燃烧学 第五章 气体燃料的燃烧

图5-9 自燃条件下温度与压力的关系
临界压力——温度
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
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
QI’’
QI’
QII’’
Q o C n e V x E / k R o p c T S ( T c T o )c
R EC 2T Q0 V Cnk exp E/(R0C T )S
TcT0c RcT 2 E
三、非绝热条件下的自燃过程
1
Tc
E E14RT0c2 2R 2R E
按泰勒级数展开指数项
14R T 0c E1 212R E T 0c2 R E T 0c 2L
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
– 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
• 常用的外界热源
– 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
T T0 C0 C
Q1
C p
T
T0
Q1
C p
C0
C
当T达到着火温度时，即可实现着火，自发着火，自燃。
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
Cp
C0
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
QI Q1vQ1ddC kJ/m3·s
二、点燃机理
• 炽热物体对预混可燃气体的影响
Tw
T
热球 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
– 燃料粒径的大小 – 燃烧区周围的散热条件
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；
A
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 T0a
QI B1
QII1 QII2
QII3 B2
C
T0c T0b2T0b1 T
五、着火延滞期
QII’ C’’
C’
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
A
QI B
QII1 QII2
QII3
C
T01 T02T0a T03
T0c T0b
T
四、影响着火的因素
Q
• 比表面积和散热系数
• 自然界中不存在绝热过程，任何系统总是存在散热过程，
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。
单位时间、单位体积内释放的热量
QI Q1vQ1k0eR ET Cn
单位时间、单位容积内散热损失量
QII VSTT0
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
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：
QII Cp ddT
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
燃烧学
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
• 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
1 v2k0
expRETc C0n
i C0Ccv
i
cp
Q
RTc2
2
E k0expRETC0n
5.2预混可燃气体的点燃理论
Tc
T0c
RT02c E
三、非绝热条件下的自燃过程
QokexpRETCnVSRE0T 2c
假定预混气体为理想气体
pn Tn2
0c
SRn1
VQk0 e
xp
E RT0c
E
pn Tn2
0c
SRn1
VQk0 exp
E RT0c
E
三、非绝热条件下的自燃过程
pcn
exp E RT
Tcn2
SRn1
VQE
QI
QII
T 释热率曲线
T 散热率曲线
三、非绝热条件下的自燃过程
Q
B
– 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。
C A
T0cTa Tc Tb
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
VgqcpVd dT S(TT0)0
qg
ql
cp
dT
d
c点是曲线qg与ql的切点，因此可得自燃的临界条件
qgcqlc
dqg dT
来自百度文库
c
dql dT
c
三、非绝热条件下的自燃过程
二、绝热条件下的自燃过程
• 稳定条件下，QI=QII，即：
Q
1
dC d
C
p
dT d
Q
1
dC d
C
p
dT d
Q 1 dC C p dT
dT Q 1 dC C p
二、绝热条件下的自燃过程
• 对上式进行积分，得到：
T
dT
C
Q1
dC
T0
C0 C p
T
T0
Q1
C p
C
C0
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：
QI Q1vQ1ddC
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)
C——反应物浓度，mol/m3
——反应时间，s