燃烧原理基础

第一部分燃烧原理基础掌握化学反应速率的基本规律和影响因素了解着火过程和热自燃理论掌握火焰传播的基本规律掌握扩散和动力燃烧的基本内容了解两相燃烧的基本规律化学热力学化学动力学燃烧学化学热力学：反应体系的初始、终了状态化学动力学：反应的过程和所需时间、反应速率§2-1化学动力学基础化学反应速率阿累尼乌斯定律影响反应速率的因素链锁反应1、化学反应的分类化学反应是具有不同原子结构的物质重新组合的过程。

把能代表反应机理的、由反应微粒（分子、原子、离子或自由基等）一步直接实现的变化称为“基元步骤”。

基元步骤简单反应：复杂反应：仅有一个基元步骤构成由两个以上基元步骤构成的一、化学反应速率复杂反应简单反应单位时间内，反应物或产物浓度的变化。2、化学反应速率k对化学反应：aA+bBcC+dD化学反应速率表达式：

浓度（3）质量浓度（密度）：（1）摩尔浓度：（2）分子浓度：3、质量作用定律简单反应的速率与各反应物浓度以其化学计量系数为指数幂的乘积成正比。

反应速率常数4、化学反应级数n化学反应级数:化学反应速率与浓度呈多少次方的关系，就称为几级反应，它是浓度影响反应速率大小与快慢的反映。零级反应一级反应二级反应三级反应简单反应的级数常与反应式中作用物的分子数相同反应级数可以不是整数，如一般碳氢燃料与氧的反应是1.5～２级反应

反应级数是从化学动力学实验测定温度对反应速率的影响，集中反应在反应速率常数K上。1889年阿累尼乌斯提出反应速率常数K与反应温度T之间的关系：

K0为频率因子Ea为活化能R为通用气体常数

二阿累尼乌斯定律阿累尼乌斯定律反应了温度对反应速率的影响阿累尼乌斯定律是实验得出的结果不是所有的化学反应都符合阿累尼乌斯定律实际反应速率随温度变化关系对燃料和氧化剂的反应，反应速度式子：燃料的质量相对浓度氧化剂的质量相对浓度，n为反应级数ρ混合物密度分子之间需要通过碰撞才能引起化学反应单位时间内碰撞次数越多，反应速率越快不是所有的碰撞都会发生反应发生反应所需的临界能量叫活化能

活化能越小，物质的化合能力越强

能量大于活化能的分子为活化分子活化分子间的碰撞可以发生反应

分子碰撞理论在单位时间内所有A分子与所有B分子的总碰撞次数为：对于气相反应：

能量超过活化能的活化分子占分子总数的比值：反应速率：频率因子K活化分子之间的有效碰撞次数为：质量作用定律只适用于基元反应对复杂反应，取决于其中一个反应最慢的基元反应。三影响反应速率的因素1、反应物性质饱和分子的活化能比较大，根与离子的反应活化能趋于02、温度对反应速率的影响温度升高，分子运动速度加快，碰撞能量超过活化能的部分增大，反应速度加快。3、压力对反应速率的影响一级反应：二级反应：4、反应物质成分的影响双分子反应四链锁反应现象1、2、低温时磷、乙醚的蒸气氧化出现冷焰3、一种在反应历程中含有被称为链载体的低浓度活性中间产物的反应。链载体参加到反应的循环中，并且它在每次循环之后都重新生成。

链载体：自由基、离子等§2-2着火过程燃烧过程分为两个阶段：着火、燃烧。着火是燃烧的起始和准备阶段。着火方式：（1）链锁自燃（2）热自燃（3）点燃（强迫着火）热自燃理论热理论认为：着火是反应放热因素和散热因素相互作用的结果。

放热＞散热：着火成功放热＜散热：不成功1、闭口系统的非稳态分析法通过器壁的散热量：ω-化学反应速率，V-体积q-热值，系统的化学反应放热量：α-对流换热系数，A-表面积T-反应过程中温度系统热量的变化量：系统的热平衡方程：取决于Exp(-E/RT)为T的线性函数，斜率初始值：T0改变α：改变P：（1）E↓或kn↑TB↓（2）↑（即α↑或V↓）T0c↑（3）Pc↓TB↑，Pc↑TB↓（4）热自燃有一定浓度界限

影响热自燃的因素着火着火不着火不着火贫燃限富燃限富燃限贫燃限PB=c，TB～xMTB=c，PB～xM3、着火感应期混气由初始状态到温度急速上升所经历的时间。感应期表达式：对于烃类燃料，反应级数近似为二级，有：压力↓，温度↓，感应期↑§2-3均匀混气的火焰传播一、层流火焰传播已燃气未燃气火焰传播速度即焰峰的法向速度（又称正交速度）：1、层流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2、火焰传播机理将火焰锋面可分为两部分：反应区预热区设：u0=un，则火焰锋面驻定。3、火焰传播速度Un连续方程：P≈常数对于一维带化学反应的定常层流流动，其基本方程为：

动量方程：能量方程：绝热条件下，火焰的边界条件为：把火焰分成预热区与反应区，在预热区中忽略化学反应的影响，而在反应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项。

分区近似解法：(1)压力的影响一般碳氢燃料燃烧过程的反应级数1.5～2，因此：压力对火焰传播速度的影响较小(v=-0.25～0)4、影响层流火焰传播的因素(2)温度的影响温度增加，火焰传播速度增加。

（C=1.5～2）

(3)混气成分的影响存在一个最佳混气成分，这时火焰传播速度最大。对每一种混气，都存在一个火焰传播的浓度界限，当混气太贫或太富时，火焰就不能传播。

(4)混气性质导温系数活化能氧浓度二、紊流火焰传播雷诺数直管段中，Re＜2300时，层流混气的流动为紊流时，Re＞3200时火焰为紊流火焰1、紊流的基本属性描述紊流的运动速度为：—平均速度，—瞬时脉动速度紊流强度：描述紊流流动的主要参数：紊流尺度l：紊流中形成的气体微团的平均直径。或微团的平均脉动距离三个方向上的分量一般不等2、紊流火焰特征和火焰速度紊流火焰特征1）火焰长度缩短2）火焰前锋变宽3）火焰峰面粗糙4）有噪音紊流火焰传播速度明显大于层流1)焰锋表面积增加2)加速热量和活性中心的传输3)加快了新鲜混气和燃气的混合

3紊流火焰传播速度1）紊流尺度远小于层流火焰前锋的厚度2）紊流尺度大于层流火焰前锋的厚度，但紊流强度ε较小——表面燃烧理论单位时间内焰峰表面烧掉的混气量以层流焰峰表示以紊流焰峰表示3）当紊流强度ε很大时u’》unu’/un》1ut∝u’ut只取决于脉动速度，与化学动力学因素无关4、影响紊流传播速度的因素（1）雷诺数Re↑ut↑（2）压力Pt↑ut↑（3）温度T↑ut↑（4）u’u’↑ut↑（5）混气浓度§2-4扩散燃烧与动力燃烧燃料燃烧时间包括两部分：τ=τm+τrτm：燃料与空气混合所需要的时间τr：化学反应时间τm》τr：

扩散燃烧，τ≈τmτr》τm：

动力燃烧，τ≈τr

τr、τm相差不大

：

动力—扩散燃烧一、扩散燃烧和动力燃烧基本概念α1=1α1＞1α1＜1α1=0本生灯二、气相扩散燃烧1、层流扩散火焰结构火焰面位置火焰形状浓度/温度变化2、紊流扩散火焰1—火焰顶点2—层流向紊流的转变点3火焰高度Q—容积流量Dm—扩散系数层流紊流4、扩散火焰的特点（1）扩散火焰的稳定性（2）碳氢化合物的热分解三、气—液两相燃烧1、蒸发或燃烧时的油珠温度表面温度开始时高于核心温度，到一定时候，两者温度平衡－蒸发平衡温度或湿