热动燃烧学第5章 燃烧过程.ppt

第5章 燃烧过程 引言 两种稳定的反应工况 无化学反应 液滴的蒸发 无火焰的自由射流 流动过程 有强烈反应放热的工况 预混火焰(汽油机内的燃烧过程\ 火焰传播过程) 扩散火焰 (射流火焰\液滴的燃烧过程\本生灯) 本章将讨论两种工况之间的过渡状况 着火过程 从无化学反应向稳定的强烈放热反应状态的过渡 熄火过程 从强烈放热反应向无反应状况的过渡 工业燃烧设备: 要求启动迅速—着火过程可靠，可靠地点燃燃料并形成稳定的燃烧工况 汽车的加速性是衡量轿车的指标之一 鱼雷\火箭\飞机等工况的稳定 燃烧工况一旦建立，要求在工作条件发生变化时，火焰仍能保持稳定而不熄火 汽车上坡 电站负荷变化 防止燃烧的发生\燃烧一旦发生要使之快速熄灭 火灾\消防灭火 矿井的瓦斯爆炸 三类着火方式 化学自燃：通常不需要外部加热，而是在常温下依靠自身的化学反应发生的。例如: 金属钠在空气中的自燃 烟煤因长期堆积通风不好而自燃 草垛的自燃 热自燃：如果将燃料和氧化剂混合物迅速而均匀地加热，当化合物被加热到某一温度时便着火，这时是在混合气的整个容器中着火的，例: 柴油机气缸中燃料的着火 点燃：电火花\电弧\热板等高温源使混合气局部地区受到强烈地加热而首先着火\燃烧，随后这部分已燃的火焰传播到整个反应体系的空间 汽油机中的着火方式 工业锅炉等多数工业设备 三种着火方式之间的关系 第1种方式与第2种方式： 第1种与第2种方式中都既有化学反应的作用，又有热的作用 第2种方式所需要的热量较多，反应活性不如第1种方式 第1种方式也需要积累热量才能达到着火，只是它不象第2种方式那样需要外界热量而已 第2种方式与第3种方式： 第2种方式与第3种方式的差别只是整体加热与局部加热的不同而已 重要的是了解各种着火方式的实质，不必拘泥于名词 影响着火与熄火过程的因素 化学动力学因素 燃料的性质\燃料与氧化剂的成分\环境压力及温度\等 流体力学因素 气流速度\燃烧室尺寸\粘性系数\等 着火与熄火过程就是这两种因素相互作用的结果 容积为V的容器，充满均匀的可燃气体混合物，浓度为Yi，容器的壁面温度为T0，容器内可燃气体混合物以速度w 进行反应 化学反应所放出的热量： 一部分加热可燃气体，使系统温度升高 另一部分，则通过容器壁传给周围环境 谢苗诺夫采用零维方案，即不考虑容器内的温度\反应物浓度等参数的分布，而是把整个容器内的各参数按平均值来计算，即假定： （1）容器V 内各处的混合物浓度及温度都相同 （2）在反应过程中，反应速度都相同 （3）容器的壁温T0及外界环境的温度T∞在反应过程中保持不变，而决定传热强度的温差就是壁面和混合物之间的温差 （4）在着火温度附近，由于反应所引起的可燃气体混合物浓度的改变可忽略不计 根据以上假设，能量方程可以简化为： 式中 qG表示容器中单位体积混合气在单位时间内反应放出的热量，称为放热速度(或放热速率) qL是单位时间内按单位体积平均的混合气向外界环境散发的热量，称为散热速度(或散热速率) 谢苗诺夫指出： 着火能否发生，在本质上取决于放热速度qG与散热速度qL的相互作用，及其随温度增长的程度 qG与qL随温度变化的曲线 (图) 由于qG等于化学反应速度wi与可燃混合气的燃烧热Qi的乘积，放热速率与温度成指数关系 散热速率qL正比于hF(T–T?)，与温度成直线关系 当压力或浓度不同时，则可以得到一组放热曲线 当改变T? 时，则得到一组平行的散热曲线 同样改变hF/V时，则得到一组不同斜率的放热曲线 我们选取其中一对曲线qG1和qL进行分析，从而得到热自燃的条件 如图上页图所示 qG1和qL有两个交点A和B，当可燃混合气温度为T∞时，散热速率qL为0 系统温度小于TA时，放热速率qG1大于qL，系统温度升高，散热速率呈线性增加，qG1和qL在A点（温度为TA处）相等 当系统温度大于TA时，由于散热速率大于放热速率，使系统温度又自动回到A点TA。 因此A点是一个平衡点，即任何小的扰动都会使系统自动回复到A点 这时的反应系统不会自动加速而着火，A点实际上是一个缓慢的氧化工况 因此，放热速率与散热速率的平衡，不是热自燃的充分条件。 在热自燃的问题中，B点的工况是不可能出现的 这是因为，B点温度很高，而从A到B的过程中，散热速率一直大于放热速率，因此系统温度不可能自动增加，必须由外界补充能量才能使A点过渡到B点，如果外界不补充任何能量，B点不可能出现 而且即使采用某种方法使系统温度接近B点，而略小于B点温度TB，系统也会自动返回到A点 如果系统温度略高于TB，由于放热速率大于散热速率，这时会发生自动加速着火 但一般而言，这种情况不会发生 所以B点是一个不稳定工况 如果使hF/V逐渐下降或使T∞增加，则A点将会沿着曲线qG1上升，直到qL直线与qG1