燃氣應用第二章

燃氣應用第二章第1頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六第一節(jié)燃氣的著火第2頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六燃氣的著火燃氣的燃燒是一種化學反應。在分子互相碰撞時，只有活化分子才能破壞原來分子的結構，建立新的分子。這種超過分子平均能量可使分子活化而發(fā)生反應的能量稱為活化能。有些化學反應的機理十分復雜，它們往往是通過鏈反應方式來進行的?？扇細怏w的燃燒反應都是鏈反應。在氫和氧的混合氣體中，存在一些不穩(wěn)定的分子，在碰撞過程中不斷變成化學上很活躍的質點：H、O和OH基。這些自由原子和游離基稱為活化中心。任何可燃氣體在一定條件下與氧接觸，都要發(fā)生氧化反應。如果氧化反應過程發(fā)生的熱量等于散失的熱量，或者活化中心濃度增加的數(shù)量正好補償其銷毀的數(shù)量，這個氧化反應過程就會很緩慢，我們把這個過程稱為穩(wěn)定的氧化反應過程。如果氧化反應過程生成的熱量大于散失的熱量，或者活化中心濃度增加的數(shù)量大于其銷毀的數(shù)量，這個過程就稱為不穩(wěn)定的氧化反應過程。由穩(wěn)定的氧化反應轉變?yōu)椴环€(wěn)定的氧化反應而引起燃燒的一瞬間，稱為著火。第3頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六一、支鏈著火在一定條件下，由于活化中心濃度迅速增加而引起反應加速從而使反應由穩(wěn)定的氧化反應轉變?yōu)椴环€(wěn)定的氧化反應的過程，稱為支鏈著火。在鏈反應中，如果每一鏈環(huán)中有兩個或更多個活化中心可以引出新鏈環(huán)的反應，這種鏈反應稱為支鏈反應，如果每一鏈環(huán)只產(chǎn)生一個新的活化中心，那么這種鏈反應稱為直鏈反應。燃燒反應都是支鏈反應。圖2-1鏈反應圖式(a)直鏈反應；(b)支鏈反應第4頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六一、支鏈著火以氫、氧混合物的反應為例，它有兩個壓力極限—下限和上限。在壓力下限以左的低壓范圍內(nèi)(AB段)反應是緩慢而穩(wěn)定的。因為壓力很低，反應物濃度很小，為數(shù)不多的活化中心很容易撞在容器壁上而銷毀。當壓力較高而且超過上限(C點)時，由于壓力高而反應物濃度增大，活化中心與其它分子碰撞而銷毀的機會增多，所以反應又突然變得緩慢。在沒有達到熱力著火之前，反應速度隨壓力的增加而緩慢地增加(CD段)。只有當壓力處于下限和上限之間時，支鏈反應的活化中心的增加速度才會超過其銷毀速度，反應才會自動加速，引起燃燒和爆炸。氫氧混合物存在一個著火半島第5頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六圖2-2著火的壓力極限圖2-3氫氧混合物的“著火半島”對于支鏈反應，在著火前存在著一個感應期，在此期間系統(tǒng)中的能量主要用于活化中心的積聚，反應的速度極小，甚至很難察覺出來。經(jīng)過感應期之后，反應速度達到可測速度Wi接著反應速度就迅速增加，在瞬時達到極大值而完成反應。第6頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六二、熱力著火一般工程上遇到的著火是由于系統(tǒng)中熱量的積聚，氧化反應過程生成的熱量大于散失的熱量，使溫度急劇上升而引起的。這種著火稱為熱力著火。分析燃氣與空氣發(fā)生化學反應時的熱平衡現(xiàn)象，可以了解熱力著火的條件。單位時間內(nèi)容器中由于化學反應產(chǎn)生的熱量為式中W——化學反應速度；

H——燃氣的熱值；

k0——常數(shù)；

V——容器的體積。在著火以前，由于溫度T不高，反應速度很小，可以認為反應物濃度沒有變化。第7頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六二、熱力著火單位時間內(nèi)燃氣與空氣的混合物通過容器向外散失的熱量為：

式中α——由混合物向內(nèi)壁的散熱系數(shù)；

F——容器的表面積：

T——混合物的溫度；

T0——容器內(nèi)壁溫度。由于容器中溫度變化不大，可以近似地認為α是常數(shù)第8頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六圖2-4可燃混合物的熱力著火過程圖2-5兩種平衡狀態(tài)的分析第9頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六二、熱力著火當溫度T0較低時，散熱線M和發(fā)熱曲線L有兩個交點：l和2。首先分析交點2的情況。假設由于偶然的原因使溫度下降一些，則由化學反應發(fā)生的熱量就小于散失的熱最，溫度將不斷下降。假設溫度偶爾升高，則發(fā)熱量大于散熱量，溫度將不斷升高?？梢娙魏螠囟鹊奈⑿〔▌佣紩狗磻x開平衡狀態(tài)，因而交點2實際上是不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。交點1的情況則不同。假設溫度偶然降低，則由化學反應發(fā)生的熱量將大于散失的熱量，溫度將回升到原處。假設溫度偶爾升高，則散熱量將大于發(fā)熱量，使溫度又降回到原處。因此交點1是穩(wěn)定的平衡點。在該點混合物的溫度很低，化學反應速度也很慢，是緩慢的氧化狀態(tài)。i點是穩(wěn)定狀態(tài)的極限位置，若容器內(nèi)壁溫度再升高，則發(fā)熱量總是大于散熱量，化學反應就從穩(wěn)定的、緩慢的氧化反應轉變成為不穩(wěn)定、激烈的燃燒。i點稱為著火點，相應于該點的溫度Ti稱為著火溫度或自燃溫度。

第10頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六二、熱力著火用升高壓力的辦法也能達到著火的目的。如果散熱條件不變，升高壓力將使反應物濃度增加，因而使化學反應速度加快。在圖2-6中發(fā)熱曲線L將向左上方移動。到L'位置時，出現(xiàn)一個切點，就是著火點i。當壓力繼續(xù)升高時，產(chǎn)熱就永遠大于散熱(見L″)。著火點是一個極限狀態(tài)，超過這個狀態(tài)便有熱量積聚，使穩(wěn)定的氧化反應轉為不穩(wěn)定的氧化反應。著火點與系統(tǒng)所處的熱力狀況有關，即使同一種燃氣，著火溫度也不是一個物理常數(shù)。當可燃混合物的發(fā)熱曲線L不變時，如果散熱加強，直線M斜率將增大，著火點溫度將升高。

第11頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六圖2-6壓力升高時可燃混合物的熱力著火過程圖2-7著火點與散熱條件的關系第12頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六二、熱力著火著火點是發(fā)熱曲線與散熱曲線的相切點，符合以下關系：將發(fā)熱和散熱方程代入以上聯(lián)立方程式，合并以上兩式解二次方程就可得到相當于切點i的著火溫度：展開成級數(shù)，將其大于二次方的各項略去(誤差不超過l／100)可得可燃混合物著火的條件第13頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六第二節(jié)燃氣的點火

第14頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六燃氣的點火當一微小熱源放入可燃混合物中時，則貼近熱源周圍的一層混合物被迅速加熱，使可燃混合物逐步著火燃燒。這種現(xiàn)象稱為強制點火，簡稱點火。點火熱源可以是：灼熱固體顆粒、電熱線圈、電火花、小火焰等。強制點火要求點火源處的火焰能夠傳至整個容積，因此著火的條件不僅與點火源的性質有關，而且還與火焰的傳播條件有關?，F(xiàn)從熱力角度分析局部點火過程。有一熱金屬顆粒放入可燃混合物中，其附近的溫度分布示于圖2-7，當發(fā)生放熱反應時，溫度梯度較小，因而從表面?zhèn)飨蚪橘|的熱流也較小。當顆粒溫度升高到某一臨界值Tis時，表面?zhèn)飨蚪橘|的熱流等于零。如果顆粒表面溫度稍高于Tis則反應加快，而大部分則流向周圍介質。溫度臨界值Tis就是強制點火的點火溫度。第15頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六圖2-7灼熱顆粒附近溫度分布a—在非可燃介質中b—在可燃介質中第16頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六燃氣的點火點火成功時，在灼熱顆粒表面形成一火焰層，其厚度為δf?？捎稍摶鹧鎸拥臒崞胶馇蟮??；鹧鎸訂挝粫r間內(nèi)的傳導熱量Q1層內(nèi)的化學反應放熱量Q2

按熱量平衡，Q1=Q2式中δf——火焰層厚度；

A——火焰層面積；

λ——導熱系數(shù)；

Tf——火焰溫度；

T0——混合物起始溫度；

H——混合物的燃燒熱；

W——火焰層中燃燒反應速度。第17頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六一、熱球或熱捧點火將石英或鉑球投射入可燃混合物中，當球體的溫度Tw大于臨界值Tis時，即發(fā)生點燃現(xiàn)象。在球體周圍厚度為δ的薄層中，溫度由Tw直線下降至外部氣體介質溫度T0。假設熱量主要靠熱傳導散失，則點燃的條件是當Tw=Tis時，上式為等號。此式表明，反應層中的溫度梯度是支配點燃可能性的一個重要因素。第18頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六二、小火焰點火點燃可燃混合物所需的能量可由點火火焰供給。這時，引發(fā)點火的可能性取決于以下特性參數(shù)：可燃混合物組成、點火火焰與混合物之間的接觸時間、火焰的尺寸和溫度，以及混合強烈程度等。為簡化分析，設有一無限長的扁平點火火焰，當作一維火焰進行分析。將扁平火焰放入無限大的充滿可燃混合物的容器中。存在兩種情況。第一種情況是，當扁平火焰的厚度小于某一臨界尺寸時，溫度場不斷衰減，最終使點火火焰熄滅。第二種情況是，火焰厚度大于臨界尺寸，混合物的放熱反應能夠扭轉溫度場衰減的趨向，并能使火焰?zhèn)鞑?。實驗表明，扁平點火火焰的臨界厚度是火焰穩(wěn)定傳播時焰面厚度的兩倍。第19頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六三、電火花點火把兩個電極放在可燃混合物中，通高壓電打出火花釋放出一定能量，使可燃混合物點著，稱為電火花點火。由于產(chǎn)生火花時局部的氣體分子被強烈激勵，并發(fā)生離子化，所以點火過程的機理十分復雜。用電火花進行點火時，先是由電火花加熱可燃混合物而使之局部著火，形成初始的火焰中心，隨后初始火焰中心向未著火的混合物傳播，使其燃燒。初始火焰中心能否形成，將取決于電極間隙內(nèi)的混合物中燃氣的濃度、壓力、初始溫度、流動狀態(tài)、混合物的性質以及電火花提供的能量等。產(chǎn)生火花的方法通常有電容放電和感應放電兩種。電容放電時，釋放能量可由下式表示式中C——電容器的電容；

U——產(chǎn)生火花前施加于電容器的電壓。第20頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六三、電火花點火最小點火能當電極間隙內(nèi)的可燃混合物的濃度、溫度和壓力一定時，若要形成初始火焰中心。放電能量必須有一最小極值。能量低于此極值時不能形成初始火焰中心。這個必要的最小放電能量就是最小點火能Emin。熄火距離當其他條件給定時，點燃可燃混合物所需的能量與電極間距d有關。當d小到無論多大的火花能量都不能使可燃混合物點燃時，這個最小距離就叫熄火距離dq。第21頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六

圖2-14最小點火能與天然氣及城市燃氣的關系圖2-13點火能與電極間距的關系曲線(a)Emin與dq；(b)法蘭直徑的影響

第22頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六第三節(jié)火焰?zhèn)鞑?/p>

第23頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六一、層流火焰?zhèn)鞑C理在工程應用中，可燃混合物著火的方法是先引入外部熱源，使局部先行著火，然后點燃部分向未燃部分輸送熱量及生成活性中心，使其相繼著火燃燒。在可燃混合物中放入點火源點火時，產(chǎn)生局部燃燒反應而形成點源火焰。由于反應釋放的熱量和生成的自由基等活性中心向四周擴散傳輸，使緊挨著的一層未燃氣體著火、燃燒，形成一層新的火焰。反應依次往外擴張，形成瞬時的球形火焰面。此火焰面的移動速度稱為法向火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n(或稱層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐l，或正常火焰?zhèn)鞑ニ俣?，簡稱火焰?zhèn)鞑ニ俣?。未燃氣體與已燃氣體之間的分界面即為火焰鋒面，或稱火焰面。第24頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六圖2-17靜止均勻混合氣體中的火焰?zhèn)鞑D2-18流管中的火焰鋒面第25頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六一、層流火焰?zhèn)鞑C理取一根水平管子，一端封住，另一端敞開，管內(nèi)充滿可燃混合氣。點火后，火焰面以一定的速度向未燃方面移動，由于管壁的摩擦和向外的熱量損失、氣體的粘性、熱氣體產(chǎn)生的浮力，使其成為傾斜的彎曲焰面。如果管子相當長，那么火焰鋒面在移動了大約5～10倍管徑的距離之后，便明顯開始加速，最后形成速度很高的(達每秒幾千米)高速波，這就是爆振波。正常燃燒屬于穩(wěn)定態(tài)燃燒，可視為等壓過程；而爆振屬不穩(wěn)定態(tài)燃燒，是靠氣體的膨脹來局部壓縮未燃氣體而形成的沖擊波。在民用燃具和燃氣工業(yè)爐中，燃氣的燃燒均屬于正常燃燒。

若可燃混合氣在一管內(nèi)流動，其速度是均勻分布的，形成一平整的火焰鋒面。如Sn=u，則氣流速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗥胶?，火焰面便駐定不動。這是流動可燃混合氣穩(wěn)定燃燒的必要條件。第26頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六一、層流火焰?zhèn)鞑C理層流火焰?zhèn)鞑ダ碚摰谝皇菬崂碚摚J為控制火焰?zhèn)鞑サ闹饕菑姆磻獏^(qū)向未燃氣體的熱傳導。第二是擴散理論，認為來自反應區(qū)的鏈載體的逆向擴散是控制層流火焰?zhèn)鞑サ闹饕蛩?。第三是綜合理論，即認為熱傳導和活性中心的擴散對火焰的傳播可能同等重要。大多數(shù)火焰中，由于存在溫度梯度和濃度梯度，因此傳熱和傳質現(xiàn)象交錯地存在著，很難分清主次。下面介紹由澤爾多維奇等人提出的熱理論。在火焰鋒面上取一單位微元，對于一維帶化學反應的穩(wěn)定層流流動，其基本方程為：圖2-19火焰層結構及溫度、濃度分布第27頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六一、層流火焰?zhèn)鞑C理連續(xù)方程動量方程p≈常數(shù)能量方程對于絕熱條件，火焰的邊界條件為

為求定Sn(u0)，提出了一種分區(qū)近似解法，把火焰分成預熱區(qū)和反應區(qū)。在預熱區(qū)中忽略化學反應的影響，在反應區(qū)中略去能量方程中溫度的一階導數(shù)項。預熱區(qū)中的能量方程為第28頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六一、層流火焰?zhèn)鞑C理其邊界條件是假定Ti是預熱區(qū)和反應區(qū)交界處(溫度曲線曲率變化點)的溫度，從T0到Ti進行積分，下標“I”表示預熱區(qū)。反應區(qū)的能量方程為其邊界條件是第29頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六一、層流火焰?zhèn)鞑C理乘式后積分（下標“??”表示反應區(qū)）Ti為未知，進一步變換可得

表示在Tm～T0之間反應速率的平均值

第30頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六二、紊流火焰?zhèn)鞑ピ谖闪髁鲃訒r，火焰面變得混亂和曲折，形成火焰的紊流傳播。在研究紊流火焰?zhèn)鞑r，把焰面視為一束燃氣與已燃氣之間的宏觀整體分界面，也稱為火焰鋒面。紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫彩菍@個幾何面來定義的，用St表示。在紊流火焰中有許多大小不同的微團作不規(guī)則運動。如果微團的平均尺寸小于層流火焰鋒面的厚度，稱為小尺度紊流火焰；反之，則稱為大尺度紊流火焰。當微團的脈動速度大于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?u′>Sl)時，為大尺度強紊動火焰，反之為大尺度弱紊動火焰。關于大尺度強紊動的火焰?zhèn)鞑C理，不同學者有不同的解釋，因而形成了紊流火焰的表面理論和容積理論。第31頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六二、紊流火焰?zhèn)鞑ノ闪骰鹧娴膫鞑ニ俣缺葘恿鲿r要大得多，其理由為(1)紊流脈動使火焰變形，從而使火焰表面積增加，但是曲面上的法向傳播速度仍保持為層流火焰速度。(2)紊流脈動增加了熱量和活性中心的傳遞速度，反應速率加快，從而增大了垂直火焰表面的實際燃燒速度。(3)紊流脈動加快了已燃氣和未燃氣的混合，縮短混合時間，提高燃燒速度。圖2-20紊流火焰模型(a)小尺度紊動；(b)、(c)大尺度紊動；(d)容積紊流燃燒1—燃燒產(chǎn)物；2—新鮮混氣；3—部分燃盡氣體第32頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六三、法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定法向火焰?zhèn)鞑ニ俣炔荒苡镁_的理論公式來計算。通常是依靠實驗方法測得單一燃氣或混合燃氣在一定條件下的Sn值，有時也可依照經(jīng)驗公式和實驗數(shù)據(jù)計算混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。尚缺少完全符合Sn定義的測定方法。精確測量Sn的困難在于幾乎不可能得到嚴格的平面狀火焰面。測定Sn的實驗方法，一般可歸納為靜力法和動力法兩類。（一）、靜力法測定Sn1、管子法靜力法中最直觀的方法是常用的管子法，測定時，用電影攝影機攝下火焰面移動的照片，已知膠片走動的速度和影與實物的轉換的比例，就可算出可見火焰?zhèn)鞑ニ俣萐v。在這種情況下，底片上留下的是傾斜的跡印，根據(jù)傾斜角可以確定任何瞬間的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。?3頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六圖2-21用靜力法(管子法)測定Sn的儀器1—玻璃管；2—閥門；3—火花點火器；4—裝有惰性氣體的容器三、法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定由于燃燒時氣流的紊動，焰面通常不是一個垂直于管子軸線的平面，而是一個曲面。設F為火焰表面積，f為管子截面積，可得Svf=SnFSv>Sn。管徑越大，紊動越強烈，焰面彎曲度越大，Sv與Sn的差值也越大。第34頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六三、法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定管徑越大，管壁散熱對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懺叫。缪婷娌话l(fā)生皺曲，則隨著管徑的增大火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙?，并趨向于極限值Sn。但實際上管徑增大時焰面要發(fā)生皺曲。管徑越大，焰面皺曲越烈，因而Sv值隨管徑的增加而不斷上升。當管徑小到某一極限值時，向管壁的散熱大到火焰無法傳播的程度，這時的管徑稱為臨界直徑dc。臨界直徑在工程上是有意義的，可利用孔徑小于臨界直徑值的金屬網(wǎng)制止火焰通過。圖2-22火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c管徑的關系第35頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六圖2-23管子法測得的可見火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c燃氣空氣混合物成分的關系(d=25.4mm)l—氫；2—水煤氣；3—一氧化碳；4—乙烯；5—煉焦煤氣；6—乙烷；7—甲烷；8—高壓富氧化煤氣第36頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六三、法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定2、皂泡法將已知成分的可燃均勻混合氣注入皂泡中，再在中心用電點火化點燃中心部分的混合氣，形成的火焰面能自由傳播(氣體可自由膨脹)，在不同時間間隔出現(xiàn)半徑不同的球狀焰面。用光學方法測量皂泡起始半徑和膨脹后的半徑，以及相應焰面之間的時間間隔。即可計算得火焰?zhèn)鞑ニ俣?。這種方法的主要缺點是肥皂液蒸發(fā)對混合氣濕度的影響。某些碳氫燃料對皂泡膜的滲透性、皂泡球狀焰面的曲率變化以及紊流脈動等因素，都會給測定結果帶來誤差。另一種類似的方法是球形炸彈法。球彈中可燃混合氣點燃后火焰擴散時其內(nèi)部壓力逐步升高。根據(jù)記錄的壓力變化和球狀焰面的尺寸，可算得火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

第37頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六三、法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定（二）、動力法測定Sn1、本生火焰法圖本生火焰由內(nèi)錐和外錐兩層焰面組成，內(nèi)錐面由燃氣與預先混合的空氣進行燃燒反應而形成的，靜止的內(nèi)錐焰面說明了內(nèi)錐表面上各點的Sn(指向錐體內(nèi)部)與該點氣流的法向分速度υn是平衡的。內(nèi)錐面上每一點的速度存在以下關系。圖2-24本生火焰示意圖1—內(nèi)錐面；2—外錐面第38頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六三、法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定如氣體出口速度分布均勻，則可假定內(nèi)錐為一幾何正錐體，并認為內(nèi)錐焰面上各點的Sn均相等。這樣，便可測得法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄?，且具有足夠的準確性。

當混合氣出流穩(wěn)定時，按連續(xù)方程有

式中F0——燃燒器出口截面積；υm——燃氣-空氣混合物在燃燒器出口處的平均流速；Sn——平均法向火焰?zhèn)鞑ニ俣龋籉f——火焰的內(nèi)錐表面積。再設內(nèi)錐為一底半徑是r高度為h的正錐體，只要準確測得氣體流量和火焰內(nèi)錐高度，便可按下式求得法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?9頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六三、法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定有關火焰中氣流速度比較精確的測量方法簡要介紹如下。(1)顆粒示蹤法它是在可燃混合氣中摻入一種既能閃光、又不會引起化學反應的細小物質顆粒，并連續(xù)加以頻閃照射。對頻閃照射的粒子進行拍攝，可據(jù)此確定氣流的流線譜。根據(jù)示蹤間歇的距離和頻閃速度，可以計算得顆粒在氣流中的運動速度。示蹤顆粒運動是與氣體質點運動同步的，顆粒速度即代表該處氣流速度。(2)激光測速法激光測速的基本原理是利用光學多普勒效應。當一束激光照射到流體中跟隨一起運動的微粒上時，激光被運動著的微粒所散射，散射光的頻率和入射光的頻率相比較，就會產(chǎn)生一個與微粒運動速度成正比的頻率偏移。第40頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六圖2-25通過火焰內(nèi)錐的流線分布情況圖2-26法向火焰?zhèn)鞑ニ俣妊厝紵鹘孛娴姆植嫉?1頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六三、法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定2、平面火焰法Powling燃燒器和Mache-Hebra噴嘴可提供平面和盤狀火焰，此類火焰的面積比較容易精確測量?？扇季鶆蚧旌蠚膺M入直徑較大的圓管，通過裝在管口的多孔板或蜂窩格及整流網(wǎng)等，形成出口平面處速度的均勻分布。點燃混合氣，即可在管口下游一定位置形成一平面火焰。管口四周用惰性氣體將火焰包圍，用以限定火焰面的大小。只要準確測得火焰平面的面積和混合氣流量，即可求得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?Sn=Lmix／Ff)。此法的優(yōu)點是火焰的發(fā)光區(qū)、濃度梯度最大處等都重疊在同一平面上，因而用不同方法測量結果是一致的。氣流速度(即火焰?zhèn)鞑ニ俣?也可用顆粒跟蹤方法或激光測速法測定。第42頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六圖2-20Powling燃燒器圖2-21不同方法Sn測定值的比較l—錐形火焰；2—平面火焰；3—Powling火焰第43頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六四、影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩赝ㄟ^分析火焰?zhèn)鞑ニ俣裙?，可以定性地了解到可燃混合氣的初溫、壓力、燃氣濃度及熱值等物理化學參數(shù)對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?.混合氣比例的影響燃氣-空氣混合物中，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c混合物內(nèi)的燃氣含量直接有關。燃氣和空氣的混合比例變化時，Sn也隨之變化。由圖2-22可見，所有單一燃氣或混合燃氣的Sn值隨混合物中燃氣含量變化的曲線均呈倒U形，中間最大，兩側變小直至最小值，接近于最小值的含量即為混合物著火濃度的上限和下限。當混合物中的燃氣含量低于下限或高于上限時，由于反應釋放熱量不足而使火焰?zhèn)鞑ネＶ?。實驗觀測表明，以空氣作為氧化劑時，最大值Sn是在燃氣含量略高于化學計量比時出現(xiàn)的。其原因是當混合物中燃氣含量略高時，火焰中H、OH等自由基的濃度較大，鏈反應的斷鏈率較小所致。對于大多數(shù)火焰，當混合比接近于化學計量比時，火焰燃燒速度最大，一般認為火焰溫度達到最高時，其傳播速度也最大。第44頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六圖2-22燃氣-空氣混合物的Sn與燃氣含量的關系1—H22—COd—C2H44—C3H65—CH46—C2H67—C3H88—C4H109—煉焦煤氣10—發(fā)生爐煤氣第45頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六2.燃氣性質的影響火焰?zhèn)鞑ニ俣仁紫扰c燃氣的物性有關。從傳熱角度分析，氣體導熱系數(shù)越大，熱量傳遞越快，越有利于燃燒反應，則Sn也越大。(參見圖2-21所示曲線)。碳氫燃料的結構對火焰?zhèn)鞑ニ俣纫灿胁煌挠绊憽Ｓ蓤D2-23曲線可見，對于飽和烴類(CH4除外)，如C2H6、C3H8等，火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀跖c分子中的nc無關，約為70cm/s左右。但對不飽和烴燃料，則火焰速度隨nc的增多而減小，并且在nc<4的范圍內(nèi)，Sn下降很快，但當nc>4時，則Sn又下降緩慢，并逐步趨向于一極限值。這些結果，可用反應活化能不同(含碳多者活化能大)或者反應中離子(如H、O、OH等)的擴散速度不同來解釋。實驗結果還表明，隨著燃料分子量的增大，火焰?zhèn)鞑シ秶苍絹碓叫　Ｒ驗槿剂戏肿恿吭龃?，混合氣總分子量也變大，使得混合氣密度增大，由原理上分析得出的火焰?zhèn)鞑O限值減小(參見圖2-22)。第46頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六圖2-23

與燃料分子中碳原子數(shù)nc的關系第47頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六3.溫度的影響(1)混合物初始溫度的影響由燃燒熱平衡條件可知，混合物起始溫度的提高，將導致反應溫度的上升，燃燒反應速率加快，從而使火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?。歸納實驗結果表明，火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n隨初始溫度T0的變化規(guī)律大致為

(2)火焰溫度的影響火焰溫度對Sn的影響較為復雜。溫度不太高時，Sn隨火焰溫度的增加主要表現(xiàn)為指數(shù)關系，因而影響很大?？梢哉J為，對Sn起決定作用的是火焰溫度。當超過2500℃時，火焰溫度的影響已不符合熱力理論了。因為在高溫下離解反應易于進行，從而使自由基濃度大大增加。作為鏈載體的自由基(活性中心)的擴散，既促進了反應，又增強了火焰?zhèn)鞑?。?8頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六圖2-24火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c混合物初溫的關系1一水煤氣2一煉焦煤氣3一汽油增熱煤氣4一天然氣5一發(fā)生爐煤氣圖2-25火焰溫度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懙?9頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六4.壓力的影響長期以來，許多實驗表明，隨著燃燒時壓力的升高而其他參數(shù)不變時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⒁獪p小。由熱理論分析已知。

對大多數(shù)碳氫燃料的燃燒反應來說，其反應總級數(shù)均小于2。據(jù)上述比例關系式，只有n>2時，Sn才有可能隨壓力的提高而增大，否則Sn將隨壓力的上升而變小。但壓力增加時，燃燒強度明顯增大，即火焰質量傳播速度增大。5.濕度和惰性氣體的影響在單一燃氣或可燃混合氣中加入添加氣時可以增大或減小火焰?zhèn)鞑ニ俣?。大多?shù)添加氣或是改變混合氣的物理性質(如導熱系數(shù))，或是起催化作用。例如，CO燃燒時加入很少量添加氣，由于反應加快而使火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著增大。圖2-26可以看出，當混合氣中水蒸氣含量為2.3%時，最高Sn可達52cm/s，比干氣燃燒時高出一倍多。在混合氣中以惰性氣體N2、Cl（氯）、He（氦）和CO2等代替O2，從而改變氧化劑中O2的濃度，視其含量不同對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔胁煌挠绊?。一般來說，加入惰性氣體(或降低O2的濃度)，將使燃燒溫度大大下降，從而降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣?。但是不同惰性氣體的影響可能是相互矛盾的。圖2-27所示為N2含量不同時CH4-O2混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓囊幌盗星€。第50頁，共57頁，2023年，2月20日，星期六圖2-26C0-空氣混合氣火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c加入水蒸氣量的關系圖2-27N2含量對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?預混氣：CH4+O2)1一1.5%N2+98.5%O2；2一20%N2+80%O2；3一40%N2+60%O2；4一6