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燃烧学第 1 章 绪论 中国科学技术大学 热科学和能源工程系 2005年2月 1.1 燃烧与火焰 燃烧----燃料与氧化剂两种组分在空间激烈地发生放热化学反应的过程，它伴有发热\发光过程，即所谓火的现象 反应物 燃料---被氧化剂氧化的物质，如煤炭\石油\天然气\木材\化工产品等 氧化剂---含有活泼氧原子(或类似于氧原子的组分)，常指空气中的氧 可燃混合气---能够进行燃烧的燃料和氧化剂的气态混合物 燃烧产物 ----化学反应所生成的物质 化学反应----一般是氧化反应 放热过程是燃烧的必要条件之一： 例如磷火\荧光等不是燃烧 激烈地放热反应： 激烈地放热也是必要条件，例如焰前的冷焰与热焰过程也不是燃烧 注意的是：燃烧强调的是过程 火焰--气相状态下发生的燃烧的外部表现 火焰的三个特征： 发热、发光特征--热和辐射的现象 热辐射： H2O\CO2\碳氢化合物等化学性能稳定的燃烧产物的光谱带，波长0.75 ? m ~0.1mm之间，在红外区最强 化学发光辐射： CH \ OH \ CC等处于电子激发态的各种自由基组分，是由化学反应产生的光辐射，不连续光谱带，在反应瞬时产生 炽热固态烟粒和碳粒辐射 连续光谱，能够使火焰辐射增强 燃烧气体、液体或固体燃料的炉膛中，完全燃烧产物的辐射主要来自H2O \ CO2 \ 烟粒和飞灰颗粒 电离特征 碳氢化合物燃料和空气的燃烧火焰中，特别是层流火焰中的气体具有较高的电离度，在电场中火焰发生变形\弯曲，着火、熄火条件发生变化 自传播特征 火焰一旦产生，就不断向周围传播，直到反应系统燃料耗尽 火灾是火焰自传播的例子，没有自传播特性，就没有火灾发生 注意：火焰强调的是外部表现 1.2 现代燃烧学的发展 17世纪末，德国的斯嗒尔(G. E. Stahl) 燃素论，努力使燃烧成为一门科学 1772年，法国拉瓦锡 在论文中提出许多物质 (金属铝\铁、锡、硫、磷等)燃烧后重量增加 1774，普利斯特列，发现氧 接着拉瓦锡很快证明这种物质在空气中含有20%，确立了燃烧的氧化学说，揭开了燃烧的本质 19世纪 热力学成为认识燃烧现象的唯一基础 20世纪30年代，美国化学家刘易斯，俄国化学家谢苗诺夫将化学动力学机理引入燃烧研究 发现燃烧反应具有链锁反应的特点 化学反应动力学是影响燃烧速率的重要因素 20世纪50年代，认识到： 控制燃烧过程的因素不仅是化学动力学因素，还有流动\传热、传质等物理因素 燃烧过程是这些因素综合作用的结果 建立了着火、火焰传播\湍流燃烧的理论 20世纪50--60年代，冯卡门\钱学森： 用连续介质力学来研究燃烧现象 20世纪60年代后期，D. B. Spalding： 首次得到层流边界层燃烧过程控制微分方程的数值解 在普朗特、雷诺 \ 周培源等人工作基础上，将湍流模型引入燃烧学的研究，提出一系列湍流输运模型和湍流燃烧模型 对一大批燃烧现象和实际燃烧过程进行了数值求解 20世纪80年代，美\英\俄\日\德\中\法等国： 形成了“计算燃烧学”学科 \ 能够定量预测燃烧过程 1.3 燃烧的应用 用火是促进人类文明发展的重要因素之一 人类文明程度随着可控燃烧强度的提高而提高 人类最早使用火有140--150万年的历史?? 考古学的证据：周口店北京人的证据，至少有50万年 新石器时代—制造陶器—10000年前 青铜器时代—公元前2000年 使用煤炭—公元前200年 铁器时代—公元300年 利用石油—1800年以前 火药发明—1000年前 燃烧学在现代工业 \ 国防 \ 生产 \ 生活中的应用 (1) 能量和动力装置 替代能源： 主要包括：核能、太阳能、风能、水、地热、海洋能等 优点：他们是无污染、洁净的能源 存在的主要问题：在安全\能量密度\易获取性等方面存在不足 燃烧燃料获取热能和动力的优势： 优势：高效、经济、能量密度大 通过燃烧矿物燃料获取化学能，在世界能源消费份额中，在一个相当长的历史时期，将仍然占有较大的比重 燃烧燃料主要用来获取热能和动力 动力装置的操作和设计与燃烧密切相关 家庭加热 工业锅炉 发动机 透平 火箭发动机 汽车 石油的主要消费者 也是污染的主要制造者 70年代开始，要求汽车发动机的燃烧 高效—目前能源利用不到10% 洁净—汽油机HC \ CO排放太高 柴油机可以部分解决问题 — 柴油机 柴油机 相同的压缩比，汽油机效率高于柴油机 柴油机压缩比远远大于汽油机，因此柴油机效率更高 对燃料的要求较汽油机宽 在炼油阶段就比汽油机更节省能源 可以利用非传统燃料或劣质燃料 酒精 \ 煤-油浆 \ 重油 \ 柴油机存在的问题—需从燃烧角度解决 噪音、SOOT\烟粒排放 现代发动机燃烧发展趋势 最近发动机研究强调： 贫燃料混合气 分层燃烧 高压缩比 直接喷射 火花辅助点火