燃烧学 第五章 气体燃料的燃烧

二、绝热条件下的自燃过程
– 可燃气体混合物在反应过程中的释热率（产热率）可 用下式表示
式中：
dC QI Q1 v Q1 d
QI——燃烧过程的释热率，kJ/(s· m3) Q1——单位摩尔数燃料的燃烧热，kJ/mol
v——燃烧的化学反应速度，mol/(s · m3)
T
图中 c点为着火临界点 Tc为着火温度 T0c为自燃温度 T0c~Tc之间的时间为着火感应期
三、非绝热条件下的自燃过程
dT Vq g c pV S (T T0 ) 0 d
dT q g ql c p d
c点是曲线qg与ql的切点，因此可得自燃的临界条件
QI
QII
释热率曲线
T
散热率曲线
T
三、非绝热条件下的自燃过程
Q
– 一般情况下，释热率曲 线和散热率曲线有两个 交点，A点和B点。 – A点稳定。当外界有微小 扰动时，例如T￪，散热 >释热，T￬，回到A点;当 T￬，散热<释热， T￪， 回到A点。 – B点不稳定。轻微扰动将 使B点失去平衡。
B C A T0c Ta Tc Tb
C——反应物浓度，mol/m3
——反应时间，s
二、绝热条件下的自燃过程
• 稳定条件下，QI=QII，即：
dT dC Q1 C p d d dT dC Q1 C p d d Q1dC C p dT Q1 dT dC C p
q q
g c
l c
dq g dT
dq l dT c c
三、非绝热条件下的自燃过程
QVkoC n exp E / RToc S (Tc Toc )
E n QVk C exp( E / RT0C ) S 0 2 RTC
二、绝热条件下的自燃过程
• 对上式进行积分，得到：
Q1 T0 dT C0 C p dC
T C
Q1 C C0 T T0 C p T T0 Q Q 1 T T0 1 C0 C C0 C C p C p
当T达到着火温度时，即可实现着火，自发着火，自燃。
– 靠近壁面处，T=Tw，反应快，放热多，∆T高； – 远离壁面处， • 传热少，温升小 • 温度低，燃烧反应慢，温升小
二、点燃机理
T 可燃气体反应发热，但 是dT/dx<0，不能着火
T
x
T
可燃气体反应发热，同 时dT/dx=0，处于着火临 界状态 可燃气体反应发热，同 时dT/dx>0，能够着火， 反应速率大，温度升高
三、热物体表面附近温度浓度分析
一般情况下，热扩散系数 （导热系数）近似等于物 质扩散系数，则： D C p D C p
d 2T d2 f Q1 2 dx C p dx2 d 2T Q1 d 2 f 2 dx C p dx2
积分，并代入边界条件
x=+∞，T=T0，f=f0
三、非绝热条件下的自燃过程
2 E n S RT0c Qko exp C V E RT
假定预混气体为理想气体
pn n2 T0c
pn n2 T0c
SRn 1
E VQk 0 exp RT E 0c
SRn 1
E VQk 0 exp RT E 0c
Tc T0c RTc2 E
三、非绝热条件下的自燃过程
E E 4 RT0c Tc 1 2R 2R E
按泰勒级数展开指数项
1 2
1 4RT0c
E
1 2
2RT0c RT 1 2 0c E E
2
RT02c Tc T0c E
燃 烧 学
第5章
气体燃料的燃烧
本章内容综述
• 着火方式：
– 自燃 – 点燃
• 燃烧状态
– 层流燃烧 – 湍流燃烧 • 小尺度湍流火焰 • 大尺度弱湍流火焰 • 大尺度强湍流火焰
• 着火机理
– 热力着火 – 连锁着火
• 气体燃料和氧化剂混合状态 • 工业火焰稳定性
– 预混气体燃烧 – 半预混气体燃烧 – 扩散燃烧 – – – – – 值班火焰 钝体稳焰 小股反向射流 旋转射流 受限射流
同时考虑理论燃烧温度Ta与 Q1的关系 Q1C0=Cp0 (Ta-T0) 得到
Q1 Ta T0 Ta T0 C Cp f0 0
0
三、热物体表面附近温度浓度分析
代入积分式
T T f a f 0 Ta T0 f T Ta (Ta T0 ) f0
可见，点燃条件与下列因素有关： •气体的物理性质（决定Ta） •气体燃料的浓度（决定Ta） •周围环境温度（决定T0） •点燃物质能量（决定f）
– 炽热物体（石英球、铂球） – 小火焰（具有一定的温度和火焰厚度） – 电火花，工程上常用，控制电极距离
二、点燃机理
• 炽热物体对预混可燃气体的影响
Tw
热球 T
T
预混可燃气体
预混气燃烧带来的温升
T-Tw之间温差带来的温升
x
二、点燃机理
• 对于不可燃气体，当有炽热物体靠近时，只带来
•
边界处温升，没有燃烧放热带来的温升 对于可燃气体，当有炽热物体靠近时，既有温差 带来的温升，又有燃烧带来的温升
k0 e


E RT
Cn
n
d df D k0e dx dx
E RT
C
三、热物体表面附近温度浓度分析
同时，存在热平衡 QI=QII
I
d 2T dx2 式中：Q ——单位距离导热量，主要是传导热
QII——化学反应放热量
Q1k0e

E RT
Cn
整理后得到
d 2T d df 2 Q1 D dx dx dx
三、非绝热条件下的自燃过程
E p exp n 1 SR RT Tcn 2 VQE
n c
临界压力——温度 图5-9 自燃条件下温度与压力的关系
一定压力下着火温度——成分
四、影响着火的因素
Q
• 增加释热量QI
– – – – 增加燃料浓度 增加燃料压力 增加燃料发热量 增加燃料活性
i C0 Cc v
i c p RTc2
Q E 2 E n k0 exp C0 RT
5.2预混可燃气体的点燃理论
一、什么是点燃
• 工程上是燃料着火的方式通常为点燃 • 点燃定义
• 常用的外界热源
– 具有较高能量的外界热源接触可燃气体，依靠外界能 源使部分预混可燃气体首先发生剧烈反应而着火，然 后火焰传播到整个混合气中去，又称为强迫着火，强 燃
E exp RTc
Tc T 1 Tc

E Tc T E exp exp 2 RT RT c c
四、点燃热力理论
四、点燃热力理论
四、点燃热力理论
四、点燃热力理论
五、可燃界限
• 要使可燃混合物着火，不仅要求热源要有一定的温度水平，
•
而且热源与可燃混合物的接触要保证有一定的时间。 在一定的能源性质、形状及大小等条件下，使一定的可燃 混合物发生着火所必须的能源与混合物的接触时间，称临 界点燃时间tc。
五、可燃界限
六、影响可燃极限的因素
六、影响可燃极限的因素
2、流速的影响
四、点燃热力理论
• 在点燃临界状态下，可燃气体层中的温度和浓度分布应满
足下述条件：
d 2T E n Qk0C exp 0 2 dx RT Ta T f f 0 Ta T0 dT 0 dx w
四、点燃热力理论
E E exp exp Tc T RT RTc 1 Tc
x
x
三、热物体表面附近温度浓度分析
• 热物体表面附近，预混气温度浓度分析 • 条件
– 稳定工况 – 定义相对混度：f=c/ 预混气产物浓度/预混气密度） T f
T
x
dx
x
三、热物体表面附近温度浓度分析
• 假设：
稳定状态下，微元体dx的传热与反应处于稳定状态 此时，存在物质平衡 GI=GII d df D 式中，GII——散热量 dx dx GI——化学反应量 则
QI’’
QII’’
QI’
QII’ C’’ C’
释热率曲线左移，在相同温度下， 燃料放热量增加，着火温度降低， 着火温度降低，着火提前
T0c’’
T0c’
T
四、影响着火的因素
Q
• 环境温度
环境温度升高，相当于 散热曲线右移，散热率 曲线与释热率曲线的焦 点B降低，着火温度降 低，着火提前
QI Q II1 B
QII2 QII3
C A
T01 T02 T0a T03
T0c
T0b
T
四、影响着火的因素
• 比表面积和散热系数
Q QI Q II1 B1 B2 – 燃料粒径的大小 – 燃烧区周围的散热条件
QII2
QII3
燃料的比表面积越大，相当 于散热面积越大，散热率增 加，燃料着火条件变差，着 火温度上升，着火推迟； 散热系数越大，散热率越大， 燃料着火条件变差，着火温 度上升，着火推迟 T01
单位时间、单位体积内释放的热量
在有散热的条件下，可以用谢苗诺夫非稳态着火理论揭示 自燃的热力着火规律。
QI Q1 v Q1k0e
单位时间、单位容积内散热损失量
E RT
Cn
QII
S T T0 V
式中： ——放热系数 S——表面积 V——系统容积
三、非绝热条件下的自燃过程
六、影响可燃极限的因素
• 3.可燃混合物初温的影响
六、影响可燃极限的因素
• 4.掺入其它物质的影响
5.3层流火焰传播
一、层流燃烧的主要内容
• 层流燃烧 • 火焰传播
– 预混可燃气体与流速不高（层流状态）的火焰传播称 为层流燃烧 – 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 – 沿火焰锋面的法向，火焰移动的速度称为火焰传播速 度
3.1预混可燃气体的着火和自 燃理论
一、自燃的分类
• 自然界中燃料的着火可分为两种：
– 自燃——燃料自发地着火 – 点燃——依靠外热源强迫加热，使燃料着火
• 自燃机理主要包括两种：
– 热力着火——反应物温度不断升高，反应加快，直到 着火，可用Arrihenius定律和质量作用定律解释 – 连锁着火——活化粒子增值数大于销毁数，反应不断 加快，分支链反应和直链反应
当燃料燃尽，即C=0时，燃烧产物温度达到理论燃烧温度Ta
Ta T0
Q1 C0 C p
二、绝热条件下的自燃过程
– 可燃气体混合物在反应过程中的释热率（产热率）可 用下式表示
dC QI Q1 v Q1 d
kJ/m3· s
式中，Q1——可燃气体混合物的热值，kJ/mol 可燃气体吸收热量而升温，单位时间单位容积内吸收的热量为：
A
C
ຫໍສະໝຸດ Baidu
T0a
T0c
T0b2T0b1
T
五、着火延滞期
• 实际的燃烧设备，不仅要求燃料能稳定地燃烧，而且要求预混气体能
及时地着火，因此了解可燃混合物的着火延滞期具有实际意义 • 着火延滞期就是可燃混合物从初始愠度T0上升到着火温度Tc所经历的 时间
v
E n 1 k0 exp C0 2 RTc
• 火焰传播速度
二、层流火焰传播 F
un
生成物 未燃物
• 火焰锋面很薄，通常 •
2
2Q1 un 2 2 v 0 C p Ta T0
v为平均化学反应速度
1
•
只有1mm到几mm厚 层流火焰压力变化很 小，可以认为是等压 流动、燃烧过程 层流火焰传播速度很 低，un通常在1m/s以 下
dT QII C p d
kJ/m3· s
二、绝热条件下的自燃过程
• 自燃过程中，反应物浓度、反应温度、反应速度和反应时
间的关系可用下图表示： v T
C
i
i称为着火感应期，着火延迟期或着火诱导期
三、非绝热条件下的自燃过程
• 自然界中不存在绝热过程，任何系统总是存在散热过程，