燃烧学基础-概念与应用

燃烧学基础

—概念与应用

Stefen R. Turns

重庆大学2009/4/13

1引言

学习燃烧学的目的

自人类赖以生存的地球存在以来，就有了燃烧现象及其对燃烧的控制。燃烧是能源利用的一种主要形式，现阶段，人类使用的能源的85％来源于燃烧[1,2]，见表1.1。在我们的日常生活中，燃烧具有重要的意义，如冬季供热就是直接来源于锅炉等的燃烧，或者通过燃烧化石燃料发电来进行间接供热，实际上，电能的供给也主要是依靠燃烧。上世纪90年代，美国约32％的电能供给是通过核电站或者水力发电来完成的，但仍然有一半以上的用电需量需要通过燃煤发电来供给。交通运输几乎完全依赖于燃烧，如航空和地面运输设备的动力就主要依赖于石油产品的燃烧。工业过程严重地依赖于燃烧，如钢铁和金属冶炼业中原材料的准备、热处理等工艺中都涉及到燃烧现象。其他工业燃烧装置包括锅炉、精炼和化工流体加热器、玻璃融化、固体干燥等。水泥行业也大量使用燃烧所释放的热能。

表1.1 1996年美国的能源消耗

我们可以看到，燃烧对人类的生产生活具有非常重要的意义。另一方面，燃烧过程还广泛于环境保护，如废弃物焚烧，发动机废弃物（主要成分为已燃的碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化硫和三氧化硫，以及各种形式的颗粒物等）的排放控制等；同时，燃烧失去控制后，可能引起火灾爆炸灾害，造成人员的伤亡和财产损失。因此，燃烧对于人类社会的生产生活非常重要。

燃烧的定义

简单地说，燃烧就是快速的发光发热的化学反应。该定义强调了化学反应对于燃烧现象的本质重要性，同时也强调了燃烧过程对于将化学键内存储的能量转化为热能并以不同的方式供人类应用的重要性。

燃烧模式与火焰类型

燃烧可以有焰燃烧或无焰燃烧两种模式。对于有焰燃烧模式，又可以分为预混火焰和非预混火焰（扩散火焰）。我们可以采用如图1.1所示的火花发动机中发生的“敲缸”过程，来理解有焰燃烧和无焰燃烧模式之间的主要差别。

图1.1 火花发动机中的（a）有焰和（b）无焰燃烧模式

在图1.1a表中，我们看到一个层很薄的强烈化学反应区域传播通过未燃的燃料空气混合物，火焰后方是炽热的燃烧产物。随着火焰移动通过燃烧空间，已燃气体的温度和压力升高。在如图1.1b的情况下，快速的氧化反应在未燃气体中的多个位置处同时发生，导致整个容器内的压力急剧升高，这种在发动机内呈现的容积性的放热过程称为自动点火。发动机“敲缸”时，这种自动点火过程的压力急剧上升导致发动机发出特殊的声音。“敲缸”是人们所不期望的，使用无铅汽油时如何避免“敲缸”现象的发生仍然是发动机设计中具有挑战性的工作，而在压缩点火或柴油发动机中则是通过设计使自动点火形成燃烧。

顾名思义，预混或非预混（或称为扩散火焰）两种火焰类型与反应物的混合状态有关。在预混火焰中，在发生主要化学反应之前，燃料和氧化剂在分子水平上得以混合，火花发动机就是预混燃烧的一个例子。而扩散火焰则相反，燃烧开始之前反应物是分离的，燃烧过程与混合过程同时发生，例如蜡烛燃烧。在许多实际工程装置中，这两类燃烧火焰都不同程度地同时存在着，例如通常认为柴油发动机燃烧就同时存在预混燃烧和非预混燃烧。严格地讲，“扩散”只适用于化学组分的分子扩散，例如燃料分子从一个方向向火焰扩散而氧化剂分子则从相反的方向火焰扩散。在湍流非预混火焰中，湍流对流过程使燃料和空气在宏观尺度上得以混合。而分子扩散，即在很小的尺度上进行的分子混合使得化学反应能够得以进行。

燃烧学的学习方法

我们将从燃烧现象中的几个关键物理过程开始来研究燃烧问题，这些关键的物理过程构成了燃烧学的基本框架，即：第二章的热化学，第三章的质量（以及热量）的分子输运；第四章

的化学动力学问题；第五章和第六章中我们将介绍如何用流体力学将上述问题耦合在一起。随后，我们将应用这些基础知识，从而建立起对层流火焰的理解（第七章），在层流火焰的分析中，我们会相对容易地看到如何应用能量守恒原理。大多数实际燃烧装置都是工作在湍流状态下，因此这些理论概念的运用非常困难，因此在第八、九章和第十章我们将介绍湍流火焰及其应用。最后几章，我们介绍固体的燃烧和爆轰问题。

本教材的目的是提供一种可以简单处理燃烧问题的基本方法，从而使没有燃烧学基础的读者可以熟悉和理解燃烧学的基础知识与实际应用方面的问题。

参考文献

2 燃烧与热化学

本章我们将考察热力学中对燃烧研究中非常重要的几个概念。首先，我们简要回顾了描述理想气体与理想气体混合物的基本参数的关系式，以及热力学第一定律。尽管读者可能在热力学课程中已经很熟悉这些概念，但是为了燃烧研究的完整性，我们这里还是将其作为教材的内容给出。然后，我们关注与燃烧和反应流有密切关系的几个热力学问题，包括原子守恒的概念和定义、用于考虑化学键键能的焓的定义、确定反应热、热值和绝热火焰温度等的第一定律的概念。建立化学平衡、热力学第二定律的概念，并将其应用与燃烧产物混合物。接下来，我们强调了化学平衡的概念，这是由于平衡状态可以确定许多实际燃烧装置的性能参数。例如，我们可以通过化学平衡来确定稳态燃烧器出口处的温度和主要组分。同时，为了更好的理解这些概念，还给出了一些实际例子。

2.1 热力学参数之间的关系

2.1.1强度量和广延量

广延量的数值大小与所考虑物质的量（质量或摩尔数）有关，通常用大写字母表示，例如用()3V m 表示体积、用()U J 表示内能、用()()H J U PV =+表示焓等。而强度量是用单位质量（或每摩尔）来表示的，其数值与物质的量无关。基于质量的强度量通常用小写字母表示，例如用()3/m kg υ表示比容、用()/u J kg 表示比内能、用()()/h J kg u P υ=+表示比焓等。对于采用小写字母表示热力学参量，这种约定的一个例外是强度量温度T 和压力P 。本教材中，对基于摩尔的强度量的表示，采用小写字母上方加上一横来表示，例如u 和()/h J kmol 。广延量可以采用相应的强度量来方便地得到，其方法将强度量（单位质量或摩尔的参数值）乘以物质的质量或者摩尔数，即：

V m υ=（或N υ） （2.1）

U mu =（或Nu ）

H mh =（或Nh ）

后面的内容中，我们会采用基于质量或者基于摩尔的强度量，这主要取决于哪一种方式更适合。

2.1.2状态方程

状态方程给出了物质压力P 、温度T 和物质体积V （或比容υ）之间的相互关系。对理想气体，即可以忽略分子间相互作用力和分子体积的气体，下述形式的状态方程成立：