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燃气的点火

一、点燃理论
　　为使可燃混合物着火燃烧，除前述的自燃着火外，工程上在燃气燃烧器的燃烧过程中，更广泛采纳的是强制点火。
　　强制点火，一般指将一微小热源放放可燃混合物系统中，使贴近热源四周的一层可燃混合物首先被迅速加热，而开始燃烧，然后逐层依次地点燃，而使整个系统着火的现象。
　　强制点火和自燃着火的实质是一致的，都是燃烧化学反应由低速稳定的氧化反应转变为高速不稳定的氧化反应，是燃烧化学反应急剧加速的结果。但在具体过程中，它们又有假设干区别，诸如：
　　用点燃促使燃烧化学反应加速只在可燃混合物的局部范围内进行；而自燃则在整个容器内的可燃混合气中进行
　　自燃需要一定的相对较高的外界温度或器壁温度T0；而点燃是可发生在外界温度或器壁温度远低于能够自燃的温度下。为了保证能在较冷的混合气中点燃，点燃温度一般比自燃温度要高。
　　可燃混合物能否被点燃，不仅取决于点燃体附面层内局部混合气能否着火，而且还取决于点燃体四周形成的燃烧火焰能否在混合气中传插，故点燃过程包括局部区域的着火和火焰的传播，它要比自燃过程复杂得多。
　　工程上常用的点燃方法有，炽烈体点燃、小火焰点燃、电火花点燃、自燃点燃等。关于点燃理论，以炽烈体点燃研究较多，并偏重于在低速气流中的点燃过程。对低速气流而言，着火首先发生在炽烈物体表面的附面层内，形成火焰后向四周传播。如图3—2—3，一炽烈颗粒，进入低速(或静止)可燃混合气中，其表面温度为TW，可燃混合气温度为T0，如果TW适当，则形成一稳定温度场，温度分布以b线表示。为了说明问题，假设灼热体进入的介质为不可燃气体，附面层内温度分布如线a所示。a线在b线之下，界面处的温度梯度a线比b线为大。

图3-2-3 炽烈体表面附面层内的温度分布
　　如果颗粒温度升高，TW1TW则温度分布线b、a的差异更加显著，a线更陡峭，b线更平坦，也就是对可燃混合气而言，随灼热体温度升高，附面层燃烧反应加剧，界面上的温度梯度(dt／dx)x=0=0愈来愈小，灼热体向附面层传热愈少。
　　当灼热体表面温度上升到一个临界温度Ti时，它使得(dJ／dx)x=0，灼热体传向可燃混合气附面层的热流为零，说明灼热体己不再向可燃混合气传热，在附面层中，可燃混合气燃烧产生的热量全部传给未燃的可燃混合气。
　　如果灼热体温度再升高，TW2Ti，灼热体附面层内的可燃气的燃烧反应加快，在距灼热体表面不远处示出温度极大值，一部分热量传向灼热体，而大部分热量流向四周的可燃混合气，使整个可燃混合气被点燃。
　　这就是所谓的“零值边界梯度〞物理模型。临界温度Ti是实现点火时灼热体应具有的最低温度，称之为强制点火的点火温度。
　　二、热球或热棒点火
　　将灼热石英球或铂球投射入可燃混合气中，当球体的温度TW高于临界点火温度Ti时，即可点燃。实验证实，热球临界点火温度与以下变量有关：球体尺寸、表面催化特性、射入速度及可燃混合气的化学动力特征等。
　　如图3—1—4，热球半径r、温度TW、以ω速度射入可燃混合气，在热球四周形成厚度为δf的附面层，可燃混合气热值H、温度T0、粘度μ、热导率λ等。

图3-2-4 灼热体的附面层
　　点燃临界条件必须是附面层中化学反应(反应速度为W)产生的热量等于该层的热散失量，即：

　　临界条件时，热球温度为TW=Ti，则(Ti-T0)／δf=δfHW/λ说明附面层中的温度梯度是判断点火的重要因素。
上式又可写成

　　这里，δf为点火成功时，火焰层临界厚度。
　　由传热学已知，当球体绕流的雷诺数Re和普朗特数Pr较高时，附面层厚度变小因而热球壁面四周的温度梯度就大。由于热损失加大，而难于点火。
　　三、小火焰点火
　　所谓小火焰点火，是指点燃可燃混合气所需的热量，由点火小火焰供给。这时，引发点火的可能性取决于以下特性参数：可燃混合气组成及性质；小火焰的特性尺寸、温度；点火火焰与可燃混合物之间的接触时间等。具体参数由实验确定。

　实际点火火焰是尺寸有限的三维火焰，为简化分析，设有一无限长的扁平点火火焰，其温度为TW将之置于无限大的充满温度为T0的可燃气系统中，厚度为2r，可当作一维火焰来分析。如图3—2—5，随着时间τ的增长，小火焰在可燃混合物中的温度场逐渐扩大并衰减，这些温度分布曲线可以通过求解火焰形状的不稳定导热微分方程求得，并为正态分布。

图3-2-5 扁平火焰温度场随时间的变化
　　在这样的扁平点火火焰的温度场变化中，存在两种可能性；一种可能是，当扁平小火焰的厚度小于某一临界尺寸时，因为点火火焰引起的燃烧反应的释热率不高，而能量过度散失消耗，温度场随时间不断衰减，最终使点火火焰熄灭；另一种可能性是，扁平小火焰的厚度大于临界尺寸，它引起的燃烧反应放出的热量能够扭转温度场衰减的趋向，并能使火焰传播开去。
　　实验说明，扁平点火小火焰的临界厚度2rc，是火焰稳定传播时焰面厚度δf的两倍，即
所以

　　说明，要点燃热导率高的可燃混合物，必须增大点火火焰的临界厚度，同时点火火焰的温度也要提升；如果可燃混合气燃烧化学反应的释热率高，则点火小火焰的临界厚度可小一些。
　　四、电火花点火
　　通过触发置于可燃混合气中两电极间的电火花来引燃可燃混合气的点火方法，称为电火花点火。
　　由于产生高温(6000～20000K)电火花时，局部气体分子被激烈地激励，并发生离子化，所以点火机理十分复杂。气体的激励和激烈离子化，改变了电火花区化学反应的进程，相应也改变了点火的临界条件。无疑，电火花使局部气体温度急剧上升，因此火花也可当作灼热气体，成为点火火源。
　　用电火花进行点火时，从燃气的点燃到燃尽大体上可分为两个阶段：
　　(1)由电火花加热可燃混合气，使之局部着火，形成初始火焰中心或叫高温小球体。
　　(2)随后，初始火焰中心向未着火的混合气传播，使其燃烧。如果初始火焰中心形成，并出现稳定的火焰传播，则点火成功。
　　初始火焰中心能否形成，取决于电极间隙内可燃混合气中燃气的浓度、压力和初始温度、混合物性质、流动状态等，还取决于电火花所能提供的能量。
　　通常产生电火花的方法有，电容放电和感应放电。假设C为电容器电容，而U1、U2，分别是产生火花前后施加于电容器上的电压，则电容放电时释放能量为：

　　实验说明，当电极间隙内的可燃混合气的浓度、温度、压力一定时，假设要形成初始火焰中心，放电能量必须达到一最小值。这个必须的最小放电能量，就是最小点火能Emin，它是为建立临界最小尺寸的初始火焰中心，所需的最小能量。
　　实验还说明，当其它条件给定时，电火花点燃所需的能量还与电极间距d有关，如图3—2—6所示。当d小到无论多大的点火能量都不能点燃时，这个最小距离就叫熄火距离dq。这是因为电极间隙过小时，初始火焰中心对电极的散热相对过大，以致火焰不能向四周可燃混合气传播。所以电极间的距离不宜过小，在给定条件下有一最正确值。

图3-2-6 点火能量与电极间距的关系
　　影响Emin和dq的因素，如同初始火焰中心形成的条件一样，主要取决于可燃混合气的物理、化学性质(燃气浓度、温度、压力、流速)、电极形状及尺寸等。
　　对可燃混合物的性质，如图3—2—7，Emin和dq随可燃混合物中燃气含量的变化曲线呈U形，Emin和dq的最小值，一般都在化学当量比四周。

图3-2-7 可燃气含量对最小点火能和熄火距离的影响
　　实验说明，熄火距离与可燃混合气压力的简单关系为：

p·dq=常数，即dq∝1/p (2—9)
　　实验还说明，对所有碳氢化合物／空气的混合气，最小点火能Emin∝1/p2，压力升高，最小点火能Emin和熄火距离dq均有所下降。
　　当可燃混合气流动时，随着流速的增大，Emin亦需加大。
　　此外，由于掺加物改变了可燃混合气的物理化学特性，不同掺加物对Emin和dq均有不同影响。