燃燒學(xué)講義-第5章氣體燃料燃燒

由可分析：①L↓，Tqr↑②Nu（氣流速度上升，η↑，散熱增大）↑，Tqr↑③P↑（C↑）,Tqr↓④λ、E↑，Tqr↑Q↑,Tqr↓強(qiáng)燃溫度明顯高于自燃溫度，通常要達(dá)到1000℃以上。31自燃與強(qiáng)燃的對(duì)比：

自燃強(qiáng)燃條件

Q1=Q2，

T=Tqr，

過程自發(fā)整個(gè)空間，可燃混合物WC很慢→放熱→升溫→多放熱→再升溫：積蓄→達(dá)到著火強(qiáng)制，局部→整個(gè)空間，用高溫物體置于可燃混合物中，溫差→熱傳遞，邊界層內(nèi)加熱→著火溫度→著火原理上均是化學(xué)反應(yīng)急劇加速的結(jié)果外界溫度有一定限制中，需達(dá)到無要求32T0TzhQ1Q2Tqr33幾種點(diǎn)燃方式L：熱球點(diǎn)火電火花點(diǎn)火熱金屬塊點(diǎn)火輻射能點(diǎn)火電熱絲點(diǎn)火熱氣流點(diǎn)火345.2火焰?zhèn)鞑ピ诳扇蓟旌衔镏薪柚谕饧幽茉词蛊渚植恐?，而后著火部分向未著火部分輸送熱量及活性粒子，使之相繼著火燃燒，此即火焰?zhèn)鞑栴}?；鹧?zhèn)鞑ピ恚夯鹧媲颁h內(nèi)劇烈的燃燒化學(xué)反應(yīng)使其在邊界上產(chǎn)生了很大的溫度和濃度梯度，從而導(dǎo)致了強(qiáng)烈的熱質(zhì)交換。熱質(zhì)交換又引起了鄰近的混合氣的化學(xué)反應(yīng)，由此形成了化學(xué)反應(yīng)區(qū)在空間的移動(dòng)，故火焰?zhèn)鞑ナ且粋€(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。35火焰?zhèn)鞑サ男问骄徣迹ㄕ鞑ィ夯鹧驿h面以導(dǎo)熱和對(duì)流的方式下傳熱給可燃混合物引起的火焰?zhèn)鞑?，也可能有輻射（煤粉）。傳播速度較低（1~3m/s），傳播過程穩(wěn)定。爆燃：絕熱壓縮引起的火焰?zhèn)鞑?，是依靠激波的壓縮作用使未燃混合氣的溫度升高而引起化學(xué)反應(yīng)，從而使燃燒波不斷向未燃?xì)馔七M(jìn)，傳播速度大于1000m/s。36按氣流的流動(dòng)狀況也可分為層流火焰?zhèn)鞑ズ屯牧骰鹧鎮(zhèn)鞑恿骰鹧娑x：火焰鋒面在其法線方向相對(duì)于新鮮混合氣的傳播速度。靜止氣：

（火焰峰面固定在某一位置不動(dòng)）5.2.1層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿ce（正常傳播速度）37平面火焰鋒面在可燃混合物中的uce

設(shè)：①鋒面與氣流速度垂直。②w0=uce。W0鋒面uce38認(rèn)為在To至<B點(diǎn)>范圍內(nèi)wm=0，而在B點(diǎn)至Tlr內(nèi)反應(yīng)速度均為一樣的，

C：理論燃燒溫度時(shí)的可燃份濃度

能量方程：

39控制火焰?zhèn)鞑サ姆匠涛锢硪饬x：熱量在傳導(dǎo)過程中的源項(xiàng)（或者說增加項(xiàng)）是化學(xué)反應(yīng)的放熱。求解的困難：難于積分。另一個(gè)問題：怎么和火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)聯(lián)？40解決求解的困難：難于積分。在右圖中，用紅色的范圍代替藍(lán)色的范圍。用一個(gè)線性的函數(shù)，代替指數(shù)函數(shù)。紅色區(qū)域中的物質(zhì)近似遵守絕熱自燃的規(guī)律。T0TTlrBwTcrTlr-RTlr2/E41解決另一個(gè)問題：怎么和火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)聯(lián)？所有流向鋒面的氣體在B點(diǎn)之前被加熱到溫度，所需熱量為而這部分熱量就等于鋒面向新鮮燃料的導(dǎo)熱量W0=uceT0xTlrs鋒面B42從B點(diǎn)至Tlr積分∵對(duì)Tlr點(diǎn)

：氣體自T0升溫至所需熱量等于在B點(diǎn)導(dǎo)熱量

……∴

43燃盡時(shí)間：

火焰鋒面厚度δ及可燃混合物升溫預(yù)熱區(qū)厚度SS定義為在點(diǎn)做的切線，切線與T=Tlr與T=T0交點(diǎn)間距離∴

通常δ＜S，一般44影響因素：1、燃料特性：

Q↑→uce↑∴

452.

過量空氣系數(shù)：理論燃燒溫度：在α=1時(shí)最高

空氣多燃料多，

實(shí)驗(yàn)證明且小于1時(shí)，46著火濃度限（體積）H24～74.2％CO12.4～73.8％CH44.6～14.6％乙烯2.75～28.6％乙炔2.5～80％473.可燃?xì)獬鯗?/p>

4.鋒面形狀，凹，凸，→散熱多uce決定于燃料的空氣混合物的成分和物理化學(xué)性質(zhì)。48淬熄距離：距壁面數(shù)mm之內(nèi)地方，壁面溫度低，，散熱強(qiáng)烈，，造成火焰無法傳播的臨界邊界厚度的稱為淬熄距離。495.2.3湍流火焰?zhèn)鞑セ鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊臄?shù)值與變化規(guī)律都與層流狀態(tài)不一樣，（但兩者基本原理是一致的，都是靠未燃?xì)怏w和已燃?xì)怏w之間的熱質(zhì)交換所形成的化學(xué)反應(yīng)區(qū)在空間的移動(dòng)，不過此時(shí)湍流運(yùn)動(dòng)作用對(duì)燃燒過程影響很大）。50①湍流中火焰?zhèn)鞑ニ俣纫^層流時(shí)大得多，很大程度上取決于氣流的湍動(dòng)程度（層流火焰?zhèn)鞑ニ俣热Q于燃料混合物的物理化學(xué)性質(zhì)）。湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿t管內(nèi)出口射流51②湍流與層流火焰外觀很不相同層流時(shí)有一層很薄光滑整齊的外形清晰的火焰鋒面湍流火焰鋒面不斷抖動(dòng)，且火焰鋒面較厚，輪廊模糊，鋒面曲折，閃動(dòng)。uceutuce52一、湍流傳播的理論表面燃燒理論（舍謝爾金）

火焰面是層流型的，湍流脈動(dòng)在一定空間內(nèi)使燃燒面彎曲、皺折，乃至破裂，成“小島”狀的封閉小塊，這樣增大了燃燒面積，從而增大了燃燒速度。容積燃燒理論湍流燃燒速度的增加是因?yàn)樵谕牧髦袩崃亢突罨行耐牧鬓D(zhuǎn)移速度都大大高于層流中同類型的分子遷移速率，因而加速了火焰中化學(xué)反應(yīng)，從而提高了實(shí)際的法向燃燒速度。53

湍流根據(jù)其尺度大小可分為：大尺度湍流運(yùn)動(dòng)小尺度湍流運(yùn)動(dòng)2.小尺度湍流當(dāng)湍流標(biāo)尺（混合長(zhǎng)度：一個(gè)湍流旋渦其消失之前運(yùn)動(dòng)所經(jīng)過的距離?；旌祥L(zhǎng)度和旋渦本身的尺度是同一數(shù)量級(jí)的）小于層流火焰鋒面厚度時(shí)稱為小尺度湍動(dòng)。L<δ

542300<Re<6000，

∴

At：湍動(dòng)輸運(yùn)所引起的折算熱擴(kuò)散率

當(dāng)時(shí)，有（一般情況下）若流體為管內(nèi)流動(dòng)，一般認(rèn)為

553.大尺度湍流湍流標(biāo)尺L>層流火焰鋒面厚度δ，其中大標(biāo)尺湍動(dòng)又按湍流脈動(dòng)速度大小W‘分為湍流大尺度強(qiáng)湍動(dòng)（）、大尺度弱湍動(dòng)（）。56大尺度弱湍動(dòng)（L>δ，）此時(shí)，湍流遷移脈動(dòng)速度較小，尚不能沖破（）火焰鋒面，但火焰鋒面已受到扭曲（比小尺度扭曲大），火焰仍保持一個(gè)連續(xù)的但已能扭曲、皺折的鋒面，向前及向后的脈動(dòng)使鋒面凹凸不平，但在凹凸不平的整個(gè)火焰鋒面上，各處火焰都以u(píng)ce沿該點(diǎn)火焰鋒面法線方向未燃一側(cè)推進(jìn)。每單位時(shí)間燒掉的可燃混合物量可由整個(gè)火焰鋒面平均位置向前推進(jìn)計(jì)算：Ut*S0,另一方面單位時(shí)間燒掉的可燃混合物量是Uce與S之積。∴

57ucesutdhs0ss0hd=2r只要計(jì)算出凹凸不平的火焰鋒面的曲面面積S與平均火焰位置的平面面積S0之比，就能求出ut/uce58展開：

因此湍動(dòng)很弱時(shí)，則由上可得：對(duì)大尺度強(qiáng)湍動(dòng)而言（）時(shí)，如ss0hd=2r59有研究對(duì)修正，提出60影響湍流傳播速度的是uce（可燃混合物物理化學(xué)性質(zhì)，參數(shù)）以及湍流的狀態(tài)L<δ，小尺度鋒面皺折，變形不大，比層流鋒面厚，模糊。大尺度弱L>δ，W’<uce鋒面折皺，但微團(tuán)不能沖破火焰面。

L>δ，W’>uce，大尺度強(qiáng)，火焰鋒面被撕破。615.3擴(kuò)散火焰和預(yù)混火焰3.3.1火焰形式擴(kuò)散火焰：燃料和氧化劑邊混合邊燃燒，這時(shí)由于擴(kuò)散作用對(duì)燃燒起控制作用，又稱擴(kuò)散燃燒。預(yù)混火焰：燃料和氧化劑預(yù)先混合好，這時(shí)化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素對(duì)燃燒起控制作用，亦稱動(dòng)力燃燒。62舉例本生燈：燃料氣流進(jìn)入本生燈后由一噴口流出，引射部分空氣（一級(jí)空氣）預(yù)先混合。*如1級(jí)空氣閥門關(guān)死，，點(diǎn)燃2k1k燃料63*逐漸增加（煤氣+1K）流動(dòng)火焰鋒面即形成燃燒一級(jí)空氣氧燒完，再靠二級(jí)空氣來燃燒，此時(shí)有兩個(gè)火焰鋒面，內(nèi)（1空氣）·外（二級(jí)空氣）——預(yù)混火焰2k1k燃料64如，一級(jí)空氣氧已足夠此時(shí)也只有一個(gè)內(nèi)火焰鋒面，此時(shí)為全預(yù)混火焰。1k燃料65擴(kuò)散預(yù)混全預(yù)混

0

特征①只有外火焰面；②缺氧，碳黑（冒黑煙）a.燃燒不強(qiáng)烈，火焰無力，T↓；b.火焰長(zhǎng)度長(zhǎng)；c.火焰顏色是黃，發(fā)光火焰。①有內(nèi)、外火焰面；②燃燒強(qiáng)化，溫度↑火焰長(zhǎng)度短，半發(fā)光火焰，淡蘭色。只有內(nèi)火焰面T↑↑，火焰更短，不發(fā)光火焰。665.3.2火焰穩(wěn)定問題

當(dāng)或當(dāng)煤氣與一級(jí)空氣預(yù)混物流量太大，流速很高時(shí)，火焰將被吹離，后面隨之而來的煤氣空氣混合物根本不能著火，該現(xiàn)象稱為脫火（吹熄）。

當(dāng)而煤氣與1級(jí)空氣預(yù)混物流量很小，流速很低時(shí)，火焰很可能逆流而傳播進(jìn)本生燈，一直燒到本生燈里面的煤氣小噴口處，該現(xiàn)象為回火。67Wn為在法向分量：

脫火、回火的本質(zhì)在于火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c氣流速度大小的問題?；鼗?/p>

脫火回火脫火wmwnucew68本生燈的火焰穩(wěn)定機(jī)理：本生燈出口Re較小一般屬層流，火焰鋒面以傳播，可燃混合氣以W速度前進(jìn)，合成速度的結(jié)果就是形成了的圓錐面。這也稱為余弦定律?！鄔越大，φ越大，就越小，火焰瘦長(zhǎng)

wθwnucelhy69

的存在使得火焰鋒面上質(zhì)點(diǎn)沿a-b方向移動(dòng)，為使火焰穩(wěn)定，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)由a移至b時(shí)，必須有另一質(zhì)點(diǎn)補(bǔ)充上來。因此在接近火炬根部的焰鋒表面上，必須存在一固定的點(diǎn)火源（不斷點(diǎn)燃火焰根部附近的可燃?xì)怏w以補(bǔ)充被氣流帶走的質(zhì)點(diǎn)）。此即圓錐面火焰鋒面的策源，底部四周一圈環(huán)形火焰鋒面——點(diǎn)火環(huán)。點(diǎn)火環(huán)的存在是由于燃料混合物噴出本生燈后在邊緣上速度很低，有一些地方射流速度正好等于Uce，即形成了點(diǎn)火環(huán)?！ぁa70

脫火：各處均為回火：w很小，，火焰逆流傳播，而成回火uceO1234wOuceO123wO火焰穩(wěn)定OABCDuceO12345w71的大小對(duì)于火焰穩(wěn)定與否有很大影響

在略小于1時(shí)最大，但α≈1時(shí)火焰穩(wěn)定區(qū)不寬，尤其當(dāng)α>1時(shí)更窄。72α1kw0.41.01.4黃色火焰區(qū)穩(wěn)定區(qū)脫火區(qū)回火區(qū)當(dāng)

1K=0，純擴(kuò)散火焰，不可能回火，因?yàn)楣艿乐袥]有氧氣，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?。也不易脫火，因?yàn)椋S著燃料在環(huán)境中的擴(kuò)散，與氧氣混合，火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙?，而流速卻在擴(kuò)散過程中不斷下降，很容易出現(xiàn)火焰穩(wěn)定點(diǎn)?；鹧鏄O為穩(wěn)定，但化學(xué)不完全燃燒損失大。73α1kw0.41.01.4黃色火焰區(qū)穩(wěn)定區(qū)脫火區(qū)回火區(qū)

1K=0.4~0.7，穩(wěn)定區(qū)域很大，運(yùn)行較為可靠?；旌衔镏谢鹧?zhèn)鞑ニ俣群艿停蝗菀谆鼗?。與純擴(kuò)散火焰類似，隨著燃料在環(huán)境中的擴(kuò)散，與氧氣混合，火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙?，而流速卻在擴(kuò)散過程中不斷下降，很容易出現(xiàn)火焰穩(wěn)定點(diǎn)。

1K太小時(shí)，氣體中烴缺氧，發(fā)生高溫裂解，產(chǎn)生炭黑，火焰呈明亮黃色，發(fā)光火焰，黑度大，有利于爐內(nèi)傳熱。74α1kw0.41.01.4黃色火焰區(qū)穩(wěn)定區(qū)脫火區(qū)回火區(qū)

1K≥1時(shí)，既容易回火，也容易脫火，火焰很不穩(wěn)定?；鹧?zhèn)鞑ニ俣群芸欤艿纼?nèi)供氧充分，很容易回火?；旌蠚饬麟x開噴嘴以后，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩嘞陆?，雖然流速也不斷下降，但是，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊南陆蹈?，很容易脫火?5擴(kuò)散預(yù)混合全予混燃燒不強(qiáng)，燃燒強(qiáng)烈不可能回火，防止回火既可能回火

,w↓也不易脫火有，w↑存在脫火可能也可能脫火小結(jié)76典型的火焰形狀——5mm噴嘴H2:CO:NG=1:1:3

=0

=0.5

=0.6

=0.7

=0.8

=0.9

=1.0

=1.177液體燃料的火焰（例如酒精燈）燈芯酒精受熱蒸發(fā)酒精蒸汽卷吸空氣，形成部分預(yù)混火焰內(nèi)焰外焰焰心78乙醇燃料的消耗有分解和脫氫兩種途徑；可以將燃燒產(chǎn)物CO明顯產(chǎn)生的時(shí)刻做為判斷乙醇燃燒著火的始點(diǎn)。所以，乙醇的燃燒隨氧量的不同，可能有幾個(gè)鋒面出現(xiàn)。79液體燃料的火焰（例如酒精燈）正常使用的酒精燈火焰應(yīng)分為焰心、內(nèi)焰和外焰三部分。近年來的研究表明：酒精燈火焰溫度的高低順序?yàn)椋簝?nèi)焰＞外焰＞焰心。一般認(rèn)為酒精燈的外焰溫度最高，其原因是酒精蒸汽在外焰燃燒最充分；同時(shí)由于外焰與外界大氣充分接觸，燃燒時(shí)與環(huán)境的能量交換最容易，熱量散失最多，致使外焰溫度低于內(nèi)焰?！獙?shí)際上，和供氧的狀況以及整體的熱平衡有很大的關(guān)系。805.4氣體燃料燃燒時(shí)的火焰穩(wěn)定措施防止回火防止脫火穩(wěn)定火焰根本條件是保證：81一、防止回火采用喉口設(shè)計(jì)：加裝收縮段；直徑變小使用冷卻裝置：降低混合物溫度，從而降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，甚至直接淬熄火焰?/p>

防止回火w82二、防止脫火防止加穩(wěn)焰器——使用鈍體或者旋流，形成中心回流區(qū)，起到穩(wěn)定點(diǎn)火源的作用穩(wěn)焰方法：利用鈍體，旋轉(zhuǎn)射流穩(wěn)焰，利用逆向噴流穩(wěn)焰，等等。83鈍體穩(wěn)焰的第一個(gè)原理:繞流鈍體時(shí)會(huì)出現(xiàn)有回流區(qū)，回流區(qū)由于吸入大量高溫?zé)煔猓谷紵磻?yīng)物溫度升高，在區(qū)內(nèi)某處實(shí)現(xiàn)了著火條件，產(chǎn)生了穩(wěn)定的著火。二、采用鈍體后回流區(qū)穩(wěn)焰84鈍體穩(wěn)焰的第二個(gè)原理：鈍體后方，燃料與空氣混合物射流的主流區(qū)域中，存在從高速到負(fù)流速的分布區(qū)域，很容易形成的條件85三、其它穩(wěn)焰方法①小型點(diǎn)火焰

在流速較高的預(yù)混可燃主氣流附近放置一個(gè)流速較低的穩(wěn)定的小型點(diǎn)火焰（值班火焰）②反吹射流穩(wěn)定火焰反吹射流引起中心回流區(qū)，流場(chǎng)減速，且具有高溫（下游煙氣，未燃盡可燃物，反吹空氣等組成回流區(qū)）86③旋轉(zhuǎn)射流穩(wěn)焰利用強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生強(qiáng)大的高溫回流區(qū)，強(qiáng)化燃料著火，加速燃料空氣混合④穩(wěn)焰環(huán)87齒形環(huán)的工作機(jī)理88小結(jié)穩(wěn)焰方法

防止回火