1、第第五五章章 气体燃料燃烧气体燃料燃烧 5.1 着火基本原理5.2 火焰传播5.3 扩散火焰和预混火焰5.4 气体燃料燃烧时的火焰稳定措施5.5 气体燃料火焰长度 1燃烧过程是包括发光放热的化学反应，故存在两个最基本的阶段：着火阶段、着火后燃烧阶段。着火着火定义：定义：燃料和氧化剂混合后，由无化学反燃料和氧化剂混合后，由无化学反应（从缓慢的氧化反应）向稳定的强烈放热状应（从缓慢的氧化反应）向稳定的强烈放热状态的过渡过程。态的过渡过程。热着火热着火链式着火链式着火2热着火：热着火：可燃混合物由于本身氧化反应放热大于散热，或由于外部热源加热，温度不断升高导致化学反应不断自动加速，积累更多能量最终导
2、致着火。大多数气体燃料着火特性符合热着火的特征。链式着火链式着火：由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中心产生速率大于销毁速率时，导致化学反应速度不断加速，最终导致着火。某些低压下着火实验（如 H2+O2，CO+O2的着火）和低温下的“冷焰”现象符合链式着火的特征。35 5.1.1 着火基本原理着火基本原理 热着火过程与链式着火过程区别热着火通常比链式着火过程强烈得多。热着火过程热着火过程：温度升高引发的，将使得系统中整体的分子动能增加，超过活化能的活化分子数按指数规律增加。导致 燃烧反应自动加速。链式着火过程链式着火过程：主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的，由于活化中心会被销毁，
3、所以链式着火通常局限在活化中心的繁殖速率大于销毁速率的区域，而不引起整个系统的温度大幅度增加，形成“冷焰”。但是，如果活化中心能够在整个系统内加速繁殖并引起系统能量的整体增加，就形成爆炸。一个完善的燃烧过程应是：及时着火，稳定燃一个完善的燃烧过程应是：及时着火，稳定燃烧，充分燃尽烧，充分燃尽 4热着火过程分两类自燃自燃：自发的着火，依靠系统自身化学反应的放热来维持系统的升温。强燃强燃：强迫着火，借助外部能量（固壁、火花塞），使其局部着火，然后火焰传播到整个可燃混合物中。5零元系统：容器内可燃气体混合物的成分、温度与压力是均匀的，也称强烈掺混模型。5.1.1 自燃自燃一、由热平衡的角度分析 6产
4、热（单位时间）：产热（单位时间）：C可燃混合物中反应物浓度可燃混合物中反应物浓度n反应级数反应级数V容器体积容器体积Q可燃混合物的燃烧热可燃混合物的燃烧热T温度温度 10exp()nEQkCV QRT散热：散热：20()QSTT散热系数散热系数 S容器壁散热面积容器壁散热面积 T0容器壁温度容器壁温度 T容器内可燃混合物温度容器内可燃混合物温度热平衡7QTABCT0T0T0TljQ2Q2Q2Q1产热：产热：10exp()nEQkCV QRT散热：散热：20()QSTT8 两个交点：A点，稳定，但其温度绝对值太低，熄灭状态;C点，不稳定，脉动燃烧 or 熄灭 线：Q1Q2，没交点，着火 线：Q1
5、Q2，一个切点 切点B不稳定，有波动要么回到B点，要么着火 B：着火临界点 9由切点的数学条件得着火临界条件 002exp()exp()(exp()nljljljljEEk CV QASTTRTRTEEASRTRT）解方程得：解方程得：01 422ljTEETRRRE（另一根舍去）（另一根舍去）05001000TK80400/EkJ mol8.314/RJ mol 01 4TRE20001 41 22TRTR TR22EEE所以：将所以：将展开，忽略高次项，展开，忽略高次项，2112QQdQdQdTdT10两种着火温度的定义0039.5ljRTTT2EljzhTT0zhTT区别不大区别不大 影
6、响因素：影响因素：有利着火有利着火燃料活性强（燃料活性强（E小或小或k0大）易着火大）易着火T0 容易着火容易着火01000TK210/EkJ mol定义一：定义一：T0II定义二：定义二：Tlj11、不至于着火情况着火，在Tlj时，温度拐点，孕育时间Tyu如果系统初温升高是有利于着火，孕育时间缩短（V线）。（为Tyu,可以提高初温）二、自燃过程温度变化TTljTyu12一些燃料空气混合物大气压下着火温度(1)名称分子式着火温度氢H2530590一氧化碳CO644658甲烷CH4658750乙烷C2H6520630乙烯C2H4542547乙炔C2H2406480苯C6H6580740航空汽油3
7、90685原油360367重油336煤油250609木柴250350烟煤200500无烟煤600700焦炭70013烷、烯、炔的着火温度是烷烃最高（为饱和烃，所以活性低）炔烃最低（三价键不饱和烃，活性最强）液体燃料着火温度一般小于气体燃料着火温度。注意，这里说的着火温度是自燃的着火温度固体燃料中挥发分高的着火温度低，无烟煤、焦炭挥发分很少，所以温度最高。褐煤煤场、油炉空气预热器上积的油、制粉系统的积粉等等，在通风不良（散热Q2很小时），经相当长时间孕育，可燃物浓度达到着火限时，在低于室温的情况下，也会自燃着火。着火温度与燃料空气混合物的浓度有关；通常用过量空气系数来表示14T 散热增大散热增大
8、自燃温度自燃温度Tzr着火温度与燃料空气混合物的浓度（过量空气系数）的关系自燃范围自燃范围如果温度T和燃料浓度（过量空气系数）配合的点在U形曲线以上的区域，则会发生自燃甚至爆炸，称为爆炸区。15特别强调，无论定义Tlj或T0为着火温度Tzh，这个Tzh不是一个物理常数，它是随着着火条件变化而变化的，散热条件增强，则着火温度上升。165.1.2 强迫点燃强迫点燃：用炽热物体使可燃混合物着火常用方法：炽热固壁点燃、电火花或电弧点燃常用方法：炽热固壁点燃、电火花或电弧点燃（汽油发动机）、火焰点燃、自燃方法点燃（柴（汽油发动机）、火焰点燃、自燃方法点燃（柴油机中的压缩的点燃）。油机中的压缩的点燃）。炽
9、热物体向周围可燃混合气散热，在边界层中可燃混合炽热物体向周围可燃混合气散热，在边界层中可燃混合物由于温度升高而进行化学反应，反应产热使气体温度物由于温度升高而进行化学反应，反应产热使气体温度不断升高而着火。不断升高而着火。17强迫点燃的热过程 高温火源 向可燃混合物加热 在高物物体边界层中着火 整个可燃混和物点着 反应热量 再加热 18强迫点燃的临界条件：设有温度不同的炽热物体置于静止或低速可燃混合气中（T0），则有以下几种可能性：1.Tw较低，远低于自燃温度，较低，远低于自燃温度，但但TwT0。此时，炽热物体。此时，炽热物体与混合可燃气间由于导热作与混合可燃气间由于导热作用交换热量，仅使得靠
10、近物用交换热量，仅使得靠近物体表面附近的薄层内（热边体表面附近的薄层内（热边界层）的气体温度升高，导界层）的气体温度升高，导致该层内化学反应速度升高、致该层内化学反应速度升高、产热。但不足以点燃主流中产热。但不足以点燃主流中的气体。的气体。TxT0可燃混合物的温度分布（不含化学反应）可燃混合物实际的温度分布（含化学反应）化学反应放热192.如如Tw升高，则上图中实升高，则上图中实线虚线均上升，边界层的温线虚线均上升，边界层的温度分布达到下图所示：此时度分布达到下图所示：此时边界层内，边界层内气体与边界层内，边界层内气体与固壁间已无热交换，可以想固壁间已无热交换，可以想象此时气体边界层会一点点象
11、此时气体边界层会一点点向混合气推进，使混合气向混合气推进，使混合气T升高。这是主流着火的临界升高。这是主流着火的临界条件。条件。TxT0Tqr可燃混合物的温度分布（不含化学反应）可燃混合物实际的温度分布（含化学反应）化学反应放热203.如如Tw进一步升高，边界层进一步升高，边界层内混合气化学反应加速，产内混合气化学反应加速，产热增多，边界层内温度快速热增多，边界层内温度快速上升，高温的边界层将向混上升，高温的边界层将向混合气导热，一层层的混合气合气导热，一层层的混合气化学反应加速，高温区扩大，化学反应加速，高温区扩大，最终整个主流的可燃气着火。最终整个主流的可燃气着火。TxT0Tqr可燃混合物
12、的温度分布（不含化学反应）可燃混合物实际的温度分布（含化学反应）化学反应放热21强燃的临界条件应为：Tw=Tqr此时的壁面温度称为此时的壁面温度称为强燃温度强燃温度n0dTdxTxT0Tqr可燃混合物的温度分布（不含化学反应）可燃混合物实际的温度分布（含化学反应）化学反应放热22平壁强燃温度的求解：设一表面温度为平壁强燃温度的求解：设一表面温度为Tqr的炽的炽热平板置于静止或低速的可燃混合气中，如下热平板置于静止或低速的可燃混合气中，如下图所示，分析边界层内一微元体图所示，分析边界层内一微元体Sdx的能量守的能量守恒：恒：TTqrxRTqr2/EdxT023反应产热反应产热 1dTqSdx 导
13、入热量导入热量导出热量导出热量 21212(dqdTd TqqdxdxSdxdxdx）30exp()ncEqkCQ S dxW Q S dxRT平衡时应有：平衡时应有：q1+q3=q2 TTqrxRTqr2/EdxT024202exp()0nd TEkCQdxRT平衡时：平衡时：q1+q3=q2 222()()2d TdTdTdTdTddxdxdxdx00exp()exp()nnEEkCQ dTk C QdTRTRT对上式乘以对上式乘以dT进行积分进行积分 引入另一假设：设引入另一假设：设C在边界层中均匀分布，边界层内化学反在边界层中均匀分布，边界层内化学反应分布取决于应分布取决于 ，如下图所
14、示，认为边界层内的化学，如下图所示，认为边界层内的化学反应只集中于壁面附近反应只集中于壁面附近Tqr至至 这一薄层内，即这一薄层内，即0123内，内，这一层内的化学反应速度都等于这一层内的化学反应速度都等于T=Tqr时的数值。时的数值。exp()ERT2()qrqrRTTE2()qrqrRTTE25TTqrxRTqr2/EdxT000ljRTTT2E借用自燃中 的概念wexp(-E/RT)2103相当于把蓝色的指数分布曲线转化为红色的折线来分析，蓝色线和红色线包围的面积相等。这个转化，相当于把整个x轴上进行的不均匀的化学反应的热量产出，视作只在RTqr2/E的热边界层内均匀化学反应的热量产出。
15、26分析：exp()qrqrETRT对应qrTTexp()qrER TTexp()lnlnexp()lnexp()()exp()()qrqrqrqrERTEEEEERTR TTRTR TTR TT 111qrqrETRTT级数展开：级数展开：22(1()1()qrqrqrqrETTTRTRTTTE27因此如 时，阿累尼乌斯因子下降 倍，时下降 倍，一般认为，温度下降 后，阿因子已大大减小可忽略其后影响。故可认为化学反应在0123区域，即 之内。2qrRTTE2.78e 27.39e 2qrRTE2()qrqrRTTE 以上讨论是在说明指数曲以上讨论是在说明指数曲线转化成折线的合理性线转化成折线
16、的合理性28 2()qrqrqrRTTTE在在 内积分内积分20()exp()02qrqrTnwTTdTEk C QdTdxRT02exp()qrqrTnwTTk C QdTEdTdxRT 202exp()0nd TEkCQdxRT定积分取定积分取0123面积面积 2exp()qrqrRTERTE290()wqrdTTTdxLNu此外对于此外对于w点以外可燃气无化学反应，该点边界条件应为点以外可燃气无化学反应，该点边界条件应为201202exp()()nqrqrqrTk C QRNuELETTRT由该式可求得由该式可求得Tqr 220exp()()qrqrqrTEmTTRTwexp(-E/RT
17、)210330由 可分析：L，Tqr Nu（气流速度上升，（气流速度上升，散热增大），散热增大），Tqr P（C）,Tqr 、E，Tqr Q,Tqr强燃温度明显高于自燃温度，通常要达到1000以上。201202exp()()nqrqrqrTk C QRNuELETTRT31自燃与强燃的对比：自燃与强燃的对比：自燃强燃条件 Q1=Q2，T=Tqr，过程 自发整个空间，可燃混 合物WC很慢放热 升温多放热再升 温：积蓄达到着火 强制，局部整个空间，用高温物体置于可燃混合 物中，温差热传递，边界层内加热着火温度 着火 原理上 均是化学反应急剧加速的结果 外界温度 有一定限制中，需达到 无要求12dQ
18、dQdTdT0dTdx32T0TzhQ1Q2Tqr220exp()()qrqrqrTENumTTRTL0040ljRTTT2E33几种点燃方式L：热球点火电火花点火热金属块点火辐射能点火电热丝点火热气流点火345 5.2.2 火焰传播火焰传播在可燃混合物中借助于外加能源使其局部着火，而后着火部分向未着火部分输送热量及活性粒子，使之相继着火燃烧，此即火焰传播问题。火焰传播原理：火焰传播原理：火焰前锋内剧烈的燃烧化学反应使其在火焰前锋内剧烈的燃烧化学反应使其在边界上产生了很大的温度和浓度梯度，从而导致了强烈边界上产生了很大的温度和浓度梯度，从而导致了强烈的热质交换。热质交换又引起了邻近的混合气的化
19、学反的热质交换。热质交换又引起了邻近的混合气的化学反应，由此形成了化学反应区在空间的移动，故火焰传播应，由此形成了化学反应区在空间的移动，故火焰传播是一个复杂的物理化学过程。是一个复杂的物理化学过程。35火焰传播的形式火焰传播的形式缓燃（正常传播）：火焰锋面以导热和对流的方式下传热给可燃混合物引起的火焰传播，也可 能 有 辐 射（煤 粉）。传 播 速 度 较 低（13m/s），传播过程稳定。爆燃：绝热压缩引起的火焰传播，是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度升高而引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃气推进，传播速度大于1000m/s。36按气流的流动状况也可分为按气流的流动状况也可分为 层流火
20、焰传播和湍流火焰传播层流火焰定义：火焰锋面在其法线方向相对于新层流火焰定义：火焰锋面在其法线方向相对于新鲜混合气的传播速度。鲜混合气的传播速度。0W 静止气：静止气：cenUUceWU 0nU（火焰峰面固定在某一位置不动）（火焰峰面固定在某一位置不动）5 5.2.1.2.1 层流火焰传播速度层流火焰传播速度u ucece（正常传播速度）（正常传播速度）37平面火焰锋面在可燃混合物中的uce 设：设：锋面与气流速度垂直。锋面与气流速度垂直。w0=uce。W0锋锋面面uce38 认为在To至 范围内wm=0，而在B点至Tlr内反应速度均为一样的，2()lrlrRTTE2()lrlrRTTE0exp
21、()nmlrEwkCRT C：理论燃烧温度时：理论燃烧温度时的可燃份浓度的可燃份浓度 能量方程：能量方程：22md Tw Qdx22md TdTw QdTdx222()()2md TdTdTdTdTddw QdTdxdxdxdx 39控制火焰传播的方程物理意义：热量在传导过程中的源项（或者说增加项）是化学反应的放热。求解的困难：难于积分。另一个问题：怎么和火焰传播速度关联？22md Tw Qdx0exp()nmlrEwkCRT40解决求解的困难：难于积分。在右图中，用红色的范围代替蓝色的范围。用一个线性的函数，代替指数函数。红色区域中的物质近似遵守绝热自燃的规律。0exp()nmlrEwkCR
22、TT0TTlrBwTcrTlr-RTlr2/E41解决另一个问题：怎么和火焰传播速度关联？所有流向锋面的气体在B点之前被加热到温度 ，所需热量为而这部分热量就等于锋面向新鲜燃料的导热量W0=uceT0 xTlrs锋锋面面B2()lrlrRTTE22000()()lrlrplrceplrRTRTwCTTuCTTEE42从B点 至Tlr积分2()ljlrrTTE2()lrlrrTTE22()()022lrTBBdTdTddxdx对对Tlr点点 0dTdxBdTdx：气体自：气体自T0升温升温至 所需热量等于在B点导热量 2()lrlrRTTE200()()lrBplrRTdTwCTTdxE0cew
23、u0()ceBlrudTTTdxa220022()lrTmlrcemlrplrBQwRTaQauw dTTTCTTE 43燃尽时间：0()plrrjmC TTw Qcerjau火焰锋面厚度火焰锋面厚度及可燃混合物升温预热区厚度及可燃混合物升温预热区厚度S 2lrlrRTTTE()Tf xS定义为定义为在 点做 的切线，切线与 T=Tlr与T=T0交点间距离 0()lrceBTTaSdTudx 02()lrlrcerjlrTRTuSTTE通常通常S，一般，一般2101/1mmceum s 44影响因素：1、燃料特性：1()cepauaaC QucenmcemwuwP（E，T)ceuP 1(2)2
24、nceuP 452.过量空气系数：理论燃烧温度：理论燃烧温度：在在=1时最高时最高 空气多 燃料多11lrceQTu放，ceu 实验证明实验证明 且小于且小于1时，时，146着火浓度限（体积）H2474.2CO12.473.8CH44.614.6乙烯2.7528.6乙炔2.580473.可燃气初温 0lrceTTu ceuceu 4.锋面形状，凹，凸，散热多uce决定于燃料的空气混合物的成分和物理化学性质。决定于燃料的空气混合物的成分和物理化学性质。48淬熄距离：淬熄距离：距壁面数距壁面数mm之内地方，壁面温度低，之内地方，壁面温度低，散热强烈，散热强烈，造成火焰无法传播的临界边界厚度，造成火
25、焰无法传播的临界边界厚度的称为淬熄距离。的称为淬熄距离。dTdrceu495 5.2.3.2.3 湍流火焰传播湍流火焰传播 火焰传播速度的数值与变化规律都与层流状态不一样，（但两者基本原理是一致的，都是靠未燃气体和已燃气体之间的热质交换所形成的化学反应区在空间的移动，不过此时湍流运动作用对燃烧过程影响很大）。50 湍流中火焰传播速度要较层流时大得多，很大程度上取决于气流的湍动程度（层流火焰传播速度取决于燃料混合物的物理化学性质）。Re2000tceuu后，2000Re5000Retu，Re5000RetuAB，湍流火焰传播速度湍流火焰传播速度ut管内出口射流管内出口射流51 湍流与层流火焰外观
26、很不相同层流时有一层很薄光滑整齐的外形清晰的火焰锋面层流时有一层很薄光滑整齐的外形清晰的火焰锋面湍流火焰锋面不断抖动，且火焰锋面较厚，轮廊模糊，湍流火焰锋面不断抖动，且火焰锋面较厚，轮廊模糊，锋面曲折，闪动。锋面曲折，闪动。uceutuce52 一、湍流传播的理论湍流传播的理论表面燃烧理论（舍谢尔金）火焰面是层流型的，湍流脉动在一定空间内使燃烧面火焰面是层流型的，湍流脉动在一定空间内使燃烧面弯曲、皱折，乃至破裂，成弯曲、皱折，乃至破裂，成“小岛小岛”状的封闭小块，这状的封闭小块，这样增大了燃烧面积，从而增大了燃烧速度。样增大了燃烧面积，从而增大了燃烧速度。容积燃烧理论 湍流燃烧速度的增加是因为
27、在湍流中热量和活化中湍流燃烧速度的增加是因为在湍流中热量和活化中心湍流转移速度都大大高于层流中同类型的分子迁移速心湍流转移速度都大大高于层流中同类型的分子迁移速率，因而加速了火焰中化学反应，从而提高了实际的法率，因而加速了火焰中化学反应，从而提高了实际的法向燃烧速度。向燃烧速度。53 湍流根据其尺度大小可分为：大尺度湍流运动 小尺度湍流运动2.小尺度湍流小尺度湍流当湍流标尺（混合长度：一个湍流旋涡其当湍流标尺（混合长度：一个湍流旋涡其消失之前运动所经过的距离。混合长度和消失之前运动所经过的距离。混合长度和旋涡本身的尺度是同一数量级的）小于层旋涡本身的尺度是同一数量级的）小于层流火焰锋面厚度时称
28、为小尺度湍动。流火焰锋面厚度时称为小尺度湍动。L 54cewu2300Re层流火焰锋面厚度层流火焰锋面厚度，其中大标尺湍动又按湍流脉动速其中大标尺湍动又按湍流脉动速度大小度大小W分为湍流大尺度强湍动分为湍流大尺度强湍动（）、大尺度弱湍动）、大尺度弱湍动（）。）。ceWuceWu56大尺度弱湍动（L，）cewu 此时，湍流迁移脉动速度较小，尚不能冲破（此时，湍流迁移脉动速度较小，尚不能冲破（）火焰锋面，但火焰锋面已受到扭曲（比小尺度扭曲大），火火焰锋面，但火焰锋面已受到扭曲（比小尺度扭曲大），火焰仍保持一个连续的但已能扭曲、皱折的锋面，向前及向后焰仍保持一个连续的但已能扭曲、皱折的锋面，向前及向
29、后的脉动使锋面凹凸不平，但在凹凸不平的整个火焰锋面上，的脉动使锋面凹凸不平，但在凹凸不平的整个火焰锋面上，各处火焰都以各处火焰都以uce沿该点火焰锋面法线方向未燃一侧推进。每沿该点火焰锋面法线方向未燃一侧推进。每单位时间烧掉的可燃混合物量可由整个火焰锋面平均位置向单位时间烧掉的可燃混合物量可由整个火焰锋面平均位置向前推进计算：前推进计算：Ut*S0,另一方面单位时间烧掉的可燃混合物量另一方面单位时间烧掉的可燃混合物量是是Uce与与S之积。之积。cewu0cetuSu S 57ucesutdhs0ss0hd=2r只要计算出凹凸不平的火焰锋面的曲面面积S与平均火焰位置的平面面积S0之比，就能求出u
30、t/uce58222201)Sr rhhSrr（21()()tcecececeuwwwuuuu展开：展开：2111()28tceceuwuu 因此湍动很弱时，因此湍动很弱时，ceWutuW则由上可得：则由上可得：ceWu对大尺度强湍动而言（对大尺度强湍动而言（ceLWu，）时，如）时，如 ss0hd=2rtceuu594.3ln(1)tceWuWu有研究对有研究对 修正，提出修正，提出tuW60 影响湍流传播速度的是uce（可燃混合物物理化学性质，参数）以及湍流的状态L，W ，W uce，大尺度强，火焰锋面被撕破。，大尺度强，火焰锋面被撕破。ceWuceLwu，ceu615 5.3.3 扩散火
31、焰和预混火焰扩散火焰和预混火焰3.3.1 3.3.1 火焰形式火焰形式扩散火焰：燃料和氧化剂边混合边燃烧，这时由于扩散作用对燃烧起控制作用，又称扩散燃烧。预混火焰：燃料和氧化剂预先混合好，这时化学动力学因素对燃烧起控制作用，亦称动力燃烧。62举举 例例 本生灯：燃料气流进入本生灯后由一喷口流出，引射部分空气（一级空气）预先混合。*如1级空气阀门关死，点燃10k2k1k燃料燃料63n*逐渐增加（煤气逐渐增加（煤气+1K）流动火焰锋面即形成燃烧）流动火焰锋面即形成燃烧一级空气氧烧完，再靠二级空气来燃烧，此时有两个火焰锋面，内（1空气）外（二级空气）预混火焰2k1k燃料燃料64n如如 ，一级空气氧已
32、足够，一级空气氧已足够此时也只有一个内火焰锋面，此时为此时也只有一个内火焰锋面，此时为全预混火焰全预混火焰。11k1k燃料燃料651k11k01k1扩散预混全预混 0 特征只有外火焰面；缺氧，碳黑（冒黑烟）a.燃烧不强烈，火焰无力，T；b.火焰长度长；c.火焰颜色是黄，发光火焰。有内、外火焰面；燃烧强化，温度火焰长度短，半发光火焰，淡兰色。只有内火焰面T，火焰更短，不发光火焰。665.3.2 火焰稳定问题 当当 或当煤气与一级空气预混物流量太大，流或当煤气与一级空气预混物流量太大，流速很高时，火焰将被吹离，后面随之而来的煤气空气速很高时，火焰将被吹离，后面随之而来的煤气空气混合物根本不能着火，
33、该现象称为混合物根本不能着火，该现象称为脱火脱火（吹熄）。（吹熄）。1k1当当 而煤气与而煤气与1级空气预混物流量很小，流速很级空气预混物流量很小，流速很低时，火焰很可能逆流而传播进本生灯，一直烧到本低时，火焰很可能逆流而传播进本生灯，一直烧到本生灯里面的煤气小喷口处，该现象为生灯里面的煤气小喷口处，该现象为回火回火。1k067Wn为为 在法向分量：在法向分量：w 脱火、回火的本质在于火焰传播速度与气流速度大小的问题。ceuw回火回火 ceuw脱火脱火 cenuwcenuw回火回火脱火脱火wmwnucew68本生灯的火焰稳定机理：本生灯出口Re较小一般属层流，火焰锋面以 传播，可燃混合气以W速
34、度前进，合成速度的结果就是形成了的圆锥面。这也称为余弦定律。ceucosncewwu w越大，越大，越大，越大，就越小，火焰瘦长就越小，火焰瘦长 90wwnucelhy69 的存在使得火焰锋面上质点沿a-b方向移动，为使火焰稳定，当质点由a移至b时，必须有另一质点补充上来。因此在接近火炬根部的焰锋表面上，必须存在一固定的点火源（不断点燃火焰根部附近的可燃气体以补充被气流带走的质点）。此即圆锥面火焰锋面的策源，底部四周一圈环形火焰锋面点火环。mw点火环的存在是由于燃料混合物喷出本生灯后在边缘上速度点火环的存在是由于燃料混合物喷出本生灯后在边缘上速度很低，有一些地方射流速度正好等于很低，有一些地方
35、射流速度正好等于Uce，即形成了点火环。，即形成了点火环。ba70 脱火：各处均为cewuceuw回火：w很小，火焰逆流传播，而成回火uceO1234wOuceO123wO火焰稳定OABCDuceO12345w71的大小对于火焰稳定与否有很大影响 1k 在在 略小于略小于1时最大，但时最大，但1时火焰稳定区不时火焰稳定区不宽，尤其当宽，尤其当1时更窄。时更窄。ceu721kw0.41.01.4黄黄色色火火焰焰区区稳定区稳定区脱火区脱火区回火区回火区当1K=0，纯扩散火焰，不可能回火，因为管道中没有氧气，火焰传播速度为0。也不易脱火，因为，随着燃料在环境中的扩散，与氧气混合，火焰传播速度上升，而
36、流速却在扩散过程中不断下降，很容易出现火焰稳定点。火焰极为稳定，但化学不完全燃烧损失大。731kw0.41.01.4黄黄色色火火焰焰区区稳定区稳定区脱火区脱火区回火区回火区1K=0.40.7，稳定区域很大，运行较为可靠。混合物中火焰传播速度很低，不容易回火。与纯扩散火焰类似，随着燃料在环境中的扩散，与氧气混合，火焰传播速度上升，而流速却在扩散过程中不断下降，很容易出现火焰稳定点。10k 1K太小时，气体中烃缺氧，发生高温裂解，产生炭黑，火焰呈明亮黄色，发光火焰，黑度大，有利于炉内传热。741kw0.41.01.4黄黄色色火火焰焰区区稳定区稳定区脱火区脱火区回火区回火区 1K1时，既容易回火，也
37、容易脱火，火焰很不稳定。火焰传播速度很快，管道内供氧充分，很容易回火。混合气流离开喷嘴以后，火焰传播速度不断下降，虽然流速也不断下降，但是，火焰传播速度的下降更快，很容易脱火。10k75扩散预混合全予混燃烧不强，燃烧强烈不可能回火 ，防止回火既可能回火 ,w也不易脱火有 ，w存在脱火可能也可能脱火ceTu10k101kceT u 1k11.0k小小 结结76典型的火焰形状5mm喷嘴 H2:CO:NG=1:1:3 =0 =0.5 =0.6 =0.7 =0.8 =0.9 =1.0 =1.177液体燃料的火焰（例如酒精灯）灯芯酒精受热蒸发酒 精 蒸汽 卷 吸空 气，形 成 部分 预 混火焰内焰外焰焰
38、心78乙醇燃料的消耗有分解和脱氢两种途径；可以将燃烧产物CO明显产生的时刻做为判断乙醇燃烧着火的始点。所以，乙醇的燃烧随氧量的不同，可能有几个锋面出现。79液体燃料的火焰（例如酒精灯）正常使用的酒精灯火焰应分为焰心、内焰和外焰三部分。近年来的研究表明：酒精灯火焰温度的高低顺序为：内焰外焰焰心。一般认为酒精灯的外焰温度最高，其原因是酒精蒸汽在外焰燃烧最充分；同时由于外焰与外界大气充分接触，燃烧时与环境的能量交换最容易，热量散失最多，致使外焰温度低于内焰。实际上，和供氧的状况以及整体的热平衡有很大的关系。805 5.4.4 气体燃料燃烧时的火焰稳定措施气体燃料燃烧时的火焰稳定措施防止回火防止脱火
39、稳定火焰稳定火焰cewu根本条件是保证：根本条件是保证：81一、防止回火采用喉口设计：加装收缩段；直径变小采用喉口设计：加装收缩段；直径变小使用冷却装置：降低混合物温度，从而使用冷却装置：降低混合物温度，从而降低火焰传播速度，甚至直接淬熄火焰。降低火焰传播速度，甚至直接淬熄火焰。防止回火防止回火w82二、防止脱火防止加稳焰器使用钝体或者旋流，形成中心回流区，起到稳定点火源的作用11.0k稳焰方法：稳焰方法：利用钝体，旋转射流稳焰，利用逆向利用钝体，旋转射流稳焰，利用逆向喷流稳焰，等等。喷流稳焰，等等。83钝体稳焰的第一个原理:绕流钝体时会出现有回流区，回流区由于吸入大量高温烟气，使燃烧反应物温
40、度升高，在区内某处实现了着火条件，产生了稳定的着火。二、采用钝体后回流区稳焰二、采用钝体后回流区稳焰84钝体稳焰的第二个原理：钝体后方，燃料与空气混合物射流的主流区域中，存在从高速到负流速的分布区域，很容易形成 的条件 d 2 3 4 1 R0 R1 a b c 最大速度线，在此线上0dwdr 0 速度线，也就是回流区边界线 cewu85三、其它稳焰方法三、其它稳焰方法 小型点火焰 在流速较高的预混可燃主气流附在流速较高的预混可燃主气流附近放置一个流速较低的稳定的小近放置一个流速较低的稳定的小型点火焰（值班火焰）型点火焰（值班火焰）反吹射流稳定火焰反吹射流稳定火焰反吹射流引起中心回流区，流场减
41、速，且具有高温（下游烟反吹射流引起中心回流区，流场减速，且具有高温（下游烟气，未燃尽可燃物，反吹空气等组成回流区）气，未燃尽可燃物，反吹空气等组成回流区）86 旋转射流稳焰旋转射流稳焰利用强烈的旋转气流产生强大的高温利用强烈的旋转气流产生强大的高温回流区，强化燃料着火，加速燃料空回流区，强化燃料着火，加速燃料空气混合气混合 稳焰环稳焰环87齿形环的工作机理 88小小 结结稳焰方法 防止回火防止回火 喉口，冷却喉口，冷却防止脱火防止脱火控制控制，钝体，旋流，稳焰环钝体，旋流，稳焰环 其它稳焰方法其它稳焰方法 小型点火焰小型点火焰 反向射流稳定火焰反向射流稳定火焰 旋转射流稳焰旋转射流稳焰 燃烧室
42、壁凹槽稳定火焰燃烧室壁凹槽稳定火焰 流线型物体稳焰流线型物体稳焰 895 5.5.5 气体燃料火焰长度气体燃料火焰长度预混火焰的长度：预混火焰的长度：主要决定于火焰锋面在湍流气流中的传播速度。主要决定于火焰锋面在湍流气流中的传播速度。hyl层预燃烧器直径气流流速 l hy湍预湍预还与还与w、混合长度等有关、混合长度等有关 90一、湍流扩散火焰长度 00.70(1)0.29hyRlnaR0：射流喷口半径：射流喷口半径 a：湍流结构系数：湍流结构系数 n：煤气和空气化学计量比：煤气和空气化学计量比二、二、层流层流 2hywdlD91影响火焰长度因素：n气流流速气流流速wn喷口直径喷口直径dn扩散系
43、数扩散系数D（湍流的（湍流的n过量空气系数影响过量空气系数影响tDwd）=1.01.5，越大，火焰长度相对短一些越大，火焰长度相对短一些92甲烷燃烧 层流扩散火焰 湍流扩散火焰 湍流预混火焰93本章总结理解燃烧分析的最基本两大要素：燃烧产热与系统热平衡热自燃的基本原理：化学反应放热大于系统散热，从而使系统积累热量，自发升温。强迫点燃：外热源供热+系统产热=对流散热也必须能使得系统能自发升温。归纳起来，凡是利于外热源供热的因素（加长L），反应放热增加的因素（E，Q，T0等），系统散热减弱的因素（Nu）都能使得Tqr94本章总结火焰传播：本质上是火焰前锋对新鲜燃料的强迫点燃过程。影响火焰传播速度的因素，归纳为：传热因素（a，uce），放热因素（wm或Q uce）。一般在略小于1时，uce最大。湍流火焰传播：可以转化为层流火焰传播来分析。扩散与预混火焰：主要的指标是。95本章总结必须理解层流火焰传播速度的测量原理！脱火与回火问题：本质上是气流速度w与火焰传播速度uce的大小关系问题。防止回火：喉口（提高流速），冷却。防止脱火：控制，钝体，旋流，稳焰环火焰长度问题：火焰锋面在湍流气流中的传播速度问题。96
