1、西安交通大学能源与动力工程学院1第四章第四章 着火理论着火理论4.1着火的基本概念4.2热自燃理论4.3链式自燃理论4.4强迫点燃理论4.5火焰传播4.6燃烧热工况西安交通大学能源与动力工程学院2燃烧过程是发光放热的化学反应过程，存在两个最基本的阶段：着火阶段、着火后燃烧阶段。反应的引发剧烈反应的加速过程燃烧阶段着火阶段（孕育期）西安交通大学能源与动力工程学院33.1 3.1 着火的基本概念着火的基本概念着火的定义：着火的定义：燃料和氧化剂混合后，由无化学反应、燃料和氧化剂混合后，由无化学反应、缓慢的化学反应向稳定的强烈放热状态的过渡过程，缓慢的化学反应向稳定的强烈放热状态的过渡过程，最终在某
2、个瞬间在空间中某个最终在某个瞬间在空间中某个部分出现火焰。部分出现火焰。一、着火过程一、着火过程着火过程着火过程：是化学反应的速度出现跃变的临界过程，是化学反应的速度出现跃变的临界过程，即化学反应从低速状态在短时间内加速到极高速的即化学反应从低速状态在短时间内加速到极高速的状态。状态。热着火热着火链式着火链式着火西安交通大学能源与动力工程学院4影响着火的因素化学动力学因素传热学因素例如：例如：燃料的性质；燃料的性质；燃料与氧化剂的混合比例；燃料与氧化剂的混合比例；环境的压力与温度；环境的压力与温度；气流的速度；气流的速度；燃烧室的尺寸；燃烧室的尺寸；保温情况等。保温情况等。二、着火方式与机理二
3、、着火方式与机理西安交通大学能源与动力工程学院5n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致着火。大多数气体燃料着火特性符合热着火的特征。分为：n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，在分枝链式反应的作用下，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。热自燃热自燃强迫点燃强迫点燃西安交通大学能源与动力工程学院6热着火过程与链式着火过程的对比西安交通大学能源与动
4、力工程学院7n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：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：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，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，稳定燃烧，充分燃尽一个完善的燃烧过程应是：及时着火，稳定燃烧，充分燃尽 需要指出的是，上述着火方式的分类
5、不能十分准确地反应它们之间的联系和差别。实际燃烧过程中不可能有单纯的热着火或单纯的链式着火的情况，而往往是同时存在的，且相互促进。一般来说，在高温下，热自燃是着火的主要原因，而在低温下，链式自燃则是着火的主要原因。而热自燃与强迫点燃的差别只是整体加热与局部加热的不同。因此，重要的是掌握各种着火方式的实质。西安交通大学能源与动力工程学院8三、着火条件的数学描述三、着火条件的数学描述西安交通大学能源与动力工程学院9着火条件初始条件初始温度初始浓度边界条件系统的散热物质的交换情况内部条件系统内物质的反应特性着火条件应具备两个基本的效果：着火条件应具备两个基本的效果：（1）能够使得系统的化学反应速度自
6、动地、持续地加速，直到达到一个较高的化学反应速度。（2）实际的化学反应的速度不会趋于无穷大，而最终会到达某个有限的数值，且在这个有限的化学反应速度的数值下，系统在空间中存在剧烈发光发热（也就是燃烧）的现象。西安交通大学能源与动力工程学院10着火是对系统的初态而言的，它的临界性质不能错误地解释为化学反应速度随温度的变化有突跃的性质。西安交通大学能源与动力工程学院11着火过程的外部标志温度不是反应进行的温度，而是系统的初始温度。西安交通大学能源与动力工程学院12着火条件不是一个简单的初始条件，而是化学动力参数和传热学参数的综合函数。如：对于一定种类的可燃预混合气而言，在闭口系统条件下，着火条件可由
7、下列函数关系来表示：0(,)0gf Tp d w在开口系统的情况下，着火的临界边界条件经常用着火距离 xi表示，这时其着火条件可以表示为如下的综合函数关系式：0(,)0igf x Tp d wT0预混合气的初温；对流换热系数；p预混合气的压力；d容器直径；wg环境气流速度。3.2 3.2 热自燃理论热自燃理论一、热自燃条件一、热自燃条件以封闭容器内可燃物质的着火过程为例，来分析热自燃问题。西安交通大学能源与动力工程学院13热自燃简化模型为使问题简化，作如下假设：1.只有热反应，不存在链式反应；2.容器的体积V和表面积F为定值；3.容器内的参数（如温度浓度等）处处相同；4.容器与环境之间仅存在对
8、流换热，为定值；可燃物质的反应热Q为定值；1.在整个着火过程中，可燃物质浓度变化很小，视作不变；2.反应开始时，系统温度和容器壁温与环境温度T0相同；3.反应过程中，系统的温度为T，容器壁温与可燃物质温度相同，均为T。；一、热自燃条件一、热自燃条件西安交通大学能源与动力工程学院14单位时间内容器内可燃物质化学反应的放热量qf：fqwQVw化学反应速度；Q单位体积内可燃物质的反应热；V容器的容积。c可燃物质总体反应的反应级数；n可燃物质总反应的反应级数；E可燃物质总体反应的活化能；k0频率因子。0EnnRTwkck ec0EnRTfqVQk c e西安交通大学能源与动力工程学院15单位时间内容器
9、壁对环境的散热量qs为：0()sqF TT单位时间内容器内积累的热量qL为：LvdTqC Vdt由能量守恒定律：由能量守恒定律：Lfsqqq00()EnRTvdTC VVQk c eF TTdtCv单位体积内可燃物质的定容比热。西安交通大学能源与动力工程学院16热自燃中的热量平衡关系环境温度 qf,qs T T01 T03 T02 A B C qf qs q TA TC TB T01 T03 T02 T 西安交通大学能源与动力工程学院17两个交点：A点，稳定，但反应不会自动加速而着火;B点，不稳定，脉动燃烧 or 熄灭。无交点：qfqs，系统内能量积累，可燃物温度不断提高着火。一个交点：qf
10、qs，一个切点。切点C不稳定，有波动要么回到C点，要么着火。C点热自燃点；Tc热自燃温度。影响热自燃的因素：影响热自燃的因素：西安交通大学能源与动力工程学院181.对流换热系数：，散热直线qs的斜率，qs直线将以横轴上T0点为轴心向右转动，与qf相切，自燃。2.散热面积F：F，与减小对流换热系数效果相同。3.可燃物浓度c：c p，放热曲线qf向左上方移动，与散热直线qs相切，自燃。自燃的充分必要条件自燃的充分必要条件：西安交通大学能源与动力工程学院19不仅放热量和散热量要相等，而且两者随温度的变化率也要相等。|CCfT Ts T Tqq|CCfST TT TdqdqdTdT数学描述：二、热自燃
11、温度二、热自燃温度西安交通大学能源与动力工程学院200EnRTfqVQk c e0()sqF TT|CCfT Ts T Tqq由由00CERTnCVQk c eF TT|CCfST TT TdqdqdTdT02CERTnCEVQk c eFRT2CEVQwFRT或或将上两式作比得：将上两式作比得：200CCRTTTE西安交通大学能源与动力工程学院21解方程得解方程得：04112CRTETRE（另一根舍去）（另一根舍去）200CCRTTTE谢苗诺夫公式谢苗诺夫公式0500 1000TK80 400/EkJ mol8.314/RJ mol041RTE 所以：将所以：将展开，忽略高次项，展开，忽略高
12、次项，014RTE2000411 22RTRTRTEEE 西安交通大学能源与动力工程学院222000411 22RTRTRTEEE 04112CRTETRE200CRTTTE200CCRTTTTE 若E=167.2kJ/mol，T0=1000K，则0050CTTT0CTT表明在着火的情况下，自燃温度在数量上与给定的初始环境温度相差不多。自燃温度的影响因素自燃温度的影响因素西安交通大学能源与动力工程学院23自燃温度TC是和外界条件，如环境温度、容器形状和尺寸以及散热情况等有关的一个参数。例如，对某种可燃物质，当其压力由p1提高到p2时，放热曲线qf1向左上方移动到qf2位置。压力升高，反应加速，
13、自燃温度变低，即TC1TC2，或T02T01。散热条件减弱时(换热系数减小或容器表面积F减小)，散热直线qs1移到qs2位置，自燃温度降低，即TC2TC1，或T02T01。西安交通大学能源与动力工程学院24表表1 某些气体和液体燃料与空气混合物在大气压力的着火温度某些气体和液体燃料与空气混合物在大气压力的着火温度表表2 一些固体燃料的着火温度一些固体燃料的着火温度西安交通大学能源与动力工程学院25高挥发分烟煤低挥发分西安交通大学能源与动力工程学院26n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）。n液体燃料着火温度一般小于气体燃料着火温度。注意，
14、这里说的着火温度是自燃的着火温度。n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，所以着火温度最高。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。n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（实际空气量/符合化学当量比的空气量）来表示三、热自燃界限三、热自燃界限西安交通大学能源与动力工程学院272CEVQwFRT220222()ERTfoxfoxppwkX Xk eX XRTR T20222cERTcfoxccpEVQk eX XFR TRT20341cEfo
15、xcRTcVQk EX XpeFR Tpc-Tc之间的关系：pc，则Tc，混合气体易发生自燃。由由得到热自燃条件：得到热自燃条件：或或二级反应的反应速度自燃的临界压力西安交通大学能源与动力工程学院280CTT0203401EfoxcRTVQk EX XpeFR T023400.ERTcfoxpFReTVQk EX X3200011lnln22cfoxpEFRTR TVQk EX X两边取对数：谢苗诺夫方程令2EAR301ln2foxFRBVQk EX X2001lncpABTT2001lncpTT关系曲线由于谢苗诺夫方程的正确性谢苗诺夫方程的正确性西安交通大学能源与动力工程学院29ClO2分解
16、的自燃界限H2+Cl2的自燃界限西安交通大学能源与动力工程学院30自燃自燃温度还和燃料与氧化剂的混合比相关。温度还和燃料与氧化剂的混合比相关。自燃温度与混合气成分关系临界压力与混合气成分关系P或或T，着火，着火界限缩小。界限缩小。当当P或或T下降到下降到某一值时，着火某一值时，着火界限下降成一点。界限下降成一点。当当P或或T继续继续，则任何混合气成则任何混合气成分都不能着火。分都不能着火。n这些关系这些关系表明表明在一定的在一定的P(或或T)下，并非所有混合气成下，并非所有混合气成分都能着火，而是有一定的摩尔分数范围。超过这一分都能着火，而是有一定的摩尔分数范围。超过这一范围，混合气就不能着火
17、。如在范围，混合气就不能着火。如在T0-x关系曲线关系曲线图和图和pc-x关系曲线关系曲线图中，只有在图中，只有在x1-x2的浓度范围内混合气才可的浓度范围内混合气才可能着火。能着火。n称称x2(即含燃料量多的即含燃料量多的)为上限为上限(或富燃料或富燃料)，称，称x1(即含燃即含燃料量少的料量少的)为下限为下限(或贫燃料或贫燃料)。西安交通大学能源与动力工程学院31西安交通大学能源与动力工程学院3220341cEfoxcRTcVQk EX XpeFR T保持其他参数不变，则有2cVpF常数对直径d的球形容器，则有32/6VdFd2cp d 常数d ，则pc ，从而提高可燃物质的着火性能。四、
18、热自燃孕育时间四、热自燃孕育时间n热自燃孕育时间即为着火孕育期。n直观意义：指可燃物质由可以反应到燃烧出现的一段时间。n定义：在可燃物质已达到着火的条件下，由初始状态到温度骤升的瞬间所需的时间。n定义式：西安交通大学能源与动力工程学院330,cic oCCwC0可燃物质初始摩尔浓度；Cc可燃物质着火时的摩尔浓度；wc,0以摩尔浓度表示的初始反应速度。西安交通大学能源与动力工程学院34曲线I，环境温度T0=T01：qL0，dT/dt0，所以温度T随时间t将不断上升。又有d2T/dt20，所以温度曲线向下凹，T的变化是减速缓慢升高的，最后趋近于极限值TA。曲线，环境温度T0=T02：Tc以前，T变
19、化情况与曲线I类似。Tc以后，由于qL0，dT/dt0，所以T将继续单调上升。但又有d2T/dt20，所以T曲线向上凹。因为这时已经开始燃烧，所以温度的变化是增速升高的。当T=Tc时，dqL/dt=0，温度曲线出现拐点。曲线III，环境温度升高到T0=T03：由于初温升高，着火孕育时间缩短。拐点着火孕育时间着火过程中的温度变化着火孕育时间与温度、压力之间关系着火孕育时间与温度、压力之间关系西安交通大学能源与动力工程学院35假设容器壁对环境没有散热损失，则可燃物质燃烧产生的热全部用于系统升温，因此温度与浓度之间存在着如下关系：00000ccmTTCCTTC0000ccmTTCCCTT即：200c
20、RTTTE0mQTTC代入2000cRT C CCCQETm燃料全部燃烧后燃烧产物的温度。西安交通大学能源与动力工程学院360,cic oCCw将上式代入002221000000,00EnRTiEc oRTnoRT C CRT C CRT C CeQEQEkQEk C e得：两边取对数：2100001lnlnniRT C CEQEkR T在压力和混合气成分保持不变的条件下，可以认为21000lnnRT C CAQEk常数01lniEAR T西安交通大学能源与动力工程学院37代入式将000RTpXC 2100001lnlnniRT C CEQEkR T得2112100000110000001ln
21、ln(1)lnln()()nnninnRT C XpRT C XEEnpQEkRTR TQEkRTRT在温度和混合气成分不变时可以认为21001000ln()nnRT C XEBQEkRTRT常数ln(1)lninpBn大量的热自燃的实验证明，着火孕育期和温度的关系确实可以整理成lni和1/T0的直线关系。西安交通大学能源与动力工程学院38气流中自燃的着火延气流中自燃的着火延迟和温度的关系迟和温度的关系预混合气：空气燃预混合气：空气燃料料(Calor gas)n同样，同样，lni与与lnp也是直线关系。也是直线关系。西安交通大学能源与动力工程学院39(a)煤油；(b)Calor gas；(c)
22、乙炔；(d)甲烷着火延迟与压力的关系 某些燃料与空气反应的活化能某些燃料与空气反应的活化能西安交通大学能源与动力工程学院40c1环己烷已修改注意：注意：着火温度范围内求得的活化能一般不同于火焰传播着火温度范围内求得的活化能一般不同于火焰传播(即燃即燃烧烧)条件下所得到的活化能。条件下所得到的活化能。3.3 3.3 链式自燃理论链式自燃理论一、链式自燃与热自燃西安交通大学能源与动力工程学院41着火的热自燃理论认为热自燃发生是由于在感应期内化学反应的结果使热量不断积累，从而导致反应速度的自动加速。热自燃理论可以解释很多着火现象。如图所示的一氧化碳着火浓度界限的实验结果从一个方面说明了热自燃理论的正
23、确性。CO着火界限n但是也有很多现象和实验结果，用热自燃理论是无法解释的。有一些可燃混合气在低压下，其着火的临界压力与温度的关系曲线也不像热自燃理论所论述的那样，即单调地下降且只有一个着火界限，而是着火界限呈半岛形，且有2个或3个，甚至更多的着火界限。西安交通大学能源与动力工程学院42H2+O2的着火界限西安交通大学能源与动力工程学院43CH4+O2的着火界限 乙烷+空气的着火界限三个着火界限有些反应在高压区有多个着火界限出现。这些实验结果表明，着火并非在所有情况下都是由于放热的积累引起的。链式自燃理论有可能解释其中的一部分现象。二、链式自燃条件二、链式自燃条件n链式自燃理论认为，使反应自动加
24、速并不一定需要热量积累，而可以通过链的不断分枝来迅速增加链载体的数量，从而导致反应自动地加速直至着火。西安交通大学能源与动力工程学院44如：氢和氧的链式反应中，反应机理：热运动生成氢原子热运动生成氢原子分子碰撞分子碰撞形成的形成的 链分枝的结果链分枝的结果1个氢原子反应生成3个新的氢原子222323HHOH OH22HMHM链载体销毁过程链载体销毁过程销毁速度与氢原子浓度成正比销毁速度与氢原子浓度成正比西安交通大学能源与动力工程学院45123dnwwwdtw1热的作用而生成链载体的速度；w2由链分枝造成的链载体净增加速度；w3链载体的销毁速度；n链载体的瞬时浓度；g链载体销毁速度系数；f链载体
25、净增加速度系数。链载体随时间的变化为2wfn3wgn西安交通大学能源与动力工程学院461dnwfngndtfg令1dnwndt初始条件为：0,0,tnttnn积分得1(1)twnen以最终产物表示的反应速度为西安交通大学能源与动力工程学院471(1)tafwwafnea为一个链载体参加反应后生成最终产物的分子数，在上述氢和氧反应例子中，消耗1个氢原子将生成3个新的氢原子和2个水分子，所以a值为2。对于不分枝链式反应，对于不分枝链式反应，f0，g。t 11limlim(1)gtttwwnegg链载体浓度为定值，所以不分支链式反应 不会发生着火。n在低温下，分枝链式反应速度很慢，而链中断反应速度却
26、很快，因此0。西安交通大学能源与动力工程学院48t 11limlim(1)tttwwne 110limlim(1)tttafwafwwew 表明这种情况下的反应是稳定的，不会发展成着火。西安交通大学能源与动力工程学院49分枝链式反应过程当当温度温度T 时时，f ，g不变，不变，0，n、w随随t指数指数增大。增大。由于由于w1很小很小，当当ti，链载体增殖，链载体增殖着火。这着火。这种着火方式称为种着火方式称为链式自燃链式自燃，不不稳定。稳定。反应物耗反应物耗尽尽，w fg在某个温度下，可使=0，即链载体增殖速度与销毁速度达到平衡，f=g。则有：西安交通大学能源与动力工程学院5011limlim
27、(1)twnewt11limlim(1)tafwweafwt反应速度w随时间t直线增加，但由于w1很小，所以在这种情况下，直到反应物耗尽也不会着火。西安交通大学能源与动力工程学院510，着火，着火，反应反应不不稳定。稳定。0，反应稳定，反应稳定，反应速度趋于定值。反应速度趋于定值。=0，为，为由稳定状态由稳定状态向自行加速的非稳定向自行加速的非稳定状态过渡状态过渡的的临界条件临界条件。称称=0的条件为的条件为链式自链式自燃条件燃条件，相应的温度，相应的温度为链式自燃温度。为链式自燃温度。分枝链式反应速度随时间的变化规律三、链式自燃孕育时间三、链式自燃孕育时间n定义：从反应开始到反应速度明显加快
28、的瞬间所需要的时间i。西安交通大学能源与动力工程学院521(1)iafwwe此时的反应速度为：在感应期内较大，则e i 1，f，则有1iwawe西安交通大学能源与动力工程学院53两边取对数，整理得11lntiwawi 常数常数 时，感应期i 3.4 3.4 强迫点燃理论强迫点燃理论一、强迫点燃与热自燃西安交通大学能源与动力工程学院54热自燃热自燃强迫点燃强迫点燃条件条件 Q1=Q2，Tw=T，过程过程 自发整个空间，可燃混合自发整个空间，可燃混合物物WC很慢很慢放热放热升温升温多放热多放热再升温：积蓄再升温：积蓄达到着火达到着火强制，局部强制，局部整个空间，整个空间，用高温物体置于可燃混合用高
29、温物体置于可燃混合 物中物中，温差，温差热传递热传递，边界层内加热边界层内加热着火温度着火温度 着火着火 原理上原理上 均是化学反应急剧加速的结果均是化学反应急剧加速的结果 外界温度外界温度 有一定限制有一定限制无要求无要求12dQdQdTdT0dTdx热自燃与强迫点燃对比热自燃与强迫点燃对比n强迫点燃的参数：点燃温度、点燃孕育时间、点燃浓度界限和点火源尺寸。n影响因素：可燃物质的化学性质、浓度、温度、压力、点燃方法、点火能和可燃物质的流动性质等。西安交通大学能源与动力工程学院55二、强迫点燃方式二、强迫点燃方式n炽热物体点燃点燃静止的或低速流动的可燃物质。n电火花点燃点燃低速流动的易燃的气体
30、燃料，如汽油发动机中预混合气内的电火花点火。n火焰点燃点火能量大，在工业上应用广泛。西安交通大学能源与动力工程学院56三、炽热物体点燃理论三、炽热物体点燃理论西安交通大学能源与动力工程学院57把一炽热物体放在静止的气体中，且TwT0，炽热物体与周围气体的换热情况有以下几种：气体为不可燃气体的温度气体为不可燃气体的温度分布（不含化学反应）分布（不含化学反应）气体为可燃气体的实际温气体为可燃气体的实际温度分布（含化学反应）度分布（含化学反应）化学反应放热化学反应放热1.物体表面温度Tw较低，如Tw=Tw1时，若气体为可燃气体，则可燃气体只有微弱的化学反应，产生少量热量，使温度分布发生了变形，如右图
31、虚线所示。此时物体表面 温 度 梯 度 为 负 值，即(dT/dx)w0。西安交通大学能源与动力工程学院58气体为不可燃气体的温度气体为不可燃气体的温度分布（不含化学反应）分布（不含化学反应）气体为可燃气体的实际温气体为可燃气体的实际温度分布（含化学反应）度分布（含化学反应）化学反应放热化学反应放热2.若Tw升高，则可燃气体化学反 应 速 度 w ，放 热 量 ，(dT/dx)w，阴影区域扩大，总可以找到这样的一个温度Tw2，使炽热物体表面与气体没有热量交换，在壁面处(dT/dx)w=0，边界层处放热=散热。Tw2临界温度，称为强迫点燃温度。点燃点燃临界临界条件条件西安交通大学能源与动力工程学
32、院59气体为不可燃气体的温度气体为不可燃气体的温度分布（不含化学反应）分布（不含化学反应）气体为可燃气体的实际温气体为可燃气体的实际温度分布（含化学反应）度分布（含化学反应）化学反应放热化学反应放热3.若Tw进一步升高，如Tw=Tw3时，反应速度进一步加快，放热散热，由于热量积累，反应会自动地加速到着火。此时火焰温度比壁温高得多，如右图虚线所示。壁面处温度梯度将出现正值，即(dT/dx)w0。球形球形炽热物体点燃条件炽热物体点燃条件的求解：的求解：西安交通大学能源与动力工程学院60在球体附近的边界层内距壁面x处取一微元可燃气体，微元气体厚度为dx。设微元体与x轴垂直的两个表面积均为ds。导入热
33、量导入热量1dTqdsdx 导出热量导出热量 222dTd Tqdx dsdxdx 反应产热反应产热 3qQwdxds导热系数；Q反应热；w反应速度。西安交通大学能源与动力工程学院61由由能量守恒能量守恒有有:q1-q2+q3=022()0dTdTdsdx dsQwdxdsdxdxd Tdx 220TdxwdQ0EnRTwk C e代入0220EnRTQkdCxeTd整理得：整理得：西安交通大学能源与动力工程学院62设球体附近化学反应的边界层厚度为，其边界上的温度为T。由于很小，所以可近似的认为Tw=T。边界层向外散失热量为400()()wqTTTTT从边界上导出的热量为5()dTqdx 对流
34、换热系数西安交通大学能源与动力工程学院63由边界上的热量平衡有45qq0()()wdTTTdx即边界条件0 x wTT()0wdTdxxTT()dTdTdxdx，令dTydx，则有0EnRTQk CdyyedT 西安交通大学能源与动力工程学院64边界条件变为0 x wTT0y xTT()dTydx，积分有：()00dTEnTdxRTTQk CydyedT T0T2()wEnRTQk CdTedTdx 取负号是因为()0dTdx0EnRTQk CdyyedT 对西安交通大学能源与动力工程学院650()()wdTTTdxT0T2()wEnRTQk CdTedTdx dNu因为Tw-T00，所以根号
35、前负号消掉。T00T()2wEnwRTNu TTQk CedTd先求解TTwERTedT在边界层内1wwTTT21111wwwwwwTTTTTTTTT 所以有2111111()1wwwwwwwwwwwTTTTTTTTTTTTTTTT西安交通大学能源与动力工程学院6622()1()wwwwwwTTE TTEEER TTRTRTRTeeee22()()21wwwwwwwwE TTE TTEEETTRTRTRTRTwRTTTRTedTeedTeeE积分有2()2002()1wwwE TTEnRTRTwwQk C RTNuTTeedE2wwRTTTE20021()1wEnRTwwQk C RTNuTT
36、edEe炽热物体点燃的具体条件西安交通大学能源与动力工程学院67炽热球形物体放在静止的可燃气体中时，Nu=2，则Tw温度下能点燃的最小圆球直径d为：2020()21wERTwnwTTEedeQk C RTe其他条件不变时，随着其他条件不变时，随着d，临界点燃温度临界点燃温度，可燃气体，可燃气体容易被点燃。容易被点燃。点燃温度Tw与热球直径d的关系(在煤气中点燃)强迫点燃的强迫点燃的点火孕育期点火孕育期n定义：当点火源与可燃气体接触后到出现火焰的一段时间。与点燃温度有关。西安交通大学能源与动力工程学院68点火温度与点火孕育期的关系(混合气：汽油和氧气)欲缩短点火孕育期就欲缩短点火孕育期就必须提高
37、炽热物体的必须提高炽热物体的温度。温度。3.5 火焰传播 1.气体燃料的燃烧过程的三个阶段 燃料与空气的混合阶段 可燃混合气的加热与着火阶段 完成燃烧化学反应阶段2.火焰传播一、火焰传播现象 可燃混合气中火焰的传播正常火焰传播 爆燃现象二、正常火焰传播2.火焰前锋 未燃气体和已燃气体的分界面，亦称火焰前沿(flame front)1.火焰传播 可燃混合气物的局部首先着火，着火部分向未燃部分传递热量和 活性粒子，使之相继着火的过程3.火焰传播速度 火焰前锋沿其法线方向朝新鲜可燃混合气移动(传播)的速度，用wl(m/s)表示dlimdlwnn可燃混合气中的正常火焰传播 4.本生灯锥形火焰正常传播
38、速度wl的确定(1)本生灯原理 燃气、空气混合，形成均匀 可燃混合气 点燃后，形成稳定的锥体形 层流火焰 1，内锥为蓝色预混焰锥，外锥为紫红色燃烧产物火焰 1，内锥为蓝色预混火焰，外锥变为黄色扩散火焰本生灯原理及其火焰示意图(2)通过测量层流预混火焰锥测定火焰正常传播速度 稳定状态下，灯口流出可燃混合气量 与整个内锥焰面上燃烧掉的气量相等0f0FlwAw AAf 灯口出口截面积，m2；AF 火焰内锥表面积，m2；w 灯口出口处平均流速，m/s。0f22F0sinlrwAAwhr 几何关系本生灯火焰锥 设管内可燃混合气的流量为qV(m3/s)2 0()Vwqr 本生灯锥形火焰正常传播速度vL(m
39、/s)22 00Vlqwrhr本生灯火焰锥 5.本生灯实际火焰锥及其特点本生灯实际火焰锥 本生灯火焰中各部位的火焰前锋正常传播速度可燃混合气在标准状态下(293 K，0.101 MPa)的火焰前锋正常传播速度正常火焰传播速度层流火焰传播的机理有三种理论：热理论：认为控制火焰传播的主要机理为从反应区到未燃区 域的热传导扩散理论：认为来自反应区的链载体的逆向扩散是控制层流 火焰传播的主要因素综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传播可能 有同等重要的影响三、火焰正常传播速度的理论求解及分析 x0 为可燃混合气预热区0 xd 为可燃混合气燃烧区 (d为燃烧区的宽度)dx 为燃烧产物区 一维层流
40、燃烧室中气体工质的温度和燃料浓度变化(1)可燃混合气在开始着火之前的温度变化规律 描述一维层流燃烧室系统中具有化学反应时的导热微分方程式ddd0dddpxxTTcwQwxxx连续性方程0gaxxww0ddd0dddpxTTcwQwxxx因此 在 x0的预热区内，可燃混合气没有发生燃烧反应 0ddd0dddpxTTcwxxx 求解可得可燃混合气在 x0范围内的温度变化规律 边界条件0 0dd TTxTx及处在B 0TTx 处在 求解过程00dd00dd ddxTTxpxTTcwTx000d dpxxTcwTTx000d dTxpxTTcwxTT 00B0 expx pw cTTTTx 可燃混合气
41、在 x0范围内的温度变化规律 气体介质在 x0的平均热导率，W/(mK)可见：在 x0范围内，可燃混合气的温度按指数规律 由初温T0升高至其着火温度TB(2)一维燃烧室中火焰前锋正常传播速度 近似地假设燃烧区中的温度 如图中虚线按直线规律升高 燃烧区中的温度梯度Br0ddddTTxTxTxx 引入x0处的温度梯度,则 rB0B01xpTTwcTT 一维层流燃烧室中气体工质的温度和燃料浓度变化 假定在单位时间内流入燃烧区的可燃混合气完全在该区域内进行燃烧反应，则可得0gaww cw 可燃混合气在燃烧区内(0 x)的平均化学反应速度c0 可燃混合气的初始浓度rB00B0 gapTTwwccTT 因
42、此 对于一维定常流动，可燃混合气进口流速v0恰好保持火焰前 锋静止不动，则v0即为火焰前锋的正常传播速度vLw 1pca 若可燃混合气在燃烧区内的化学反应时间为，则再令气体介质的平均热扩散率，则 lgaaww 可见，对于给定的可燃混合气，如果不考虑燃烧室以及外界 的影响，火焰前锋的正常传播速度则可看为可燃混合气的主 要物理化学特征 定性结论：火焰前锋正常传播速度与燃烧室中气体介质平均热导率的平方根成正比，而与气体介质的比定压热容的平方根成反比 将可燃混合气预热后再送入燃烧室，可提高火焰正常传播速度；火焰正常传播速度随着燃烧室中燃烧温度的降低而减小 火焰正常传播速度随着可燃混合气的热效应及燃烧反
43、应速度的降低而减小 可燃混合气中的空气量不足或过多均将导致燃烧温度降低，从而降低火焰正常传播速度2.泽利多维奇-弗兰克-卡梅涅茨基近似分析方法 将一维层流火焰分为预热区和反应区两个区域 基本假定为：Dcap)(1)燃烧过程中，系统压力和物质的量维持恒定；2)气体介质热物理参数cp和为常数；3)质扩散系数D等于热扩散率a()；4)火焰为一维稳定层流火焰，wgawl。预热区能量方程(略去靠近反应区的少量反应)一维层流火焰的泽利多维奇-弗兰克-卡梅涅茨基近似分析模型0dddddd00 xTvcxTxpx,0TT 0ddxT边界条件：时，00b0 0ddxpxTTTvc 求解，得 反应区能量方程0dd
44、ddwQxTx2dddd21ddddddddddxTTxTTxTxTx 即(假定为常数)边界条件：0ddddxxTxT当x0时，TTb，当x 时，TTr，dT/dx0 求解反应区能量方程，可得 d2 ddrb 0TTxTwQxT 于是，可得rrbb2220b00b022 d d TTgaTTppwQw TQw TcTTcTT0db0TTTwQr0rbddTTTTTwQTwQ 略去预热区内的少量反应，则 因此假定着火温度与火焰温度非常接近：0r0bTTTTr02220r02 d TgaTpwQw TcTT 因此可得：假设燃烧反应为n级化学反应，则RTEckwnexp00rr0TTTTccRTET
45、TTTckwnnnexp0rr0010r0rr0011expdr0nnTTBnTTTTRETTwTwQ！作指数展开，并求解得0r2rTTRTEB s0010r0rr0211exp nlnpw QTnEwBcTTTRTT！对于一维定常流动，可燃混合气进口流速v0恰好保持火焰前 锋静止不动，v0即为火焰前锋的正常传播速度vL0r000s TTQcwwp00000expRTEckwnn二、火焰正常传播速度的主要影响因素 主要影响因素：可燃混合气自身的特性 压力 温度 组成结构 惰性气体含量 添加剂等1.过量空气系数的影响 典型燃料的层流火焰传播速度与过量空气系数的关系单一可燃气体与空气混合物的最大火
46、焰传播速度与相应的过量空气系数2.燃料分子结构的影响典型燃料的层流火焰传播速度与过量空气系数的关系 燃料分子中碳原子数对最大火焰传播速度的影响 3.温度的影响(1)可燃混合气初始温度T0 的影响 预热温度对燃烧速度的影响 预热温度对城市煤气 (热值为20934 kJm-3，密度为0.5 kgm-3)燃烧速度的影响 可燃混合气初始温度T0对火焰传播速度wl影响的实验结果可燃混合气初温对火焰传播速度的影响 vL和T0的关系式：0mlwT25.1m 典型可燃气体wl(ms-1)和T0(K)关系式()中的实验常数值 0 0mlwA T(2)火焰温度Tr 的影响 火焰温度对火焰传播速度的影响燃烧过程的化
47、学反应速度随着温度的升高而显著提高，从而大大提高火焰传播速度RTEkk exp04.压力的影响 压力p 对火焰传播速度影响的实验关系式mlwpm 刘易斯压力指数，mn/21；n 燃烧反应级数(1)当vL 0.50 m/s，n 2，m 0，vL 随着 p 的升高而减小；(2)当0.50 m/s vL1.00 m/s，n 2，m 0，vL随着 p 的升高而增大。多数碳氢化合物的n2，故其vL随着压力p的升高而下降 甲烷-空气混合物的火焰传播速度与压力的关系 流过火焰表面的可燃混合气质量流速 0vL(kgm-2s-1)与压力p的关系 0wl 单位火焰表面反应速度20nlwpn 燃烧反应级数 压力对最
48、大火焰传播速度的影响 1丁二烯(3.68%)与HeO2；2乙烯(7%)；3乙烯(9%)；4汽油；5庚烷；6三甲基戊烷(22.4%)；7丁二烯(3.68%)与N2O2(圆括号中数值为体积分数)5.惰性组分的影响可燃混合气中掺入的惰性组分对火焰传播速度的影响 22NCO 11.2llww 惰性组分N2、CO2对vL的影响 考虑惰性组分影响前、后的火焰传播速度，m/s llww、可燃混合气中N2、CO2的体积分数 22CON 、3.6 3.6 燃烧热工况燃烧热工况n燃烧热工况问题：讨论气流（燃料与助燃气体的混合物）的温度在某一系统中如何变化的问题。n一般情况下，温度与燃烧反应速度这两个因素是相互促进
49、的。燃烧加强以后使温度升高，温度升高以后更使燃烧加强。但是有时条件不利的话，也可能使这两个因素相互促退。西安交通大学能源与动力工程学院109一、零元系统的燃烧热工况一、零元系统的燃烧热工况西安交通大学能源与动力工程学院110 假假设设某某一一空空间间例例如如是是一一个个炉炉膛膛，内内部部的的气气体体极极强强烈烈地地掺掺混混以以至至炉炉内内温温度度T、浓浓度度C等等物物理理参参数数非非常常均均匀匀 进进口口 体体积积流流量量：qV 气气流流温温度度：T0 燃燃料料或或氧氧的的浓浓度度：C0 体体积积：V 温温度度：T 浓浓度度：C 出出口口 温温度度：T 浓浓度度：C 零元系统零元系统：也也称为
50、称为“强烈搅强烈搅拌的模型拌的模型”。西安交通大学能源与动力工程学院111系统产热情况系统产热情况n炉膛容积中的产热率：炉膛容积中的产热率：n按气流可燃成分的消耗率计算：按气流可燃成分的消耗率计算：10exp()EQk CVQRT10()VQqCC QvvvqVk)RTE(QCq)RTE(-Vk-C)Q(CCQq-C)Q(C)RTE(-VkCQQ1exp1exp11exp10000001消去C有：Q燃料与空气混合物的发热量；气流的密度；西安交通大学能源与动力工程学院1120q1 0C0Qq1T单位产热量q1与温度T的关系如如把产热率分摊给每把产热率分摊给每1m3流过炉膛的的气流过炉膛的的气体，
