燃燒原理基礎(chǔ)

第一部分燃燒原理基礎(chǔ)掌握化學(xué)反應(yīng)速率的基本規(guī)律和影響因素了解著火過(guò)程和熱自燃理論掌握火焰?zhèn)鞑サ幕疽?guī)律掌握擴(kuò)散和動(dòng)力燃燒的基本內(nèi)容了解兩相燃燒的基本規(guī)律化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)動(dòng)力學(xué)燃燒學(xué)化學(xué)熱力學(xué)：反應(yīng)體系的初始、終了狀態(tài)化學(xué)動(dòng)力學(xué)：反應(yīng)的過(guò)程和所需時(shí)間、反應(yīng)速率§2-1化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)速率阿累尼烏斯定律影響反應(yīng)速率的因素鏈鎖反應(yīng)1、化學(xué)反應(yīng)的分類化學(xué)反應(yīng)是具有不同原子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)重新組合的過(guò)程。

把能代表反應(yīng)機(jī)理的、由反應(yīng)微粒（分子、原子、離子或自由基等）一步直接實(shí)現(xiàn)的變化稱為“基元步驟”。

基元步驟簡(jiǎn)單反應(yīng)：復(fù)雜反應(yīng)：僅有一個(gè)基元步驟構(gòu)成由兩個(gè)以上基元步驟構(gòu)成的一、化學(xué)反應(yīng)速率復(fù)雜反應(yīng)簡(jiǎn)單反應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)，反應(yīng)物或產(chǎn)物濃度的變化。2、化學(xué)反應(yīng)速率k對(duì)化學(xué)反應(yīng)：aA+bBcC+dD化學(xué)反應(yīng)速率表達(dá)式：

濃度（3）質(zhì)量濃度（密度）：（1）摩爾濃度：（2）分子濃度：3、質(zhì)量作用定律簡(jiǎn)單反應(yīng)的速率與各反應(yīng)物濃度以其化學(xué)計(jì)量系數(shù)為指數(shù)冪的乘積成正比。

反應(yīng)速率常數(shù)4、化學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)n化學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù):化學(xué)反應(yīng)速率與濃度呈多少次方的關(guān)系，就稱為幾級(jí)反應(yīng)，它是濃度影響反應(yīng)速率大小與快慢的反映。零級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng)二級(jí)反應(yīng)三級(jí)反應(yīng)簡(jiǎn)單反應(yīng)的級(jí)數(shù)常與反應(yīng)式中作用物的分子數(shù)相同反應(yīng)級(jí)數(shù)可以不是整數(shù)，如一般碳?xì)淙剂吓c氧的反應(yīng)是1.5～２級(jí)反應(yīng)

反應(yīng)級(jí)數(shù)是從化學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響，集中反應(yīng)在反應(yīng)速率常數(shù)K上。1889年阿累尼烏斯提出反應(yīng)速率常數(shù)K與反應(yīng)溫度T之間的關(guān)系：

K0為頻率因子Ea為活化能R為通用氣體常數(shù)

二阿累尼烏斯定律阿累尼烏斯定律反應(yīng)了溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響阿累尼烏斯定律是實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果不是所有的化學(xué)反應(yīng)都符合阿累尼烏斯定律實(shí)際反應(yīng)速率隨溫度變化關(guān)系對(duì)燃料和氧化劑的反應(yīng)，反應(yīng)速度式子：燃料的質(zhì)量相對(duì)濃度氧化劑的質(zhì)量相對(duì)濃度，n為反應(yīng)級(jí)數(shù)ρ混合物密度分子之間需要通過(guò)碰撞才能引起化學(xué)反應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)碰撞次數(shù)越多，反應(yīng)速率越快不是所有的碰撞都會(huì)發(fā)生反應(yīng)發(fā)生反應(yīng)所需的臨界能量叫活化能

活化能越小，物質(zhì)的化合能力越強(qiáng)

能量大于活化能的分子為活化分子活化分子間的碰撞可以發(fā)生反應(yīng)

分子碰撞理論在單位時(shí)間內(nèi)所有A分子與所有B分子的總碰撞次數(shù)為：對(duì)于氣相反應(yīng)：

能量超過(guò)活化能的活化分子占分子總數(shù)的比值：反應(yīng)速率：頻率因子K活化分子之間的有效碰撞次數(shù)為：質(zhì)量作用定律只適用于基元反應(yīng)對(duì)復(fù)雜反應(yīng)，取決于其中一個(gè)反應(yīng)最慢的基元反應(yīng)。三影響反應(yīng)速率的因素1、反應(yīng)物性質(zhì)飽和分子的活化能比較大，根與離子的反應(yīng)活化能趨于02、溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)速度加快，碰撞能量超過(guò)活化能的部分增大，反應(yīng)速度加快。3、壓力對(duì)反應(yīng)速率的影響一級(jí)反應(yīng)：二級(jí)反應(yīng)：4、反應(yīng)物質(zhì)成分的影響雙分子反應(yīng)四鏈鎖反應(yīng)現(xiàn)象1、2、低溫時(shí)磷、乙醚的蒸氣氧化出現(xiàn)冷焰3、一種在反應(yīng)歷程中含有被稱為鏈載體的低濃度活性中間產(chǎn)物的反應(yīng)。鏈載體參加到反應(yīng)的循環(huán)中，并且它在每次循環(huán)之后都重新生成。

鏈載體：自由基、離子等§2-2著火過(guò)程燃燒過(guò)程分為兩個(gè)階段：著火、燃燒。著火是燃燒的起始和準(zhǔn)備階段。著火方式：（1）鏈鎖自燃（2）熱自燃（3）點(diǎn)燃（強(qiáng)迫著火）熱自燃理論熱理論認(rèn)為：著火是反應(yīng)放熱因素和散熱因素相互作用的結(jié)果。

放熱＞散熱：著火成功放熱＜散熱：不成功1、閉口系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)分析法通過(guò)器壁的散熱量：ω-化學(xué)反應(yīng)速率，V-體積q-熱值，系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)放熱量：α-對(duì)流換熱系數(shù)，A-表面積T-反應(yīng)過(guò)程中溫度系統(tǒng)熱量的變化量：系統(tǒng)的熱平衡方程：取決于Exp(-E/RT)為T的線性函數(shù)，斜率初始值：T0改變?chǔ)粒焊淖働：（1）E↓或kn↑TB↓（2）↑（即α↑或V↓）T0c↑（3）Pc↓TB↑，Pc↑TB↓（4）熱自燃有一定濃度界限

影響熱自燃的因素著火著火不著火不著火貧燃限富燃限富燃限貧燃限PB=c，TB～xMTB=c，PB～xM3、著火感應(yīng)期混氣由初始狀態(tài)到溫度急速上升所經(jīng)歷的時(shí)間。感應(yīng)期表達(dá)式：對(duì)于烴類燃料，反應(yīng)級(jí)數(shù)近似為二級(jí)，有：壓力↓，溫度↓，感應(yīng)期↑§2-3均勻混氣的火焰?zhèn)鞑ヒ?、層流火焰?zhèn)鞑ヒ讶細(xì)馕慈細(xì)饣鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣燃囱娣宓姆ㄏ蛩俣龋ㄓ址Q正交速度）：1、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑サ臋C(jī)理有三種理論：熱理論：認(rèn)為控制火焰?zhèn)鞑サ闹饕獧C(jī)理為從反應(yīng)區(qū)到未燃區(qū)域的熱傳導(dǎo)擴(kuò)散理論：認(rèn)為來(lái)自反應(yīng)區(qū)的鏈載體的逆向擴(kuò)散是控制層流火焰?zhèn)鞑サ闹饕蛩鼐C合理論：認(rèn)為熱的傳導(dǎo)和活性粒子的擴(kuò)散對(duì)火焰?zhèn)鞑タ赡苡型戎匾挠绊?、火焰?zhèn)鞑C(jī)理將火焰鋒面可分為兩部分：反應(yīng)區(qū)預(yù)熱區(qū)設(shè)：u0=un，則火焰鋒面駐定。3、火焰?zhèn)鞑ニ俣萓n連續(xù)方程：P≈常數(shù)對(duì)于一維帶化學(xué)反應(yīng)的定常層流流動(dòng)，其基本方程為：

動(dòng)量方程：能量方程：絕熱條件下，火焰的邊界條件為：把火焰分成預(yù)熱區(qū)與反應(yīng)區(qū)，在預(yù)熱區(qū)中忽略化學(xué)反應(yīng)的影響，而在反應(yīng)區(qū)中忽略能量方程中溫度的一階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)。

分區(qū)近似解法：(1)壓力的影響一般碳?xì)淙剂先紵^(guò)程的反應(yīng)級(jí)數(shù)1.5～2，因此：壓力對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戄^小(v=-0.25～0)4、影響層流火焰?zhèn)鞑サ囊蛩?2)溫度的影響溫度增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾印?/p>

（C=1.5～2）

(3)混氣成分的影響存在一個(gè)最佳混氣成分，這時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲蟆?duì)每一種混氣，都存在一個(gè)火焰?zhèn)鞑サ臐舛冉缦蓿?dāng)混氣太貧或太富時(shí)，火焰就不能傳播。

(4)混氣性質(zhì)導(dǎo)溫系數(shù)活化能氧濃度二、紊流火焰?zhèn)鞑ダ字Z數(shù)直管段中，Re＜2300時(shí)，層流混氣的流動(dòng)為紊流時(shí)，Re＞3200時(shí)火焰為紊流火焰1、紊流的基本屬性描述紊流的運(yùn)動(dòng)速度為：—平均速度，—瞬時(shí)脈動(dòng)速度紊流強(qiáng)度：描述紊流流動(dòng)的主要參數(shù)：紊流尺度l：紊流中形成的氣體微團(tuán)的平均直徑?；蛭F(tuán)的平均脈動(dòng)距離三個(gè)方向上的分量一般不等2、紊流火焰特征和火焰速度紊流火焰特征1）火焰長(zhǎng)度縮短2）火焰前鋒變寬3）火焰峰面粗糙4）有噪音紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@大于層流1)焰鋒表面積增加2)加速熱量和活性中心的傳輸3)加快了新鮮混氣和燃?xì)獾幕旌?/p>

3紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣?）紊流尺度遠(yuǎn)小于層流火焰前鋒的厚度2）紊流尺度大于層流火焰前鋒的厚度，但紊流強(qiáng)度ε較小——表面燃燒理論單位時(shí)間內(nèi)焰峰表面燒掉的混氣量以層流焰峰表示以紊流焰峰表示3）當(dāng)紊流強(qiáng)度ε很大時(shí)u’》unu’/un》1ut∝u’ut只取決于脈動(dòng)速度，與化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素?zé)o關(guān)4、影響紊流傳播速度的因素（1）雷諾數(shù)Re↑ut↑（2）壓力Pt↑ut↑（3）溫度T↑ut↑（4）u’u’↑ut↑（5）混氣濃度§2-4擴(kuò)散燃燒與動(dòng)力燃燒燃料燃燒時(shí)間包括兩部分：τ=τm+τrτm：燃料與空氣混合所需要的時(shí)間τr：化學(xué)反應(yīng)時(shí)間τm》τr：

擴(kuò)散燃燒，τ≈τmτr》τm：

動(dòng)力燃燒，τ≈τr

τr、τm相差不大

：

動(dòng)力—擴(kuò)散燃燒一、擴(kuò)散燃燒和動(dòng)力燃燒基本概念α1=1α1＞1α1＜1α1=0本生燈二、氣相擴(kuò)散燃燒1、層流擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)火焰面位置火焰形狀濃度/溫度變化2、紊流擴(kuò)散火焰1—火焰頂點(diǎn)2—層流向紊流的轉(zhuǎn)變點(diǎn)3火焰高度Q—容積流量Dm—擴(kuò)散系數(shù)層流紊流4、擴(kuò)散火焰的特點(diǎn)（1）擴(kuò)散火焰的穩(wěn)定性（2）碳?xì)浠衔锏臒岱纸馊?、氣—液兩相燃?、蒸發(fā)或燃燒時(shí)的油珠溫度表面溫度開始時(shí)高于核心溫度，到一定時(shí)候，兩者溫度平衡－蒸發(fā)平衡溫度或濕