燃气燃烧与应用_chap4

1、第四章 燃气燃烧的火焰传播(Flame Propagation)第一节 火焰传播的理论基础第二节 法向火焰传播速度的测定第三节 影响火焰传播速度的因素第四节 混合气体火焰传播速度的计算第五节 紊流火焰传播第六节 火焰传播浓度极限意义： 火焰传播速度是燃气燃烧最重要的特性； 对火焰的稳定性、互换性有很大的影响；涉及： 燃烧方法的选择 燃烧器的设计 安全 第一节 火焰传播的理论基础火焰的定义 快速放热的气相反应、以亚音速在空间传播，同时伴随可见光辐射。空间传播特性：化学反应、气体流动、分子扩散、热量转移等综合作用1.未燃的可燃混合物是分层的；未燃的可燃混合物是分层的；2.在某一点上点燃后，形成火焰

2、；在某一点上点燃后，形成火焰；3.火焰是热量、自由基的中心；火焰是热量、自由基的中心；4.热量以导热的形式向未燃的相邻区域传递；自热量以导热的形式向未燃的相邻区域传递；自由基以扩散的形式向相邻区域传播。由基以扩散的形式向相邻区域传播。5.相邻区域温度升高、自由基浓度增大，着火。相邻区域温度升高、自由基浓度增大，着火。6.形成火焰的传播过程。形成火焰的传播过程。火焰传播的基本物理概念（1）火焰传播的基本物理概念（2）1.焰面(Flame Front): 火焰锋面、火焰前锋 燃烧反应进行的区域； 未燃气体与燃烧产物的分界面；2. 火焰传播速度： 焰面的移动速度；符号S表示。 单位为m/s, m3/

3、m2.s 意义：单位面积上、单位时间内燃烧的可燃混合物的体积。一、火焰传播的方式（一）正常火焰传播(缓燃波Deflagration) 由于传热作用，高温焰面将热量传给未燃气体，使其着火、燃烧；依次传遍整个体积。 等压下进行。1.层流火焰传播Laminar Flame Propagation 依靠分子扩散、导热等实现火焰的传播。2.紊流火焰传播Turbulent Flame Propagation 依靠紊流扩散等实现传播。法向火焰传播速度Sn问题的描述： 火焰在管状的静止气体中传播； 传播方向与焰面垂直； 传播速度的大小与管壁散热有关散热对火焰传播的影响 管径越小，散热对火焰传播影响越大； 小到

4、一定程度小到一定程度火焰不能传播火焰不能传播 管径越大，对火焰传播的影响越小； 大到一定程度大到一定程度散热影响完全消失散热影响完全消失 此时的火焰传播速度达到最大此时的火焰传播速度达到最大 法向火焰传播速度：Sn 可见火焰传播速度Sv管径增大时，由于燃烧及管壁散热，在焰面附近引起扰动，焰面皱曲，此时焰面的移动方向仍为管子轴向，但不是焰面的法向。沿管子的轴向移动的速度称为可见火焰速度，记作Sv。显然SvSn层流火焰传播速度的大小层流时一般很小；H2最大：Sn=2.8m/s; Sv=4.85m/s;CH4最小： Sn=0.38m/s; Sv=0.67m/s;在在d=25.4mm管子中的管子中的实

5、验结果实验结果紊流火焰传播气流成为紊流状态： 紊流扩散系数大于分子扩散紊流扩散系数大于分子扩散 热量传递加剧热量传递加剧 火焰速度增大；火焰速度增大；StSnSt不仅与可燃混合物的物理化学性质不仅与可燃混合物的物理化学性质有关，还与紊动程度有关有关，还与紊动程度有关(Re/管径等)（二）爆炸(Explosion)背景： 均匀的燃气-空气混合物在密闭容器内局部着火，燃烧放热与高温产物热膨胀，压力急剧升高。结果： 未燃气体绝热压缩； 瞬间燃烧完毕。爆炸自身(缓慢)加热或点燃（三）爆燃(Detonation)管子的长与短 短管短管燃烧产物及时排出，等压下燃烧；燃烧产物及时排出，等压下燃烧； 长管长管

6、燃烧产物对未燃气体绝热压缩，产燃烧产物对未燃气体绝热压缩，产生激波；火焰到达之前未燃气体已到着火温生激波；火焰到达之前未燃气体已到着火温度；可燃混合物度；可燃混合物“一层一层”“”“一层一层”地燃烧。地燃烧。着火的原因：冲击波的绝热压缩；火焰传播速度：10003500m/s;极具破坏力二、法向火焰传播理论问题的描述：一端封闭一端封闭( (点燃点燃) )、一端开口的管子；、一端开口的管子；假设管子不散热假设管子不散热焰面不皱曲；焰面不皱曲；热量传递仅依靠分子热传导进行；热量传递仅依靠分子热传导进行；燃烧过程在等压下进行燃烧过程在等压下进行。焰面移动、气流静止焰面的移动速度焰面静止、气流反向移动气

7、流的移动速度需回答的问题法向火焰传播速度Sn=?焰面厚度=？燃烧反应时间=？可燃混合物的历程冷态时浓度为C0，温度为T0；接近焰面时被预热(温度逐渐升高)，但未发生化学反应， C0近似不变。T0 Ti 开始着火，经感应期后到达Ti ， 进行剧烈燃烧，温度很快升高到Tth； 浓度从温度Ti时开始下降，燃烬时C=0。可燃组分的浓度变化曲线沿火焰厚度方向的温度变化曲线燃烧产物的浓度分布曲线化学反应速度曲线火焰的结构焰面以左：预热区+感应区 厚度 ph 反应速度很慢焰面以右：反应区 厚度 ch化学厚度化学厚度 ch 烯族烷族 燃料分子量越大，火焰速度越小；烷烃：火焰速度与碳原子数无关；烯烃/炔烃：碳原

8、子数以4为界，下降速度趋缓。碳原子数三、温度的影响1、初始温度的影响022000expTTCRTEyQKSmpnnT0，火焰速度升高。Tm增大，火焰速度增大2、火焰温度的影响25 .10TSn初始温度四、压力的影响22nnpS1、一般燃烧反应：n2;2、质量燃烧速率随压力增大而增大；Sn=25cm/s的火焰，n=1.4;Sn=2550cm/s的火焰，n100cm/s的火焰，n=2;Sn800cm/s的火焰，n=2.5;压力对火焰传播速度的影响五、惰性气体的影响CO中加入少量的水，火焰速度快速增大近1倍！惰性气体加入、降低了氧含量，降低了火焰速度。填加组分的具体影响，需按照对物性、化学反应途径等

9、的影响来全面考虑。CO的火焰速度与水蒸汽含量的关系无水11.5%N2+98.5%O2;220%N2+80%O2;340%N2+60%O2;460%N2+40%O2;570%N2+30%O2;675%N2+25%O2;779%N2+21%O2;第四节 混合气体火焰传播速度的计算 有必要、有条件时，可进行实验测试； 或按照经验公式、根据单一气体的最大火焰传播速度，进行计算。CO20%(以燃气中的可燃组分为100%计)N2+CO250%(扣除燃气中的O2所对应的空气！)计算公式的适用条件准确程度：与实测的偏差小于5%gggOONN222276.410076.3ggOCOCO22276.4100 燃气

10、中O2所对应的N2燃气中的O2所对应的空气222200max5 .21CONNfrVrVSSiiiiiinin考虑惰性气体的影响各单一气体的最大法向火焰传播速度各单一气体在最大法向火焰传播速度时的一次空气系数iiirfrf化 学 式H2C OC H4C2H4C2H6C3H6C3H8C4H8C4H10Sni2.801.000.380.670.430.500.420.460.38i0.500.401.100.851.151.101.1251.131.15V0I2.382.389.5214.2816.6621.4223.8028.5630.94fi0.751.000.500.250.220.220.

11、220.200.18计算燃气最大火焰速度的数据计算燃气最大火焰速度的数据第五节 紊流火焰传播与层流相比： 层流火焰锋面很薄、光滑； 紊流锋面变厚、焰面抖动/粗糙。 燃烧速度增大十几倍或更高。一、紊流火焰结构燃烧反应在发光的燃烧区内完成；少量未燃尽气体在高温燃烬区内继续燃烧；紊流火焰特点：焰面皱曲、轮廓模糊；焰面厚度较大、火焰高度较短；火焰稳定性变差，易脱火；燃烧时噪声较大。二、紊流火焰传播的一般结论1、紊流火焰的传播取决于紊流流动特性： St与Re有关Re6000, St/SnRe2、紊流火焰速度与混合物浓度的关系与层流时基本相同在气流速度较小时，相对层流而言，受浓度影响较小层流紊流表征紊流特

12、性的参数2uu气流脉动速度的时均方根值l紊动微团从形成到分裂过程所经过的平均自由行程表示紊流程度的强弱表示紊动范围的大小，尺度的大小l层流火焰的厚度紊流火焰的种类划分小尺度紊流火焰nSu ll大尺度紊流火焰大尺度弱紊动大尺度强紊动nSu llnSu ll焰面厚度稍大于层流焰面皱曲不存在连续焰面紊流火焰结构图示小尺度紊动大尺度弱紊动大尺度强紊动容积燃烧模型燃烧产物新鲜混合气部分燃尽气体三、紊流火焰的表面理论主要论点：层流火焰锋面的基本结构未发生变化，燃烧集中于锋面中；紊流火焰比层流火焰传播速度大的原因：传递过程的加快、焰面的增大；小尺度紊流对层流火焰2nphSaaA=a+DTSnStphtASu

13、laA紊流扩散系数所以aulSaulaASnphpht11由于Reul当aul有RentSS小尺度紊流一般只发生在燃烧器管壁附近；只有在小口径管子的中心，才有可能出现小尺度紊流。大尺度紊流燃烧是在F上进行的FSFSlt221lhFFtuhtSll22211lltSuSS大尺度强紊流时，1lSu所以Re uSt大部分情况下，St仍然部分地取决于层流火焰传播速度St=A.SlaReb第六节 火焰传播浓度极限Flammability limit一、火焰传播浓度极限及其实验测定只有当空气-燃气的比例在一定范围内，所形成的可燃混合物中火焰才能传播；燃气浓度过高/过低发热能力降低不足以将未燃混合物加热到着火温度火焰失去传播能力。使火焰不能传播的最低燃气浓度火焰传播浓度下限；使火焰不能传播的最高燃气浓度火焰传播浓度上限；又称“着火浓度极限”实验测试方法硬质玻璃管发火花间隙水银槽压力计二、影响火焰传播浓度极限的因素燃气在纯氧中燃烧，极限范围将扩大；空气-燃气混合物温度上升，极限范围扩大；提高压力，浓度极限范围将扩大，上限更敏感；加入惰性气体，浓度极限范围将缩小；灰尘、水蒸气、容器形状、壁面材料也能影响浓度极限。火焰传播浓度极限燃气压力(MPa)下限(%)上限(%)CO0.12.04.0142120716057H20.12.09106970CH40.15.010.