第四章-固体燃料燃烧.pptx

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level,#,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,#,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,燃烧与传热学,II,第,4,章,固体,燃料燃烧,飞行器动力工程,2,第,四,章,固,体,燃,料燃,烧,固体,燃料的特性,煤粒着火及燃烧过程,炭及焦炭的燃烧,推进剂及金属粉末燃烧,煤的燃烧方式与燃烧装置,3,第一,节,固体燃料特性,典型固体燃料,煤,煤,、油页岩、木柴、甘蔗渣等都是碳氢化合物，可作为固体燃料,煤占我国一次能源消费的,70%,以上,消费的煤中,80%,以上用于燃烧,我国是少有的以煤为主的国家,煤的燃烧比较复杂，木柴等容易燃烧,煤中焦炭占煤中可燃质重量的,5597%,，焦炭的发热量也占煤的总发热量的,6095,%,金属颗粒,固体,推进剂,4,第一,节,固体燃料特性,固体,物质的燃烧速度一般小于可燃气体和液体的,燃烧速度,不同组成、不同结构的固体物质燃烧速度差别很大：,萘的衍生物、石蜡，三硫化磷，松香等固体物质，其燃烧过程要经过受热熔化、蒸发、分解氧化、起火燃烧等几个阶段，一般速度较慢。,硝基化合物、硝化纤维及其制品，因其本身含有不稳定的含氧基团，燃烧非常剧烈,。,比表面,：固体物质比表面大燃烧速度快。,5,元素分析,碳,C,氢,H,氧,O,氮,N,硫,S,灰分,A,水分,W,可燃质,惰性质,C,：主要可燃元素，碳化程度越高，含碳量越大,泥煤：,70%,褐煤：,70,78%,烟煤：,78,90%,无烟煤：,90%,以上,H,：主要可燃元素，含量较低，,5%,有效氢：氢元素与,C,、,S,结合，热值高，约,C,的,3.7,倍,化合氢：氢元素与,O,结合形成不可燃化合物,H,2,O,第一,节,固体燃料特性,-,煤,6,主液体推进系统,热值,：煤质的,重要指标，是计算热平衡、耗煤量、热效率等的,依据,煤的比热,：,室温下煤的比热约为,0.84,1.67kJ,/(kg,),比热,随煤的变质程度、水分、矿物质含量和环境温度变化而,变化；,炭化,程度高，比热,减小，泥煤,1.38,，褐煤,1.21,，烟煤,1.00,1.09,；,通常矿物质,含量增高，比热,降低；温度,变化，比热先增后,降。,煤的导热系数：一般在,0.232,0.348W,/(m,),随,炭化程度升高和温度升高而,增大，同,一煤,种水分,含量增大，导热,系,数增大,第一,节,固体燃料特性,-,煤,7,主液体推进系统,粘结性：粉碎后的煤在隔绝空气的情况下加热到一定温度时，煤的颗粒相互粘结形成焦块的,性质,焦结性,：指在工业炼焦条件下（在隔绝空气条件下加热到,1000,左右），一种煤或几种煤混合后的粘结性，也就是煤能炼出冶金焦炭的,性质,（,无烟煤和褐煤的热稳定性较差,）,耐热性,：煤在高温条件下对热的稳定程度，反映煤在受热时是否易于破碎，,或块煤,在高温下保持原有粒度的,能力,结渣性：煤燃烧产生高温，使灰分熔融成渣。结渣性即煤中矿物质的结块,性能,第一,节,固体燃料特性,-,煤,8,主液体推进系统,第一,节,固体燃料特性,-,金属,金属,的燃烧能力取决于金属本身及其氧化物的物理、化学性质，其中金属及其氧化物的熔点和沸点对其燃烧能力的影响比较显著,。,挥发金属,（,如,Li,、,Na,、,K,等,）,它们的沸点一般低于其氧化物的熔点（,K,除外），因此在 其表面上能够生成固体氧化物,不,挥发金属,（,不挥发金属的沸点比它的氧化物的熔点要高,）,不,挥发金属因其氧化物的熔点低于金属的沸点，则在燃烧时熔融金属表面上形成一层氧化物。金属氧化物先于金属固体熔化变成气体，使金属表面裸露与空气接触，金属氧化物的熔化消耗了一部分热量，又阻碍了金属和空气中氧的接触，减缓了金属的氧化燃烧速度，固体表面呈炽热发光现象，如氧焊、电焊、切割火花等。不挥发金属的燃烧属于气、固两相燃烧,。,9,主液体推进系统,第一,节,固体燃料特性,-,金属,挥发性金属的,燃烧过程,挥发,金属和火源接触时被加热发生氧化，经过一段时间后，金属被熔化并开始蒸发，蒸发出的蒸气通过多孔的固体氧化物扩散进入空气中。当空气中的金属蒸气达到一定浓度时就燃烧起来，同时燃烧反应放出的热量又传给金属，使其进一步被加热直至沸腾，进而冲碎了覆盖在金属表面上氧化物薄层，出现了更激烈的燃烧。同时燃烧激烈时，固体氧化物也变成蒸气扩散到燃烧层，离开火焰时变冷凝聚成微粒，形成白色的浓烟。这是挥发金属的燃烧特点。,挥发,金属的燃烧属于熔融蒸发式燃烧。,金属,固体金属液体金属蒸气与空气混合均相有焰燃烧金属氧化物白烟,。,10,主液体推进系统,第一,节,固体燃料特性,-,金属,不,挥发金属在粉末状、气熔胶状、刨花状时在空气中燃烧进行得很激烈，且不生成烟。粉尘悬浮在空气中可能发生爆炸，且无烟生成。,金属固体炽热表面与空气接触非均相无焰燃烧,Al,、,Ti,、,Fe,等金属,在空气中难以燃烧，但在纯氧中能燃烧，在燃烧时金属并不气化而是液化。,气割时,先用氧,-,乙炔火焰将金属,预热到燃点,然后打开切割氧阀门,使,高温金属燃烧,金属燃烧时所,产生,的氧化物熔渣被高压氧吹走,形成,切口。,金属,燃烧时放出大量的热,又预热,待切割的金属,所以切割过程是预,热,-,燃烧,-,去渣的形成切口的不断,连续重复进行的过程。,第一,节,固体燃料特性,-,金属燃烧的应用（气割）,气割过程一般分为,3,个阶段,:,钢材表面,铁和氧开始燃烧反应,铁和氧的燃烧反应向钢材内部传播,将反应生成物,(,主要是氧化铁,),强行排除，达到切断目的。,气割的实质是金属在氧气中燃烧,乙炔或丙烷只起助燃作用,整个切割过程不是将金属熔化,而是金属燃烧的过程。,在气割过程中,铁与氧反应是预热钢材的主要热源,而预热火,焰的热作用则是次要的。切割时所需总热量的,85%,来自燃烧,反应,只有,15%,的热量来自预热火焰。,第一,节,固体燃料特性,-,金属燃烧的应用（气割）,金属易燃程度与比表面积关系极大；,燃烧热值大、燃烧温度高；,燃烧时强度降低；,某些金属燃烧时火焰具有特征颜色,。,钠 锂 钾 铷 铯 钙 锶 铜 钡,黄,紫红,浅紫,紫,紫红,砖红色,洋红,绿,黄绿,第一,节,固体燃料特性,-,金属燃烧,高温下，金属性质活泼,第一,节,固体燃料特性,-,金属燃烧,防水、防潮,碱金属、碱土金属、金属粉末,少量,煤油,大量,氮封,锂,氩或氦,第一,节,固体燃料特性,-,金属储运及防火,密封单独存放,薄片和颗粒金属,远离,可燃物,氧化剂,涂油物酸、碱、卤素,16,主液体推进系统,第一,节,固体燃料特性,-,金属着火的灭火剂,7150,灭火剂（三甲氧基硼氧六环）：,是扑救镁、铝、镁铝合金、海绵状钛等轻金属火灾的有效灭火剂。灭火时，当它以雾状喷到炽热的燃烧着的轻金属上时，会发生两种反应，即,分解反应：,60,以上,(CH,O),B,O,(CH,O),B,B,O,(,三甲氧基硼氧六环,),(,硼酸三甲酪,),(,硼酐,),燃烧反应：,(CH,O),B,O,9,3B,2,9H,2,十,6CO,2,(,三甲氧基硼氧六环,),(,氧,),(,硼酐,),(,水,),(,二氧化碳,),17,主液体推进系统,第一,节,固体燃料特性,-,金属着火的灭火剂,7150,灭火剂（三甲氧基硼氧六环）：,是扑救镁、铝、镁铝合金、海绵状钛等轻金属火灾的有效灭火剂。灭火时，当它以雾状喷到炽热的燃烧着的轻金属上时，会发生两种反应，即,分解反应：,60,以上,(CH,O),B,O,(CH,O),B,B,O,(,三甲氧基硼氧六环,),(,硼酸三甲酪,),(,硼酐,),燃烧反应：,(CH,O),B,O,9,3B,2,9H,2,十,6CO,2,(,三甲氧基硼氧六环,),(,氧,),(,硼酐,),(,水,),(,二氧化碳,),煤是,最,重要,的固体燃料，燃煤锅炉有沸腾床、流化床、链条床、旋风炉等。,固体燃料燃烧问题非常复杂，,一些细节既取决于燃料的自然属性，又和其特定应用场合有关,。,煤,被粉碎后绝大多数煤粉粒径小于,75m,。,煤粉被一次风,吹,入,一次风区,，,一,次风提供了总燃烧风量的,20,%,。在一次,风中，,氧气,消耗于挥发分产物的燃烧,。,二,次风通过二次风口以高速进入，并与,焦炭以及,来自锅炉下部的燃烧产物,混合燃烧。,经充分,换热后，烟气,被送入除尘和脱硫装置，有时还有脱硝,装置。,第二节 煤的燃烧,由于煤复杂的自然属性和其成分的多样性，因此不是所有煤的燃烧都遵循同一方式。,其通常的顺序是，,首先,是水分脱除，,接着,是挥发分的蒸发。挥发分可以在气相中或者是在煤粉颗粒表面进行,均相,燃烧。,由于挥发分的脱除，煤可能产生膨胀，变得含有很多孔。,在热解后剩余的物质是,焦炭,和其相应的无机矿物质。,焦炭,燃烧后，矿物质形成了不同比例的灰、渣和细颗粒。,尽管焦炭孔结构对实际燃烧的作用相当重要，但焦炭的燃烧过程依然基本遵循着前面讨论的碳燃烧的模式。,第二节 煤的燃烧,非均相反应,是,指涉及以不同物理状态存在的组分参与的反应过程，,例如气,-,液,反应、气,-,固反应等,。,气,-,固反应的整个过程细分为以下的几个基本环节,:,(1),反应物分子通过对流和,(,或,),扩散作用,到达固体表面,;,(2),反应物分子在固体表面被吸附,;,(3),包含被吸附分子、固体表面自身及气相分子的多种化合作用的基元反应,;,(4),产物分子在固体表面的解吸附,;,(5),产物分子通过对流,和扩散作用,离开固体表面。,第,(1),步和第,(5),步相似，可用,第,3,章中传质的内容来分析。,中间几,步反应比较复杂，尤其是第,(3),步。,第二节 煤的燃烧,-,非均相燃烧,为了详细描述这些反应步骤，我们根据反应物和产物在固体表面吸附强弱的不同而引用三个速率方程。,首先,，如果,反应,物分子,A,的吸附能力较弱，那么,反应速率,R,与,邻近表面处的,A,气体浓度成正比，,即,其中，,k,(,T,),是,速率常数,。,第二,，如果,A,强吸附,，则反应速率,与,A,的气相浓度,无关：,反应,物,A,弱吸附,、产物,分子,B,强,吸附，,这种情况下,其中，,A,和,B,是,接近固体表面的,A,和,B,的,气相浓度,。,上面三式表明,气,-,固,反应速率,的表达式同我们所熟悉,的均,相基元反应是不同的,。,第二节 煤的燃烧,煤粉燃烧时，,在,挥发,性物质从煤颗粒中脱掉并燃烧之后将有,焦炭,生成,。随后焦炭的,燃尽,是整个燃烧过程包括需要的停留时间和燃烧空间大小的控制过程,。而且,，相当大部分的热量是通过焦炭颗粒的,燃烧,辐射,出去的,。,图,14.2,示,出了在反应边界层内一个燃烧的碳表面。在此表面上，主要根据碳,表面温度不同,，碳可以,同,O,2,、,CO,2,或者,H,2,O,发生,如下的总包反应,:,第二节 煤的燃烧,碳,表面的主要产物,是,CO,。,从表面扩散出去,的,CO,穿过,边界层并同向内部扩散的氧气相结合，发生如下的均相总包反应,:,当然,，上面这个反应式中,包含许多基元反应步骤，其中最重要的一步是,CO+OH,CO,2,+H,。,从原理上说，在确定了所有基元反应步骤后，碳的氧化问题可以通过列出适当组分、,能量和,质量守恒,方程，根据固体,表面和自由气流中的,边界条件来求解。,然而这一方法的复杂性在于碳表面是多孔的，其表面的详细属性又随碳氧化的过程而改变。,因此，在一定的条件下，颗粒内部扩散在碳的燃烧中发挥着重要的作用,。,第二节 煤的燃烧,碳,燃烧的简化模型是基于图,14.2,给,出的总包反应，并且通常假定扩散无法,通过固体,表面。,根据,表面和气相化学的假定，有几种不同的建模,方法。,单,膜,模型,：气相,中没有火焰面，最高温度,点在,碳的表面,。,双膜模型,：火焰,面,位于,距离表面一定距离处，在火焰,表面,CO,与,O,2,发生,反应,。,连续,膜,模型,：火焰,区域,分布在,整个边界层内，而非集中在一个薄层内。,单,膜模型十分简单，可以方便而又清晰地,阐明非,均相化学动力学和气相扩散的共同作用,。,双膜模型依然,很简单，但更趋合理，它,示出,了,产物,CO,先后,产生和氧化的过程,。,利用,这些模型可以估算碳,-,焦,(carbon-char),的,燃烧时间。,第三节 炭的燃烧,1.,假设,单个,碳球的燃烧应遵循如下的,假定：,(,1,),燃烧过程,为准稳态。,(2,),球形,碳颗粒在,无限大、静态环境,中,燃烧，只,存在氧气,和氮气,。与其他颗粒没有相互作用，对流的影响可忽略。,(3,),在颗粒,表面，碳与化学当量的氧气反应产生,二氧化碳。,(,4,),气相,仅由氧气、二氧化碳和惰性气体组成。氧气向,内扩散，和,表面碳反应,生成二氧化碳；二氧化碳向外扩散；惰性气体形成,不流动边界层，,即前述的斯,蒂芬问题。,(5,),气相导热系数、,比定压,热容、,密度与质量扩散系数的,乘积都是,常数。,进而假定,Lewis,数,为,1,。,(,6,),碳,颗粒对气相组分具有不透过性,，即内部,扩散,可忽略,。,(7,),碳,颗粒温度均匀，以灰体形式和,外界辐射换热。,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,图,14.3,示,出了基于上述假设的基本模型,，表明,了各气相组分的质量分数和,温度分布随径向的,变化,。,二氧化碳,的质量分数在表面处达到最大值，而远离颗粒,表面无穷,远处为,0,；氧气,的质量分数在表面处最小,。,如果,氧气,消耗得非常,快的话,，颗粒表面,上氧气的,浓度将趋于,0,。,既然,假定在气相中没有反应发生，,即所有,热量的释放,都,生在固体表面，则温度将由表面温度的最大值,T,s,单调地下降到远离表面处的温度,T,。,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,2.,总质量和组分守恒方程,在下面的分析中，主要目的是确定可估算碳质量燃烧率,(,C,),和,表面温度,(,T,s,),的表达式,，重要中间变量包括氧气和二氧化碳在碳表面的质量分数,。,图,14.4,示,出了三种组分的,质量通量之间,的关系。在表面上，碳的,质量通量,必须等于流出的二氧化碳和流人的氧气质量通量的差值，,即,:,类似地，在任一径向,位置,r,处，净质量通量是二氧化碳和氧气质量通量的差值，,即,:,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,在稳态,、,无,气相反应,条件下，不同时间和不同的径向位置处各种组分的质量通量,都保持不变，,因此可以得到,:,或,可以,看到,，流出,的质量流量恰恰等于碳的燃烧速率,二氧化碳,和氧气的,流率,还可以通过在表面上反应的化学当量来建立关联，,即：,或,其中化学计量系数：,下标,I,表示,这个系数用于单膜模型。对于双膜模型还有一个不同的,化学计量系数。,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,气相,组分质量流量与碳的燃烧,速率关系如下：,为,找到一个关联各组分的质量,流量方程，应用菲克定律来,表述氧气的质量守恒，即,鉴于质量通量和质量流量的关系可表示,为,i,=4,r,2,，向,内的流动为负，向外的流动为,正，,化简,后,上,式变为：,其边界条件是：,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,通过含两个边界条件的一阶常微分方程，可以,得到,C,的,表达式，即得到问题的特征值。对上式分离,变量，并,在上下限,内积分，可以,得到：,因为,Y,O2,是给,定量，因此如果知道,了,碳颗粒表面的,Y,O2,s,值，问题,即可,解决。,3.,表面化学动力学,假定同氧气有关的反应,C+O,2,CO,2,是,一级的,，碳,的反应速率可以表示,为,:,式中,，,O,2,s,是,表面上氧气的浓度,(,kmol/m,3,),，,k,c,是,反应速率常数,，即,k,c,=,A,exp,(,-,E,A,/,R,u,T,s,),。,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,将浓度转化为质量分数，有：,将碳燃烧速率和表面,(,r,=,r,s,),处,碳质量通量关联,起来：,或,式中，,除,Y,O2,s外,的所有化学动力学参数,都包含,在因子,K,kin,中,，应,注意,K,kin,值,取决于,压力,、表面温度和碳颗粒半径等。,从,上,式中,解出,Y,O2,s,并,代入,到,碳质量燃烧率,(,C,),表达式中,得到一个关于燃烧,速率,C,的超越方程。,另一种求解方法是采用电路,比拟,方法，,从而更方便地,表达所求的,解,。,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,4.,电路比拟,为了,进行电路比拟，需要,将,C,的,两个,表达式转化,为,包含所谓,的势,差和,阻抗的,形式：,式中加上,0,是,为了,表征,“,势差,”,的,形式,，,“,阻抗,”,是,化学动力学因子,K,kin,的,倒数,。上式与,欧姆定律,的,形式是相似的，,这里,C,是,流率变量,，或者叫电流比拟。,处理,C,的另一个表达式需要,一些数学变换，首先，重新整理对数项,得到：,定义,一个传递数,B,O,m,：,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,则,上式与,液滴,蒸发和燃烧的,形式,相同。,上式可以,通过展开为级数的形式进行线性化,:,如,B,O,m,的,值很小,，截断,二次,项得：,ln(1+,B,O,m,),B,O,m,，,因为,1,=2.664,，,而且,Y,O2,s,的,值一定在零和,Y,O2,(,空气为,0.233,),之间，可见近似是,合理的。,因此：,式中,，,C,又,可以表示成,势差,和,阻抗,的形式，即,由于,R,diff,项,中出现的,Y,O2,s,不是常量，,C,和,Y,是,非线性,关系。,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,从化学动力学,得到燃烧,速率，必须与只考虑质量传递,的燃烧,速率相同,，图,14.5,给出,了,串联电阻,电路,比拟结果,。,注意,到，因为我们选择的势差是氧气的质量分数，所以碳是从低势区流向高,势区,，这同实际电路比拟正好相反,。,这时,的流率变量,是,O2,/,1,=,-,C,，这,同样表示在图,14.5,中,。,下面可以利用电路比拟来得到燃烧,速率,C,：,其中：,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,5.,碳燃烧控制情况,C,本质,上仅和阻抗值有关,。如,假定,R,kin/,R,diff,1,时，,燃烧由化学动力学控制。此时,R,diff,很小，,注意到,Y,O2,x,和,Y,O2,基本上,相等,，也就是说表面上的氧气浓度,比较大,。此时，化学动力学参数控制,燃烧,速,率，,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,化学动力学,控制燃烧,通常发生,在微粒尺寸比较小、压力比较低、温度比,较低,(,使,k,c,值小,),的,情况,下。表,14.1,总结,了不同燃烧的模式。,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,例,14.1,试,计算直径为,250m,的碳颗粒在,1atm,空气中的燃烧速率,(,Y,O2,=0.233),，,颗粒表面温度是,1800K,，,表面反应速率常数是,139m/s,。,假设表面处气体分子,平均摩尔,质量为,30kg/kmol,。,同时，判断燃烧处在哪种控制模式下,?,解,：,采用,电路比拟的方法,求解,C,。,扩散阻力方程中,气相,密度可用,表面温度下,的状态方程计算：,质量,扩散系数,可用附表,D.1,中,N,2,中,CO,2,的,值,，折算,到,1800K:,迭代开始时,设,Y,O2,s,=0,，则：,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,计算化学动力学阻力，得,从,上述计算可以,看出，,R,diff,超过,R,kin,值,10,倍，因此该,燃烧是,扩散控制,。,采用电路比拟计算燃烧速率,表达式计算,C,，,进而,求得,Y,O2,s,，,并进一步得到一个修正,的,R,diff,，,一直,迭代到满足,一定精度,的,C,为止，即：,根据电路比拟示意图,(,图,14.5,),得：,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,因此：,鉴于,R,diff,变化,小于,1,%,，,因此不需要进一步迭代。,注,：这个,例子阐释了如何采用电路比拟方法来实现基于简易迭代的碳燃烧计算过程。,由于化学动力学阻力的非负性，可以看到碳表面,O,2,存在,一个较明显的浓度值,。,需要强调的,是本节给出的单膜模型并非实际发生的化学过程的准确表述，而是在基于将复杂问题,最简化,原则下的一个揭示基本概念的教学工具,。,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,6.,能量守恒,以上的分析中都是把表面温度,T,s,看作,一个已知的参数。然而这一温度不可能是一,个任意,值，而是一个取决于碳表面能量守恒的唯一值。如同我们所看到的，表面能量守恒的,控制,方程强烈地取决于燃烧速率，即能量传递和质量传递过程的耦合。,图,14.6,给出了碳表面上的能量通量。表面能量守恒方程为,因为是稳态燃烧，,没有热传导到,颗粒内部,，,因此,Q,s-i,=0,，方程左边是,C,h,c,，其中,h,c,是,碳,-,氧燃烧的反应热,(J/kg),，因此上式变为：,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,为了获得在表面上气相温度梯度的表达式，需要,写出,一个包含气相的能量平衡方程，并从中求解出温度分布,。,前面,分析,液滴,蒸发,模型,时导出,过类似的结论,(,方程,(,10.10),，用,T,s,代替,原式中的,T,boil,，,即,这里,Z,=,c,p,g,/(4,k,g,),，将上面两式合并整理可得：,上式含有,两个,未知量,C,和,T,s,。为,得到碳燃烧问题的完全解，需要,同时迭代求解上,式和电路比拟燃烧速率方程。,还要注意，在扩散和化学动力学控制的过渡区域,，,Y,O2,s,也,变成未知量,，,碳的,反应速率方程也,要增加到方程组中,。,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,例,14.2,固体燃料,燃烧中，辐射通常有重要影响。试计算维持一个直径,250m,碳颗粒,燃烧,(,T,s,=1800K),所,要求气相的环境温度。,(a,),不,考虑,辐射,；,(,b,),假设,颗粒,表面为,黑体，向,300K,的,环境辐射。其他条件和例,14.1,中,一致。,解：采用,表面,能量平衡可以,求解,两种工况,下的,T,。气相,的性质,可以按,1800K,的,空气来处理，,即：,由于颗粒是黑体，表面,辐射率等于,1,，碳,燃烧的反应热可表示,为,/,MWc,，,即,(a,),不,考虑辐射时,，可以通过能量方程,(14.37,),求解,T,，即,第三节 炭的燃烧,-,单膜模型,单,膜模型的,教学性,大于其,实用性。,双膜模型,在,描述碳燃烧的,化学物理,过程方面更为,真实,一些。,图,14.7,示,出了沿着两个气膜区域内组分的浓度和温度的分布,曲线：以火焰面为界,，,分成,了内部区域和外部区域,。,在双膜模型,中,碳,表面,受到二氧化碳,的,碰撞，发生,总包,反应,C+CO,2,2CO,，产生的,CO,向,外部扩散并在火焰面上遇到向,内扩散,的氧气,，与其,按化学当量发生,反应而,被消耗掉,。,如,总包反应,CO+1/2O,2,CO,2,速率无限快，因而在火焰面上一氧化碳和氧气都为零。温度在火焰面上也达到峰值。,下面的主要任务就是找到燃烧速率,C,第三节 炭的燃烧,-,双膜模型,1.,化学计量关系,各种组分的质量流量可以通过在颗粒表面和火焰面上的简单质量平衡方程建立起,关联,，如图,14.8,所示，分别,为：,在表面,上：,C,=,CO,-,CO2,i,在,火焰,面：,CO,=,CO2,i,+,CO2,o,-,O2,或者,：,C,=,CO2,o,-,O2,利用颗粒表面和火焰面上的化学计量关系，所有组分的质量流量都能够和燃烧,速率,C,建立,起关联。,在表面,上：,在火焰面：,其中：,s,=3.664,，,f,=,s,-1,。,第三节 炭的燃烧,-,双膜模型,因此，各质量流量可表示为,2.,组分守恒方程,通过应用菲克定律可以获得分别描述内部区域和外部区域,CO,2,分布,的微分方程。,同样,地，对于惰性,组分,(N,2,),也需列出一个微分方程。这些方程表示如下。,内部区域,CO,2边界条件,第三节 炭的燃烧,-,双膜模型,外部区域,CO,2,:,边界条件,对于惰性,组分,(N,2,):,边界条件,对上述三个,方程进行,积分,，,并,根据,Y,i,=1,，,可得如下包含,5,个,未知量,C,、,Y,CO2,s,、,Y,CO2,f,、,Y,I,f,和,r,f,的,4,个代数方程：,第三节 炭的燃烧,-,双膜模型,为了,得到双膜模型问题的更易处理的解，可从,方程中,消去,除了,C,和,Y,CO2,s,外,其他所有变量,，得到,组分守恒方程,，即：,其中：,对于扩散控制燃烧,，,Y,CO2,s,=0,，,C,可,从方程中直接解出。,为封闭方程组，需要一个含,C,和,Y,CO2,s,的,化学动力学,方程。,3.,表面化学动力学,反应,C+CO,2,2CO,是,关于二氧化碳浓度,的一级反应,，因此燃烧速率可以表达为,与,单膜模型中相同的形式，,即：,第三节 炭的燃烧,-,双膜模型,其中,或简写为,上式是从表面化学动力学关系得到的组分封闭方程，,与组分守恒方程联立，可求解,C,和,Y,CO2,s,。,为了,获得表面温度,，还需列出在,表面和火焰面的能量方程,。其,过程同本章前面和第,10,章中介绍的方法类似。,第三节 炭的燃烧,-,双膜模型,例,14.3,考虑,扩散控制燃烧，在相同条件,下,(,Y,O2,=,0.233,),比较,单膜模型和,双膜模型,所预测的碳燃烧速率的不同。,解,：,单,膜模型和双膜模型计算碳燃烧速率的通用形式,是：,在相同条件下，上述方程中仅有,B,m,是,唯一具有不同取值的参数，,因而：,对于,扩散控制，,颗粒表面,CO,2,浓度,(,双膜模型,),和,O,2,浓度,(,单膜模型,),都近似为,0,。,则传递数可通过下,式计算,:,第三节 炭的燃烧,-,双膜模型,则两种模型下碳燃烧速率的比值,为,:,注,：,特别,值得注意的是，碳燃烧速率计算的差别并不是两个模型本质上的差别，而,应该归结,于假定发生在碳表面汽化所涉及的具体反应的体现,。,该,结论的正确性可以表示如下,:,在单膜模型中，,如假定,碳表面的产物是,CO,而,非,CO,2,，,此时,1,=31.999/24.01=1.333,，且,B,m,=0.175,，这,和双膜模型的传递数一样,。,只要,表面反应产物是,CO,，,则采用单膜模型,和双膜模型,计算出碳燃烧速率就是一致的，这既与这些表面,产生,CO,后,的情况无关，也与,组分,O,2,和,CO,2,在,颗粒表面处碰撞无关,。,第三节 炭的燃烧,-,双膜模型,对于,扩散控制燃烧,，,建立,D,2,定律,，,很,容易得到颗粒燃烧,时间颗粒,半径,可表示,为随时,间变化,的函数，,如下所,示,:,其中燃烧速率常数,K,B,是,常量，可由下式给出,:,所以颗粒寿命为：,根据,所用,的是单膜还是双膜分析方法，传递数,B,可选,B,O,m,或,B,CO2,m,，而,表面的质量分数设置为,0,。,传递,数,B,表达式中：,是气相密度，,c,是,团体碳的密度。,有,对流,存在时，质量燃烧,速率由于因子,Sh,/2,的,影响而增加，这里,Sh,是,舍伍德数，它对质量传递的作用与,传热学,中努塞尔数对热量传递的作用是相似的。对于路易斯数等于,1,的情况,，,Sh,=,Nu,，因此：,第三节 炭的燃烧,-,燃烧时间,例,14.5,假设,例,14.4,满足,扩散控制燃烧条件，试计算直径,70m,碳,颗粒的寿命。,假设,碳的密度是,1900kg/m,3,。,解,：燃烧速率常数可计算如下,:,式中，传递数,B,CO2,m,的,值采用了例,14.4,中计算的第一次迭代的结果，因此寿命可计算如下,:,注：实际,锅炉中,，,Y,O2,不会保持为常量,，随着,燃烧过程,发展,而,降低，这会,增加颗粒燃烧的时间,。,相反,的是，实际燃烧器存在的对流现象会加快燃烧速率,。,另外，随着,颗粒直径降低，非均相化学反应动力学会控制碳的后期燃尽阶段，此时碳表面的温度变得尤为,重要。,第三节 炭的燃烧,-,燃烧时间,第四,节 推进剂,及金属粉末燃烧,Ariane 5,主液体推进系统,固体,火箭,助推器,固体推进剂,金属,铝,粉末,铝粉燃烧过程,和燃烧产物对固体发动机,的工作过程具有重要影响,两相流损失,降低比冲,燃烧室绝热,层及喷管冲刷烧蚀,发动机燃烧效率及稳定性,熔,渣,沉积,消极质量,高,能量,点火困难,聚集、凝聚现象,粒度、形状影响显著,均质,+,异,质,燃烧,铝,粉在固体,复合,推进剂,表面积累、粘结、团聚、着火、燃烧；,铝,粉在发动机中,分布燃烧，,与燃烧室壁面和喷管,碰撞、沉积；,铝粉,颗粒,/,群的,燃烧细节,直接影响发动机,性能！与,粒径,相关,!,潜入式固体发动机,粒子,沉积,示意图,Al(s),Al(l),Al(l),Al(s),粗糙,的,燃面 金属颗粒,第四,节 推进剂,及金属粉末燃烧,理论研究,实验研究,随机装填模型,2,口袋模型,1,物理过程,复杂,，,缺乏更有效实验手段,不够系统和深入,以有效实验手段获得可靠数据，结合团聚物理过程获得经验模型,SPLab,Politecnico di Milano.,计算量过大,第四,节 推进剂,及金属粉末燃烧,铝,颗粒燃烧模型,King,模型,1,Liang-Beckstead,模型,2,一,、立论依据,类比液滴燃烧模型,1,King,Proceedings of the Combustion,Institute,2009.,2,Beckstead,2002.,56,高温高压,条件,的,适用性,考虑热辐射、对流、复杂氧化剂环境、凝聚相氧化物在铝颗粒表面的集聚,第四,节 推进剂,及金属粉末燃烧,一,、立论依据,57,第四,节 推进剂,及金属粉末燃烧,一,、立论依据,58,国防,科大张炜等,铝,颗粒燃烧,计算,模型,西北工业大学刘佩进研究,团队,凝,相燃烧产物的粒度,特性,42,所金乐骥等提出铝团聚海绵,模型,第四,节 推进剂,及金属粉末燃烧,一,、立论依据,59,第四,节 推进剂,及金属粉末燃烧,高压室,含铝药条燃烧,凝,相粒径实时测量,含铝药条燃烧高速摄影,纳米铝粉燃烧,跨学科研究计划（,MURI,）,纳米,铝颗粒的界面演化和,反应机理,的,多,尺度研究,Al,2,O,3,Molten core,Molten core,Molten core,Al,2,O,3,Al,2,O,3,O,O,Molten core,O,O,能量释放控制,争议：位置？路径？,O,Al,2,O,3,O,O,O,O,O,：反应位置，,：反应路径,第四,节 推进剂,及金属粉末燃烧,界面演化与化学反应过程,温升核心融化颗粒膨胀,界面的氧化反应,氧化层中的氧原子,环境中的氧原子,均质的氧化铝液滴,依次由外向内迁移,界面处发生剧烈反应,环境中的氧及液态铝穿越氧化层反应,与现有猜想模式的异同,Molten core,Al,2,O,3,O,：反应位置,：反应路径,氧原子的置换和迁移过程,Chu,Shi*,Liao,*,et al.,J.Phys.Chem.C,122(2018)29620-29627,第四,节 推进剂,及金属粉末燃烧,预热 融化 快速氧化 缓慢