第三章气体燃料的燃烧.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章气体燃料的燃烧,第一节 预混可燃气体的着火和自燃理论,（,高等燃烧学,中称“热力爆燃理论”）,热着火,着火的反应机理,化学链着火,自燃,自发的着火,着火方式,点燃,强迫着火,2,一、自燃热力理论,1,、,绝热条件下的自燃过程,质量作用定律：,阿累尼乌斯定律：,产热率：,kJ/(s,m,3,),热值；,化学反应速度。,3,若,n=a+b+,化学反应级数,平衡式,将,代入：积分,1,、绝热条件下的自燃过程,4,根据初始条件：时,反应结束：,（绝热火焰温度）,两式除,微分,1,、绝热条件下的自燃过程,5,1,、绝热条件下的自燃过程,图,3-1,反应物浓度与温度的关系,6,1,、绝热条件下的自燃过程,图,3-2,温度、浓度、反应速率随时间的变化,7,1,、绝热条件下的自燃过程,图,3-3,绝热容器内反应过程中,C,与,T,随时间的变化,8,1,、绝热条件下的自燃过程,图,3-4,绝热容器内可燃混合物释热率随时间的变化,9,即各组分扩散速度的总和不为,0,。,即各组分扩散速度的总和不为,0,。,非绝热条件下自燃的发生是有条件的，是散热和放热综合作用的结果。,散热,能量平衡,即,2,、非绝热条件下的自燃过程,10,图,3-5,非绝热条件下的热量平衡,a,点,稳定点；,b,点,平衡点，不稳定点；,c,点,不稳定点，着火临界点,Tc,着火温度,11,自燃的临界条件：,2,、非绝热条件下的自燃过程,12,T,0c,自燃温度，一般,T,0c,T,C,维持着火的燃料浓度限,一定,p,，,T,或一定,T,，,p,着火范围变窄,一定,p,，,T,或一定,T,，,p,任意浓度下,不会着火,容器散热程度着火范围变窄,3,自燃界限,13,3,自燃界限,图,3-11,一定压力下着火温度与成分的关系,14,3,自燃界限,图,3-12,一定温度下自燃的临界压力与成分的关系,15,4,着火延滞（感应）期,可燃混合物从初始温度,T,0,上升到,着火温度,Tc,所经历的时间。,16,二、链锁自燃理论,链锁反应基本步骤：,链的激发链的传递链的中断,（反应中存在链载体,）,17,第二节 预混可燃气体的点燃理论,点燃,用具有较高能量的外部热源去接触可燃,混合物，靠近外部热源的部分先行着火，,然后火焰传播到整个混合物中去。,18,一、点燃特点,热物体表面附近，取 厚度：,图,3-16,稳定的缓慢氧化状态下，热物体附面层中的,温度场和浓度场,19,能量方程,（,1,）,导热,=,反应放热量 热平衡,扩散方程,（,2,）,反应物消耗量,=,扩散量 物质平衡,扩散方程乘,Q,，代入能量方程,：,。,一、点燃特点,20,一般情况下,Le1,积分，代入边界条件,（环境）,将,代入,（,3,）,一、点燃特点,21,可燃气体的点燃是有一定条件的。,维持热物体表面附近一薄层气体稳定,氧化的极限状态，即为点燃的临界状态。,图,3-17,温度不同的热物体点燃时的温度分布,二、点燃热力理论,（,4,）,（,1,）（,3,）（,4,）联,立，可求解。,但分析解很难，只能求近似解。,22,双区理论：,反应区,反应进行比较迅速，反应的热量也主要由这一区域放出。,导热区,不进行化学反应，只从反应区导出热量（以外区域）。,二、点燃热力理论,23,1,、热球点火,炽热的石英球或铂金球,若球温 ，可能着火。,2,、平面火焰点火,火焰为无限大平板,3,、电火花点火,点火能 熄火距离,最小点火能,在可燃混合物中能够引起火焰传播的最小能量。,三、点燃方法,24,可燃混合物着火,温度、时间。,临界点燃时间,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。,要点燃一定的可燃混合物，必须提供一定的能量：或短时间提供,大量能量，或低水平能源维持足够长的时间。,可燃极限,在一定的压力和温度下，点火能量加大到一定程,度以后，混合物的点燃浓度界限就不再扩大了，,这就称为饱和点火能下的可燃浓度界限，或简称,可燃极限,。,四、可燃界限,25,图,3-25,可燃界限示意图,可,燃,界,限,示,意,图,图,3-25,四、可燃界限,26,1,、,压力,p,可燃极限,2,、流速,w,着火范围变窄,3,、可燃混合物初温,T,0,着火范围变小,4,、掺入其它物质,惰性气体使着火范围变窄（上限下降）,另一种可燃物质 可燃极限介于两者之间。,五、影响可燃极限的因素,27,掺入惰性气体可消除火灾,热容（比热）和导热性能对着火和火焰传播的影响,高的导热性使着火困难，但有利于火焰传播；,高的热容对着火有利，但使火焰传播困难。,良好的灭火剂都具有较高的 值（火焰传播困难）。,28,层流火焰传播,火焰传播 湍流火焰传播,爆 震,第三节 层流,火焰传播,火焰锋面向未燃气流方向的推进,。,29,一、层流火焰传播的概念,1,、层流火焰传播速度,方向一致时取负号。,火焰面移动的绝对速度,未燃混合气体的绝对速度,火焰不动；回火；吹熄。,30,2,、层流火焰传播速度的测定方法,肥皂泡法、圆管法、本生灯法。,3,、本生灯法,（法向分速度）,测得 和 ，可求 。,一、层流火焰传播的概念,31,一、层流火焰传播的概念,实,际,的,本,生,灯,火,焰,图,3-34,4,实际本生灯火焰,*顶部呈圆头形：,原因是热量与活性粒子扩散强烈；,*管口边缘形成凸出部分：,原因是热量损失与活性粒子碰壁销毁。,32,本,生,灯,火,焰,的,u,0,、,w,分,布,图,3-35,1.u,0,分布,2.W,分布,3.,理想火焰,4.,实际火焰,33,二、层流火焰传播理论,层流火焰传播理论,-,控制火焰传播的主要机理,热理论,-,从反应区到未燃区的热传导,扩散理论,-,链载体的逆向扩散,综合理论,-,热传导与活性粒子的扩散有同等影响,34,热理论：,1,火焰锋面内几个参量的变化,火焰锋面,已燃气体和未燃气体的分界面。,最大温差,/,最大温度梯度,火焰锋面压力差,（动量守恒：）,二、层流火焰传播理论,35,浓度与温度关系,由能量方程与扩散方程求得,（假定,Le=1,）,2,、泽尔多维奇双区理论,能量方程,预热区,忽略化学反应项,反应区,忽略对流项,二、层流火焰传播理论,36,火,焰,传,播,的,热,理,论,图,3-37,二、层流火焰传播理论,37,3,、火焰锋面厚度和预热及反应时间,预热区厚度,反应区厚度。,预热时间,反应时间,火焰锋面内平均反应速率，,见（,3-83,）式,。,二、层流火焰传播理论,38,1,、温度,混合物初温 ,m=1.5,2,火焰温度 比 影响大,2,、压力,n,总反应级数，当,n2,则 ,（大多数碳氢燃料的燃烧,n2,）,工程中，燃烧强度,（增压燃烧）,原因：,火焰质量传播速度 （燃料消耗量）随压力增大。,三、影响层流火焰传播的因素,39,3,、燃料,/,氧化剂混合比,混合比,=,化学计量比时，最大。,4,、燃料结构,饱和烃类（烷），与 （碳原子数目）无关,不饱和烃类，,5,、添加剂,惰性添加剂，使 ,反应添加剂,三、影响层流火焰传播的因素,40,四、层流火焰传播界限,当 降至某一数值时，火焰传播不能维持，产生熄火,淬熄。,发生淬熄时的临界条件,火焰传播界限。,41,第四节 湍流火焰传播,一、流体的湍动参数,1,、湍动能,湍流脉动速度的均方值,湍动能,湍动相对强度,平均速度,湍动能耗散率,湍动能的减弱速率,2,、湍动尺度,欧拉尺度,考察各瞬间流体微团的脉动情况,拉格朗日尺度,考察空间某一质点的运动情况,42,小尺度湍流火焰,微团的平均尺寸,层流下火焰锋面厚度,类型,大尺度弱湍流火焰,大尺度强湍流火焰,湍流火焰的传播速度比层流时大得多。,原因：,（,1,）,湍流脉动使火焰变形，从而使火焰表面积增加；,（,2,）,湍流脉动增加了热量和活性粒子的传递速度；,（,3,）,湍流脉动加快了已燃气和未燃气的混合。,二、湍流火焰传播的特点,43,三、湍流火焰的表面理论,从火焰锋面入手展开讨论。,四、湍流火焰的容积理论,容积理论认为：不存在火焰锋面，,反应也不仅仅发生在锋面厚度之内。,44,一、本生灯火焰的稳定,稳定条件：,火焰传播速度；,预混可燃气流速度。,不稳定的因素,（,使,）：,1,、管壁的散热作用；,2,、射流边界层外缘混入外界气体。,第五节 火焰的稳定,45,图,3-60,本生灯管壁面附近及火焰锥根部的气流速度,u,S,分布和,u,0,的分布以及稳定着火区域,2,截面以下，从出口开始，壁面散热作用影响愈来愈小；,2,截面以上，射流外缘混入外界气体的影响愈来愈,大。,46,图,3-62,在本生灯管口加障碍物使预混可燃气体,火焰稳定的方法,喷口外加障碍物，可使火焰稳定。,47,1,、热平衡原理,2,、着火和灭火的临界工况,3,、火焰稳定传热原理,二、火焰稳定的均匀搅混热平衡原理 和传热原理,48,1,、用小型点火火焰稳定主火焰；,2,、用钝体稳定火焰,形成回流区,三、湍流火焰的稳定方法,49,图,3-69,常见的钝体及其回流区和温度场,50,3,、用小股反向射流提高火焰稳定性,形成回流区，且阻力损失小。,图,3-74,小股反向高速射流形成的回流区,和火焰形状示意图,三、湍流火焰的稳定方法,51,大速差,同向小股高速射流，形成回流区。,三、湍流火焰的稳定方法,图,3-75,大速差同向小股高速射流形成的回流区示意图,52,4,、用旋转射流稳定火焰,5,、扩散火焰的稳定,扩散火焰,燃料气一边和周围的空气混合一边进行燃烧。,扩散火焰比预混火焰容易保持稳定，,原因：,（,1,）射流边界层中总有某些局部区域的组分（燃料和氧化剂的混合）,接近于化学计量比；,（,2,）扩散火焰不会发生回火。,三、湍流火焰的稳定方法,53,一、预混火焰和扩散火焰的概念,燃料与氧化剂充分混合后的燃烧火焰,预混火焰,。,若燃烧速率主要取决于混合和扩散，称为扩散燃烧过程，相应的火焰称,扩散火焰,；,若燃烧速率主要取决于化学反应速率，相应的火焰称预混火焰，或简称,动力火焰,。,第六节 气体燃料火焰的类型和自由射流 的基本特性,54,二、等温自由射流,轴对称射流与矩形射流,卷吸量与速度衰减。,三、不等温自由射流,速度场、温度场、浓度场,55,第七节 湍流流场数值计算简介和各种 复杂流动的特点,56,一、湍流流场的数值计算和自由射流中 的湍流特性,1,、二维平面湍流流动的基本方程,等温自由淹没射流 射流边界层,未知量 （假定 为常数）,可用五个方程求解。但 为变量。,2,、方程湍流模型,湍流运动粘性系数,湍动能；,湍动能耗散率。,方程是双方程模型，即 方程和 方程。,57,二、平行射流组,三、相交射流,四、旋转射流,五、受限射流,58,第八节 射流火焰,（自学）,第九节 气体燃料燃烧设备,（自学）,59,