5氣體燃料的燃燒解析

第五章氣體燃料的燃燒章節(jié)安排5.1氣體燃料燃燒原理及特點(diǎn)5.2預(yù)混可燃?xì)怏w的著火和燃燒5.3氣體燃料的集中燃燒5.1氣體燃料燃燒原理及特點(diǎn)氣體燃料的燃燒過程完成燃燒化學(xué)反響混合后可燃?xì)怏w混合物的加熱和著火階段燃?xì)夂涂諝獾幕旌想A段三個階段兩種類型預(yù)混燃燒集中燃燒全預(yù)混燃燒半預(yù)混燃燒預(yù)混燃燒燃燒前已與燃?xì)饣旌系目諝饬颗c該燃?xì)馊紵睦碚摽諝饬恐?，稱為一次空氣系數(shù)，當(dāng)一次空氣系數(shù)大于0而小于1時，稱為半預(yù)混燃燒；當(dāng)一次空氣系數(shù)大于或等于1時，稱為全預(yù)混燃燒5.2預(yù)混可燃?xì)怏w的著火和燃燒預(yù)混可燃?xì)怏w的燃燒過程有兩個根本階段著火階段燃燒的預(yù)備階段，主要是積存熱量和活化分子著火后的燃燒階段預(yù)混可燃?xì)獾闹鸱椒ㄖ鸱椒ㄗ匀键c(diǎn)燃由于外界能量的參加，而使預(yù)混可燃?xì)怏w的化學(xué)反響速度急劇加快所引起的著火由于自身溫度的上升而導(dǎo)致化學(xué)反響速度自行加速所引起的著火爆炸式化學(xué)反響反響機(jī)理熱爆燃鏈鎖爆燃由于鏈鎖反響的分支使活化中心快速增加，導(dǎo)致化學(xué)反響速度急劇增大系統(tǒng)內(nèi)熱量的積聚，使溫度上升，引起化學(xué)反響速度按阿累尼烏斯指數(shù)規(guī)律快速增加熱自燃鏈鎖自燃熱自燃理論又稱謝苗諾夫熱著火理論某一反響體系在初始條件下，進(jìn)展緩慢的氧化復(fù)原反響，反響產(chǎn)生熱量，同時向環(huán)境散熱，當(dāng)產(chǎn)生的熱量大于散熱時，體系的溫度上升，化學(xué)反響速度加快，產(chǎn)生更多的熱量，反響體系的溫度進(jìn)一步上升，直至著火燃燒。根本思想即自熱體系著火成功與否取決于其放熱因素和散熱因素的相互關(guān)系。發(fā)生熱自燃時的溫度稱為熱自燃溫度或著火溫度。爭論對象：預(yù)混可燃?xì)怏w，閉口系簡化假設(shè):①體積為V,外表積為S,壁溫=T0②混合氣初始溫度為T0③容器對環(huán)境的總換熱系數(shù)α不變④著火前容器內(nèi)可燃物濃度均勻不變放熱速率散熱速率Q1TQT01T02ABC轉(zhuǎn)變散熱條件時轉(zhuǎn)變初始溫度時Q1Q2轉(zhuǎn)變發(fā)熱曲線時Q1Q2熱自燃條件系統(tǒng)發(fā)生熱自燃的條件是Q1>=Q2。當(dāng)發(fā)熱曲線與散熱曲線只有一個切點(diǎn)時，此切點(diǎn)稱為著火點(diǎn)，其對應(yīng)的溫度即為著火溫度著火溫度是不是物性參數(shù)？著火溫度的計算熱自燃理論的應(yīng)用著火感應(yīng)期

著火極限：濃度極限、壓力極限、溫度極限

爆炸極限爆炸濃度極限，如：甲烷/空氣：5～15%爆炸壓力極限，如：甲烷/空氣：小于0.065MPa，不爆炸爆炸溫度極限，如：甲烷/空氣：小于690℃，不爆炸熱自燃的感應(yīng)期定義預(yù)混可燃?xì)怏w從初始溫度加熱到著火溫度所需的時間全部的著火過程都有感應(yīng)期，長短不一，與溫度和氣體成分有關(guān)提高預(yù)混氣體的溫度和壓力，或提高燃?xì)鉂舛?，感?yīng)期可縮短著火極限在自燃臨界狀態(tài)：〔1〕〔2〕兩式相除有帶入〔1〕得兩邊取對數(shù)、整理，得：設(shè)反響物總摩爾濃度為C，即C＝CA＋CBxA為燃料的摩爾分?jǐn)?shù)，xB為空氣〔氧〕摩爾分?jǐn)?shù)謝苗諾夫方程依據(jù)此方程，假設(shè)α、S,V、E、Q、K0，n=2，可以將上式簡化為：著火界限反響級數(shù)為2時的簡化謝苗諾夫方程壓力與溫度的關(guān)系〔濃度不變〕依據(jù)熱自燃理論，在肯定濃度下，著火溫度與系統(tǒng)的壓力成反比非著火區(qū)著火區(qū)PcTc肯定壓力下的著火極限Tc100%xAx1x2著火PC=const存在著火的濃度極限溫度上升，濃度極限范圍增大，反之減小。溫度下降至某一值，系統(tǒng)失去爆炸性——存在著火的溫度極限肯定溫度下的著火極限存在著火的濃度極限壓力上升，濃度極限范圍增大，反之減小。壓力下降至某一值，系統(tǒng)失去爆炸性——存在著火的壓力極限Pc100%xAPcx1x2T0=const鏈鎖自燃理論烴類氣體燃燒的“冷焰”現(xiàn)象鹵代烷的高效滅火性能氫/氧體系的著火“半島”熱自燃理論無法解釋的現(xiàn)象鏈鎖自燃理論的根本思想在氧化反響體系中，使反響加速不肯定要靠熱量的積存，也可以通過分支的鏈鎖反響，快速增加活化中心〔自由基〕濃度，來促使反響不斷加速直至著火爆炸鏈鎖自燃理論的根本動身點(diǎn)：鏈鎖反響體系著火與否取決于該體系自由基的生成速度和銷毀速度之間的關(guān)系。〔1〕溫度不變，降低壓力自由基器壁消毀速度加快,當(dāng)壓力下降到某一數(shù)值后，銷毀速度等于生成速度，即到達(dá)了自燃的第一極限〔2〕溫度不變，上升壓力自由基氣相消毀速度加快,當(dāng)壓力上升到某一數(shù)值后，銷毀速度等于生成速度，到達(dá)了其次極限〔3〕溫度不變，壓力再上升反響放熱越來越顯著，放熱大于散熱，熱量積存而使反響自動加速引發(fā)熱自燃點(diǎn)燃理論第一，強(qiáng)制著火僅僅在混合氣局部〔點(diǎn)火源四周〕中進(jìn)展，而自燃著火則在整個混氣空間進(jìn)展。其次，自燃著火是全部混合氣體都處于環(huán)境溫度T0包圍下，由于反響自動加速，使全部可燃混合氣體的溫度逐步提高到自燃溫度而引起。強(qiáng)制著火時，混合氣處于較低的溫度狀態(tài)，為了保證火焰能在較冷的混合氣體中傳播，點(diǎn)火溫度一般要比自燃溫度高第三，可燃混合氣能否被點(diǎn)燃，不僅取決于炎熱物體附面層內(nèi)局部混合氣能否著火，而且還取決于火焰能否在混合氣中自行傳播點(diǎn)燃與自燃的主要區(qū)分點(diǎn)燃過程可燃混合物的點(diǎn)火濃度界限點(diǎn)火濃度界限在工業(yè)上比較常用，與著火濃度界限相近預(yù)混可燃?xì)怏w的燃燒預(yù)混可燃?xì)怏w的燃燒過程就是火焰的傳播過程當(dāng)可燃混合氣的某一局部點(diǎn)燃著火時，將形成一個薄層火焰面，火焰面產(chǎn)生的熱量加熱鄰近層的混合氣，使其溫度上升至著火溫度而發(fā)生燃燒。這樣一層一層地著火燃燒，把燃燒擴(kuò)展到整個混合氣，稱為火焰?zhèn)鞑ト紵瘜W(xué)反響只在一個薄層火焰面內(nèi)進(jìn)展，火焰將已燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w分隔開來，并非在整個混合氣內(nèi)同時進(jìn)展依據(jù)流淌狀況，預(yù)混燃燒可以分為層流燃燒和湍流燃燒兩種一、層流燃燒正在進(jìn)展劇烈發(fā)光反響的氣體薄層火焰前鋒層流流淌下火焰前鋒的傳播速度〔沿法線方向〕稱為“正常傳播速度”或“層流傳播速度”焰鋒構(gòu)造正錐形火焰前鋒球面火焰前鋒拋物線形火焰前鋒倒錐形火焰前鋒層流火焰?zhèn)鞑ダ碚摕崃碚摷欣碚摶鹧嬷谢瘜W(xué)反響主要是由于熱量的導(dǎo)入使分子熱活化而引起的，所以火焰前沿的反響區(qū)在空間中的移動打算于從反響區(qū)向新穎預(yù)混可燃?xì)怏w傳熱的傳導(dǎo)率火焰中的化學(xué)反響主要是由活化中心向新穎預(yù)混可燃?xì)怏w集中，促使其鏈鎖反響進(jìn)展所致熱力理論不否認(rèn)火焰中有活化中心存在和集中，但認(rèn)為活化中心的集中對反響速度的影響不是主要的。熱力理論與實(shí)際較為接近層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣扰c預(yù)混可燃?xì)怏w的熱集中系數(shù)a的平方根成正比，與平均化學(xué)反響時間t的平方根成反比火焰前鋒面厚度d與火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸煞幢葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩乜扇細(xì)怏w混合物的性質(zhì)燃料分子的構(gòu)造過量空氣系數(shù)可燃混合氣的壓力mm層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩乜扇蓟旌蠚獾某跏紲囟然旌蠚庵械亩栊詺怏w多組分燃?xì)饣旌衔颯L計算例題煤氣中各成分體積組成又知其中各可燃?xì)怏w組分在25mm管中的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣群拖鄳?yīng)燃?xì)鉂舛惹竺簹庠?5mm管中的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣菻2COCH4C2H4CO2O2N238.7510.9123.865.718.780.31.7H2COCH4C2H4SLi(m/s)4.831.250.671.42li(%)38.59.845.07.1煤氣中可燃成分的組成為100-〔18.78+0.3+1.7〕=79.22〔%〕不考慮不行燃?xì)怏w的可燃?xì)饨M成含量為H2:38.75/79.22=48.91(%)CH4:30.12(%)CO:13.77(%)C2H4:7.20(%)因此燃?xì)獾淖畲蠡鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葹榭紤]不行燃的惰性氣體后的實(shí)際火焰?zhèn)鞑ニ俣葹槎?、湍流燃燒火焰長度縮短，焰鋒變寬，并有明顯的噪聲，焰鋒不再是光滑的外表，而是抖動的粗糙外表，火焰?zhèn)鞑タ?。湍流火焰：火焰鋒面光滑，焰鋒厚度很薄，火焰?zhèn)鞑ニ俣刃?。層流火焰：紊流火焰紊流火焰的特點(diǎn)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣容^層流大幾倍，不僅與燃料的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且與湍流性質(zhì)有關(guān)，湍流強(qiáng)度增大，將使湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾樱鹧娓?。燃燒室尺寸更緊湊，加上向外散熱損失小，因此燃燒設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性好。湍流火焰伴隨著噪音〔1〕湍流流淌使火焰變形，火焰外表積增加，因而增大了反響區(qū)；〔2〕湍流加速了熱量和活性中心的傳輸，使反響速率增加，即燃燒速率增加；〔3〕湍流加快了新穎氧氣和燃?xì)庵g的混合，縮短了混合時間，提高了燃燒速度。為什么紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?？湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚摪櫿弁獗砣紵碚撊莘e燃燒理論湍流的脈動作用使火焰前沿面發(fā)生彎曲和皺折，顯著地增大了已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w相接觸的焰鋒外表積，使反響速度加快，從而使火焰?zhèn)鞑ニ俣萐T增大；同時由于湍流作用使得熱傳導(dǎo)速度及活性物質(zhì)集中速度加快，也促使ST增大；湍流的脈動使燃?xì)馀c燃燒產(chǎn)物快速混合，使火焰本質(zhì)上成為均勻可燃混合物湍流火焰?zhèn)鞑トN湍流火焰：容積燃燒理論湍流對燃燒的影響以集中為主，由于集中快速，不存在將未燃可燃物和已燃?xì)怏w分開的火焰面；每個湍動的氣團(tuán)內(nèi)，溫度和濃度是均勻的，但不同氣團(tuán)的溫度和濃度是不同的；在整個微團(tuán)內(nèi)存在著快慢不同的燃燒反響，到達(dá)著火的微團(tuán)整體燃燒，未到達(dá)著火條件的微團(tuán)在脈動中被加熱并到達(dá)著火燃燒；火焰不是連續(xù)的薄層，但處處都有；各氣團(tuán)間相互滲透混合，不時形成新微團(tuán)，進(jìn)展不同程度的容積化學(xué)反響湍流火焰?zhèn)鞑ネ牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊脑囼?yàn)爭論可燃混合物濃度的影響：與層流相像，存在前沿傳播的濃度界限和最大傳播速度Re的影響：Re越大，最大傳播速度越大。氣流速度增加，最大傳播速度顯著增加可燃混合物的初始溫度：初始溫度越高，傳播速度越大改善實(shí)際燃燒性能的方法使用層流燃燒傳播速度大的可燃預(yù)混氣提高紊流強(qiáng)度提高混合氣體的壓力和溫度均相預(yù)混氣體火焰的穩(wěn)定火焰穩(wěn)定的