燃氣燃燒與應用_chap4

1、第四章 燃氣燃燒的火焰?zhèn)鞑?Flame Propagation)第一節(jié) 火焰?zhèn)鞑サ睦碚摶A第二節(jié) 法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定第三節(jié) 影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩氐谒墓?jié) 混合氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠嬎愕谖骞?jié) 紊流火焰?zhèn)鞑サ诹?jié) 火焰?zhèn)鞑舛葮O限意義： 火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侨細馊紵钪匾奶匦裕?對火焰的穩(wěn)定性、互換性有很大的影響；涉及： 燃燒方法的選擇 燃燒器的設計 安全 第一節(jié) 火焰?zhèn)鞑サ睦碚摶A火焰的定義 快速放熱的氣相反應、以亞音速在空間傳播，同時伴隨可見光輻射?？臻g傳播特性：化學反應、氣體流動、分子擴散、熱量轉(zhuǎn)移等綜合作用1.未燃的可燃混合物是分層的；未燃的可燃混合物是分層的；2.在某一點上點燃后，形成火焰

2、；在某一點上點燃后，形成火焰；3.火焰是熱量、自由基的中心；火焰是熱量、自由基的中心；4.熱量以導熱的形式向未燃的相鄰區(qū)域傳遞；自熱量以導熱的形式向未燃的相鄰區(qū)域傳遞；自由基以擴散的形式向相鄰區(qū)域傳播。由基以擴散的形式向相鄰區(qū)域傳播。5.相鄰區(qū)域溫度升高、自由基濃度增大，著火。相鄰區(qū)域溫度升高、自由基濃度增大，著火。6.形成火焰的傳播過程。形成火焰的傳播過程?；鹧?zhèn)鞑サ幕疚锢砀拍睿?）火焰?zhèn)鞑サ幕疚锢砀拍睿?）1.焰面(Flame Front): 火焰鋒面、火焰前鋒 燃燒反應進行的區(qū)域； 未燃氣體與燃燒產(chǎn)物的分界面；2. 火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?焰面的移動速度；符號S表示。 單位為m/s, m3/

3、m2.s 意義：單位面積上、單位時間內(nèi)燃燒的可燃混合物的體積。一、火焰?zhèn)鞑サ姆绞剑ㄒ唬┱；鹧鎮(zhèn)鞑?緩燃波Deflagration) 由于傳熱作用，高溫焰面將熱量傳給未燃氣體，使其著火、燃燒；依次傳遍整個體積。 等壓下進行。1.層流火焰?zhèn)鞑aminar Flame Propagation 依靠分子擴散、導熱等實現(xiàn)火焰的傳播。2.紊流火焰?zhèn)鞑urbulent Flame Propagation 依靠紊流擴散等實現(xiàn)傳播。法向火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n問題的描述： 火焰在管狀的靜止氣體中傳播； 傳播方向與焰面垂直； 傳播速度的大小與管壁散熱有關散熱對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?管徑越小，散熱對火焰?zhèn)鞑ビ绊懺酱螅?小到

4、一定程度小到一定程度火焰不能傳播火焰不能傳播 管徑越大，對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懺叫。?大到一定程度大到一定程度散熱影響完全消失散熱影響完全消失 此時的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到最大此時的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到最大 法向火焰?zhèn)鞑ニ俣龋篠n 可見火焰?zhèn)鞑ニ俣萐v管徑增大時，由于燃燒及管壁散熱，在焰面附近引起擾動，焰面皺曲，此時焰面的移動方向仍為管子軸向，但不是焰面的法向。沿管子的軸向移動的速度稱為可見火焰速度，記作Sv。顯然SvSn層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇笮恿鲿r一般很??；H2最大：Sn=2.8m/s; Sv=4.85m/s;CH4最小： Sn=0.38m/s; Sv=0.67m/s;在在d=25.4mm管子中的管子中的實

5、驗結(jié)果實驗結(jié)果紊流火焰?zhèn)鞑饬鞒蔀槲闪鳡顟B(tài)： 紊流擴散系數(shù)大于分子擴散紊流擴散系數(shù)大于分子擴散 熱量傳遞加劇熱量傳遞加劇 火焰速度增大；火焰速度增大；StSnSt不僅與可燃混合物的物理化學性質(zhì)不僅與可燃混合物的物理化學性質(zhì)有關，還與紊動程度有關有關，還與紊動程度有關(Re/管徑等)（二）爆炸(Explosion)背景： 均勻的燃氣-空氣混合物在密閉容器內(nèi)局部著火，燃燒放熱與高溫產(chǎn)物熱膨脹，壓力急劇升高。結(jié)果： 未燃氣體絕熱壓縮； 瞬間燃燒完畢。爆炸自身(緩慢)加熱或點燃（三）爆燃(Detonation)管子的長與短 短管短管燃燒產(chǎn)物及時排出，等壓下燃燒；燃燒產(chǎn)物及時排出，等壓下燃燒； 長管長管

6、燃燒產(chǎn)物對未燃氣體絕熱壓縮，產(chǎn)燃燒產(chǎn)物對未燃氣體絕熱壓縮，產(chǎn)生激波；火焰到達之前未燃氣體已到著火溫生激波；火焰到達之前未燃氣體已到著火溫度；可燃混合物度；可燃混合物“一層一層”“”“一層一層”地燃燒。地燃燒。著火的原因：沖擊波的絕熱壓縮；火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?0003500m/s;極具破壞力二、法向火焰?zhèn)鞑ダ碚搯栴}的描述：一端封閉一端封閉( (點燃點燃) )、一端開口的管子；、一端開口的管子；假設管子不散熱假設管子不散熱焰面不皺曲；焰面不皺曲；熱量傳遞僅依靠分子熱傳導進行；熱量傳遞僅依靠分子熱傳導進行；燃燒過程在等壓下進行燃燒過程在等壓下進行。焰面移動、氣流靜止焰面的移動速度焰面靜止、氣流反向移動氣

7、流的移動速度需回答的問題法向火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n=?焰面厚度=？燃燒反應時間=？可燃混合物的歷程冷態(tài)時濃度為C0，溫度為T0；接近焰面時被預熱(溫度逐漸升高)，但未發(fā)生化學反應， C0近似不變。T0 Ti 開始著火，經(jīng)感應期后到達Ti ， 進行劇烈燃燒，溫度很快升高到Tth； 濃度從溫度Ti時開始下降，燃燼時C=0?？扇冀M分的濃度變化曲線沿火焰厚度方向的溫度變化曲線燃燒產(chǎn)物的濃度分布曲線化學反應速度曲線火焰的結(jié)構焰面以左：預熱區(qū)+感應區(qū) 厚度 ph 反應速度很慢焰面以右：反應區(qū) 厚度 ch化學厚度化學厚度 ch 烯族烷族 燃料分子量越大，火焰速度越??；烷烴：火焰速度與碳原子數(shù)無關；烯烴/炔烴：碳原

8、子數(shù)以4為界，下降速度趨緩。碳原子數(shù)三、溫度的影響1、初始溫度的影響022000expTTCRTEyQKSmpnnT0，火焰速度升高。Tm增大，火焰速度增大2、火焰溫度的影響25 .10TSn初始溫度四、壓力的影響22nnpS1、一般燃燒反應：n2;2、質(zhì)量燃燒速率隨壓力增大而增大；Sn=25cm/s的火焰，n=1.4;Sn=2550cm/s的火焰，n100cm/s的火焰，n=2;Sn800cm/s的火焰，n=2.5;壓力對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懳濉⒍栊詺怏w的影響CO中加入少量的水，火焰速度快速增大近1倍！惰性氣體加入、降低了氧含量，降低了火焰速度。填加組分的具體影響，需按照對物性、化學反應途徑等

9、的影響來全面考慮。CO的火焰速度與水蒸汽含量的關系無水11.5%N2+98.5%O2;220%N2+80%O2;340%N2+60%O2;460%N2+40%O2;570%N2+30%O2;675%N2+25%O2;779%N2+21%O2;第四節(jié) 混合氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠嬎?有必要、有條件時，可進行實驗測試； 或按照經(jīng)驗公式、根據(jù)單一氣體的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣龋M行計算。CO20%(以燃氣中的可燃組分為100%計)N2+CO250%(扣除燃氣中的O2所對應的空氣！)計算公式的適用條件準確程度：與實測的偏差小于5%gggOONN222276.410076.3ggOCOCO22276.4100 燃氣

10、中O2所對應的N2燃氣中的O2所對應的空氣222200max5 .21CONNfrVrVSSiiiiiinin考慮惰性氣體的影響各單一氣體的最大法向火焰?zhèn)鞑ニ俣雀鲉我粴怏w在最大法向火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r的一次空氣系數(shù)iiirfrf化 學 式H2C OC H4C2H4C2H6C3H6C3H8C4H8C4H10Sni2.801.000.380.670.430.500.420.460.38i0.500.401.100.851.151.101.1251.131.15V0I2.382.389.5214.2816.6621.4223.8028.5630.94fi0.751.000.500.250.220.220.

11、220.200.18計算燃氣最大火焰速度的數(shù)據(jù)計算燃氣最大火焰速度的數(shù)據(jù)第五節(jié) 紊流火焰?zhèn)鞑ヅc層流相比： 層流火焰鋒面很薄、光滑； 紊流鋒面變厚、焰面抖動/粗糙。 燃燒速度增大十幾倍或更高。一、紊流火焰結(jié)構燃燒反應在發(fā)光的燃燒區(qū)內(nèi)完成；少量未燃盡氣體在高溫燃燼區(qū)內(nèi)繼續(xù)燃燒；紊流火焰特點：焰面皺曲、輪廓模糊；焰面厚度較大、火焰高度較短；火焰穩(wěn)定性變差，易脫火；燃燒時噪聲較大。二、紊流火焰?zhèn)鞑サ囊话憬Y(jié)論1、紊流火焰的傳播取決于紊流流動特性： St與Re有關Re6000, St/SnRe2、紊流火焰速度與混合物濃度的關系與層流時基本相同在氣流速度較小時，相對層流而言，受濃度影響較小層流紊流表征紊流特

12、性的參數(shù)2uu氣流脈動速度的時均方根值l紊動微團從形成到分裂過程所經(jīng)過的平均自由行程表示紊流程度的強弱表示紊動范圍的大小，尺度的大小l層流火焰的厚度紊流火焰的種類劃分小尺度紊流火焰nSu ll大尺度紊流火焰大尺度弱紊動大尺度強紊動nSu llnSu ll焰面厚度稍大于層流焰面皺曲不存在連續(xù)焰面紊流火焰結(jié)構圖示小尺度紊動大尺度弱紊動大尺度強紊動容積燃燒模型燃燒產(chǎn)物新鮮混合氣部分燃盡氣體三、紊流火焰的表面理論主要論點：層流火焰鋒面的基本結(jié)構未發(fā)生變化，燃燒集中于鋒面中；紊流火焰比層流火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟮脑颍簜鬟f過程的加快、焰面的增大；小尺度紊流對層流火焰2nphSaaA=a+DTSnStphtASu

13、laA紊流擴散系數(shù)所以aulSaulaASnphpht11由于Reul當aul有RentSS小尺度紊流一般只發(fā)生在燃燒器管壁附近；只有在小口徑管子的中心，才有可能出現(xiàn)小尺度紊流。大尺度紊流燃燒是在F上進行的FSFSlt221lhFFtuhtSll22211lltSuSS大尺度強紊流時，1lSu所以Re uSt大部分情況下，St仍然部分地取決于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐t=A.SlaReb第六節(jié) 火焰?zhèn)鞑舛葮O限Flammability limit一、火焰?zhèn)鞑舛葮O限及其實驗測定只有當空氣-燃氣的比例在一定范圍內(nèi)，所形成的可燃混合物中火焰才能傳播；燃氣濃度過高/過低發(fā)熱能力降低不足以將未燃混合物加熱到著火溫度火焰失去傳播能力。使火焰不能傳播的最低燃氣濃度火焰?zhèn)鞑舛认孪?；使火焰不能傳播的最高燃氣濃度火焰?zhèn)鞑舛壬舷?；又稱“著火濃度極限”實驗測試方法硬質(zhì)玻璃管發(fā)火花間隙水銀槽壓力計二、影響火焰?zhèn)鞑舛葮O限的因素燃氣在純氧中燃燒，極限范圍將擴大；空氣-燃氣混合物溫度上升，極限范圍擴大；提高壓力，濃度極限范圍將擴大，上限更敏感；加入惰性氣體，濃度極限范圍將縮??；灰塵、水蒸氣、容器形狀、壁面材料也能影響濃度極限?；鹧?zhèn)鞑舛葮O限燃氣壓力(MPa)下限(%)上限(%)CO0.12.04.0142120716057H20.12.09106970CH40.15.010.