为“调节比”来表示。
一、燃烧温度1、燃烧温度的概念燃烧温度即燃料燃烧时生成的气态燃烧产物（烟气或炉气）所能到达的温度。
在实际条件下燃烧温度与燃料种类，燃料成分（即发热量），燃烧条件（指空气、煤气蓄热情况）以及传热条件等因素有关。
总起来说无非是决定于燃烧过程中的热平衡关系。
如果收入的热量大于支出的热量则将反映出燃烧温度逐渐升高。
反之则将反映出燃烧温度逐渐下降直到热平衡时燃烧温度才会稳定下来。
由此看来燃烧温度实质上就是一定条件下有热平衡所决定的某种平衡温度。
所以分析燃烧过程中热收入和热支出的平衡情况，从中找出估算燃烧温度的方法及提高燃烧温度的具体措施。
根据能量守恒和转化规律可知：燃烧过程中燃烧产物的热收入和热支出必然相等。
热收入各项有：①燃料燃烧的化学热（燃料的低发热值）②蓄热空气的物理热Q空=Ln•c 空•t空③燃料带入的物理热Q燃=c燃•t燃热支出各项有：①燃烧产物所含的热量Q产=Vn•c产•t产②由燃烧产物向周围介质的散热损失以Q介表示，它包含炉墙的全部热损失，加热金属和炉子构件等的散热损失。
燃烧学讲义.PPT
雾化原理
• 液膜雾化：离心喷嘴喷出空心锥形液膜具有向外 扩张的惯性，而表面张力克服不了此惯性，于是 液膜继续向外扩张，液膜越来越薄，同时，表面 张力形成的表面位能也越来越高，使液膜越不稳 定。结果表明，液膜破裂成液丝或液带，并在表 面张力作用下继续分裂成液滴；流速较大时，除 了表面张力、惯性力及粘性力起作用外，由于相 对于周围气体的运动速度加大，气动力对液膜的 作用也加大，致使液膜扭曲和起伏形成波纹，再 被甩成细丝，继而形成小滴；流速很大时，液体 离开喷口便立即被雾化。
0.1
布函数
F d e
dp d
n
p
Rd 100exp(dd)n%
0.0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20
d p
Rd：液滴群中，颗粒直径大于d的质量分数
n：均匀系数，一般数值2~4。 愈大，均匀性好
d
：特征尺度（定义为
Rd
1 e
36.7%
时油滴直径）
12
6.2.1 雾化评价指标
③ 雾化角：
qr……m3 (m2 s)
14
雾化评价指标
① 雾化粒度 ② 雾化油滴均匀性 ③ 雾化角： ④ 流量密度：
15
雾化原理
• 油射流或薄膜由于射流紊流、周围气体的气动力 作用、液体中可能夹杂气体、喷枪的振动及喷嘴 表面不光滑等因素，不可避免地要经受扰动。扰 动使薄膜或射流产生变形，特别是在气动压力和 表面张力作用下，使得表面变形不断加剧，以致 于射流或薄膜产生分裂，形成液滴或不稳定的液 带，液带随之也破裂成液滴。若作用在液滴上的 作用力相当大，足以克服表面张力时，较大的液 滴就会破裂成较小的液滴，这种现象称为“二次 雾化”。
燃烧学ppt课件
传质基础
• Fick定律（形式、各参数意义） • Stephen问题 • 单个液滴蒸发时间（D2定律）
.
燃烧动力学
• 概念：基元反应、反应级数、链式反应 • 碰撞理论（理解） • 基元反应速率、Arrhenius定律 • Kc、kf、kr与kp的关系 • 链式反应过程 • 两种近似方法：稳态近似与局部平衡假设
.
湍流预混火焰
• 湍流预混火焰比层流预混火焰传播快的原 因
• 三种湍流火焰模式（根据湍流强度、长度 尺度划分）、各模式传播速度影响因素
.
扩散火焰
• 扩散火焰 • 层流扩散火焰特征（火焰表面、火焰高度、
浮力影响、碳烟生成、火焰高度-流量关系） • 层流扩散火焰物理描述（T-f、Yi-f） • 火焰高度影响因素 • 层流扩散火焰向湍流扩散火焰的转变
.
几个重要的反应机理
• H2-O2系统 （几个爆炸极限） • CO氧化机理（区分干式、湿式机理） • 高链烷烃氧化机理（乙烷的8步氧化机理）
C-C断裂脱氢自由基产生染料分子 进一步断裂脱氢反应甲酸基、甲醛生 成氧化CO氧化机理
.
简化守恒方程
• 简单化学反应 • 守恒标量：混合物分数（概念与计算）、
混合物绝对焓（了解其前提）
.
层流预混燃烧
• 火焰、预混火焰概念 • 层流火焰传播速度、影响层流预混火焰传播速度
与火焰厚度的因素（温度、压力、当量比、燃料 类型） • 点火、可燃性与熄火
燃烧三阶段 热自燃理论及应用（着火熄火过程） 可燃极限（P、T、浓度范围） 最小点火能量 火焰稳定（两个必要条件）
燃烧学复习
.
本课程内容
• 绪论 • 燃烧热力பைடு நூலகம் • 传质基础 • 燃烧动力学 • 几个重要的反应机理 • 层流预混燃烧 • 湍流预混燃烧 • 扩散火焰 • 液滴蒸发与燃烧
燃烧学讲义-第5章气体燃料燃烧幻灯片PPT
线转化成折线的合理性
28
d d x 2 T 2 k 0e x p ( R E T )C nQ 0
2(d d T x)2 w k 0 C n Q T q r T q r T e x p ( R E T )d T 0
d d T xw2k0C nQ T qrT qr Texp(R E T)dT
燃烧学讲义-第5章气体燃 料燃烧幻灯片PPT
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燃烧过程是包括发光放热的化学反应， 故存在两个最基本的阶段：着火阶段、 着火后燃烧阶段。
着火定义：燃料和氧化剂混合后，由无化学反 应（从缓慢的氧化反应）向稳定的强烈放热状 态的过渡过程。
热着火
链式着火
2
热着火：可燃混合物由于本身氧化反应放热大于散热， 或由于外部热源加热，温度不断升高导致化学反应不断 自动加速，积累更多能量最终导致着火。——大多数气 体燃料着火特性符合热着火的特征。
7
Q
Q1
Q2Ⅰ
产热：Q 1k0ex p (R E T)C nV Q
C
Q2Ⅱ
Q2Ⅲ
A T0Ⅰ
T0Ⅱ
B Tlj T0Ⅲ
散热： Q 2 S(T T 0)
T
8
① 两个交点：A点，稳定，但其温度绝对值太低，熄 灭状态; C点，不稳定，脉动→燃烧 or 熄灭
② 线Ⅲ：Q1＞Q2，没交点，着火 ③ 线Ⅱ：Q1≥Q2，一个切点
高温火源
向可燃混合物加热 在高物物体边界层中着火
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液体燃料蒸发与燃烧
• D2定律
12
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湍流预混火焰
• 湍流预混火焰比层流预混火焰传播快的原 因
• 三种湍流火焰模式（根据湍流强度、长度 尺度划分）、各模式传播速度影响因素
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扩散火焰
• 扩散火焰 • 层流扩散火焰特征（火焰表面、火焰高度、
浮力影响、碳烟生成、火焰高度-流量关系） • 层流扩散火焰物理描述（T-f、Yi-f） • 火焰高度影响因素 • 层流扩散火焰向湍流扩散火焰的转变
燃烧学复习
1
本课程内容
• 绪论 • 燃烧热力学 • 传质基础 • 燃烧动力学 • 几个重要的反应机理 • 层流预混燃烧 • 湍流预混燃烧 • 扩散火焰 • 液滴蒸发与燃烧
2
绪论
• 燃烧概念 • 燃烧分类（按照流态、相态、传播方式等）
3
燃烧热力学
• 概念：当量比、绝对焓、生成焓、热值 • 绝热火焰温度概念与计算（定压、定容） • 化学平衡判定，Kp的计算 • 能够利用压力平衡常数计算平衡产物成分
6
几个重要的反应机理
• H2-O2系统 （几个爆炸极限） • CO氧化机理（区分干式、湿式机理） • 高链烷烃氧化机理（乙烷的8步氧化机理）
C-C断裂脱氢自由基产生染料分子 进一步断裂脱氢反应甲酸基、甲醛生 成氧化CO氧化机理
7
简化守恒方程
• 简单化学反应 • 守恒标量：混合物分数（概念与计算）、
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传质基础
• Fick定律（形式、各参数意义） • Stephen问题 • 单个液滴蒸发时间（D2定律）
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燃烧动力学
• 概念：基元反应、反应级数、链式反应 • 碰撞理论（理解） • 基元反应速率、Arrhenius定律 • Kc、kf、kr与kp的关系 • 链式反应过程 • 两种近似方法：稳态近似与局部平衡假设
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基本方程：
连续方程 ： 能量方程： 组分扩散方程： 状态方程：
u u S l c o n st （4-11）
uCpddT xddxddT xWQ （4-12）
uddC xi ddxDddC xi W
pM eq RT
（4-13） （4-14）
1. 边界条件 ：
Cp Tb T2
积分、化简得 ：
S lC p 2 2 2T n f!W T Q n 2 E E T f2 n 1 T T f ne x p E R T 1 f T 1
层流火焰图
在火焰前沿厚度的很大一部分上，化学反应的速度很
小，称为预热区，以 δd 表示。而化学反应主要集中 在很窄的区域 δc 中进行，称其为化学反应区。
前沿的厚度很小，但温度和浓度的变化很大，因而在 火焰前沿中出现了极大的浓度梯度及温度梯度。这就 引起了火焰中强烈的扩散流和热流。
火焰前沿传播机理
火焰传播的热理论 认为火焰中反应区(即火焰前沿)在空间的移动，取
决于反应区放热从而向新鲜混合气的热传导。
火焰传播的扩散理论 认为凡是燃烧都属于链式反应，在链式反应中借助
于活性中心的作用，使混合气变为燃烧产物。火焰前沿 在空间的移动是由于反应区中有活性中心向新鲜混气进 行扩散而使反应连续进行。
二、层流火焰传播速度
,
0 dx
x0:TTb
d 2T dx2
WQ
0
d dx
dT dx
wQ
ddTxdddTxwQdT d12(ddTx)2wQdT
dT
dx b
2 Tf wQdT
Tb
(4-19)
由(4-16)式与(4-19)式得 ：
Sl
2 Tf wQdT T 2
Cp Tf T
Sl u
2 Tf wQdT Tb
uCpddT xddxddT xWQ
ddx2T2 uCp
dT0 dx
边界条件：
x0:TTb
dT
x:TT,
0 dx
对（4-16）积分：
dT dx b
uCpTbT
(4-16)
反应区： 忽略对流传热项 ,能量方程作如下简化 ：
uCpddT xddxddT xWQ
d 2T dx2
WQ
0
边界条件：
dT
x:TTf
Chin：
l
Sl
Law和Tseng ：
l
Dm Sl
在Le＝Pr＝Sc＝1 的条件下等价
——层流火焰厚度正比于燃料空气混合气的质扩散系数， 反比于层流燃烧速度 。
四、预混层流火焰传播的数学模型
基本方程的建立
假设：假定在一绝热圆管内火焰前沿以速度Sl 沿
管子传播，并假定火焰前沿为平面形状。 忽略混合气粘性、体积力、辐射热和管壁 的影响，以及由于浓度梯度引起的热扩散 效应。
火焰传播(flame propagating)
——预混合燃烧的关键、本章研究的核心
随时间推移，火焰面在预混合气中不断向 前扩展，所呈现的现象。
可燃气体混合物的局部首先着火，着火部 分向未燃部分传递热量和活性粒子，使之 相继着火的过程称为火焰传播。
二．火焰及其特征和分类
火焰的定义
火焰(flames)是在气相状态下发生的燃 烧的外部表现。
两者大小相等方向相反。
可燃气体和空气混合物在20℃及760厘米水银柱 下的火焰前沿移动的正常速度值
可燃气体
H2 CO CH4 C2H2 C2H4
正 常 速 度 uH, m/s
1.6 0.30 0.28 1.0 0.5
三、层流火焰厚度（δl） arweg和Maly ：
l const （ 不同的混合气用不变的 δl ）
定义
火焰外沿相对于未燃混合物在火焰表面法线
方向上的移动速度称为火焰的法线速度，用Un表
示，也称为层流燃烧速度 ( laminar burning
velocity) ，用Sl表示。
——大小取决于反应速度、热量和活性中心的传
递速度。
数学表达式
Bussen 燃烧 嘴火焰
Un Ucos Sl Ucos
《燃烧学》课件
精品jin
概述
一、预混合燃烧概念
定义
燃料和氧（或空气）预先混合成均匀的混 合气，此可燃混合气称为预混合气，预混合气 在燃烧器内进行着火、燃烧的过程称为预混合 燃烧（premixed combustion）。
典型预混合燃烧装置
预混合气燃烧过程
在充满预混合气的燃烧设备内，通常是在某一局部 区域首先着火，接着在着火区形成一层相当薄的高温燃烧 区，称为燃烧区或火焰面。依靠火焰面的热量使邻近的预 混合气引燃，逐渐把燃烧扩展到整个混合气范围。这层高 温燃烧区如同一个分界面，把燃烧完的已燃气体(燃烧产 物)和尚未进行燃烧的未燃混合气分隔开来。在它的前方 是未燃的混合气，而在它的后方是已燃的燃烧产物。随时 间推移，火焰面在预混合气中不断向前扩展，呈现火焰传 播(flame propagating)的现象。
x T T Ci Ci
x T T f C i 0
基本方程的简化求解
基本思想：控制火焰传播速度的主要过程是从反应区向预热 区的传热过程。在预热区中，忽略化学反应的影响，而在反 应区中则忽略对流传热的影响，按一维定常流来解。
Zeldovich 热理论模型
预热区： 忽略化学反应的影响,能量方程作如下简化 ：
均相火焰 多相火焰（异相火焰 ）
4.1 层流火焰传播 (laminar flame）
预混可燃气体与流速不高（层流状态） 的火焰传播称为层流火焰传播。
一、层流火焰结构与传播机理
层流火焰图
层流火焰前沿浓度和温度变化
火焰结构特点
火焰前沿厚度很薄，一般不超过1mm，只有十分之几 毫米甚至百分之几毫米厚。
火焰的特征
具有发热、发光特征；—— 辐射现象 具有电离特性； 具有自行传播的特性。
火焰的分类
火焰自行传播
缓燃火焰(或称正常火焰) 爆震火焰
燃料与氧化剂在进入反应区以前有无接触
火焰状态
移动火焰 驻定火焰
（见图）
预混火焰 （本章） 扩散火焰 （第五章）
流体力学特性
层流火焰 湍流火焰
两种反应物初始物理状态
U—未燃混合气局部流速
静止坐标下的预混合气火焰传播速度分析
us——混合气流速 up——火焰面的移动速度 u0——火焰面相对未燃混合气的移动速度
u0upus uuppuuss Sl＝u0
(up、us反方向） (up、us同方向）
对固定火焰，火焰面静止不动，即up=0，则Sl = u0 = us
即：火焰传播速度就等于未燃混合气进入火焰面的流速，