燃烧学习题答案

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《燃烧学》复习题参考答案集

2009 / 1 / 9

第一章化学热力学与化学反应动力学基础

1、我国目前能源与环境的现状怎样？电力市场的现状如何？如何看待燃烧科学的发展前景？

我国目前的能源环境现状：

一、能源丰富而人均消费量少

我国能源虽然丰富，但分布很不均匀，煤炭资源60%以上在华北，水力资源70%以上在西南，而工业和人口集中的南方八省一市能源缺乏。虽然在生产方面，自解放后，能源开发的增长速度也是比较快，但由于我国人口众多，且人口增长快，造成我国人均能源消费量水平低下，仅为每人每年0.9吨标准煤，而1 吨标准煤的能量大概可以把400吨水从常温加热至沸腾。

二、能源构成以煤为主，燃煤严重污染环境

从目前状况看，煤炭仍然在我国一次能源构成中占70%以上，成为我国主要的能源，煤炭在我国城市的能源构成中所占的比例是相当大的。

以煤为主的能源构成以及62％的燃煤在陈旧的设备和炉灶中沿用落后的技术被直接燃烧使用，成为我国大气污染严重的主要根源。据历年的资料估算，燃煤排放的主要大气污染物，如粉尘、二氧化硫、氮氧化物、一硫化碳等，对我国城市的大气污染的危害已十分突出：污染严重、尤其是降尘量大；污染冬天比夏天严重；我国南方烧的高硫煤产生了另一种污染——酸雨；能源的利用率低增加了煤的消耗量。

三、农村能源供应短缺

我国农村的能源消耗，主要包括两方面，即农民生活和农业生产的耗能。我国农村人口多，能源需求量大，但农村所用电量仅占总发电量的14%左右。而作为农村主要燃料的农作物桔杆，除去饲料和工业原料的消耗，剩下供农民作燃料的就不多了。即使加上供应农民生活用的煤炭，以及砍伐薪柴，拣拾干畜粪等，也还不能满足对能源的需求。

电力市场现状：

2008年10月份，中国电力工业出现4.65％的负增长，为十年来首次出现单月负增长。11月，部分省市用电增幅同比下降超过30％。在煤价大幅上涨和需求下滑的影响下，目前火电企业亏损面超过90％，预计全年火电全行业亏损将超过700亿元。

走势分析

2009年，走过今年“寒冬”的电力行业将机遇与挑战并存，挑战大于机遇。受整个经济下滑的影响，“过剩”的尴尬将继续显现。

电价矛盾将更加突出。今年以来，国家制定的煤电价格联动政策迟迟无法实施，导致发电企业亏损不断累积，电价矛盾日益尖锐。面对明年经济形势的复杂情况，电力销售价格能否适时调整，具有很大的不确定性。

结构调整有望借势“提速”。明年宽松的用电环境正好为中国电力结构调整腾出了时间和空间。面对今年的大变局，国内发电企业将从跑马圈地式的快速扩张，转向注重效益的发展模式。

燃烧科学的发展前景

燃烧学是一门正在发展中的学科。能源、航空航天、环境工程和火灾防治等方面都提出了许多有待解决的重大问题，诸如高强度燃烧、低品位燃料燃烧、煤浆(油-煤，水-煤，油-水-煤等)燃烧、流化床燃烧、催化燃烧，渗流燃烧、燃烧污染物排放和控制、火灾起因和防止等。

我国的能源现状也决定了必须大力的发展燃烧学科。

燃烧学的进一步发展将与湍流理论、多相流体力学、辐射传热学和复杂反应的化学动力学等学科的发展

2、什么叫燃烧？

答：燃烧标准化学定义：燃烧是一种发光发热的剧烈的化学反应．

燃烧的广义定义：燃烧是指任何发光发热的剧烈的化学反应，不一定要有氧气参加

3、什么是简单反应、复杂反应？

答：简单反应：由反应物经一步反应直接生成产物的反应。（也叫基元反应）

复杂反应：反应不是经过简单的一步就完成，而是通过生成中间产物的许多反应步骤来完成的反应，其中每一步反应也称为基元反应。

4、浓度和化学反应速度正确的表达方法？

答：浓度：单位体积内所含某种物质的量

1.分子浓度ni =Ni /V Ni为分子数 1 /m3

2.摩尔浓度Ci =Mi /V Mi 为摩尔数mol / m3

3.质量浓度ρi=Gi /V kg / m3

4.相对浓度摩尔相对浓度：x i =N i /NΣ=n i /NΣ=C i /CΣ=p i /p

质量相对浓度：f=G i /GΣ=ρi /ρ

化学反应速度：通常用单位时间单位体积内消耗的燃料量或者氧量来表示。

化学反应速度既可以用反应物浓度的减少来表示，也可以用生成物浓度的增加来表示。但均取正值。W=±d C / dτ

5、质量作用定律的适用范围？试用质量作用定律讨论物质浓度对反应速度的影响。

答：①反应应为简单反应

②严格讲，质量作用定律仅适用于理想气体。

③对于多相反应，仅考虑气相物浓度，对于固相或液相物质蒸汽分压不考虑。

按质量作用定律，如果反应方程式是aA+bB

（简单反应）则反应速度和反应物浓度[A][B]成如下关系：

W =k[A]a[B]b

即：当温度不变时，某化学反应的反应速度与该瞬间各反应物浓度的乘积成正比例，如果该反应按照某化学反应方程式一步完成（简单，基元反应），则每种反应物浓度的方次即等于化学反应方程式中的反应比例常数。

6、什么是反应级数？反应级数与反应物初始浓度（以及半衰期）之间的关系如何？

答：化学反应速度表达式中浓度指数之和n=α+β就是反应级数。

反应级数与反应物初始浓度无关。

由于w =-dC/dτ=k[C]n,可推得：

零级反应：

一级反应：

二级反应：

n

p ；单位

11

n p -。

，表达为

，其中11、 什么是活化能，其计算的方法是什么？

答：活化能：使普通分子（平均能量）变为活化分子所需能量。可以测定反应级数根据图解法和计算法来见解求得。（详见课本P3）

12、 图解吸热反应和放热反应的活化能和反应放热（吸热）之间的关系。

13、什

14、试

答：.

15、烃

16、图

对反应的作用有改变的只有两点：活化能E下降，反应途径的变化

17、什么叫化学平衡？平衡常数的计算方法？吕·查德里反抗规则的内容是什么？解释：碳燃烧的时

候，在低温下发生氧化反应，而在温度很高的情况下，气化反应将变得显著。

答：化学平衡的，可逆反应此时系统内各组成成分不变，计算公式为课本10、11页的1-27和1-28. 。系统变化遵循吕·查德里反抗规则：当化学平衡由于某一外因（T,p或成分含量）而被破坏时平衡将向反抗这一外因的方向移动。温度升高，平衡将向吸热方向移动，抵抗温度升高的影响；温度降低，平衡将向放热方向移动，抵抗温度降低的影响

18、标准生成焓、生成焓的定义？反应焓的定义及计算方法？燃料发热量（热值）与燃烧焓、反

应焓的关系？

答：生成焓定义：化合物的构成元素（最稳定的单质）经化合反应生成1mol该化合物的焓的增量。kJ/mol，标准生成焓：是化合物的构成元素在标准状态下（298K,0.1MPa），经化合反应生成1mol该化合物的焓的增量。

在特定的温度压力下（等温等压）进行的反应，反应物与产物具有相同的t,p，则产物与生成物间的焓值之差为该反应的反应焓

如果化合物不是由元素直接反应的生成物，则反应后生成物与反应物间的焓差值，不是生成焓，而是反应焓。

发热量与反应焓、燃烧焓大小相等，符号相反。

19、过量空气系数（α）与当量比（β）的概念？

答：过量空气系数是反应供应空气（氧气）与反应恰好完全反应所需空气（氧气）之比

当量比是两种参加反应的反应物的质量之比

第二章混合与传质

1．什么是传质？传质的两种基本形式是什么？

答：物质由高浓度向低浓度方向的转移过程叫做传质，也叫质量传递。

传质的两种基本方式是分子扩散传质和对流传质。

2．什么是“三传”？分子传输定律是怎样表述的？它们的表达式如何？（牛顿粘性定律、傅立叶导热定律、费克扩散定律）什么是“三传”的比拟？

答：动量传递、质量传递、热量传递。

分子传输定律即牛顿内摩擦定律，傅里叶导热定律和fick扩散定律。

?

描述动量、热量和质量的规律有相似的数学表达式（傅里叶定律型）和相似的准则数（普朗特数和施密特数、努赛尔数和舍伍德数）叫三传的比拟。

数。5．如图所示：

两股射流在大空间中交汇。射流的初始温度T1=60℃，T2=室温20℃，实测xy点的T xy=50℃。气流中的初始浓度为C1=3mol/m3，C2=2mol/m3，求点的xy点的浓度C xy。

答：该题复习为ppt上原题。

6．自由射流积分（动量守恒）条件、热焓差和浓度差守恒条件的物理意义是什么，数学表达式是什

么？

答：（1）自由射流动量守恒是指沿射流的轴线方向，在任意断面上，以射流的速度w与速度w2只差(w-w2)计算的动量是一个不变的常数。其值恒等于出口断面上的以出口速度w1与射流的速度w2只差计算的射流初始动量。

（2）同动量守恒条件相似可以得出，沿轴线方向上，任意断面上的热焓差和浓度差都是不变的常数，且恒等于出口断面上的射流与伴随流之间的热焓差和浓度差。

注：相应公式见PPT2.4.2

θ（含

假定旋转射流的横截面如图所示，流体是无粘性流体，流动区域可以划分为两个区域：外围的自由旋转区（可以按势流处理）和中心的刚体旋转区（不能按势流处理），其分界线为r=r1。

答：中心线上负压即刚体运动区中心线上的负压值，具体推倒见PPT2.5.1（2）

10．什么是旋流强度，其物理意义是什么？旋流强度的计算公式？

答：旋流强度（旋流数）：工程上用于反映旋转射流强弱程度的指标。

G

S=?

计算公式：

其中，Gφ是角动量的轴向通量（旋转动量矩），Gx是轴向动量，R为定性尺寸。

物理意义：旋转动量和轴向动量的某种比值。

11．图示钝体流场的主要特征。

答：见课本P54图2-23.

12．两股平行射流湍流混合的强弱取决于哪些空气动力学参数条件？

1

②

③

13．

1.

答：

条件：

规律增加。导致燃烧反应自动加速。

链式着火过程：主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的，由于活化中心会被销毁，所以链式着火通常局限在活化中心的繁殖速率大于销毁速率的区域，而不引起整个系统的温度大幅度增加，形成“冷焰”。但是，如果活化中心能够在整个系统内加速繁殖并引起系统能量的整体增加，就形成爆炸。

2.自发着火与强迫着火的区别是什么？

答：自燃：自发的着火，依靠系统自身化学反应的放热来维持系统的升温。

强燃：强迫着火，借助外部能量（固壁、火花塞），使其局部着火，然后火焰传播到整个可燃混合物中。

3.自燃必要条件有两个判据，他们的表达式怎样，物理意义是什么？燃料的活化能、系统初始温度、

散热系数对自燃温度的影响如何？请图示。试讨论影响自燃着火温度的主要因素有哪些？

答：自燃必要条件有两个判据，他们的表达式怎样，物理意义是什么？燃料的活化能、系统初始温度、散热系数对自燃温度的影响如何？请图示。试讨论影响自燃着火温度的主要因素有哪些？

两个判据:产热散热相等，产热散热变化率相等即：

η(

4.

5.

7.

试根据强迫点燃温度的方程

Nu

L

η

λ

==讨论：1）炽热平板的长度；

2）对流换热Nu数；3）气流的压力；4）气流的导热系数；5）燃料的活化能；6）燃料的发热量；对强迫点燃难易程度的影响。

）燃料的

8.

9.

应，从而使燃烧波不断向未燃气推进，传播速度大于1000m/s，大于声速。如爆炸、压燃式内燃机的火焰传播。

10.层流火焰传播的速度是怎么定义的？

答：层流火焰传播的速度定义为流动状态为层流时的火焰锋面在其法线方向相对于新鲜混合气的传播速度。

11. 火焰传播速度的定义式数学表达式是什么？随各个主要影响因素（热扩散率、燃尽时间等）的变化规律是什么？ 答：火焰传播速度定义式的数学表达式为：n ce w u -=（火焰锋面相对静止时）。

根据

()E

RT T T Qw C a

dT w Q

T T a

u lr b m p T B

m lr ce lr

2200

22-=

-=

?

ρλ

可知：

12. 本弦定律：w 火焰锋面法向的分速度就等于气体火焰的传播速度。测量空气与燃气流量，可得混合气体流量，根据已知的喷嘴直径，可计算出混合气体的流速；再测量火焰的高度，算出火焰圆锥投影的半角，即可得到混合气体在火焰锋面法向的分速度 —— 气

体火焰传播速度。 测量过程：

① 分别测出空气与燃气的流量 Q kq 和 Q rq （据流量计的不同可能需要修正），计算总的混合气体流

量 Q = Q kq + Q rq ；

② 测出喷嘴内径 R ，计算出喷嘴截面积 A = πR 2，从而可算出混合气体流速 W=Q/A ；

③ 测量火焰高度 h ，可计算出火焰圆锥投影半角

22sin h R R +=

θ 。

Q Q +13. 燃答： 14. 燃 15. 过教材 16. 火 17. 什么是淬熄距离？

答：火焰传播过程中，在距离壁面数MM 的地方，壁面温度低，dT/dr 较高，散热强烈，使Uce 下降，造成火焰无法传播的临界便捷厚度成为淬熄距离。 18. 什么是湍流火焰传播的表面燃烧理论和容积燃烧理论？ 答：表面燃烧理论（舍谢尔金）

火焰面使层流型的，湍流脉动在一定空间内使燃烧面弯曲，皱折，乃至破裂，成“小岛”状的封

闭小块，这样增大了燃烧面积，从而增大了燃烧速度。

容积燃烧理论

湍流燃烧速度的增加是因为在湍流中热量和活化中心湍流转移速度都大大高于层流中同类型的分子迁移速度率，因而加速了火焰中化学反应，从而提高了实际的法向燃烧速度。

19.什么是扩散火焰？什么是预混火焰？什么是全预混火焰？其火焰的形状和结构有何区别？——通

过火焰的图像特征辨别火焰的种类。

答：扩散火焰：燃料和氧化剂边混合边燃烧，这时由于扩散作用对燃烧起控制作用，又称扩散火焰。

预混火焰：燃料和氧化剂预先混合好，这时化学动力学因素对燃烧起控制作用，亦称动力燃烧。

全预混火焰：若一次预混空气系数α1k>=1，一级空气氧已足够，此时也只有一个内火焰锋面，此时为全预混火焰。

具体图像参考教材或PPT。

20.什么是脱火和回火？图解火焰的脱火区、回火区、稳定区和黄色火焰区。

答：

21.为什么说扩散火焰不容易脱火也不容易回火？为什么全预混火焰既容易脱火也容易回火？结合火

焰区域的图进行解释。（需要解释，为什么全预混火焰的稳定区比较窄？）

答：当 1K=0，纯扩散火焰，不可能回火，因为管道中没有氧气，火焰传播速度为0。

也不易脱火，因为，随着燃料在环境中的扩散，与氧气混合，火焰传播速度上升，而流速却在扩

散过程中不断下降，很容易出现火焰稳定点。

火焰极为稳定，但化学不完全燃烧损失大。

α1K=0.4~0.7，稳定区域很大，运行较为可靠。

混合物中火焰传播速度很低，不容易回火。

与纯扩散火焰类似，随着燃料在环境中的扩散，与氧气混合，火焰传播速度上升，而流速却在扩散过程中不断下降，很容易出现火焰稳定点。

α1K太小时，气体中烃缺氧，发生高温裂解，产生炭黑，火焰呈明亮黄色，发光火焰，黑度大，有利于炉内传热。

α1K≥1时，既容易回火，也容易脱火，火焰很不稳定。

火焰传播速度很快，管道内供氧充分，很容易回火。

混合气流离开喷嘴以后，火焰传播速度不断下降，虽然流速也不断下降，但是，火焰传播速度的下降更快，很容易脱火。

22.常用的防止回火的措施有哪些？常用的防止脱火的措施有哪些？

答：

采用喉口设计：加装收缩段；直径变小

使用冷却装置：降低混合物温度，从而降低火焰传播速度，甚至直接淬熄火焰。

防止α1K>1.0

加稳焰器——使用钝体或者旋流，形成中心回流区，起到稳定点火源的作用

稳焰方法：利用钝体，旋转射流稳焰，利用逆向喷流稳焰，等等。

第四章液体燃料燃烧

1.液体燃烧的过程是什么？

答：雾化、受热蒸发、扩散混合、着火燃烧

2.图解单个液滴燃烧时的空间区域划分，以及油蒸汽浓度、氧气浓度和温度分布。

3.油滴燃烧属于扩散燃烧还是预混燃烧？为什么？

答：属于扩散燃烧限制油滴燃烧的主要因素是与空气的混合速度，即取决于空气向油滴表面扩散所需的时间，属扩散燃烧。

4.液体燃料喷雾特征的评定指标有哪几项？索太尔平均直径的计算式和物理意义？

答：①雾化粒度：表示油滴颗粒大小的指标

②雾化油滴均匀性

③雾化角：

④流量密度

5.简述机械雾化和介质雾化的过程。

答：①机械式雾化器

依靠油泵的压力将液体燃料的压力提高，使以较高的压力喷进燃烧室

②介质式雾化器

用蒸汽做雾化介质，则还可以在雾化同时降低油的粘度，故进入喷嘴的燃油粘度越高时仍能保证

雾化质量，采用空气作介质时，空气压力低，雾化质量较差。

6. 单个油滴的蒸发过程的物理模型怎样？油滴蒸发满足什么定律？试推导之。

7. 请推导单个油滴燃烧时间的表达式。

（6、7）合答：①油滴球形，r 2=δ，其周围温度场(α)，浓度场均匀(D)

②油滴随气流而动，与气流间无相对运动（Re=0） ③油滴表面温度近似等于饱和温度T 0=Tb

8. 一9. 1.

2. 煤种焦炭的质量大约占多少比例？焦炭的发热量大约占多少比例？焦炭的燃烧时间大约占多少比例？

，也就

1b

m b KC +k C k C C C k C C C K q zl zl b b b zl b O b m

1

111)(112

+

=++-==-==∞∞∞ααα

1zl

α③举例：气体燃料的扩散火焰中，只要Ｏ2一到火焰锋面就很快消耗掉。因此，强化燃烧唯一的办法就是增加扩散供Ｏ2，即↑αzl

11C k

α∞=

+

6. 颗粒直径、温度和颗粒与气流之间的相对速度对燃烧区域（动力区、扩散区）的影响是什么？

7.

讨论： ①颗粒直径δ0↓ m

S

zl

k

α=

↑→向动力区移动；

②当T ↑ ↓→向扩散区移动；

)exp(RT

E

-↑ m

S zl

k

α=