燃烧学讲义-第5章气体燃料燃烧

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E
RTqr
(1 TqTr ( TqTr)2K)1(R TT qr2)
E
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• 因此如 T RTqr2 时，阿累尼乌斯因子下降 R T q r 2 倍
E
E
， e2 7.时39下降 e'2.倍78，一般认为，温度下降
后，阿因子已大大减小可忽略其后影响。故可认为化
Nu L
N u L
2k0 C 1 E nQ R(TqrT qrT 20)2exp(R E Tqr)
由该式可求得Tqr

m(TqrTqrT20)2
exp( E RTqr
)
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由
N u L
2k0 C 1 E nQ R(TqrT qrT 20)2exp(R E Tqr) 可分析：
化学反应放热
x
可燃混合物的温度分 布（不含化学反应）
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强燃的临界条件应为：T
dT
dx n 0
Tqr
Tw=Tqr
可燃混合物实际的温 度分布（含化学反应）
化学反应放热
此时的壁面温度称为 T0
x
强燃温度
可燃混合物的温度分 布（不含化学反应）
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平壁强燃温度的求解：设一表面温度为Tqr的炽 热平板置于静止或低速的可燃混合气中，如下
RTqr2/E
T0
w exp(-E/RT) 3 2
01
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x
相当于把蓝色的指数分布曲线转化为 红色的折线来分析，蓝色线和红色线 包围的面积相等。这个转化，相当于 把整个x轴上进行的不均匀的化学反 应的热量产出，视作只在RTqr2/E的热 边界层内均匀化学反应的热量产出。
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分析： 对应Tqr→exp(RETqr )
② 线Ⅲ：Q1＞Q2，没交点，着火 ③ 线Ⅱ：Q1≥Q2，一个切点
切点B不稳定，有波动→要么回到B点，要么着火 B：着火临界点
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由切点的数学条件得着火临界条件
Q
2

Q1
dQ1 d T

dQ 2 dT
k0Cnexp(RET)VQAexp(RETlj)S(Tlj T0Ⅱ ）
T0 可燃混合物的温度分
x
布（不含化学反应）
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2. 如Tw升高，则上图中实 T 线虚线均上升，边界层的温 度分布达到下图所示：此时 Tqr 边界层内，边界层内气体与 固壁间已无热交换，可以想 象此时气体边界层会一点点 向混合气推进，使混合气T 升高。这是主流着火的临界 T0 条件。
可燃混合物实际的温 度分布（含化学反应）
• 链式着火：由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心 ，活化中心产生速率大于销毁速率时，导致化学反应速 度不断加速，最终导致着火。 ——某些低压下着火实 验（如 H2+O2，CO+O2的着火）和低温下的“冷焰”现象 符合链式着火的特征。
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5.1 着火基本原理
热着火过程与链式着火过程区别——热着火通常比链式着火 过程强烈得多。
学反应在0123区域，即
(Tqr

RTqr2 ) E
之内。
以上讨论是在说明指数曲
线转化成折线的合理性
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d dx 2T 2k0exp(R E T)CnQ0 2(d dT x)2wk0CnQ TqrT qrTexp(R E T)dT0
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① L↓，Tqr↑ ② Nu（气流速度上升，η↑，散热增大）↑，Tqr↑ ③ P↑（C↑）, Tqr↓ ④ λ、E↑，Tqr↑ ⑤ Q↑, Tqr↓ 强燃温度明显高于自燃温度，通常要达到1000℃以上。
引入另一假设：设C在边界层中均匀分布，边界层内化学反
应分布取决于 exp( E ) ，如下图所示，认为边界层内的化学
RT
反应只集中于壁面附近Tqr至
(Tqr

R Tqr 2 E
)这一薄层内，即0123内，
这一层内的化学反应速度都等于T=Tqr时的数值。
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T dx
Tqr
借用自燃中 Tlj T0Ⅱ＝RTE0Ⅱ2 的概念
A E exp( E)S
RTlj2
RTlj
解方程得：Tlj
EE 2R 2R
14RTE0Ⅱ
（另一根舍去）
T0Ⅱ500:1000K E 8 0 :4 0 0 k J/m o l R8 .3 1 4J/m o l
所以：将
1

4
R
T
Ⅱ 0
E
展开，忽略高次项， 14RTE 0ⅡB1－ 2RT E0Ⅱ2R2E T20Ⅱ 2
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• 特别强调，无论定义Tlj或T0为着火温度Tzh， 这个Tzh不是一个物理常数，它是随着着火条 件变化而变化的，散热条件增强，则着火温
度上升。
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5.1.2 强迫点燃
强迫点燃：用炽热物体使可燃混合物着火
– 常用方法：炽热固壁点燃、电火花或电弧点燃（ 汽油发动机）、火焰点燃、自燃方法点燃（柴油 机中的压缩的点燃）。
零元系统：容器内可燃气体混合物的成 分、温度与压力是均匀的，也称强 烈掺混模型。
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热平衡
产热（单位时间）： Q 1k0exp(R E T)CnVQ
C——可燃混合物中反应物浓度 n——反应级数 V——容器体积 Q——可燃混合物的燃烧热 T——温度
散热： Q2S(TT0)
1. Tw较低，远低于自燃温度， 但Tw＞T0。此时，炽热物体 与混合可燃气间由于导热作 用交换热量，仅使得靠近物 体表面附近的薄层内（热边 界层）的气体温度升高，导 致该层内化学反应速度升高、 产热。但不足以点燃主流中 的气体。
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T
可燃混合物实际的温 度分布（含化学反应）
化学反应放热
dT
dx w
2k0CnQTqr exp(E)dT
TqrT
RT
在
内积分 Tqr
:
(Tqr

RTqr2 E
)
定积分取0123面积
exp( E ) RTqr2
RTqr E
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w exp(-E/RT) 3 2
01
此外对于w点以外可燃气无化学反应，该点பைடு நூலகம்界条件应为
dT dx
w (Tqr T0 )
• 着火温度与燃料空气混合物的浓度有关；通 常用过量空气系数α来表示
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T 自燃温度Tzr
散热增大
如果温度T和燃 料浓度（过量空 气系数α）配合 的点在U形曲线 以上的区域，则 会发生自燃甚至 爆炸，称为爆炸 区。
自燃范围
α
着火温度与燃料空气混合物的浓度（过量空气系数α）的关系
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η——散热系数
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S——容器壁散热面积
T0——容器壁温度 T——容器内可燃混合物温度
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Q
Q1
Q2Ⅰ
产热：Q 1k0exp(R E T)CnVQ
C
Q2Ⅱ
Q2Ⅲ
A T0Ⅰ
B
T0Ⅱ
Tlj T0Ⅲ
散热：
Q2S(TT0)
T
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① 两个交点：A点，稳定，但其温度绝对值太低，熄 灭状态; C点，不稳定，脉动→燃烧 or 熄灭
图所示，分析边界层内一微元体Sdx的能量守 恒：
T
dx Tq
r
RTqr2/E
T0
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x
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T
dx Tq
r
RTqr2/ E
导入热量
q1


dT dx

S
导出热量 q 2q 1d d q x 1d x T0(d d T xd d x 2 T 2d x ） S x
反应产热
q 3 k 0e x p ( R E T )C nQ S d x W c Q S d x
➢ T0↑ 容易着火
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二、自燃过程温度变化
T
Ⅴ
Ⅳ
Tlj
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Tyu
• Ⅰ、Ⅱ不至于着火情况
Ⅲ
• Ⅲ着火，在Tlj时，温度
拐点，孕育时间Tyu
Ⅱ• 如果系统初温升高是有
Ⅰ
利于着火，孕育时间缩
短 （ V 线 ） 。 （ 为 Tyu↓, 可以提高初温）
τ
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一些燃料空气混合物大气压下着火温度(α≈1)
一个完善的燃烧过程应是：及时着火，稳定燃
烧，充分燃尽
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热着火过程分两类
• 自燃：自发的着火，依靠系统自身化学反 应的放热来维持系统的升温。
• 强燃：强迫着火，借助外部能量（固壁、 火花塞），使其局部着火，然后火焰传播 到整个可燃混合物中。
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5.1.1 自燃
一、由热平衡的角度分析
热着火过程：温度升高引发的，将使得系统中整体的分子动 能增加，超过活化能的活化分子数按指数规律增加。导致 燃 烧反应自动加速。
链式着火过程：主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的 ，由于活化中心会被销毁，所以链式着火通常局限在活化中 心的繁殖速率大于销毁速率的区域，而不引起整个系统的温 度大幅度增加，形成“冷焰”。但是，如果活化中心能够在 整个系统内加速繁殖并引起系统能量的整体增加，就形成爆 炸。
化学反应放热
x
可燃混合物的温度分 布（不含化学反应）
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3. 如Tw进一步升高，边界层 T 内混合气化学反应加速，产 热增多，边界层内温度快速 Tqr 上升，高温的边界层将向混 合气导热，一层层的混合气 化学反应加速，高温区扩大， 最终整个主流的可燃气着火。
T0
可燃混合物实际的温 度分布（含化学反应）
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燃烧过程是包括发光放热的化学反应， 故存在两个最基本的阶段：着火阶段、 着火后燃烧阶段。
着火定义：燃料和氧化剂混合后，由无化学反 应（从缓慢的氧化反应）向稳定的强烈放热状 态的过渡过程。
热着火
链式着火
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• 热着火：可燃混合物由于本身氧化反应放热大于散热， 或由于外部热源加热，温度不断升高导致化学反应不断 自动加速，积累更多能量最终导致着火。——大多数气 体燃料着火特性符合热着火的特征。
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两种着火温度的定义
T0Ⅱ1000K E210kJ/m olQ
Tlj T0Ⅱ ＝RTE0Ⅱ2 39.5℃
Q1
Q2Ⅰ
C
Q2Ⅱ
Q2Ⅲ
Tlj T zh T0Ⅱ Tzh 区别不大
A
B
影响因素：
➢ η↓有利着火
T0Ⅰ
定义一：T0II
T0Ⅱ
Tlj T0Ⅲ
T
定义二：Tlj
➢ 燃料活性强（E小或k0大）易着火
炽热物体向周围可燃混合气散热，在边界层中可燃混合 物由于温度升高而进行化学反应，反应产热使气体温度 不断升高而着火。
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强迫点燃的热过程
高温火源
向可燃混合物加热 在高物物体边界层中着火
整个可燃混和物点着
再加热 反应热量
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强迫点燃的临界条件：
设有温度不同的炽热物体置于静止或低速可燃混 合气中（T0），则有以下几种可能性：
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• 烷、烯、炔的着火温度是烷烃最高（为饱和 烃，所以活性低）炔烃最低（三价键不饱和 烃，活性最强）
• 液体燃料着火温度一般小于气体燃料着火温 度。——注意，这里说的着火温度是自燃的 着火温度
• 固体燃料中挥发分高的着火温度低，无烟煤 、焦炭挥发分很少，所以温度最高。褐煤煤 场、油炉空气预热器上积的油、制粉系统的 积经粉相等当等长，时在间通孕风育不，良可（燃散物热浓Q度2达很到小着时火）限， 时，在低于室温的情况下，也会自燃着火。
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名称 氢 一氧化碳 甲烷 乙烷 乙烯 乙炔 苯 航空汽油 原油 重油 煤油 木柴 烟煤 无烟煤 焦炭
分子式 H2 CO CH4 C2H6 C2H4 C2H2 C6H6 — — — — — — — —
着火温度 530~590 644~658 658~750 520~630 542~547 406~480 580~740 390~685 360~367 336 250~609 250~350 200~500 600~700 700
平衡时应有：q1+q3=q2
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(Tqr

R Tqr 2 E
)
平衡时：q1+q3=q2
d dx 2T 2k0exp(R E T)CnQ0
对上式乘以dT进行积分
d dx 2 T 2dTd d T xd(d d T x) 2(d d T x)2
k 0 e x p ( R E T )C n Q d T k 0 C n Q e x p ( R E T )d T
Tqr T
exp
E

R(Tqr T)
ex p (E) lnex p (R (T R q rE T q r T ))lnex p (R E T q r) lnex p R (T q rE T ) RR ETE qT r 1 R 1(TT qTrE 1T )