第04章 燃气燃烧的火焰传播

r ∑ f = ∑r f
S
max n
S αV r ∑ [ = 1 − f (N ∑α V r
ni i 0i i i 0i i
52 + 12 + 17 + 1.7 = = 0.672 52 12 17 1.7 + + + 0.75 1 0.5 0.22
2 + N 2 2 + 2.5CO2 = 0.796 m / s
33
思考题
（1）影响火焰传播速度的因素有哪些？分别 是如何影响的？ （2）如何计算混合气体火焰传播速度？ （3）火焰传播浓度极限是什么？ （4）影响火焰浓度极限的因素有哪些？分别 是如何影响的？
34
本章小结
• 基本概念：法向火焰传播速度，火焰传播 浓度极限等； • 火焰传播速度的测定方法； • 本生火焰法测法向火焰传播速度； • 影响法向火焰传播速度的因素； • 影响火焰传播浓度极限的因素。
（1）燃气在纯氧中着火燃烧，火焰传播浓度 极限范围扩大； （2）提高燃气-空气混合物温度，反应速度加 快，火焰温度上升，火焰传播浓度极限范围 扩大； （3）提高燃气空气混合物压力，分子间距缩 小，火焰传播浓度极限范围扩大，上限变化 显著；
32
第五节 火焰传播浓度极限
（4）加入惰性气体 ，火焰传播浓度 极限范围缩小； （5）含尘量、水蒸 气、容积材料和 形状有时亦影响 火焰传播浓度极 限范围。
皂泡法的不足在于难于确定温度比, 而且难 于精确测量肥皂泡的初始和最终尺寸。另外: ¾ 由于肥皂溶液的蒸发，不适和研究干可燃物的火 焰速度； ¾ 不可避免地会产生向电极的传热； ¾ 对于缓慢的燃烧,火焰锋面不可能保持球形,而且 反应区会变厚； ¾ 对于快速反应,由于火焰结构呈蜂窝状,火焰锋面 不可能总是光滑的。
)]
29
第五节 火焰传播浓度极限
• 一、火焰传播浓度极限及其测定 • 火焰传播浓度下限（低限）：能使火焰继 续不断传播所必需的最低燃气浓度。 • 火焰传播浓度上限（高限）：能使火焰继 续不断传播所必需的最高燃气浓度。 • 火焰传播极限：火焰传播浓度上、下限范 围，称“火焰传播极限”，又称着火爆炸极 限。
三、温度的影响 （二）火焰温度的影响 • 温度不太高时，Sn随 火焰温度呈指数变化 关系； • 温度超过2500 ℃时， 高温离解促进了反 应，增强了火焰传 播。
22
第三节 影响火焰传播速度的因素
四、压力的影响 • 试验表明，其他参数不变，随压力升 高，Sn减小。 • 增加压力一般都能提高燃烧强度，缩小 燃烧设备的体积。
20
(S )
max n 炔族
max > Sn
(
)
烯族
max > Sn
(
)
烷族
第三节 影响火焰传播速度的因素
三、温度的影响 （一）混合物初始温度的影响
Sn ∝ T
m 0
m ≈ 1.5 ~ 2
• 混合物初始温度提高，反应温度上升，燃烧 反应速率加快，从而使火焰传播速度增大。
21
第三节 影响火焰传播速度的因素
2 + N 2 2 + 2.5CO2
)]
max Sn — —燃气最大法向火焰传 播速度， m/s；
S ni — —各单一组分的最大法 向火焰传播速度， m/s；
α i — —各组分相应于最大法 向火焰传播速度的一次 空气系数；
V0 i — —各组分的理论空气需 要量； ri — —各组分的容积成分； N 2. g — —燃气中 N 2的容积成分； O2. g — —燃气中 O 2的容积成分； CO2. g — —燃气中 CO 2的容积成分； f i — —各组分考虑惰性组分 影响的衰减系数。
ni
α iV0 i ri = (2.8 × 0.5 × 2.38 × 52) + (1 × 0.4 × 2.38 × 12 )
r = (0.5 × 2.38 × 52 ) + (0.4 × 2.38 × 12 )
28
∑α V
i
+ (1.1 × 9.52 × 17 ) + (1.1 × 21.42 × 1.7 ) = 291.39
2
• • • • •
第一节 火焰传播的理论基础
一、火焰传播机理
火焰传播仅是由 于传热的作用， 炙热的焰面将热 量传给未燃气 体，使其着火燃 烧，依次传播到 整个体积。
• 法向火焰传播速度Sn：火焰焰面的移动 速度称为法向火焰传播速度。
3
第一节 火焰传播的理论基础
• 火焰的传播方式 ¾ 正常火焰传播 ¾ 爆炸：均相的燃气-空气混合物，密闭容器 ，局部着火，由于燃烧反应的传热和高温 燃烧产物的膨胀，压力急剧增加，压缩未 燃气体，处于绝热压缩状态，达到着火温 度时，一瞬间燃尽，压力猛烈增大。 ¾ 爆燃：火焰的均匀运动可达到5~10倍管径 处。如果管子相当长，其后由于发生扰动 ，火焰晃动，这时火焰前进速度强烈增加 ，发生爆燃。
27
第四节 混合气体火焰传播速度的计算
【例4-1】某城市燃气的组分为H2：52%， CO：12%，CH4:17%，C3H6：17%， O2:0.8%，N2:12%，CO2:4.5%。求该燃气 的最大火焰传播速度Snmax。 【解】
∑S
+ (0.38 × 1.1 × 9.52 × 17 ) + (0.5 × 1.1 × 21.42 × 1.7 ) = 272.32
16
第二节 法向火焰传播速度的测定
(2)激光测速法 • 基本原理：光学多普勒效应。根据激光被 运动微粒散射后，散射光和入射光的频率 偏移，计算速度。 • 特点：无接触测量，空间分辨率高，动态 响应快，测量精度高，测速范围大，有较 好的方向灵敏性。
17
思考题
（1）什么是法向火焰传播速度？ （2）火焰的传播方式有哪些？ （3）法向火焰传播速度的测定方法有哪些？ （4）如何利用本生火焰法测定法向火焰传播 速度？
35
作业
【作业】已知天然气的组分为CH4： 92.91%， C2H6：1.01%， C3H8：0.56%， C4H10：0.58%， H2:0.09%， H2S:4.48%， N2:0.10%。求该燃气的最大火焰传播速度 Snmax。
36
4
第一节 火焰传播的理论基础
火焰传播机理： 火焰锋面与管壁的相对位移情况： （1）Sn>u，向气流 上游移动； （2） Sn<u，向气 流下游移动； （3） Sn=u，平 衡，火焰面驻定 不动。 5
第二节 法向火焰传播速度的测定
• 火焰传播的理论只能是提供火焰传播速度 的定性的结果,而火焰传播速度必须通过实 验来确定。 • 测量火焰传播速度的基本方法,包括静力法 和动力法。 • 具体来说有管子法、皂泡法、本生火焰法 和平面火焰法等。
第四章 燃气燃烧的火焰传播
本章要点
火焰传播速度是燃烧的重要特性之一， 对火焰稳定性和燃气互换性有很大影响，也 是燃气燃烧器设计及安全使用燃气的重要参 数之一。本章主要内容包括： 火焰传播的理论基础； 法向火焰传播速度的测定； 影响火焰传播速度的因素； 混合气体火焰传播速度的计算； 火焰传播浓度极限。
N2 =
CO2 , g 100 − 4.76O2 , g
N 2 , g − 3.76O2, g 100 − 4.76O2, g
r ∑ f = ∑r f
i i
CO2 =
i
26
第四节 混合气体火焰传播速度的计算
S
max n
S αV r ∑ [ = 1 − f (N ∑α V r
ni i 0i i i 0i i
• 锥面积：
F f ≈ πr r 2 + h 2
• 法向火焰传播速度： S n =
Lg + La
πr r + h
2
2
14
第二节 法向火焰传播速度的测定
（二）平面火焰法 • 采用平面或盘状火焰测 量Sn。 • 优点在于：火焰的发光 区、浓度梯度都重叠在 同一平面上。可采用不 同方法测量。 • 适用于Sn较低的混合气。
S n = v cos ϕ = v n
cos ϕ = r h2 + r 2
2
⎛ v ⎞ h=r ⎜ ⎟ −1 ⎜S ⎟ ⎝ n⎠
13
第二节 法向火焰传播速度的测定
• 连续性方程 •
⎛ F0 ρ 0 F0 v m = ρ 0 F f v n = ρ 0 F f S n 或 S n = v m ⎜ ⎜F ⎝ f 出口处平均流速 Lg + La vm = F0 ⎞ ⎟ ⎟ ⎠
30
第五节 火焰传播浓度极限
• 测定火焰传播浓度极限 方法： • 内径50mm、长1.5m玻 璃管，一端封闭，一端 敞开，内充燃气-空气混 合物。以点火源进行点 火，采用不同浓度燃气空气混合物试验。火焰 不能传到上部的浓度为 火焰传播浓度极限。
31
第五节 火焰传播浓度极限
二、影响火焰传播浓度极限的因素
18
第三节 影响火焰传播速度的因素
一、混合气比例的影响 •单一燃气或混合燃 气的Sn随混合物中 燃气的含量变化呈 倒U形分布。 •空－燃比接近化学 计量比时，Sn最 大。 •着火浓度的上、下 限时， Sn最小。
19
第三节 影响火焰传播速度的因素
二、燃气性质的影响
¾气体导热系数λ越大(导温系数a），Sn越大。 ¾分子结构： ¾碳原子数： 烷烃， nc对Sn影响不大; 不饱和烃，Sn随nc增多而减小。
23
第三节 影响火焰传播速度的因素
五、湿度和惰性气体的影响
添加气可增大或减小火 焰的传播速度，添加气 可改变混合气的物理性 质，或起催化作用。
1、湿度 CO火焰中水蒸气的加 入提高了Sn
24
第三节 影响火焰传播速度的因素
2、惰性气体 • 一方面直接影响燃烧温度从而影响燃烧速 度，另一方面，通过影响可燃混合气的物理 性质来影响火焰传播速度。 • 加入惰性物质，使火焰传播速度降低，可燃 界限缩小，使最大的火焰传播速度值向燃料 浓度较少的方向移动。
0i i
第四节 混合气体火焰传播速度的计算
N2 = N 2, g − 3.76O2, g 100 − 4.76O2, g
CO2, g 100 − 4.76O2, g
i i i
12 − 3.76 × 0.8 = = 0.094 100 − 4.76 × 0.8
2 N2 = 0.009
CO2 =
4. 5 = = 0.0468 100 − 4.76 × 0.8
管子法的特点： 优点： ¾ 直观性强。 缺点： ¾ 测定值受管径的影响 大。
9
第二节 法向火焰传播速度的测定
（二）皂泡法 • 原理：将一些均匀可燃混合物吹进附近有 一对电火花塞极的肥皂泡中,点火。 • 假定: ¾ 球形火焰沿径向传播。 ¾ 压力保持不变。 ¾ 用照相法确定火焰锋面的发展过程。
10
第二节 法向火焰传播速度的测定
11
第二节 法向火焰传播速度的测定
二、动力法测定Sn （一）本生火焰法 • 本生火焰结构： ¾ 内锥：燃气与一次空气 燃烧所形成。 ¾ 外锥：尚未燃烧的燃气 （中间产物）与二次空 气混合后燃烧形成。
12
第二节 法向火焰传播速度的测定
• 本生火焰法的根据：内 锥静止，其表面上各点 Sn与该点气流法向分速 vn平衡。
25
第四节 混合气体火焰传播速度的计算
• 采用经验公式计算混合气体的火焰传播速度。 • 使用条件：CO<20%，N2+CO2<50% • 计算公式：
S
max n
S αV r ∑ [ = 1 − f (N ∑α V r
ni i 0i i i 0i i
2 + N 2 2 + 2.5CO2
)]
• 其中：
6
ຫໍສະໝຸດ Baidu
第二节 法向火焰传播速度的测定
一、静力法测定Sn （一）管子法
7
第二节 法向火焰传播速度的测定
• d小时， Sv受管壁散热 的影响， Sv随管径的增 加而增大。 • d大时，焰面皱曲， Sv 随管径的增加而上升。 • d越小，散热越大， Sv 越小。 • 临界直径
8
第二节 法向火焰传播速度的测定
15
第二节 法向火焰传播速度的测定
（三）其他方法 （1）颗粒示踪法 • 基本原理：在可燃混合物中掺入既能发 光、又不会引起化学反应的物质，根据 这些颗粒的运动轨迹照片确定气流的速 度和方向，计算颗粒在气流中的速度。 • 该方法过于复杂，不适于作为经常使用 的Sn测定方法。但该方法证实了Sn为一 名符其实的物理常数。