燃烧学 第五章 气体燃料的燃烧
燃烧学 5气体燃料的燃烧
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5气体燃料的燃烧5.1气体燃料燃烧原理及特点1、单相(同相、均相)反应:在一个系统内反应物与生成物属同一物态。
2、多向反应(异相反应):在一个系统内反应物与生成物不属与同一物态。
3、气体燃料的燃烧过程包括三个阶段:燃气和空气的混合阶段、混合后可燃气体混合物的加热和着火阶段、完成燃烧化学反应阶段。
全预混燃烧(无焰燃烧、动力燃烧)4、两种类型预混燃烧:半预混燃烧扩散燃烧(有焰燃烧)①一次空气系数:燃烧前已与燃气混合的空气量与该燃气燃烧的理论空气量之比。
②当一次空气系数大于0而小于1时,称为半预混燃烧;③当一次空气系数大于或等于1时,称为全预混燃烧④预混燃烧:如果燃气与空气预先混合后,再送入燃烧室燃烧,这种燃烧成为预混燃烧。
⑤扩散燃烧:如果燃气与空气不预先混合后,而是通过各自管道送入燃烧室燃烧,此时燃气内部无一次空气,这种在燃烧室内边混合边燃烧的方式称为扩散燃烧。
5.2预混可燃气体的着火与燃烧1、预混可燃气体的燃烧过程两个基本阶段:着火阶段、着火后的燃烧阶段2、预混可燃气体的着火方法:点燃自燃热自燃:链锁自燃:预混燃烧的特点:P135爆炸式化学反应3.热自燃理论:某一反应体系在初始条件下,进行缓慢的氧化还原反应,反应产生热量,同时向环境散热,当产生的热量大于散热时,体系的温度升高,化学反应速度加快,产生更多的热量,反应体系的温度进一步升高,直至着火燃烧。
自热体系着火成功与否取决于其放热因素和散热因素的相互关系。
发生热自燃时的温度称为热自燃温度或着火温度。
理论燃烧温度:当燃气完全燃烧时,燃气温度达到最高值Tmax ,称为理论燃烧温度(绝热燃烧温度)预混气体在绝热条件下的热自然: 绝热热自然条件: 上式的物理意义:①只有当温度升高而使反应速度的增加速率超过因燃料消耗而引起反应速度下降速率时,预混合可燃气体在绝热条件下才会发生热自燃。
②绝热过程不是引起热自燃的充分条件。
只要过程开始后,反应物浓度足够大,初始温度较高,虽初始反应速度较低,但随后的反应速度总会不断增大,并导致热自燃着火。
《消防燃烧学》第5章 燃烧温度
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t热
Q低
因此 ct3+bt2+at-Q低=0 解方程即得t热
14
理论燃烧温度计算
理论燃烧温度表达式如下
t理 Q 低 Q空 Q 燃 Q分 V n c产
Q低、Q空、Q燃都容易计算 需要计算Vn.c产 更关键的是计算Q分
15
高温热分解
温度越高,分解越强;压力越高,分解较弱 工业炉中,只考虑温度,且只有大于1800度 才考虑热分解 并且只考虑CO2和H2O的热分解反应,则分 解热Q分
8
比热近似法
产物整体比热近似值法(表5-2)
根据具体的燃料成分计算V0 =(VCO2+VH2O+VN2 +…) ,根据燃料种类确定c产
适用性:燃烧产物的平均比热受温度的影响不 显著,特别是空气作助燃剂
CO2和H2O的比热对温度的变化比较敏感,N2不明 显 C和H燃烧以后,产物的比热虽然增加,但是不大 各种燃料燃烧以后产物的比热介于C和H的产物比 热之间,差别不大
理
t理 '
Q 低 Q空 Q 燃 V n c产
(3)计算不考虑Q分的i总,然后查图5-4得到t理
i总 Q低 Q空 Q燃 Vn
20
影响理论燃烧温度的因素
燃料种类和发热量
主要取决于单位体积燃烧产物的热含量 考虑Q低/V0,比考虑Q低的影响更符合规律
t理
Q 低 Q空 Q 燃 Q分 V n c产
t热 Q低 V 0 c产
与传热条件、炉子结构等因素有关吗? 只和燃料性质有关
6
理论发热温度的计算
燃烧学5-第五章 气体燃料燃烧
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2. 火焰的稳定性
w cos w sin w0 wL
• 当喷出速度w变化时,火焰面可通过改变角,维持火焰稳定
• w增大,角也增大( 角减小)。如果角直到增大至接近90°
层流扩散燃烧系统:
• 气体燃料和空气以相同速度 分别由环形喷管的内管(r1) 与外环管(r2)喷入燃烧室, 形成同轴射流扩散燃烧
l2 l1
扩散火焰外形有两种类型:
• 类型1呈封闭收敛状的锥形 扩散火焰(曲线1)
• 类型2呈扩散的倒喇叭形火 焰(曲线2)
取决于燃料与空气的混合浓度
层流扩散燃烧的火焰形状 1-空气过剩时 2-燃气过剩时
持稳定
• 层流扩散火焰分为四个区域:
1) 中心的纯燃料区 2) 外围的纯空气区 3) 火焰面外侧的燃烧产物和
空气的混合区 4) 火焰面内侧的燃烧产物和
燃料的混合区
• 火焰锥某一横截面a—a上燃料、 空气及燃烧产物的浓度分布
层流扩散火焰的结构
• 实际扩散火焰的特点
实际扩散火焰中的温度和浓度分布
2. 层流扩散火焰结构的分析
a) 自由射流扩散燃烧 b) 同轴射流扩散燃烧 c) 逆向射流扩散燃烧
• 按照射流的流动状况可分为 层流扩散燃烧和湍流扩散燃烧
扩散火焰的形式
1. 层流扩散燃烧和火焰结构
特点: • 燃气喷出速度低,气流处于层流状态,燃气和空气的混
合依靠分子的扩散作用进行 • 燃烧速度取决于气体扩散速度 • 扩散火焰厚度很薄,可视作焰面 • 焰面各处的燃气与空气按化学当量比进行反应,
(1) a1=0 (2) 0<a1<1.0 (3) a1≥1.0
燃烧学-5.扩散燃烧及火焰-PPT课件
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雾化液体的液滴大小;
雾化液体液滴大小的均匀性。
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1. 喷雾油束的空间形状 油束锥角(spray angle) —— 喷油嘴孔口处油束外包络 线的两条切线之间的夹角 s Sitkei给出的经验公式:
a d 0 . 7 2 c R 3 10 s e l f
柴油机燃油喷射雾化:机械式高压喷射
喷嘴
共轨式喷油器
传统喷油器
喷雾
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传统的燃油破碎雾化机理——气动雾化理论
通过喷孔或环形缝隙,把燃油伸展成油柱(stream)或锥 形空心油片(sheets); 在油柱或油片的表面出现波纹和扰动; 在上述表面波和扰动的作用下,在油柱或油片的表面 形成油线或空洞; 油线的分裂(collapse)或空洞的扩大产生较大的油滴; 由于大油滴在各种外力(运动液体的惯性力,气体动力, 表面张力,粘性力等)的作用下发生振动,分散成小油 滴; 小油滴之间的碰撞可能产生更小油滴或聚合成较大油 滴,这些油滴的综合体称为油束(spray)。
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一、燃料雾化的喷射特性 雾化定义
靠外界作用将连续的液流破碎成雾状的油液滴群的过程。
液体燃料的喷射雾化方法
用机械方法或用压缩空气对燃料加压喷散到燃烧室内; 对燃料施加高压并用旋转加速方法从喷嘴喷出使其粉 碎和分散; 采用高压将燃料喷射在固体壁或挡板上产生飞溅破碎 等等。
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雾化机理 传统上: 喷雾雾化过程
新 的 雾 化 理 论 初次雾化
(近嘴区域)
二次雾化
喷嘴内的空穴 流动及湍动
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徐通模版燃烧学--第5章
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1
2
3
4Hale Waihona Puke 567 Barrere巴雷尔与Mestre梅斯特里提供的实验结果(下页 图)
1/3/7号钝体(上图) 吹熄特性曲线,回流区窄 钝体宽度相同,均为 5mm
非流线型增加,火焰稳定界限加宽
可能是由于非流线型程度增加,使回流区增大
最大的vB处于富燃料侧
42
工程上稳定火焰的具体方法
2. 预混火焰的燃烧温度高,燃烧强烈,燃烧完全,无黑烟, 火焰呈透明状,无明显轮廓。也称为无焰燃烧。
3. 由于燃料和空气在燃烧前已均匀混合,所以有回火的危
险,应严格控制预热温度。为了防止回火和爆炸,燃烧器
的燃烧功率不能太大。
13
(三)部分预混式燃烧特征
1. 部分预混式燃烧是指气体燃料和燃烧所需的部分空气在 喷出喷口前,在燃烧器中预先混合(一次空气系数一般为 0.5~0.6),在喷口外再和燃烧所需的其余二次空气逐步 混合并继续燃烧。
37
(2)钝体稳燃 钝体稳燃是利用物体的几何形状造成低速区的典型。气体 绕过钝体时,钝体后部的反向压力梯度增大,能够形成较大 的回流区,可以反卷高温烟气成为热源,有利于稳定着火和 燃烧。 钝体头部为圆盘,流动阻力损失较大,圆柱体次之,弹头 状最小。钝体常用耐温耐磨的材料制成。
41
7种型式的钝体如图所示
2. 它兼有扩散式燃烧和完全预混燃烧的特点,燃烧反应速 度很快,燃烧得以强化,火焰温度也提高了。有时也称为 半无焰燃烧。
14
wga
wga
wl
w wga wl
wga<wl w 0 wga>wl w 0 wga=wl w 0
16
二、火焰传播速度
燃烧学西安交大气体燃料的燃烧PPT学习教案
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S——火焰锋面的曲面面积; S0——平均位置平面面积。
uceS ut S0
ut S
(3-29)
uce S0
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。
忽略uce与d的方向差异,也可得: d—锥底的直径。
d 2uce
wd
h
(3-30)
2uce
第25页/共55页
二、自燃
②对于Q2
Q1 Q2
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
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)
第3页/共55页
二、自燃
讨论:Q1=Q2、
dQ1 dT
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 dT dx
0,此时T2
Tlj
3、热源温度再升为时T3,边界层内
dT dx
0,此时T3
Tlj
第8页/共55页
二、强燃
平板形状热源物体计算:
收入:
q1
(
dT dx
uce
2 uce
ut uce
由此式可看出,在很弱的湍动时,ut接近于uce。
第27页/共55页
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:
燃烧学-5.扩散燃烧及火焰
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1/ 2
d d0
1 .5
t
2
分析: 分析: 1°喷射压差↗ :u0 ↗ °喷射压差↗ 3°ρa、µa ↗ :空气阻力 ↗ ° 4° ρf 、 µf ↗ :液滴直径 dp ↗ ° L↗ L↗ L↘ L↗
5.3 液体燃料的喷射燃烧火焰
燃烧 气态 蒸发 燃料雾 化
原因:使燃料破碎成细小的液滴以扩大它与空气 原因: 接触表面, 接触表面,同时还尽可能将液滴合理地分布在燃 烧室空间内,强化液体燃料的燃烧, 烧室空间内,强化液体燃料的燃烧,满足燃烧性 能好的要求。 能好的要求。 因此,液体燃料的喷射过程、 因此,液体燃料的喷射过程、喷雾特性对扩散燃烧 性质及燃烧效率都有重要影响 。
1/ 2
总体积及表面积平均直径
[索特(Sauter)平均直径] 索特(Sauter)
ds =
∑ ∑nd
i
ni d i
i
3 2
(最为通用) 最为通用)
柴油机) 经验公式(柴油机) :
d σ d s = 70.5 c u0 ρ f
0.25
v f g g 1 + 3.31 σ ρ f dc
r
浓度分布特点: 浓度分布特点:在横截面内燃料浓度沿径向分布服从正态分 布规律。在轴线上燃料浓度有最大值, 布规律。在轴线上燃料浓度有最大值,随轴线方向距离的增 加浓度迅速减小,靠近喷孔燃料浓度变化大, 加浓度迅速减小,靠近喷孔燃料浓度变化大,离喷孔越远的 横截面内燃料浓度变化越小,以至整个截面趋于均匀。 横截面内燃料浓度变化越小,以至整个截面趋于均匀。
5气体燃料的燃烧
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压力对着火浓度界限的影响
温度对着火浓度界限的影响
流速影响着火浓度界限
掺杂物对着火浓度界限的影响
六、预混可燃气体的燃烧
预混可燃气体的燃烧过程就是火焰的传播过程。 预混可燃气体的燃烧过程就是火焰的传播过程。
A—火焰面;B—点火电极;Ⅰ—未燃混合气体;Ⅱ—燃烧产物 火焰面; 点火电极; 未燃混合气体; 火焰面 点火电极 未燃混合气体 燃烧产物
(3) 比表面积和散热系数
– 燃料粒径的大小; 燃料粒径的大小; – 燃烧区周围的散热条件。 燃烧区周围的散热条件。 燃料的比表面积越大, 燃料的比表面积越大,相当 于散热面积越大, 于散热面积越大,散热率增 燃料着火条件变差, 加,燃料着火条件变差,着 火温度上升,着火推迟; 火温度上升,着火推迟;散 热系数越大,散热率越大, 热系数越大,散热率越大, 燃料着火条件变差, 燃料着火条件变差,着火温 度上升, 度上升,着火推迟
第五章 气体燃料的燃烧
常见气体燃料:氢气、乙炔气、甲烷气、煤气、天然气等。 常见气体燃料:氢气、乙炔气、甲烷气、煤气、天然气等。
燃气跟空气的 混合过程对燃 气的燃烧起着 重要的作用
工业炉、动力燃烧 工业炉、动力燃烧——预混燃烧 预混燃烧 气体燃料的射流燃烧——扩散燃烧 扩散燃烧 气体燃料的射流燃烧
燃气完全燃烧时, 燃气完全燃烧时,CA=0,燃气温度达到 , 最高值T 最高值 max
QC A0 = cv (Tmax − T0 )
cv (Tmax − T0 ) Q= C A0 Tmax − T C A = C A0 Tmax − T0
Tmax叫做理论燃烧温度
绝热过程中燃料浓度与温度的变换关系
气体燃料与空气混合; 气体燃料与空气混合; 可燃混气的加热与着火; 可燃混气的加热与着火; 可燃混气的燃烧。 可燃混气的燃烧。
燃烧学第5章 可燃气体预混燃烧
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1.按照火焰的传播形式分类
按照火焰的传播形式,气体燃烧可分为缓燃和 爆轰两种形式。火焰的缓慢燃烧是依靠导热与 分子扩散使未燃混合气温度升高,并进入反应 区引起化学反应,进而使燃烧波不断向未燃混 合气中推进,其传播速度一般不大于1~3m/s, 该过程中火焰传播是稳定的。在一定的物理、 化学条件下(如温度、浓度、压力、混合比等), 其传播速度是一个不变的常数。
(1)褶皱层流火焰模式 (2)分布反应模式 (3)漩涡内小火焰模式
(1)褶皱层流火焰模式
图5 - 20 褶皱层流小火焰的结构
(1)褶皱层流火焰模式
(5-69) (5-70)
(2)分布反应模式
在分布反应模式下,火焰积分尺度(ℓ0/δL)和丹 姆克尔数(Da)都小于1时,在这种模式下有以下 几个特征:流道小而速度大;装置中的压力损 失大;火焰维持较困难。所以分布反应模式一 般在现实中很难实现。但是由于许多污染物的 生成反应速度很慢,因此,也可能存在该模式, 为此,对此模式下的化学反应与湍流的相互作 用进行研究也是有必要的。
(2)存在强烈的导热和物质扩散。
根据图5-3给出的火焰前沿内反应物的浓度、温 度以及反应速率的变化情况,可以看出,在火 焰前沿宽度内,温度急剧上升(T0→Tf),可燃气 体浓度迅速降低(c0→0)。
(3)着火延迟时间(即感应期)很短。
着火延迟时间(感应期)极短,是火焰前沿中化学 反应的另外一个特点,这个特点与自燃过程中 化学反应的特点不同。由于加速化学反应都需 要一定的热量和活化中心,在自燃过程中,依 靠化学反应可自行累积热量和活化中心,但这 个过程需要一定的准备时间,即着火感应期。
气体燃料的燃烧
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– 湍流火焰伴随着噪音
43
为什么紊流火焰传播速度更快?
(1)湍流流动使火焰变形,火焰表面积增加,因而增大 了反应区;
(2)湍流加速了热量和活性中心的传输,使反应速率增 加,即燃烧速率增加;
(3)湍流加快了新鲜氧气和燃气之间的混合,缩短了混 合时间,提高了燃烧速度。
当可燃混合气的某一局部点燃着火时,将形成一个薄层火 焰面,火焰面产生的热量加热邻近层的混合气,使其温度 升高至着火温度而发生燃烧。这样一层一层地着火燃烧, 把燃烧扩展到整个混合气,称为火焰传播
燃烧化学反应只在一个薄层火焰面内进行,火焰将已燃气 体和未燃气体分隔开来,并非在整个混合气内同时进行
根据流动状况,预混燃烧可以分为层流燃烧和湍流燃烧两 种
480
350
310
290
280
25203
一定压力下的着火极限
Tc
PC=const
着火
x1
x2 100% xA
• 存在着火的浓度极限
• 温度升高,浓度极限范围增大,反之减小。
• 温度下降至某一值,系统失去爆炸性——存在着火的
温度极限
24
一定温度下的着火极限
Pc
T0=const
Pc
x1
x2 100% xA
QVK0Pcn
Rn1TCn2
E
xAa(1xA)naeRTC
S E
谢苗诺夫方程
两边取对数、整理, 得:
lnT P cn c n2R E T c1 2lnK 0Q V E xS A a R (1 n 1xA)na
根据此方程,如果α、S,V、E、Q、K0 已知,n=2,可 以将上式简化为:
燃烧学第五章着火与熄火
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0 yB
i 0 ( y0 yB ) / W0
W0 k0 ( 0 y0 ) n e E / RT0
y 0 y B TB T0 y 0 0 Tm T0
y0 y B y0 TB T0 Q (TB T0 ) Tm T0 CV
H O2 M HO2 M
而代替原来的增殖反应[b],使链载体H与O2化合 成相对寿命较长的分子HO2(用光谱仪测到), 它向容器壁面扩散而碰壁终止,如:
2HO2 壁 H2 2O2
其结果是破坏了一个增殖链环,因此整个反 应再次由速率很高的爆炸反应回复到稳定的反应。 一般称此界限为爆炸高限或第二极限。
相对于指数中的T0,其 影响很小,可视为常数 压力、温度下降时,感应期增大。
二、非稳态分析法
着火感应期i :
i 0 RT02CV ( EQk 0 ( 0 y0 ) n exp( E / RT0 )
E ln i 常数 RT0
当温度和混气成分不变时:
ln i ~ (1 n) ln p
在压力很低时,由于反应[e]比较显著,所以反应无法加 速到自燃。随着压力的升高,这些链载体的自由行程就 大大的减小,以致能够到达容器壁面的链载体变得很小, 而大部分链载体参与[b]、[C]、[d]得链增殖反应,从而 使反应加速而达到自燃,这时出现图中的第一极限。
当压力升到很高时,分子很密集,就可能出现三 分子反应:
lim n lim
t t
w1
(et 1)
w1
Φ =0:
n lim
0
w2
(et 1) w1t
5,6章燃烧学思考题和作业题
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第五章气体燃烧本章知识要点预混燃烧和扩散燃烧的概念;预混气的热自燃理论和点燃理论;层流预混火焰和扩散火焰的传播理论;湍流预混火焰和扩散火焰的经典理论;火焰稳定性理论。
重点1.预混可燃气的着火和自燃理论:绝热条件下预混可燃气着火自燃理论,非绝热条件下谢苗诺夫非稳态着火自燃理论。
2.预混可燃气体的点燃理论:无穷大平板点燃理论——零值梯度理论3.层流预混火焰传播理论:层流火焰传播的综合性理论4.层流扩散火焰:扩散火焰的本生灯试验,脱火、回火,扩散火焰特点5.湍流预混和扩散火焰传播:湍流火焰传播的经典模型简介6.射流火焰:自由射流、旋转射流和直流交叉射流火焰的特点7.火焰的稳定性:火焰稳定的基本原理和方法复习思考题1.绝热条件下自燃过程的温度、浓度随时间的变化特征。
2.用谢苗诺夫的非稳态热力着火理论分析热力着火中的自燃现象。
3.用点燃条件下的零值梯度理论分析无限大平板上燃气点燃现象。
4.着火感应期,着火过程的时间特征。
5.燃料的可燃界限,影响燃料可燃界限的因素有哪些?6.层流和湍流的火焰传播速度,火焰锋面厚度。
7.层流火焰传播速度求解的热理论和综合性理论。
8.影响层流火焰传播速度的因素有哪些,影响规律如何?9.运用层流火焰传播理论分析层流火焰传播的稳定性。
10.湍流火焰的分类和湍流火焰的特点。
11.影响湍流火焰传播速度的因素。
12.应用火焰稳定的均匀搅混热平衡原理和传热原理分析湍流火焰的稳定性。
13.预混火焰和扩散火焰的各自特点。
14.工程上稳定火焰的措施。
作业题1.煤堆自燃导致能源的浪费和设备受损伤,因此必须防止。
现有下列现象,请用自燃热力着火理论加以解释:(1)褐煤和高挥发分烟煤容易自燃;(2)煤堆在煤场上日久后容易自燃;(3)在煤堆上装上通风竖井深入煤层深处,可防止自燃;(4)如果用压路机碾压煤堆,使之密实,可防止自燃。
2.热自燃或热爆炸和链式爆炸有什么区别?请分析原因。
3.请解释为什么发动机在高原、冬季难发动?4.试讨论影响层流火焰传播速度的因素,如果预混可燃气由甲烷+氧气(摩尔比1:1)换成乙烷+氧气(摩尔比1:1),层流火焰传播速度会有什么变化?如果预混可燃气甲烷+氧气的摩尔比由1:1变为1:2,层流火焰传播速度有什么变化?5.请全面比较预混火焰和扩散火焰的优缺点,并说明为什么工程上燃用气体或液体燃料时一般不用一次空气为零的纯扩散火焰?6.点燃煤气时一定要先放明火后开气阀,这是“火等气”的操作方式。
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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
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
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
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
• 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
– 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
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,
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
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
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)
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)
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
A
C
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
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
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
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
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
– 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
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:
• 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
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
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