燃烧学西安交大第三章气体燃料的燃烧

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 n Q
0
解得：
dT ( dx )w
2k0CnQ Tqr exp( E )dT
Tqr
RTq2r E
RT
2k0CnQ RTq2r exp( E )dT
E
RTqr
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。
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
)Cn
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
。
由于
R
T
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。
第三节 扩散火焰与预混火焰
本生灯的燃烧过程与火焰结构 1、扩散火焰：
1 k 0 ， 全 靠 2 k ， 二 级 空 气 扩 散 进 火 焰 。
特征：火焰软弱无力，温度低，火炬长。
2、预混火焰（ 1k 0 ）：
0 1 k 1 ， 既 存 在 内 火 焰 锋 面 ， 也 存 在 外 火 焰 锋 面 ； 1 k 1 ， 只 有 内 火 焰 锋 面 。
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(
E RT
)C
n
S
dx
Q rl
q1+q3 q2
d 2T dx2
k0 exp(
E RT
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：
E wmk0exp(RTlr
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。
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。
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：
S S0
r
r2h2
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：
Ⅱ、湍流时的火焰传播
来自百度文库
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：
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。）
N L u
2k0CnQ R Tq2 r exp(E)
E (TqrT0)2
RTqr
由式3-14可求得Tqr
二、强燃
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。
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。）
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。
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
l
2 j
exp(
E R Tlj
)
S
可求得：
Tlj
E 2R
(1
1
4
R
T
0
)
E
（3-4）
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
内火焰锋面是预混物的火焰称为预混火焰。 特征：火焰有力、温度高、火炬短。
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
（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 。
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、
2 Q Tlr
wmdT
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。
边 界 层 内 d dT x0， 此 时 T2Tlj
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
C 2
Q1 Q2C
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
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
（+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：
14RT E 0)12RE T0 2RE 2T202......
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
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 ，
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。
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)
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 ；
Ⅰ、层流时的火焰传播
④Q： uce Q ⑤化学反应速度常数：
E k k0 exp( 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。
(
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）
uce wm
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；
c、可燃混合物P增大，由于wc p ，Q1曲线上移，Tzh变
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：
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)