1、第三章 燃烧基本原理,要求：掌握射流混合过程；燃烧反应速度和反应机理；理解着火过程，燃烧传播过程的影响因素。 重点：射流混合过程；燃烧反应速度和反应机理,燃烧过程：在燃烧技术中，把从混合到燃烧反应的整个过程称为燃烧过程。 燃烧过程所需要的时间：=混+热+化 混合所需要的时间混即可燃分子与氧化剂分子按一定浓度相混合（扩散）达到分子间接触的时间； 热混合后的可燃混合物，为达到开始反应的温 度所需的加热时间； 化完成化学反应所需要的时间。,燃烧过程分类依据各阶段的时间在总时间中所占 比例不同，燃烧过程可分为： 动力燃烧：混热+化 燃烧过程进行的速度主要受可燃物的加热和化学反应速度的限制。 扩散燃烧：
2、 混热+化 ，燃烧过程进行的速度主要受混合速度的限制。 中间燃烧：介于上述二者之间的燃烧过程。,按燃烧室中气体的流动性质或参加反应的物质的物态来分： 层流燃烧：燃烧室中煤气、空气和火焰都是以层流流动。 紊流燃烧：火焰气体为紊流流动。 介于二者之间的燃烧的过度性质的燃烧。,按参加反应的物质的物态： 同相燃烧：燃料和氧化剂的形态相同。 异相燃烧：燃料和氧化剂的形态不同。,射流分类,根据射流喷嘴：,平面射流与圆形射流,根据射流结构：,直流射流与旋转射流 平行射流与相交射流 环形射流与同轴射流,根据射流环境：,自由射流与受限射流,根据射流流动：,层流射流与湍流射流,3-1 射流混合过程,静止气体中的自
3、由射流（煤气喷射到大气中的燃烧）沿射流的的前进方向可将射流分为初始段，过 渡段和自模段。 射流的初始段：核内各截面上的速度，浓度和温 度仍保持喷口截面上的u0，C0，T0； 射流的过渡段：势流核心逐渐缩小至消失，射流 沿程各截面上的速度不断变化，成相似速度分布。,射流的自模段：射流的充分扩展区，射流各段面 上的轴向速度呈正态相似分布。从燃烧学角度来讲,射流核心相当于火焰的黑 根，它的长度与喷口形状,喷嘴出口速度分布及 紊流强度等因素有关。 Beer：xp=(45)d0，xT=10d0 ceMNHkN： xp=(56)d0,射流轴向速度、轴心浓度的衰减规律及径向分布 规律,射流轴向速度的沿程衰减
4、规律,射流轴向浓度的沿程衰减规律,在射流的充分发展区，轴向流速的径向分布具有相似性,在射流的充分发展区，浓度的径向分布,自由射流对周围气体的卷吸率,自由射流对周围气体的卷吸能力（卷吸率）：,射流向前运动时，由于横向的速度脉动及粘性，与周围介质产生动量交换，带动周围介质运动，使射流的质量沿流向逐渐增加，这种现象称为射流的吸卷或引射。,Ricou,Spalding公式为,Hegge,Zijnen公式为,当气体的密度与出流空间的气体密度（0=s）相等时，根据实测证明，射流流量与轴向距离成正比。,当气体的密度与出流空间的气体密度（0=s) 应 用Thring提出的当量直径de代替喷口直径d0，即认为
5、直径de喷出的是密度s的气体，但喷出速度和动量 仍保持原有数值u0和G0，根据动量相等的概念：,将当量直径代入卷吸率公式，得到非等温射流的卷吸率为：,同向平行流中的自由射流当射流出流于同向平行气流中时，射流的扩展，轴 心速度的衰减，势流的长度等，都和射流与外围气流 之间的速度梯度有关。速度梯度越小，射流扩展及轴 心速度衰减就越慢，势流的长度也越大，当外围流的 速度与射流本身的流速相等时，势流核心将贯穿整个 流场。轴向速度的分布公式:,如图所示为平行射流中轴向速度的衰减情况。表示外围流速与射流初速之比。当流速=0，2.13 时，势流核心最小，速度衰减最快，这就说明混合比较强烈。当=0 2.13，
6、势流核心越来越大，射流轴心速度衰减变慢。 Forstall和Shapiro曾对这种射流进行了实验研究，并提出了下列经验公式：,势流长度：,势流充分发展区轴心速度的衰减：,射流的扩展规律：,截面速度分布：,当射流与外围流的密度不同时，射流特性不仅与流速比有关，而且也和密度比有关，并且是sus / 0u0的函数。通过密度差对射流特性的影响的实验研究发现，当射流的密度小于外围流的密度时，射流的衰减速度会变快。 交叉射流以某一角度与主流相交叉的射流叫做交叉射流。在向火焰中喷射二次助燃空气或稀释空气（高速等温烧嘴）时，经常采用交叉射流。在计算燃烧装置时，必须掌握交叉射流的走向，它在主流中的穿透深度、以及
7、它和主流的混合情况。,交叉射流,其它形式的射流,环状射流,同轴射流,旋转射流,旋转射流旋流数,S0.6为强旋流,S0.6为弱旋流,受限射流,3-2 燃烧反应速度及机理,化学动力学是研究化学反应机理和化学反应速率及其影响因素的一门科学,化学动力学与化学热力学有什么不同？,燃烧现象的本质是化学反应,单相反应:在一个系统内各个组成物质都是同一物态，如都是气态或液态，则此系统为单相系统，在此系统内进行的化学反应为单相反应。,掌握化学动力学基础，是弄清燃烧速率及其影响因素以及掌握燃烧污染物形成机理的前提,化学反应速率,一、化学反应速率的概念,单位时间内，反应物（或生成物）浓度的变化量。,定义：,例：,其
8、反应速率可以表示为：,浓度及其表示： 浓度：单位体积中所含某物质的量。 分子浓度： 摩尔浓度： 质量浓度： 摩尔相对浓度： 质量相对浓度：,根据定比定律，化学反应速率与计量系数之间有如下关系：,反应速率可以用任一反应物或生成物的浓度变化确定不同反应物或生成物确定的反应速率可能是不相同的但它们是相互关联的，都表示同一个反应的速度,二、化学反应的分类,化学反应是具有不同原子结构的物质重新组合的过程。人们把那种能代表反应机理的、由反应微粒（分子、原子、离子或自由基等）一步直接实现的变化称为“基元步骤”。,由反应物经一步反应直接生成产物的反应,反应不是经过简单的一步就完成，而是要通过生成中间产物的许多
9、反应步骤来完成，其中每一步反应称为基元反应,按反应机理的复杂程度不同，通常把反应分成两大类：,三、质量作用定律,实验证明，在一定温度下，通常基元反应的反应速率是反应物浓度的函数，即：W=f ( C )。,反应速度方程式,简单反应或复杂反应的基元反应，其反应速率与各反应物浓度以其化学计量系数为指数幂的乘积成正比。,质量作用定律指出：,通式：,四、化学反应级数n和反应分子数,化学反应级数是指化学反应速率与浓度呈多少次方的关系，就称为几级反应，它是浓度影响反应速率大小与快慢的反映。,零级反应 一级反应 二级反应 三级反应,简单反应：,对于简单反应或基元反应，反应级数等于反应的分子数,反应级数与反应分
10、子数是两个完全不同的概念，反应分子数概念只能用于一个基元反应，反应级数则是实验测定浓度对反应速度的影响的总结果反应分子数的概念是用来解释反应机理的，而反应级数则是用以区分各种实验测定的反应速度方程式的类型简单反应的级数常常与反应式中作用物的分子数相同反应级数可以不是整数，如一般碳氢燃料与氧的反应是1.5级反应,测定的反应速度方程：,例：,实际反应：,三级反应，但不是三分子反应,阿累尼乌斯定律,一、温度对反应速率常数的影响,反应速率随温度变化关系,温度对反应速率的影响，集中反应在反应速率常数K上。在大量实验的基础上，阿累尼乌斯于1889年提出（a）型反应速率常数K与反应温度T之间的关系为：,式中
11、为K0频率因子，Ea为活化能，R为气体常数,阿累尼乌斯定律反应了温度对反应速率的影响阿累尼乌斯定律是实验得出的结果并不是所有的化学反应都符合阿累尼乌斯定律,符合阿累尼乌斯定律的反应速率常数与温度的关系,二、分子碰撞理论,分子之间需要通过碰撞才能引起化学反应单位时间内碰撞次数越多，反应速率越快不是所有的碰撞都会发生反应发生反应所需的临界能量叫活化能,论述：,活化能越小，物质的化合能力越强能量大于活化能的分子为活化分子活化分子间的碰撞可以发生反应,反应速率：,对于气相反应：,由分子碰撞理论可以推出：,三、可逆反应与化学平衡,可逆反应：,化学方程式：,总的反应速率：,化学平衡：,化学平衡是动态平衡，
12、反应物与产物的浓度均不变，但反应没有停止 。,化学平衡常数：,温度对化学平衡常数的影响：,Q为反应热，放热反应为正，吸热反应为负,分解复合反应的活化能,影响反应速率的因素,一、反应物质的性质对反应速率的影响,饱和分子的活化能比较大，根与离子的反应活化能趋于0,二、温度对反应速率的影响,温度升高，分子运动速度加快，碰撞能量超过活化能的部分增大，反应速度加快。,三、压力对反应速率的影响,一级反应：,二级反应：,若以相对浓度计算反应速率：,四、反应物质成分的影响,双分子反应,链锁反应,现象,1、 2、低温时磷、乙醚的蒸气氧化出现冷焰 3、,定义与特性,链锁反应物定义：一种在反应历程中含有被称为链载体
13、的低浓度活性中间产物的反应，这种链载体参加到反应的循环中，并且它在每次循环之后都重新生成，这种反应称为链锁反应，也称为链反应。,链载体：自由原子或自由基等,链锁反应的特点： 不论用什么方法，只要使反应一旦开始，它便能相继产生一系列的连续反应，使反应不断发展。 在这些反映过程中始终包括有自由原子或自由基（链载体），只要链载体不消失，反应就一定能进行下去。,过程与分类,链锁反应的三个基本步骤： 链的引发（形成） 链的增长（发展） 链的中断（终止） 链锁反应分两大类： 不分枝链锁反应（直链反应） 分枝链锁反应（支链反应）,链的形成：,由反应物分子生成最初链载体的过程。此过程一般藉光化作用、高能电磁辐
14、射或微量活性物质的引入等。,链的增长：,活性中间产物与原物质作用产生新的活性中间产物的过程。链的增长可以是直线、不分枝式，也可以是分枝式，即：,不分枝链锁反应 分枝链锁反应,链的中断：,活性中间产物消失或失去活性的过程。,1、两个自由原子（活性中心）碰撞后组成一个正常分子 2、自由原子与分子碰撞后失去能量 3、自由原子与器壁碰撞后失去能量,一、不分枝链锁反应,氢与氯在光的作用下合成氯化氢：,链的形成,链的增长,反应2比反应1快得多，Cl的浓度可看成不变,链的中断,不分枝链锁反应的反应速度在等温条件下随时间变化有两种可能：,1、如果反应在初始时活性中间产物的浓度已达到离解平衡的数值（最大值），则
15、反应速度将随着反应物质的浓度下降而减小。 2、如果反应在初始时活性中间产物的浓度未达到平衡的最大值，则反应速度起初较小，而后随着活性中间产物增多而加快，一直到浓度为平衡数值时，然后随着反应物的消耗而减小。,二、分枝链锁反应爆炸反应,氢的氧化反应：,链的形成,链的增长,总的效果：,链的中断,分枝链锁反应的特点：,1、反应随着时间进展显著地自行加速。 2、有感应期存在。,从开始反应到反应显著加速的这段时间,可燃气体的燃烧反应机理,氢的燃烧反应机理,链的产生：,链的继续及支化：,器壁断链：,空间断链：,氢的反应速度,一氧化碳的燃烧反应机理,链的产生：,链的继续：,断链：,链的支化：,CO的反应速度,
16、适用条件: mO20.05,mH2O=2.02.7%,PK0=(1.12.5)*109,一定水的浓度有利于CO的燃烧反应，据有关资料介绍，水分的最佳含量为79%。,甲烷的燃烧反应机理,链的产生,链的继续,退化分支,链的继续,第九章着火过程,研究着火与熄火的意义：,从无化学反应向稳定强烈的放热反应的过渡过程。,熄火,从稳定强烈的放热反应向无化学反应的过渡过程。,着火,迅速、可靠地点火稳定的燃烧防火、防爆,点燃（强迫着火）：,链锁（化学）自燃：,不需要外界加热，在常温条件下依靠自身的化学反应发生的着火过程。,热自燃：,着火方式,将燃料和氧化剂混合物迅速而均匀地加热，当混合物被加热到某一温度出现火焰
17、。,用电火花、电弧、热板等高温源使混合气局部受到强烈地加热而先着火，然后火焰传播到整个空间。,着火方式的区别与联系,链锁自燃与热自燃均为整个空间的着火过程，链锁自燃基于链锁反应机理，热自燃基于热活化机理，但前者也有热的作用，后者也有活性中间产物的作用。热自燃与点燃的区别在于整体加热与局部加热，着火机理均基于热活化。,影响着火与熄火的因素,化学动力学因素：燃料性质、混气成分、环境温度 流体力学因素：气流速度、燃烧室结构尺寸,第一节 着火过程和着火温度,一、着火条件,在一定的初始条件（闭口系统）或边界条件（开口系统）下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统在某个瞬间或空间的某部分达到高温反应态（即燃
18、烧态），那么实现这个过渡的初始条件或边界条件为“着火条件”。着火条件不是一个简单的初温条件，而是化学动力参数和流体力学参数的综合函数。,闭口系统：,开口系统：,利于着火的因素：反应放热（放热量与放热速率） 不利于着火的因素：散热,着火、熄火的本质：,着火、熄火就是反应放热因素与散热因素相互作用的结果。如果在某一系统中反应放热占优势，则着火容易发生（或熄火不易发生），反之，则着火不易，熄火容易。,非稳态分析法,着火、熄火条件的分析方法：,着火是一个非稳态过程，考察过程随时间变化，确定着火条件,二、非稳态分析法,分析对象：闭口系统 分析理论：热自燃理论,热自燃理论：,基本思想：,反应放热曲线与系统
19、向环境散热曲线相切。,当反应系统与周围介质间热平衡被破坏时就发生着火。,着火临界条件：,分析模型：,在密闭容器中储存着具有一定初始温度的可燃混合气，在进行化学反应的同时，也通过容器向外界散热。,结果是在容器内形成了温度梯度和浓度梯度，即在容器中心，混气的温度较高、浓度较低；在器壁附近，混气的浓度较高、温度较低。,计算单位容积内的放热速率,温度分布浓度分布,导热微分方程扩散微分方程,谢苗诺夫提出了一种简化的热理论，他认为容器内混气的温度和浓度是均匀的，它们只随时间变化。,谢苗诺夫的可燃气体混合物的热力着火理论,前提条件：体积为V、浓度为c、容器壁温 为T0、反应速度为w,假设条件：1）各处浓度和
20、温度都相同；2）反应速率都相同；3）容器壁温和环境温度不变；4）着火附近，可燃气体浓度改变保持不变。,热力着火理论,化学反应释放的热量:,由容器传递给周围环境的热量:,着火临界点：,C点：非稳定点，两种发展方向，对热自燃而言不可能出现的工况。,A点：稳定点，对应于一个反应速率很小的缓慢氧化工况。,B点：临界工况。,(1)散热强度对着火的影响:,(2)不同壁温对着火的影响,(3)不同压力对着火的影响,对流换热系数的影响(散热）：,二、着火温度：,若：E167200 kJ / kmol, T0=1000K, 则：,煤、煤粉气流和气体燃料的着火温度 挥发分大的烟煤，活化能小，反应能力强，着火温度低，
21、即使周围散热条件较强，也容易稳定着火； 挥发分很低的无烟煤，活化能大，反应能力低，着火温度最高，需要减小周围散热，维持高温状态，才能稳定着火。,各种煤的着火温度,煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度,液体燃料和气体燃料的着火温度,第二节点火过程,热自燃与点燃的区别：,热自燃与点燃的本质没有差别，但在着火方式上有较大的区别：热自燃：整个混合气的温度较高，反应和着火是在容器的整个空间进行的。点燃：混合气的温度较低，混合气的部分气体受到高温点火源的加热而反应，而在混合气的大部分空间中其化学反应为零，其着火是在局部地区首先发生，然后向空间传播。,常见的点燃方式：,炽热固壁点火、火焰点火、电火花点等,点火过程原
22、理图,图9-5,一、热平板点燃理论,惰性混气流过炽热平板,燃料与氧化剂的均匀混气流过炽热平板,热平板点燃临界条件：温度梯度等于零。,若xiL，则点火成功； 若xiL，则点火失败。,利用分区近似方法求解：,由这个距离开始，壁面附近的气体不再接受热板表面所给予的热量，反应将依靠气体自身的放热效应自动加速至着火,二、电火花点火,电火花点火的两个阶段,电火花加热预混气使混合气局部着火，形成初始的火焰中心初始的火焰中心向未着火的混合气传播,点火成功：1）初始的火焰中心形成；2）出现稳定的火焰传播 初始火焰中心的形成取决于：电极间隙距离、间隙内的混气比、压力、初温、流动状况、混气性质及火花能量。 稳定火焰
23、传播取决于：传播区混气压力、温度、初温、混合比及流动状况等,三、热射流点火,高温射流：d0、Tm、u0 周围环境为预混气：T、u,外边界01：T、YF, 内边界02：Tm、YF=0,xi为着火距离， xp为射流核心区长度,第三节着火浓度界限,无论是自燃着火还是强制点火，着火条件都与可燃物的浓度有关，而浓度又取决于体系的压力和可燃混合物的成分。因此，除了温度外，着火只能在一定压力和成分条件下进行。（热自然理论）,p,非着火区,着火区,T,热自燃的浓度界限：,可燃物质的混合气体的浓度界限,点火浓度界限还与惰性气体的含量有关加入任何惰性气体都会使浓度界限变窄,特别是上限降低。 浓度界限还与可燃混合物
24、的初始温度有关。高温状态时，浓度界限变宽，P102图9-9,连锁分枝反应燃烧半岛燃烧反应属于连锁反应，比简单的热自燃理论要复杂的多。,点火浓度界限影响因素,惰性气体含量 初始温度 燃料物性 温度 压力,第四节 燃烧室中的的着火和熄火,一、均相可燃混合物着火燃烧的的热量平衡,简化模型：假定燃烧室为绝热的，着火过程和燃烧过程也为绝热过程。燃烧室内的温度、浓度、压力等参数的平均值与出口参数相同，即零维模型。,1 2,T0，C0,T，C,无因次浓度完全燃烧系数：,无因次温度：,无因次时间：,放热：,发热曲线,吸热：,散热曲线,稳定工况的燃烧室中：,二、稳定状态和临界条件,燃烧室内着火和熄火的稳定条件：
25、,影响燃烧的因素 混合物的预热温度 燃料的发热量 燃烧产物在燃烧室内的逗留时间 高温燃烧产物的循环倍数,热力着火过程曲线,三、扩散燃烧的稳定状态 在扩散燃烧中，燃烧速度不取决于化学反应速度，而取决于物质的扩散速度； 扩散燃烧时，燃烧完全系数与温度无关，而取决于逗留时间与扩散时间的比值； 纯扩散燃烧时，总存在一稳定点，而不存在临界点； 扩散燃烧，燃烧完全程度去决于混合过程，即混合越均匀，燃烧便越完全，与温度无关。,第十章 燃烧传播过程,层流火焰传播 一、火焰传播的概念,火焰波（燃烧波）：在充满均匀的可燃混气的容器中心用电火花点燃时，火焰像波一样从中心向四周传播，称为火焰波或燃烧波。,火焰传播速度
26、：火焰前锋沿其法线方向朝新鲜混气传播的速度。用 ul 表示。,火焰前锋：未燃气体和已燃气体的分界面即为火焰锋面，亦称火焰前沿（前锋）。 常压条件下火焰前锋的厚度：10-210-1mm,二、火焰传播形式 1正常的火焰传播（缓慢燃烧）正常的火焰传播是指可燃物在某一局部区域着火后，火焰从这个区域向前移动，逐步传播和扩散出去，这种现象就称为火焰传播。正常的火焰传播过程中，火焰传播速度比较缓慢，约为 13m/s，燃烧室内压力保持不变。炉内煤粉气流正常燃烧的火焰传播就属于正常的火焰传播。 2反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧炉膛内火焰传播为湍流火焰 ，火焰传播速度很 快。出现爆炸性燃烧时，火焰传播速度极快，
27、达 1000 -3000m/s，温度极高，达 6000；压力极大，达 2026500Pa ( 20.67 )大气压)。爆燃是由于可燃物以极高的速度反应，以至于反应放热来不及散失，因而使温度迅速升高，压力急剧增大。而压力的急剧增大是由于高温烟气的比容比未燃烧的可燃混合物的比容大得,火焰传播的基本方式 火焰正常传播与爆燃,火焰的传播: 速度很小且传播速度不变的燃烧; 爆炸波的传播; 具有性质稳定的爆燃;,稳定的火焰传播: 正常火焰传播; 爆燃.,多，高温烟气膨胀产生的压力波，使未燃混合物绝热压缩，火焰传播速度迅速提高，以致产生爆炸性燃烧。 3正常燃烧向爆炸性燃烧的转变(爆燃)当火焰正常燃烧时，有时
28、会发生响声。此时，如果绝热压缩很弱，不会引起爆炸性燃烧。但当未燃混合物数量增多时，绝热压缩将逐渐增强，缓慢的火焰传播过程就可能自动加速，转变为爆炸性燃烧。 不同燃料的火焰传播速度可燃混合物着火时的火焰传播速度即为着火速度。对于不同的燃料，火焰传播速度的差异很大。气体燃料和液体燃料的火焰传播速度远远大于煤粉气流的火焰传播速度。就煤粉气流本身而言，火焰传播速度的差别也很大。例如，燃用烟煤时的火焰传播速度比贫煤、无烟煤的火焰传播速度要大。因此，烟煤着火后，燃烧比较稳定。,热力爆燃:,着火过程，主要依靠热能的不断积累而 自行升温，最终导致剧烈反应。,链爆燃：,着火过程，主要依靠链分支不断积累活 化分子
29、而导致剧烈反应。,链热力爆燃：,既有升温而使可燃混合物反应加速，也 有分支链反应的加强而使可燃混合物反应加 速.,特征：,1、不是在整个可燃混合物中进行； 2、 集中在火焰面内逐层传递。,三、火焰传播分类：（流体状态分） 1. 层流火焰传播 2. 紊流火焰传播 四、火焰与气流方向 1.uw 回火 2.uw 脱火 3.u=w 稳定,层流火焰的内部结构及其传播机理,将火焰锋面可分为两部分：,反应区RR,预热区PP,设：u0 = ul，则火焰锋面驻定。,第二节 正常传播速度,层流火焰传播的机理有三种理论：,热理论：认为控制火焰传播的主要机理为从反应区到未燃区域的热传导,扩散理论：认为来自反应区的链载
30、体的逆向扩散是控制层流火焰传播的主要因素,综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传播可能有同等重要的影响,定义：燃烧前沿在其法线方向上向新鲜混合气传播的速度 燃烧前沿结构：预热区和化学反应区 层流火焰传播速度： （一） 假设条件： 1. 一维流动； 2. 忽略辐射传热； 3. 火焰对管壁没有给热； 4. 化学反应只在高温区进行。,层流火焰传播速度,利用热量平衡求层流传播速度,1.化学反应热 2.单元下流向单元传入热 3.单元上流向单元传出热 4.单元温度升高消耗热量 P110-111 层流传播速度:,影响火焰正常传播速度的主要因素,过剩空气系数 燃料化学结构 添加剂 初始温度,火焰温度
31、压力 惰性物质含量 热扩散率和比压热容,结论：层流火焰传播速度是可燃混合气物化常数,压力的影响：,一般碳氢燃料燃烧过程的反应级数1.52，因此：,即压力对火焰传播速度的影响较小,(v =00.25),压力下降，火焰厚度增加。当压力降到很低时，可以使增大到几十毫米。火焰越厚，火焰向管壁散热量越大，从而使得燃烧温度降低,（b=1.00.75）,温度的影响：,温度增加，火焰传播速度增加。,（C=1.52）,因为温度对导温系数a和对速度的影响差不多，因此温度对火焰厚度的影响不大。,可燃混合气体初温-unT01.52绝热火焰温度- ve-E/RT影响很大-而1/(Ta-To)影响很小-v起决定作用,燃料
32、性质-烷烃含碳量越高，火焰传播速度越大-烯烃和炔烃含碳量越高，火焰传播速度小 添加剂-加入惰性气体后，火焰传播速度变小-加入可燃物后，火焰传播速度变大,混气成分的影响：,存在一个最佳混气成分，这时火焰传播速度最大。 对每一种混气，都存在一个火焰传播的浓度界限，当混气太贫或太富时，火焰就不能传播。,混气性质的影响：,导温系数增加，活化能减少或火焰温度增加时，火焰传播速度增大。,淬熄距离：,当管径或容器尺寸小到某个临界值时，由于火焰单位容积的散热量太大，生热量不足，火焰便不能传播。这个临界管径叫淬熄距离。,淬熄距离与火焰传播速度及压力成反比,温度对淬熄距离的影响,压力对淬熄距离的影响,火焰在管中淬
33、熄有两种原因(灭熄直径）,管径减小，火焰区单位容积的表面积增大，因而通过管壁的散热率增大。管径减小，火焰传播时活性中间产物碰壁销毁的机率增大。,第三节 湍流火焰传播,一、湍流火焰的特点,层流火焰：,湍流火焰：,火焰锋面光滑，焰锋厚度很薄，火焰传播速度小。,火焰长度缩短，焰锋变宽，并有明显的噪声，焰锋不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙表面，火焰传播快。,湍流火焰传播速度较层流大几倍，不仅与燃料的物理化学性质有关，而且与湍流性质有关，湍流强度增大，将使湍流火焰传播速度增加，火焰更短。 燃烧室尺寸更紧凑，加上向外散热损失小，因此燃烧设备的经济性好。 湍流火焰伴随着噪音 湍流火焰的燃烧产物内氧化氮（NO
34、）含量少，因而对环境的污染小,湍流火焰比层流火焰传播快的原因：,（1）湍流流动使火焰变形，火焰表面积增加，因而增大了反应区； （2）湍流加速了热量和活性中间产物的传输，使反应速率增加，即燃烧速率增加； （3）湍流加快了新鲜混气和燃气之间的混合，缩短了混合时间，提高了燃烧速度。,湍流火焰理论正是基于以上概念发展起来的。湍流火焰传播理论主要有两种：,（1）皱折表面理论（邓克尔和谢尔金） （2）容积燃烧理论（萨默菲尔德和谢京科夫）,湍流特性参数：,流体微团的平均脉动速度与主流速度之比。,在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，或湍流微团在消失前所经过的平均距离,湍流尺度 l ：,湍流强度 ：,若 l
35、 （层流焰面厚度）为小尺度湍流，反之为大尺度湍流,若 u ul （层流火焰传播速度）为强湍流，反之为弱湍流,湍 流 燃 烧,实际燃烧过程中，气流速度都很高，多数处于湍流状态 湍流火焰分类,二、湍流火焰传播速度,三种湍流火焰模型：,小尺度强湍流,大尺度弱湍流,大尺度强湍流,小尺度强湍流：,湍流锋面不发生皱折，但由于湍流增加了传质而使湍流火焰传播速度比层流火焰传播速度快。,湍流导温系数:,可推得湍流火焰传播速度和层流火焰传播速度之比等于两者传输率之比的平方根，,一、皱折表面燃烧理论,小尺度湍流情况下，湍流火焰传播速度不仅与可燃混气的物理化学性质有关（即与ul成正比），还与流动特性有关（即与Re1/
36、2有关）,大尺度弱湍流：,由于湍流脉动，火焰发生皱折，但由于脉动速度小于正常火焰传播速度，锋面仍然是连续的,可以把湍流焰锋看成由很多小的层流火焰锥组成，则：,如果湍流微团在锥形表面上的燃烧速度仍然是 ，则：,锥体高度:,微团存在的时间:,由于大尺度湍流火焰锋的表面积比层流火焰锋的表面积大，所以大尺度湍流火焰传播速度比层流火焰传播速度大。这就是湍流火焰的表面传播的表面理论。,二、容积燃烧理论 大尺度强湍流（Re6000),湍流强度很大时：,湍流火焰传播速度与化学动力学因素无关，只取决于脉动速度的大小。,脉动速度、层流火焰传播速度及混气浓度是影响湍流火焰传播速度的主要因素。,经验公式：,提高可燃预
37、混气的燃烧速度，改善燃烧性能，可采取措施：,使用大uL的可燃预混气； 提高紊流强度； 提高混合气的压力和温度。,第十二章火焰的结构及其稳定,火焰定义,由燃烧前沿和正在燃烧的质点所包围的区域称为火焰。,火焰分类,按燃料种类分（煤气火焰、油雾火焰、粉煤火焰） 按燃料和氧化剂预混程度分（预混、扩散火焰、过渡火焰） 按气体流动性质分（层流火焰、紊流火焰、过渡区火焰） 按火焰的相成分分（均相火焰、非均相火焰） 按火焰的几何形状分（直流锥形火焰、旋流火焰、平火焰）,预混火焰 一、预混火焰 1.定义：煤气与空气在进入燃烧室之前已均匀混合的可燃混合物燃烧的火焰。 2.分类：层流火焰紊流火焰 二、层流火焰 1.
38、结构：内锥（n=1） 2. 本生灯火焰,本生灯,右图为本生灯简图。燃烧所需的空气可全部从底部供入，也可在管口下游通过射流的引射获取，或两者兼有，这时火焰分外焰与内焰两部分。,内焰：预混火焰 外焰：扩散火焰,利用本生灯原理推导火焰前沿的移动正常速度,正常速度为:,本生灯示意图,本生灯火焰前沿,直管形,收缩管形,火焰顶端呈圆形；火焰底部不和喷嘴出口相重合，存在向外突出的一个区域,火焰形状接近正圆锥形,火焰的几何形状：,3.稳定条件：,点火圈存在，且有一定的强度,1）法向稳定条件余弦定律：,u=w*cos,2）切向稳定条件：,锥形火焰稳定条件： 1、余弦定律； 2、稳定的点火源。,火焰前沿的位置 动
39、力火焰: 扩散火焰:,火焰稳定的一般原则: 在自由火焰边界层; 引入外界能源; 利用空气动力回流特性 利用热流循环来稳定火焰,4.层流火焰的传播速度：,本生灯火焰内锥表面,锥体形状的微分方程,锥体高度,燃烧前沿正常传播速度,1）火焰长度与气流速度成正比，同燃烧传播速度成反比。 2）流量增加，火焰长度增加。,5.火焰稳定临界条件： 假定气流分布为：w0中心最大速度流量：边界速度梯度：,分析： 1）如果流量一定，烧嘴直径越大，g值越小，越易回火， g值越大越易脱火，只有 g 回g g脱时，火焰才能稳定； 2）浓度越大，火焰稳定的g值范围也就越大； ）一定浓度下，回火允许有一个最大的g值。,6.防止
40、回火措施： 1） 使预混气体在燃烧室入口处的速度分布均匀，将喷头设计成收敛形，且表面光滑； 2） 燃烧含有杂物气体燃料时，应设有清除污垢装置，避免破坏局部流场； 3） 用水冷却燃烧器头部，以减少该处的火焰传播速度； 4） 设计时应根据最小热负荷状态确定喷射速度和管道直径。,用反吹射流稳定火焰,三、紊流火焰 1.结构：未燃可燃混合物、燃烧前沿、燃尽带。 2.火焰稳定条件： 1）ul=w*cos 2)回流区，有一定的强度；高强度燃烧加稳焰器。,.紊流火焰的长度 l=l1+l2+l3 ）紊流火焰的长度同气流速度，燃烧传播速度 及喷嘴尺寸有关。 ）气流速度增加，火焰长度增加，燃烧传播速度增加，火焰长度
41、变短。 ）燃烧尺寸变大，气流速度不变，火焰长度增加。 ）紊流火焰长度，主要是l1和l2，l3仅为总长度的。,.紊流火焰的稳定性问题 ）气流速度大于回火发生的临界速度，故回火不再发生； ）正常燃烧时，回流区的存在可以实现连续点火，不会发生脱火； ）高强度燃烧时，须采取附加手段防止脱火。 .稳定火焰的装置,扩散火焰 一、扩散火焰,1.概念,2.分类：层流火焰紊流火焰,二、层流火焰 1. 结构：纯煤气、煤气与燃烧产物、空气与燃烧产物、纯空气 2. 火焰长度: l=AlgVf+B,空气和燃料同时进入燃烧室,边混合边燃烧,所形成 的火焰即为扩散火焰。,）当燃料成分一定时，火焰长度主要取决于体积流量； ）若流速一定时，火焰长度随直径的增加而增加；若直径一定，火焰长度随流速的增加而增加。,2.火焰长度： 小直径：l=11(1+L0B/g)d0 大直径：l=(13.514.0)kw00.34d00.73 四、扩散火焰稳定：扩散火焰不回火，但存在脱火，采用回流区及稳焰器,三、紊流火焰： 1.结构：纯煤气、煤气与燃烧产物、空气与燃烧产物、纯空气,
