层流预混火焰

1、 2021-5-12 卷面成绩分布 2021-5-13 系列1, 50以下, 6 系列1, 50-59, 20 系列1, 60-69, 24 系列1, 70-79, 19 系列1, 80以上, 6 期中总体成绩分布 2021-5-14 4 7 26 19 14 5 , 50以下, 4 4 7 26 19 14 5 , 50-59, 7 4 7 26 19 14 5 , 60-69, 26 4 7 26 19 14 5 , 70-79, 19 4 7 26 19 14 5 , 80-89, 14 4 7 26 19 14 5 , 90分以上, 5 第1题 要组成1摩尔的C8H18-空气混合物，当

2、=2/3时，需要多少空气量？如果这一混合物进行燃烧，请给出燃 烧后的产物的组成（分别按质量分数和摩尔分数来表示），假设燃烧为完全燃烧。 2021-5-15 =2/3时反应方程式为： 即： 所以对1mol的混合物，需要的空气量为： mol 2021-5-1 6 818222222 318118318 (8)(3.76)89(8)(8)3.76 242424 C HONCOH OON 818222222 18.75(3.76)896.2570.5C HONCOH OON 18.75 4.76 0.9889 1 18.75 4.76 第2题 假设在化学当量比条件下，计算C3H8 和 O2 燃烧的理论

3、燃烧温度，产物有50%的回流，并假设产物分解 （H，O，OH,）等可以忽略。即产物仅考虑为水和二氧化碳。（且燃料温度为298K，氧气浓度为398K， 回流的烟气的温度为448K，理想气体，压力为1atm） 2021-5-17 2021-5-18 38222 534C HOCOH O 3822222 53468C HOCOH OCOH O 在化学当量比条件下的反应方程式为： 在有50%的产物回流的时候，最后平衡时的反应方程式为： 定压绝热燃烧，所以反应物和产物的焓应相等， TFuel=298K, TOxygen=398K，Trecirculation=448K，所以， 假设理论燃烧温度为3100

4、K，定性温度约为1700K， 则有： T=3108K prodreact HH 第3题 2021-5-19 0 exp(/) pTu KGR T 0 T G 假设对化学反应H2O+CO=CO2+H2 ，其在1100K 和p=1大气压下的平衡常数K=1，试计算在at p=8 atm , T=1100K下的平衡常数K 答：平衡常数 对于一个反应来说， 是只与温度有关的一个函数，所以从公式可以看 出，平衡常数与压力无关，只和温度相关。所以，在 p=8 atm , T=1100K下的平衡常数K=1。 第4题 2021-5-110 下述反应中哪些是基元反应，哪些不是？哪些又是没有更多的 信息是无法确定是

5、否是基元反应？ 1H2+Br2 2HBr 22H2+O22H2O 3O+H2OH+H 42O+CH3CO+OH+2H 5H+O2OH+O 6N2+O22NO 7H+H+MH2+M 8NO+NO+O2NO2+NO2 9C3H8+MC2H5+CH3+M 基元反应：3，5：只断一个键，生成一个键； 7，只形成一个新键，M传递能量； 9，只断一个键，M传递能量； 非基元反应：1，断两个键，生成两个键，且对碰撞的方向要求 高； 2，断三个键，形成四个键，且对碰撞的 方向要求高； 4，断三个键，形成两个键； 6，断两个键，形成两个键，且对碰撞的 方向要求高 附加条件： 8，断一个键，形成两个键，在高压高温

6、的情况下可 能为基元反应。 第5题 2021-5-111 在各种工业品的制造中都需要加入阻燃 剂，一般采用卤素类元素作为阻燃剂， 试从你学习的化学动力学知识分析其阻 燃原理。 答：卤素元素结合自由基形成稳定的化 合物，使得自由基的浓度减少，从而减 缓反应的进行，达到阻燃的目的。 第6题 2021-5-112 2021-5-113 2021-5-114 内容 概述 物理描述 简化分析 完全分析 影响火焰速度和厚度的因素 不同燃料的火焰速度 熄火，可燃性和点火 火焰稳定性 总结 2021-5-115 概述 应用: 对湍流火焰研究的重要性 基本特征 简化分析 完全分析 实验数据 火焰速度；火焰形状；

7、火焰稳定性；吹熄 （blow-off; blow-out）；回火 可燃性；点火；熄灭（ extinction） 2021-5-116 2021-5-117 物理描述 定义 主要参数 典型的实验室火焰 2021-5-118 Understanding Flames Jet Burner: 2000W/cm2 Stoichiometric burn temperature Premixed Flame: 1000 W/cm2 Stoichiometric burn temperature Diffuse Flame: 0.1-10 W/cm2 Lower burn temperature; non

8、- stoichiometric 燃料與潔淨燃燒燃料與潔淨燃燒實驗室實驗室 6 0 F F= 6 0 F= 9 0 F= 9 0 x y z L 細目鐵絲網 整流段 凸緣 銜接段 入口 混合管路 流量計 調壓閥 高壓甲烷 高壓空氣 混合管路 高壓空氣 高壓甲烷 4 C H= 1 1 % 1 0 . 5 %1 0 %9 . 5 %9 %8 . 5 % W V = 1 . 6 m / s e c , T= 7 0C 2021-5-120 Triple-pump CARS measurements performed in laminar hydrogen/air diffusion flame.

9、Simultaneous acquisition of single-shot H2/N2 and H2/O2 spectra demonstrated. Triple-Pump CARS Experiments 2021-5-121 Premixed Results from gaseous reactants that are mixed prior to combustion Flame propogates at velocities slightly less than a few m/s Considered constant pressure combustion Reacts

10、quite rapidly Example: Spark Ignition Engine 2021-5-122 Laminar Premixed Ex. Bunsen Burner Flame moves at fairly low velocity Mechanically create laminar conditions Diffusion Ex. Candle Flame Fuel: Wax, Oxidizer: Air Reaction zone between wax vapors and air Principle of Flame Stabilization by Low-sw

11、irl Fuel/Air mixture Propagating against the divergent flow, the flame settles where the local velocity equals the flame speed Small inclined air jets swirl the perimeter of the fuel/air mixture A divergence flow region is generated above the burner tube The swirler is recessed from the burner exit

12、by a distance L to allow interaction between the core and the swirl flow Vane Swirler for Practical LSBs Angled vanes to induce swirling motion in annulus Center channel allows some premixture to bypass swirl annulus Screen balances pressure drops between swirl and center flows New definition of swi

13、rl number, S, for scaling to different sizes 22222 3 ) 1/1(1 1 tan 3 2 RRmR R S Ratio of center channel radius to burner radius 0.8 R = Rc/Rb = 0.5 Straight or curved vane with angles 37o 45o Ratio of mass flow rates through center channel and swirl annulus 0.3 m 0.5 2021-5-125 Unique Features of LS

14、B Can Overcome Limitations of Premixed Combustion Freely propagating premixed turbulent flame Unattached and lifted flame Flame stabilization does not rely on flow recirculation Stable under very rich to ultra lean conditions High turn-down exceeding 50:1 Emissions not highly sensitive to degree of

15、mixing Simple design compatible to current hardware Flashback conditions can be predicted No flame oscillations towards lean blow-off 2021-5-126 Vane Swirler Scalable to Different Sizes 2.54 cm LSB for water heaters (6 kW to 30 kW) 12.7 cm LSB for boilers (150 kW to 3 MW) 6.35 cm LSI for gas turbine

16、s (7 MW) Applied swirl number criterion 0.4 S 0.55 to scale LSB up to 30 cm diameter at 8 MW output 2021-5-127 Evaluate 12.7 cm LSB in Commercial Watertube Boiler with External FGR Use blower and controls for the commercial product Performance targets NOx 12 ppm and 0.87, 35% FGR LSB exceeded most t

17、argets 9 ppm NOx with 12% FGR at f = 0.87 at 1.2 MW Pressure slightly higher than conventional burners 2nd prototype can reduce pressure requirement by 40% 2021-5-128 5 ppm NOx Concept: LSB + FGR and Partial Reformed Natural Gas Exploit combustion features of hydrogen-enriched natural gas flames Use

18、 LSB to capture these benefits Incorporate a partial reformer to produce proper H2:CH4 ratio Demonstrated in water heater simulator Natural Gas Radiant section of boiler Convective section Stack Nat. gas + Flue gas + Reformed gas Reformer flue gas Steam Air fan Flue gas A B Burner 0.7 f 0.9 0 FGR 0.

19、3 PRNG = 0 and 0.05 Reformer at 650 C CH4 = 0.12 l/s steam = 0.04 l/s Steam (5%) has no effect on LSB 2021-5-129 Current DLN Gas Turbine Engines Use High-Swirl Injectors (HSI) Centerbody promotes formation of recirculation to entrain and ignite fresh mixture Flame attachment at centerbody rim 2021-5

20、-130 LSI can be Configured at Atmospheric Pressure and Low Velocities Removed centerbody from SoLoNOx swirler Fitted with an exit tube and center channel screen Optimized flame lift off at 6-8 m/s 2021-5-131 VP130(98)-004 Titan 130 双轴燃气轮机双轴燃气轮机 1997投入运行 由金牛 70动力学模型放大 初始功率 - 18,300 hp (ISO) 热效率 - 34.

21、5% 14-级轴流压缩机 倾斜预混燃烧室 多孔冷却火焰筒和可调机构喷嘴 2-级 燃气发生器和 2-级动力涡 轮 2021-5-132 Titan 130 燃烧室燃烧室 可变空气阀 燃烧室火焰筒 外壳 喷嘴 VP130(98)-022 2021-5-133 Titan 130 燃烧室燃烧室 可调机构阀可调机构阀 可调空气阀机械机构 燃烧室外壳 VP130(98)-023 喷嘴法兰 2021-5-134 Titan 130 可调机构阀和喷嘴可调机构阀和喷嘴 电动执行机构 空气进口 可调阀 低预混喷嘴 VP130(98)-024 2021-5-135 火焰的定义 亚音速下，局部燃烧区域可自维持的传播

22、. 局部 亚音速 不连续的燃烧: 爆燃（deflagration) 超音速: 爆震(detonation) 2021-5-136 温度分布 火焰速度 SL uLuub b S Av Av A 2021-5-137 快速化学反应区 缓慢反应 2021-5-138 本生灯 一维平面火焰 绝热燃烧器 非绝热燃烧器 sin Lu Sv 2021-5-139 2021-5-140 2021-5-141 2021-5-142 2021-5-143 例题 8.1 一个稳定燃烧的层流预混火焰，混合气可视为一维流动，其轴向速度 vu 与水平坐 标x呈线性关系，如图8.6所示，试确定火焰形状以及火焰面与轴向所呈的

23、局部角 度。 假设火焰速度均为0.4 m/s, （一般化学当量比下甲烷空气预混火焰的速度） 2021-5-144 求解 根据图8.7，可以通过公式8.2来计算火焰面与轴向平面所呈的角度。 其中，根据图8.61 sin (/) Lu Sv 1200800 (mm/s)800(mm) 20 u vx 2021-5-145 2021-5-146 2021-5-147 因此，有 计算结果绘于图8.6（上图）， 当x=0时,角度为 30; 当x=20时, 角度为 19.5 为了计算火焰位置，我们先在x-z平面上得到火焰面局部斜率(dz/dx)的表达 式，然后对其求积分解出z(x) ，根据图8.7我们可以

24、看到： 1 400 sin (), 80020 (mm)x 2021-5-148 A/SL=2 ， B /SL=0.05 求积分得： 1/2 2 1 LL dzABx dxSS 2021-5-149 0 21/2 1/2 2 ( )() (801200)(1) 40 10ln801200(40) 20 310ln(20 340). x dz z xdx dx x xx xxx 2021-5-150 简化分析(基于Spalding的理论) 传热 传质 化学动力学 热力学 目标：找出层流火焰速度的简化表达形式. 2021-5-151 建模对于燃烧研究是非常重要的:尚无精确的理论 我们需要通过建模做

25、模拟计算: 物理描述(物理模型) 假设 守恒方程(数学模型) 求解(解析解或数值解) 结果分析或与实验进行比较 2021-5-152 假设 1.一维，稳流， constant-area, 2.动能、势能、粘性力做功以及热辐射均忽略 3.忽略火焰面两侧微小的压力差;即压力恒定 4. 热扩散和质扩散由傅立叶（Fourier）定律及费克（Fick）定律决定 二元扩散（Binary diffusion）. 2021-5-153 5. 刘易斯（ Lewis ）数Le：热扩散 率与质扩散率的比, Le1.即 k/cp=D,大大简化了能量 方程。 , p k Le Dc D 2021-5-154 6.混合物

26、的比热不受温度或组分的 控制。相当于假设所有组分的比热 均为常数且相等。 7.燃料与氧化剂经一步放热反应生 成燃烧产物。 8. 氧化剂为化学当量值或过量； 即燃料完全氧化。 2021-5-155 火焰分析的控制体 m x x=+ x=- x 控制体 T(x) 2021-5-156 守恒定律 质量: 或 () 0 x dv dx constant. x mv 2021-5-157 组分 或者，根据费克定律 i i dm m dx i i i dY d m YD dx m dx 2021-5-158 1kg 燃料+vkg 氧化剂(v+1)kg 即, 燃料 Pr 11 1 Fox mmm vv ()

27、 F F F dY dD dY dx mm dxdx 2021-5-159 氧化剂 产物 () Ox Ox F dY dD dY dx mvm dxdx Pr Pr () (1) F dY dD dY dx mvm dxdx 2021-5-160 能量 重排: 0 , () ppf ii dTddT m cDch m dxdxdx 1 FC pp mhdTddT mk dxc dxdxc 2021-5-161 我们的任务：找到SL uL mS 2021-5-162 解 边界条件: 距离火焰无限远处： () ()0. u T xT dT x dx () ()0. b T xT dT x dx 2

28、021-5-163 T(x) - 0 x d 0 d u TT T x d 0 d b TT T x 分析层流预混火焰时的假设温度分布分析层流预混火焰时的假设温度分布 2021-5-164 0 0 b T TdT d c T TudT dF pp hkdT m Tm dx cdxc () c buF p h m TTm dx c 2021-5-165 () b u T c buF pb u T h m TTm dT cTT 1 () b u T FF buT mm dT TT 2021-5-166 () c buF p h m TTm c 2 bu TT T d d bu TTT x 2021

29、-5-167 20 p mk c 1 2 2 () 2 () c F bup hk mm TTc 2() p kc m 2021-5-168 L F u u F L S mv m vS /2 ) 1( 2 ) 1(2 2/1 2/1 2021-5-169 例8.2 用简化方法的结果(上述)来计算化学当量的丙烷空气混合物的层流火焰传播速度。采用总包的一步反应机理 来计算平均反应速度。 2021-5-170 解 用式： 关键是求得式中的各物理量 1/2 2 (1) F L u m Sv 2021-5-171 简化理论认为反应在火焰厚度的后半 段发生（Tb=Tad=2260,Tu=300K) 1 1

30、 ) 2 2 1770 bub TTTT K （ （ 2021-5-172 , 1 (0) 2 0.06015/20.0301 FF u YY 2 , 1 0.2331(1)0 2 0.1095 OF u YY 2021-5-173 0.11.65 38 382 FG d C H kC HO dt 3 2.439(44) 107.3/ FFF mMW kg sm 2021-5-174 52 ( ) . ( ) 0.0809 5.89.10/ 1.16(1186) up k T c T ms 2021-5-175 SL=0.425m/s Homework 8.3: 5-7cm/s 2021-5-

31、176 完全分析 为什么要研究完全（与总包的区别）？ Chemkin： Sandia 国家实验室,1990-1991 控制方程 2021-5-177 控制方程 连续性方程 0 dm dx 2021-5-178 组分守恒 能量守恒 , () for =1,2,.,N species i ii diffii dYd mYvMW dxdx , 11 () NN pii diffp iiii ii dTddTdT m ckYvchMW dxdxdxdx 2021-5-179 理想气体状态方程 扩散速度关系 与温度有关的参数 :hi(T),cpi(T),ki(T),Dij(T) 混合物特性 MWmix,

32、k,Dij 用完全化学动力学求解 Xis的互换关系 2021-5-180 边界条件 ,0 11 () d ()0 d () d ()0 d () u ii i T xT T x x Y xY Y x x T xT 2021-5-181 CH4-air 火焰的结构 1 atm, 化学当量, CH4-air 火焰; CHEMKIN ; GRI-MECH 2.11 2021-5-182 2021-5-183 2021-5-184 2021-5-185 影响火焰速度和厚度的因素 1过量空气系数的影响。 2燃料化学结构的影响。 3添加剂的影响。 4混合可燃物初始温度T0的影响。 5火焰温度的影响。 6压

33、力的影响 7惰性物质含量的影响。 8热扩散系数和比热的影响。 2021-5-186 过量空气系数的影响 可燃气体混合物的火焰传播速度uH将随着过量空气系数而改变。对于各种不同可燃气体混合物其最大的 uHmax并非处于可燃气体混合物的过量空气系数等于1的情况，即混合物按化学当量的比例来混合的成份。 实验表明，其uHmax系发生在含可燃物浓度比化学当量的比例稍大的混合物中（即f,所示uruH。总的来说,由此法测得结果与本生灯测 量的结果相近。 2021-5-1113 2021-5-1114 定容球法 一个其内充满可燃气体直径通常为30cm的球形容 器,在其中心处点火时,火焰就向四周传播,已燃气体

34、的膨胀会使压力和温度由于绝热压缩而升高。温 度升高又会使火焰速度自中心到球壁不断增加。 如果在此方法中,同时记录已燃气体的球形域的尺 寸和容器内的压力,则uH 上面所得的火焰速度假设了在火焰锋面后处于 完全平衡态,并且没有热损失。实际上在一个很大 容积中,火焰锋面后部达到平衡状态是有时滞的,因 此会产生误差,所以用上面表达式计算所得的uH值 常常会小于真实值。 2021-5-1115 肥皂泡法( (定压法) ) 这种方法是将一些均匀可燃混合物吹进附近有一对电火花塞极的肥皂泡中, 点火 如果反应区域中的平均有效温度不变,则反应机理不会随成分的改变而变化。 假定: (1) 球形火焰沿径向传播。 (

35、2) 压力保持不变。 (3) 用照相法确定火焰锋面的发展过程。 2021-5-1116 一个明显不足是难于确定温度比Tu/Tb。虽然可以 假定烟气具有理论火焰温度,但对比膨胀比的计算 值与实测值,往往出现严重偏差。而且, 由于计算 中要用到肥皂泡半径的立方,所以必需很准确地知 道肥皂泡的初始和最终尺寸,而实际上最终尺寸却 难于精确测量。此外,还有一些其它问题: 去研究干可燃物的火焰速度是不合适的,这是因为 肥皂溶液的蒸发会使混合物变潮。 不可避免地会产生向电极的传热 对于缓慢的燃烧,火焰锋面不可能保持球形,而且反 应区会变厚。 对于快速反应,由于火焰结构呈蜂窝状,火焰锋面不 可能总是光滑的。

36、2021-5-1117 粒子示踪法 将很细的氧化镁粒投入气流中,产生间歇性的 光亮,对示踪粒子的拍照便可显示它的方向,图 是所测得的典型结果。由一级连续照片还可确 定出粒子的速度。 所采用的喷口宽度很小,只有0.755cm,如果采 用大的喷口,则由于燃烧速度均匀分布会使火 焰传播更快。燃烧速度是一个不变的物理本征 值(由图3-28上的水平段可以看出)。 不足之处是引入固体粒子将对火焰表面起催 化作用,以致影响燃烧过程,从而改变uH。此外, 如粒子太大,就不能准确地随气流流动,也会产 生误差。非常规测量,是非常费力的。 2021-5-1118 2021-5-1119 2021-5-1120 平面

37、火焰燃烧器法 最简单的火焰锋面,并且其阴影面、纹影和可见 锋面的轮廓都相同,可能是最精确的。将一多孔 金属盘或一束直径小于或等于1mm的管子置于 大管道的出口处,由一个水冷式多孔铜制(或不锈 钢制)的喷嘴组成,在其周围,为了引入屏蔽气体,布 置了一组多孔罩环。这两个部件都安装在一个加 工精度很高,冷却水、燃气和屏蔽气体集中布置 的装置中。 气体混合物常常是在高速流动状态下被点燃 的,然后调整流速直到形成平面火焰,利用栅格控 制已燃烟气的流出率,就可以得到一个十分稳定 的火焰。适用于燃烧速度低于15cm/s的可燃气 体,对于高uH,火焰锋面会远离喷口,形成锥面。 2021-5-1121 2021

38、-5-1122 , , () () (1 2.1) u LL refdil u refref TP SSY TP 2021-5-1123 例题 8.3 SL=50.6cm/s 2021-5-1124 熄火,可燃性,点火 稳定传播-瞬时过程:火焰熄火和点火 当通道小到一定程度，火焰会在通过时熄灭。 加入稀释剂：水，卤素 吹熄：blow-off: 不同吹熄 blow-out：推举后吹熄 2021-5-1125 冷壁面熄火 正如上文提到的那样，当火焰进入一个充分小的通道中时，就会熄灭。如果 通道不是太小，火焰就会传播过去。火焰进入圆形管熄灭而不是传播过去的 临界直径，称为熄火距离。实验中，对一特定直

39、径的试管，在反应物流突然 停止的时候，通过观察稳定在试管上方的火焰是否回火来确定熄火距离。 2021-5-1126 熄火距离也可以用长宽比较高的矩形狭槽来确定。这种情形，熄火距离基 于圆管的测量值比基于狭缝的测量值大一些（大约2030%） 2021-5-1127 点火和熄火准则 Williams给出了支配点火和熄灭的 两个基本准则。第二个准则可用于 冷壁熄火问题: 准则1仅当足够多的能量加入到一个和稳态传播的层流火焰一样厚的板 状区域内，使其中气体的温度升高到绝热火焰温度时，才能点燃。 2021-5-1128 准则2板形区域内化学反应的放热速率必需近 似平衡于由于热传导从这个区域散热的速率。

40、接下来，用这些准则对火焰熄灭作一个简化分析。 2021-5-1129 简化熄火分析 如图8.18所示的两平行板组成一个狭缝，考虑恰好进入其中的火焰。利用 Williams的第二个准则，按照Friedman的方法，可以写出一个使反应生成的热量 和壁面导热损失的热量相等的能量平衡式，即 , ,totcond QVQ 2021-5-1130 2021-5-1131 其中，单位体积的放热率 和前面定义的 的关系是 在继续分析之前，有一点很重要，就是注意到分析中已经取板状气体区域（图8.18） 的厚度为8，即方程8.21表示的绝热火焰厚度。现在的目标是确定满足方程8.34所 表达的熄火准则的距离，即熄火

41、距离。 . cF hmQ Q F m 2021-5-1132 根据傅立叶定律，从火焰区域损失到壁面的热量是 其中热导率k和温度梯度都是用壁面处的气体来估算的。面积A很容易表 成 ，其中L是狭缝的厚度（垂直于纸面），2是因为火焰和两边的壁面接 触。 , at wall gasIn dx dT kAQcond 2 L 2021-5-1133 然而，温度梯度dT/dx的近似要难得多。合理的dT/dx的下限值是(Tb- Tw)/(d/2) ，这是假设中心面的温度Tb下降到壁面温度Tw是线性变化的结果。 由于dT/dx很可能远大于这个数值，所以引入一个任意常数b ，由下式定义, , /bd TT dx

42、dT wb 2021-5-1134 其中，通常是一个比2大很多的数。利用方程8.35-8.37，熄灭判别式（方程 8.34）变成下面的形式： 或 bd TT LkdLhm wb cF / )2()( . )(2 2 cF wb hm TTkb d 2021-5-1135 假设 Tw=Tu, 利用前面推导出的 和SL 之间的关系，再利用关系式： hc=(v+1)cp(Tb-Tu), 方程 8.38b 变为 或者用 表示： F m L Sbd/2 bd 2021-5-1136 方程8.39b表明，熄火距离比火焰厚度大；这和图8.16所示的甲烷的实验结果 是一致的。 多种燃料的熄灭距离如表8.4所示

43、。应该指出，利用方程8.28b可以估算出熄 火距离对温度和压力的依赖关系。 2021-5-1137 例题 8.4 层流，绝热平面火焰。燃烧器为方形薄壁管，内部密布圆形细管。燃料空气 混和气流从细管及其缝隙中流过。化学当量比的甲烷空气气流流出管口时温 度为300K，压力为5 atm. 2021-5-1138 A. 求已知条件下，单位横截面积的混和物质量流率。 B. 试估计不会引起回火的最大管径。 2021-5-1139 求解 A. 对于所形成的平面火焰，要求平均流速要在给定的温度和压力下等于层流火 焰速度。如图8.14, 质量流率为： 假设混和物为理想气体，我们可以估计混和物的密度： ./2 .

44、195/43)(/43)5 ,300(scmatmPatmKS L m LuS Amm / 2021-5-1140 及 这样，质量流率为 kmolkg MWxMWxMW airCHCHCHmix /6 .27)85.28(905. 0)04.16(095. 0 )1 ( 444 3 /61. 5 )300)(6 .27/8315( )325,101(5 )/( mkg TMWR P umixu u 2 /08. 1)192. 0(61. 5mskgSm Lu 2021-5-1141 B. 我们假设，如果管子的直径小于熄火距离，在加上一个安全系数，燃烧器在燃 烧过程中就不会发生回火。这样，我们需

45、要找到已知条件下的熄火距离。由如 8.16可知，1 atm下，狭缝的熄火距离约为1.7 mm. 由于狭缝的熄火距离比圆管 的小20-50 %，我们可以直接采用此值，并利用其差值做为安全系数。现在，我 们将这个值转换到5-atm时的情况。根据方程8.39a，得： 2021-5-1142 根据方程 8.27, 联立上面的两个方程 L Sd/ ./ 75. 1 PT , /2 .19 /43 5 1 7 . 1)5( 2, 1 , 2 1 1 2, 1 , 1 2 12 scm scm atm atm mmatmd S S P P d S S dd L L L L 2021-5-1143 因此有，

46、需要检验的是，在此直径下，管内会保持层流， 即 Red2300. 用空气特性求出粘度， 可见，此值远小于过渡值；也就是说设计是符 合熄火标准的。 mmd design 76. 0 5 .51 1089.15 )192. 0)(00076. 0(61. 5 Re 6 Ldesignu d Sd 2021-5-1144 评述： 最终的设计都应该基于最小的熄火距离，如图 8.16，我们可以看到最小的熄火距离出现在 =0.8附近，而我们的计算值与之相近。 2021-5-1145 可燃极限 2021-5-1146 2021-5-1147 火焰传播界限 可燃气体混合物中的可燃物含量过浓或过稀即使在容器的一

47、处着火后，其火焰仍不能传播到整个容器，因 而对于每种可燃气体混合物来讲，都有火焰传播的浓度界限。 可燃物在混合物中的浓度低于某值而使正常速度为零的浓度值称为下限，而高于某值而使正常速度为零的 浓度值称为上限。 2021-5-1148 2021-5-1149 几种气体在与空气混合时的火焰传播浓度极限（在0.10.1MPaMPa， 2020时 气体浓度下限%浓度上限%最高火焰传播速度 所处浓度% 速度（米/秒） =1.0 时的火焰传播速度 （米/秒） 氢 H26.565.2422.671.60 一氧化碳 CO16.370.9430.420.30 甲烷 CH46.311.910.50.370.28

48、乙炔 C2H23.552.3101.351.0 乙烯 C2H44.014.070.630.5 2021-5-1150 点火 2021-5-1151 2021-5-1152 2021-5-1153 强迫着火的基本概念 5.1实现强迫着火的条件 5.2强迫着火的热理论 5.3各种点燃方法的分析 5.3.1 热球点火 5.3.2 电火花点火 5.3.3 用热金属块点火 5.3.4 用辐射能点燃 5.3.5 电热丝点火 5.3.6 热气流点火 2021-5-1154 实现强迫着火的临界条件 在炽热体附近可燃物的温度梯度等于零: () dT dn 界面 0 2021-5-1155 图2-35 燃料强迫着

49、火 过程 2021-5-1156 图2-36 点燃温度和炽热 球体直径的关系 2021-5-1157 强迫着火的热理论 临界的着火条件 21 qq )( )( 01 2 TTq dX dT q 2021-5-1158 有化学反应的一元导热微分方程式 有内部升温时 0),( 2 2 TCQw dX Td ),( 2 1 2 2 2 TCQw dT dy dT dy y dX Td 2021-5-1159 结 果 dTTCwQ dX dT yq T T ),(2 炽 2 dTTCw Q y T T ),( 2 炽 2021-5-1160 图2-37临界气流速度和湍流强度的关系 2021-5-116

50、1 各种点燃方法的分析 热球点火 用热金属块点火 电火花点火 电热丝点火 用辐射能点燃 热气流点火 2021-5-1162 热球点火条件 2 1 00 0 2 )/exp()( n CC Cqk RTETTNu d 2021-5-1163 图2-38 点燃温度TC与热球直 径d的关系 2021-5-1164 电火花点火 (Emin)min=kd 0 2 2021-5-1165 图2-39 火花点火过程 2021-5-1166 图2-40 无量纲温度 分布 2021-5-1167 图2-41 点火能量E与电极间隙距离d的函数关系 a)最小点火能量与熄火距离 b)凸缘直径的影响 2021-5-11

51、68 图2-42 不同可燃混合物点火能比较 2021-5-1169 2021-5-1170 2021-5-1171 2021-5-1172 表2-2 室温和大气压下，化学当量比混合物的熄火距离和最小 点火能 燃料氧化剂 d0/mm (Emin)min/10-5/J 燃料氧化剂d0/mm (Emin)min/10-5/J 氢空气0.642.01乙烯氧0.190.25 氢氧0.250.42丙烷空气2.0330.52 甲烷空气2.5533.07丙烷氩+氧1.047.70 甲烷氧0.300.63丙烷氦+氧2.5345.33 乙炔空气0.763.01丙烷氧0.240.42 乙炔氧0.090.04异丁烷空气2.2034.41 乙烷空气1.7824.03苯空气2.7955.05 乙烯空气1.2511.09异辛烷空气2.8457.40 2021-5-1173 表 2-3 物质硝化棉硝化聚乙稀叠氮化钡 m h A/J/molm h Am h A 计算1.55 2.54 406001.5