燃烧学

研究燃烧的意义：
3. 减少有害排放物，保护生态环境（立法：欧1、2、3、 4、5、6排放限值）
NOx、CO、HC、CO2、PM、SO2、可见污染物。 2003年世界20个最污染城市，中国有10个。空气质量预报。 机动车 上海 CO 86% 北京 CO 60% HC 90% HC 86.8% NOx 56% NOx 54.7% 排气比进气干净 汽油、柴油完全燃烧排放约为75（g/MJ） CO2 。 用石油提炼汽油、柴油产生的CO2为1，则天然气提炼氢21倍， 煤炭提炼氢32.5倍。
（二）化学反应过程
2. 化学平衡与自由焓 因H、T、s为状态常数，故H -Ts也为状态参数。定义来自百度文库自由焓，也称 Gibbs函数，记做g。 于是为定温—定压反应时，其有用功可表示为： 即有用功等于或小于反应自由焓的减少。 当定温—定压反应过程为可逆过程时，系统将作出最大有用功。 及 同理，在定温—定容中， 式中f 称为自由能，或称Helmholtz函数。
• •
燃烧中的化学热力学
要求： •认识燃烧现象 •掌握燃烧机理 •完善燃烧设备 •提高能源的综合利用率
化学能和热能的转换
何谓燃烧？
燃烧是一种急速、剧烈的发光发热的氧化反应过程。 •燃料与氧化剂的制备，形成浓度适中的可燃混合物。 •高温（高压）的外部环境，形成具有连续传播火焰能力的火焰核。 •急速的燃烧化学反应，释放能量。 •火焰的传播。 •燃烧产物的生成。 燃烧是一个复杂的物理、化学过程，遵循热力学第一定律，以自由焓、自由 能的形式表示。 •化学家—反应机构（化学机理）；反应速度；反应程度等。 •机械工程师—宏观机理规律；燃烧设备设计；能源综合利用率。
（一）化学反应过程能量转换的数量关系
1. 化合物的标准生成焓 Δhf2980 定义： 化合物的构成元素在标准状态下（25ºC，0.1MPa）定温—定容或者定温定 压；经化合反应生成一个mol的该化合物的焓的增量（KJ/mol）。 • 所有元素在标准状态下的标准生成焓均为零。 C ＋ O2 CO2 0 0 -393.505 查表1.1 Δhf2980 ＝－393.505（kJ/mol） 负值为放热反应 如 CO (g) ＋ 1/2O2 (g) CO2 (g) 不满足化合物为构成元素之条件 如
（一）化学反应过程能量转换的数量关系
5. 反应焓与温度关系
其中△hp、 △ hR分别为产物和反应物由标准状态到T2时显焓的增量。
（二）化学反应过程
1. 化学平衡与平衡常数 研究反应的深度 / 完全度。研究 x %成为产物。
• •
各种反应均存在正反两个方向的反应，为动态平衡过程。仍有A、B反应 物存在为有限反应。 在某种特定条件下（可逆、定温）处于平衡，即反应物的消耗速度与产 物的生成速度相等，即各组分浓度不变，并遵循热力学第二定律。 按计量关系有：
（二）化学反应过程
2. 化学平衡与自由焓 根据热力学第二定律，系统熵的变化为 。
上式用于可逆过程时取等号，而用于不可逆过程时用不等号。
定压 即化学反应过程的有用功为：
定容
在定温—定压反应中，反应系统和外界的压力相等且保持定值。故过程中 系统所作的膨胀功 。又因为系统温度为定值 ， 故。代入式（*）
燃烧理论基础
汽车工程学院车用动力系 罗马吉
Email: zanelmj@126.com; mjluo@whut.edu.cn
课程介绍
• 以动力设备中的燃烧现象为研究对象，详细介绍了燃烧中的 化学热力学及燃烧物理化学问题。就液态、气态、固态燃料 的着火、火焰传播及燃烧产物的组分构成进行讨论。 • 燃烧理论基础（燃烧学）是上海交大能源动力类热力发动 机、热能工程、环境工程等专业的一门本科专业基础课程。 • 它的主要任务是通过各个教学环节，运用各种教学手段和方 法，使学生对燃烧现象和基本理论的认识。通过本课程的学 习掌握燃烧技术中所必须的热化学、燃烧动力学及燃烧过程 的基本知识与基本理论。掌握动力机械工程中气态、液态、 固态燃料的燃料特性、燃烧特点和规律，包括着火的形式和 条件、火焰的传播、燃烧产物的生成机理等。 • 通过本课程的学习，能对锅炉、内燃机、涡轮机、火灾、家 用炉灶、焊枪等燃烧现象从宏观上能有所认识，微观上能有 所解释。为改进燃烧设备、提高能源利用率、分析有害排放 物的生成机理和过程、避免不正常的燃烧现象、控制和降低 有害排放物的生成，具有一定的基本理论知识。 • 为今后从事工程技术工作、科学研究及开拓新技术领域，打 下坚实的基础。
参考文献
1. 岑可法，樊建人.燃烧流体力学.北京：水利电力出版社，1991，第 一版 2. 许晋源，徐通模.燃烧学. 北京：机械工业出版社，1980 3. 傅维标，卫景彬.燃烧物理学基础. 北京：机械工业出版社，1984 4. 韩昭沧.燃料及燃烧. 冶金工业出版社，1984，第一版 5. 常弘哲，张永康，沈际群.燃料与燃烧. 上海：上海交通大学出版社 ， 1993，第一版 6. 顾恒祥. 燃料与燃烧. 西安：西北工业大学出版社，1993，第一版 7. 徐旭常.燃烧理论与燃烧设备. 北京：机械工业出版社，1990，第一 版 8. K.K. 肯尼斯（郑楚光，袁建伟，米建春译）.燃烧原理. 武汉：华中 理工大学出版社，1991，第一版 9. 张松寿.工程燃烧学. 上海：上海交通大学出版社，1987，第一版 10. 霍然 .工程燃烧概论. 合肥：中国科技大学出版社，2001，第一版 11. 傅维标，张永廉，王清安 .燃烧学. 北京：高等教育出版社，1989 12. Irvin Glassman .combustion. Academic Press, 1996,3rd Edition 13. J.Warnatz, U.Mass,R.W.Dibble .Combustion. 2001, 3rd Edition
2. 化学平衡与自由焓 • 根据热力学第二定律，自发的实现的过程都是不可逆的，它只能向单一 方向变化，并且可以用工质和它有关周围物质两者熵的和总是增大来表 示，即 • 在化学反映过程中，系统所作的功，除了依靠系统的容积变化对外界作 出膨胀功外，还可以作有用功（如发光，产生电流等）。据热力学第一 定律，可得到：
研究燃烧的意义：
4. 提高能源综合利用率
• 天然气 世界天然气资源所含能量，大体与石油储量相当。全球总资源 量在2.5×106亿～3.5×106亿m3之间。近年来的年消费量约占世界总消 费量的60%。我国的天然气总储量为3.3×105亿m3，目前天然气年产量 占能源生产总量的2%。西气东输计划，2020年达1000亿m3，相当于1亿 吨原油。1m3天然气相当于1kg汽油的热值。 法国核发电占77%。日本、比利时、瑞典、德国、韩国、匈牙利、俄罗 斯在30%～70%之间。 劣质燃料，代用燃料的应用。 美国2000年生产乙醇汽油559万吨，占全国玉米产量的7%～8%。 巴西年产793万吨，占该国汽油消耗的1/3。
（一）化学反应过程能量转换的数量关系
2. 反应焓 ΔhRT0 定义： 在定温—定容或定温—定压条件下，反应物与产物之间的焓差，为该反 应物的反应焓（kJ）。 • 各反应物及产物的焓值均以其生成焓表示。 例如 甲烷 CH4 ＋ 2O2 -74.89 2×0 CO2 ＋ 2H2O(l) -393.505 2×(-85.55)
研究燃烧的意义：
4. 提高能源综合利用率
主要能源：煤、石油、天然气、石油气。 • • 地球上的煤炭资源约16.8万亿吨，可开采的煤储量为7600亿吨，年总 产量约45亿吨。我国原煤年产量约14亿吨，占能源生产总量的75%。 中国的石油总资源量为980亿吨，可采资源为135亿吨，目前探明的 量只有28%。我国原油年产量约2亿吨。 2000年进口石油6300万吨，约占当年需求量的1/3。 2005年进口石油8000万吨。 2007年进口石油18328万吨。 2008年进口石油20067万吨，同比增长9.5%。 04年估计： 2010年1亿吨。我国人均石油资源占世界平均量的1/16。
（一）化学反应过程能量转换的数量关系
4. 燃烧焓 工程上认为，反应焓与反应能近似相等，不加区别，统称为燃烧焓。 对一个简单反应而言
由于燃烧前后mol数变化甚微，与燃烧焓相比， △ nRRT也相对很小。 因此 即 QV 5. 反应焓与温度关系 燃烧一般不可能在标准状态下（0.1MPa，298K）进行，至少应该考虑温 度的影响。 若反应
教材和教学参考资料： 教材： 《燃烧理论基础》周校平、 张晓男.上海交通大学出版社， 2001 教学参考书： 《燃烧学》许晋源、徐通模. 机械工业出版社，1990 《工程燃烧学》张松寿.上海 交通大学出版社，1987 杂志期刊： 《工程热物理学报》
目录
第一章 燃烧中的化学热力学及燃烧化学问题 第二章 燃烧物理学 第三章 着火（自燃与引燃） 第四章 预混合气体燃烧火焰 第五章 扩散火焰与液体燃料燃烧 第六章 气体燃料的喷射与燃烧 第七章 固体燃料的燃烧（不讲）
《燃烧理论基础》课件
第一章
燃烧中的化学热力学 及燃烧化学问题
第一章 燃烧中的化学热力学 及燃烧化学问题
概述 燃烧中的化学热力学 化学能与热能的转换 燃烧空气量与燃烧产物的计算 绝热燃烧火焰温度的计算 燃烧的反应速度 热爆燃理论及其局限性 链反应 烃类燃料的燃烧
概 述
研究燃烧的意义：
1. 人类开始对火的利用标志着人类开始进入了有文明的时代
Δhf2980 ＝ -393.505 －2×85.55＋74.89＝-890.3（kJ）
*在标准状态下，标准生成焓与其反应焓相等。
（一）化学反应过程能量转换的数量关系
3. 燃烧焓 Δhc0 定义： 单位质量的燃料（不包括氧化剂）在定温—定容或定温—定压条件下， 燃烧反应时的反应焓之值（kJ/kg）。 • 燃烧焓是反应焓的一种特例（习惯用负值）。 • 与燃料的热值数值相当。 • 燃料热值有高热值与低热值之分，相差一个燃烧产物中的水的气化潜 热。 (QP)L= (QP)L-WLW (KJ/kg) • 工程上，对固体、液体燃料的热值习惯上用kJ/kg，对气体燃料的热值习 惯上用kJ/m3 LW－单位质量水蒸气的蒸发潜热2445.1kJ/kg。 W －冷凝水称重后之质量（kg）。
式中：r — 化学反应速度
，表示某物质浓度
（二）化学反应过程
1. 化学平衡与平衡常数 • 各化合物的反应速度为
•
正向反应速度
kf— 正向反应速度常数。
• 逆向反应速度
kb— 逆向反应速度常数。
（二）化学反应过程
1. 化学平衡与平衡常数 • 当系统达到平衡时 即 引进按浓度定义的反应平衡常数
即
（二）化学反应过程
最初认识的燃烧是一种自燃现象。 成为赖以生存的工具—熏烤野食、取暖御寒、防御野兽。 成为创造辉煌文明史的象征—（尤其是中华民族）陶器、 瓷器、砖 瓦、冶炼（铜器时代、铁器时代）、火药。 19世纪蒸汽机的出现表征现代社会的来到。 目前世界的汽车保有量为9亿多辆，年产量约8千万辆。 每一辆汽车都是一台流动的燃烧设备。 我国汽车保有量为5.5千万辆，年产量达800万辆。
研究燃烧的意义：
2. 控制或改善失控的燃烧
能源、交通、环保、是社会发展的永恒问题。决不能先污染再治 理。 大众：3L/100km的路波车（Lupo）TDI。1.2L，泵喷嘴，2000bar， 三缸，45 kW，140 N m，柴油机。 宝马：ECO-speedster 1.3L，80kW，660kg ，2.5L/100km， 250km/h，风阻系数0.2，碳纤维车身。 消防灭火（大兴安岭一把火，伊拉克—科威特战争608口油井着火， 灭火，高科技多国部队） 受机械负荷，热负荷限制。 汽油机的爆震、后燃、早燃。 全过程电控技术、前处理、后处理。
1. 化学平衡与平衡常数 定义kp为以分压定义的反应平衡常数。 由道尔顿分压定律， 可得：
定义kx为以体积百分比定义的平衡常数。 由平衡常数定义可得，平衡常数越大，反应进行得越彻底。实际kc或kp为 有限值，即系统中组分的[A][B][C][D]存在。
（二）化学反应过程
1. 化学平衡与平衡常数 • 实际过程中为有限反应，且正向反应速度一般比逆向反应速度快得多。 可用反应度λ表示系统达到平衡时反应物能有效变为产物的程度。