燃烧学（西安交大） 第一章 导论、化学热力学与化学反应动力关学基础.ppt

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1、第一章 导论、化学热力学与化学反应动力学基础,1.1 导论 1.2 化学反应速率 1.3 链式反应,1.2 化学反应速率 1.2.1 定义 1.2.2 质量作用定律 1.2.3 对化学反应速率影响的各种因素 浓度（质量作用定律） 温度（阿累尼乌斯定律） 压力 催化剂,活化能 反应级数 浓度与反应时间关系 半衰期时间与初始浓度关系 反应速度与压力、反应级数关系 燃尽时间与压力、反应级数关系, 、催化剂对化学反应速度 的影响,1、催化剂及其特性 催化剂： 极大的改变 的物质； 在反应前后质量组成都不变； 催化剂促进 正催化剂 催化剂减慢 负催化剂（抗衰剂、缓蚀剂、阻燃剂） 催化剂降低了活化能（E）

2、，初态、终态不变化。 热力学中确定可以进行的反应，催化剂可以提高化学反应速率。, 、催化剂对化学反应速度 的影响,催化剂特性： 用量很少，自身活性很强，促使反应物活化。 反应前后质量、组成均不变 化学反应的前后始态、终态不变 催化剂有很强的选择性 、不同类型的反应，有不同的催化剂 、同一个反应物反应，不同的催化剂有不同的反应方向 催化剂中毒：有少量杂质：、助催化；、中毒，活性下降，甚至失去选择性。, 、催化剂对化学反应速度 的影响,例子：, 、催化剂对化学反应速度 的影响,2、单相催化和多相催化 催化剂与反应物同相，称为单相催化物 催化剂与反应物异相，称为异相催化物, 、催化剂对化学反应速度

3、的影响,催化过程：,催化剂与反应物同相同； 反应较慢，NO催化 。,单相催化：, 、催化剂对化学反应速度 的影响,多相催化： 吸附； 反应（活化中心或活化点）； 催化剂颗粒越细，表面积大，表面凹凸不平，反应得到促进； 脱离，解吸 。,1.3 链式反应,反应不是一步能完成的 上一步反应的生成物就是下一步反应的反应物 活化中心（分子）、自由基（原子） 2H2+O2=2H2O 活化中心: H CO+O2=CO2 活化中心 : O CO+O2=CO2 活化中心 : H OH O RH+O2=RH+CO+H2O 活化中心:OH,基本步骤： 链的激发：反应物在光、热、电、附加剂作用下生成自由基或原子 链的

4、传递：活化中心与分子反应，除生成物之外，还会产生新的活化中心 上一步活化中心数=下一步活化中心数称为不分支链反应 上一步活化中心数下一步活化中心数 反应中产生的能量不足以激活新的活化中心能量损失，销毁（若被气体吸收带走，气体销毁）,一、的燃烧,步骤和机理： 激发： （ 代表气体中除氢以外的分子或能量） 传递：,活化能 75.4kJ/mol 活化能 25.1 活化能 41.9,2H2+O2=2H2O,式（1-5）的化学反应是决定性环节，所以氢燃烧的化学反应速度如果以生成的水分子来表示的话，可以写成：,式中，wm的单位为 mol/m3.s；各浓度HO2H2O单位为mol/m3;T的单位为K。 从式

5、中可以看出，氢燃烧化学反应的速度除了与温度、氧浓度等存在一般的关系外，还与氢原子的浓度成比例。,氢原子浓度变化：,氢原子初生速度； 再生速度； 销毁速度。,一、的燃烧,讨论：,（）,（）,（）,销毁大于繁殖,孕育速度与孕育时间 （1-13） （1-15） 温度上升=孕育时间大大缩短,二、的燃烧,讨论：含有少量 “潮湿化” 没有 “干燥” 干燥燃烧：在700以上才能着火；氧o是活化中心 潮湿燃烧：,二、的燃烧,潮湿：,哪怕加入1%H2 或2%H2O, 600-640 就能着火（下降）,讨论：,三、烃的燃烧反应 （烷燃烧为例）,（ 为 ，此外，烷基又可看成 ）,、有下的反应： 2、 缺下的反应：,

6、OH基为活化中心,三、烃的燃烧反应,、有下的反应：,合成：,高一级的烷 同一级的醛 低一级的烷 甲醛,高一级的烷 同一级的醛 低一级的烷 甲醛,甲醛-燃烧 分解,闪点： 甲醛200-300左右，发出浅蓝色光-冷焰 第一次出现冷焰的温度：闪点 冷焰一般不爆炸，超闪点后禁止遇明火。,三、烃的燃烧反应,、缺氧,脱氢,断链,乙烯： 高温下9001100 中温下 500,比越大，那么析碳越多。,析碳： 1.C/H越大，析碳可能性越大； 不饱和烃（烯、炔）比饱和烃（烷）更易 渣油重油轻油汽油液化石油气天然气,防止析碳： 1.燃料中加入一次风，缺氧变为有氧燃烧 2.蒸汽雾化：加水(OH), 3.最小水碳比,

7、甲烷裂解时水蒸汽对析碳影响 CH4=C+2H2+75kJ C+H2O=CO+H2-131kJ +) CH4+H2O=CO+3H2-207kJ,转化反应的最小水碳比,2019/5/31,第三章 气体燃料的燃烧,着火基本原理 火焰传播 扩散火焰和预混火焰 提高火焰稳定性措施,第一节 着火基本原理,一、着火机理,二、自燃,从热平衡来研究：（对一可燃混合物着火过程） 单位时间产生的热量Q1：,单位时间散热量Q2：,讨论：分析点A、B、C 对于 点A是稳定点（向左或向右波动，都会回到原位） 点C不稳定点（向左熄火，向右着火,二、自燃,对于 点B：热自燃着火的临界点，对应Tlj 对于Q2 Q1Q2，能着火

8、，着火稳定。 结论： 1、着火临界条件： Q1Q2； 2、稳定着火条件： Q1Q2（燃烧过程中，如煤粉燃烧，可用 于强燃）,二、自燃,讨论：Q1Q2、 可推导出：,（3-4） （+项舍弃）,将根号内式用二项式定理展开成级数，再舍弃高次项：,，将此代入式3-4得,二、自燃,若取,着火温度：在一定结构环境和散热条件下，当可燃混合物达到某一温度，在此温度下，可燃混合物持续进行的化学反应放热量总是大于等于该结构环境的散热，这个温度就是临界着火温度。 结论：Tlj与T0很接近，所以着火温度Tzh规定为Tlj或T0都 可； ,E小，燃料活性强，更易着火；,二、自燃,着火温度不仅与燃料本身活性有关，还与结构

9、、散热有关。当燃料装置变化，同一燃料着火温度不同。不同锅炉炉膛、不同燃烧器、不同的燃烧组织方式均不同。,a、散热加强， 大，着火温度升高； b、反应速度常数k0大，或Cn大，着火温度下降； c、可燃混合物P增大，由于 ，Q1曲线上移，Tzh变小，更易着火。,二、强燃,T0可燃混合物的初温。,二、强燃,临界强燃着火的临界条件：,分析： 1、热源温度为T1，放热少。（实际温降曲线略高于自然散射温降曲线） 2、热源温度升为T2，实际温降为0，化学反应放热=环境散热。,3、热源温度再升为时T3，,二、强燃,平板形状热源物体计算：,收入：,支出：,反应产热：,解得：,二、强燃,另一方面：w点之外无化学反

10、应（边界层外无化学反应），纯导热。,物体表面的换热系数。,由传热学：,由式3-14可求得Tqr,二、强燃,讨论： 强然着火温度一般远大于自然着火温度（高几百度）；边界层散热很大，用自然着火模型解释Q1Q2，由于Q2边界层散热太大，所以要求Q1很大。 特征尺寸L（炙热源尺寸）变小时，左边增大，Tqr增大，更难点燃。 散热系数增大，强燃温度增加。 强燃使边界层着火燃烧，边界层着火后再向前推进，这就是火焰传播。,一、火焰传播方式： 1、缓燃：火焰锋面主要以导热和对流方式传热给可燃混合物所引起的火焰传播。煤粉-空气混合物以辐射和对流为主（声波） 2、爆燃：绝热压缩所引起的火焰传播。高温烟气比容比未燃混

11、合物要大，前者膨胀，产生压力波，使后者绝热压缩，未燃混合物受绝热压缩后，温度大大升高，迅速着火燃烧，爆燃火焰传播速度极高，必然高于声速。 （可能会几千米/秒，声音是压差很微弱的压力波。） 二、火焰传播速度 火焰锋面在其法线方向上相新鲜 燃料侧移动的速度。 uce层流火焰传播速度； ut 湍流火焰传播速度；,第二节 火焰传播,、层流时的火焰传播,设有一平面火焰锋面，气流速度w0=uce,锋面稳定，进入锋面前只是传导升温。,火焰锋面内，反应速度都一样：,C在理论燃烧温度时的可燃成分浓度。,、层流时的火焰传播,进入火焰锋面前，导热吸热量：,（316）,、层流时的火焰传播,然后写出火焰锋面的能量方程式

12、：q1+q2=q3,(318),讨论：uce主要影响因素（a、wm）热扩散率、反应速度。,、层流时的火焰传播,燃尽时间：,、层流时的火焰传播,火焰锋面厚度：,从式3-22可计算出S值， 与Tlr相关，Tlr可估算，所以 也可以估算。,可燃混合物升温预热区厚度：,、层流时的火焰传播,讨论uce： uce与化学反应速度wm的平方根成正比。（常用测uce来研究wm变化规律） 热扩散率a： 压力p：,一般化学反应级数n=12,同样大小火焰锋面内单位时间内烧掉的燃料将增大一些，所以p对着火影响不大。,、层流时的火焰传播,Q： 化学反应速度常数： 可燃混合物初温T0： 过量空气系数 （燃料的浓稀程度）：

13、理论燃烧温度应该在过量空气系数为1时最高，过量空气系数不等于1时，多余的反应物不会发生反应而升温过程要吸热。但实际上，火焰传播速度最大值出现在过量空气系数略小于1处。 原因分析：燃料浓度高，挥发分集中，单位体积活化分子浓度大。,、层流时的火焰传播,氢气乙炔乙烯丙烷甲烷,火焰传播浓度范围：,过浓或过淡，化学反应wm很小，散热很大，火焰不能传播。,、层流时的火焰传播,淬熄距离： 在临近壁面只有数毫米之内的地方，壁面的散热作用十分强烈，以致火焰不能传播，这段距离称为淬熄距离。 火焰锋面形状： 凸出的曲面：凸出曲面与低温混合物接触，散热面积大， uce会降低一些。 凹入的曲面：高温火焰包围冷混合物，u

14、ce会大些。 设计喷嘴火焰锋面时要考虑，旋流燃烧器卷吸要好。 实验证明，散热或锋面凹凸对火焰传播速度影响不大， uce基本只决定于燃料与空气混合物的成分和物理化学性质。,、湍流时的火焰传播,湍流ut的特点（核心就是脉动速度w) 1、火焰锋面不断抖动，传热与传质共存； 2、火焰锋面很厚，为一区域。,、湍流时的火焰传播,舍谢尔金模型： 小标尺湍动：湍动微团的尺寸或迁移距离均显著地小于层流锋面厚度时，这时的传热就由湍动与分子导热两者组成，使火焰锋面内平面形状不变，未增加锋面面积。,小标尺湍动主要适用于很细的管内流动。,、湍流时的火焰传播,大标尺弱湍动： 湍动微团尺寸或迁移距离均大于层流锋面厚度时，而

15、微团湍动脉动速度w小于层流火焰传播速度uce，称为大标尺弱湍动。(wuce) 这时，能保持明显的锋面形状，但将使平面锋面变成锯齿形锋面，增加了火焰锋面的面积。,S火焰锋面的曲面面积； S0平均位置平面面积。,锥面高度：,忽略uce与d的方向差异，也可得：,d锥底的直径。,（3-29）,（3-30）,对于图3-20所示的椎体，底半径r=d/2，可求出：,代入式（3-29）与式（3-30），得到：,大标尺弱湍动时，若wuce，则展开上式为二项级数，并略去高次项得：,由此式可看出，在很弱的湍动时，ut接近于uce。,、湍流时的火焰传播,大标尺强湍动：湍动迁移距离l大于层流锋面厚度d；wuce。 由式

16、（3-31）， wuce 模型1： utw 湍动到哪里就烧到哪里。 特征：锋面很厚，为一区域，界面不清。,、湍流时的火焰传播,大标尺强湍动：湍动迁移距离l大于层流锋面厚度d；wuce。 后来又发展模型2为：,、湍流时的火焰传播,讨论：以上计算ut的方法，均属“表面理论”燃烧化学反应只在薄薄的一层火焰锋面内进行。 （“容积理论”燃烧化学反应各处都进行，燃烧与掺混共存。）,本生灯的燃烧过程与火焰结构 1、扩散火焰：,第三节 扩散火焰与预混火焰,特征：火焰软弱无力，温度低，火炬长。,2、预混火焰（ ）：,内火焰锋面是预混物的火焰称为预混火焰。 特征：火焰有力、温度高、火炬短。,本生灯的燃烧过程与火焰

17、结构,、脱火与吹熄： 当 ，预混物流速太高，火焰将被吹离。,、回火 当 ，而预混物流量很小时，流量很低，火焰可能逆流而传进本生灯，这种现象称为回火。,火焰稳定：,本生灯的燃烧过程与火焰结构,、点火环：（射流出口速度特性） 锥形火焰底部存在一稳定的点火环。射流扩散后速度越来越小，有些位置射流速度正好等于火焰传播速度，这样就形成了锚泊固定的火焰锋面，形成点火环。,本生灯的燃烧过程与火焰结构,在ABCD内，ucew：锋面可以在边界BAC上锚泊固定，因为火焰锋面落到区域ABDC之内就必然逆流传播，又移动到边界BAC上；另一方面，火焰锋面如果跑到边界BAC的上游，那里ucew，火焰锋面又会顺流移动回到边

18、界BAC上； 在ABCD外，ucew。,本生灯的燃烧过程与火焰结构,当很小时，记为sin =tg ,由图3-23，,本生灯的燃烧过程与火焰结构,脱火图： 只能在截面上找到一个w=uce点，其余点wuce。 极不稳定，不能建立点火环，煤气与一级空气预混物不能着火，温度t降低，熄火 脱火 回火图： 在1、2、3、4等各截面上都能找到w=uce点，形成稳定的着火环； 在相交点内部，ucew，逆流回火，直到一个截面上只存在一个uce=w点，如煤气的喷口淬熄处。,本生灯的燃烧过程与火焰结构,6、 影响特性： 变化会影响射流各截面上燃料浓度，影响过量空气系数。 1时，uce最大，偏离则uce下降。,本生灯

19、的燃烧过程与火焰结构,煤气中的烃在受热时遇不到氧气，裂解而产生炭黑，火焰呈明亮黄色，碳黑太多会引起燃烧不完全。,不可能回火，也不易脱火、极稳定，但火焰长、无力，化学不完全燃烧损失大，w太大时会冒浓烟。（气焊点火用）,影响气体燃料燃烧火焰稳定因素： 背景：实际w20m/s；高炉气含大量惰性气体，uce低，易脱火； 不利因素：可燃混合物出口流速w；成分不纯。 火焰稳定条件： 措施： 提高空气温度及提高气体燃料温度； 适当降低一次过量空气系数，提高火焰稳定性；（实际上， 缩小预混合距离，预混合程度降低） 完全预混，火焰十分强烈，但稳定性较差。(实际都是预混为提高燃烧效率),第四节 提高火焰稳定性的措

20、施,实例1：板式无焰燃烧器 高速抽吸，多次预混，多孔燃烧(缩短火焰长度)。,实例2 ：喉口收缩型无焰燃烧器,小直径喷口可降低喉口流速下限，不易回火。,讨论： 同一 材料、不同直径喷管时 同一材料，淬熄距离一样； 回火临届条件：在离壁面淬熄距离lcx处，w=uce lcx1=lcx2 w1lcx（陶瓷） w铜管w陶瓷,一、湍流扩散火焰长度 层流预混火焰长度 湍流预混火焰长度 由于整体上预混火焰长度扩散火焰长度，所以一般只研究扩散火焰长度。,第五节 气体燃料燃烧时的火焰长度,一、湍流扩散火焰长度 湍流扩散火焰长度计算机理： 煤气和空气中的氧从火焰锋面的两侧向火焰锋面扩散进来，在火焰锋面上相遇而燃烧

21、，燃烧产物（CO2、H2O）从火焰锋面又向两侧扩散离去，很薄的火焰锋面上煤气与O2流量必然符合化学反应当量比（即火焰锋面上不可能存在煤气或O2过剩）。 火焰锋面：煤气浓度与O2浓度符合化学当量比的点的轨迹连线。,一、湍流扩散火焰长度 设想为等温自由射流：,式中： CZS射流轴心线上浓度； C1射流出口处的浓度； S距出口的轴线距离； a湍流结构系数； R0射流喷口半径。 射流中各点的煤气浓度与空气浓度之和应该是一样的，等于出口处的浓度和C1煤气+0=C1，火焰锋面上这个浓度比近似为化学当量比为1：n，得出：,一、湍流扩散火焰长度,此公式适用条件： 等温自由射流； 射向大空间,讨论： ,二、层流

22、扩散火焰长度,式中： D分子扩散系数； d决定性尺寸（喷口直径）。,与层流预混火焰一致；,明显大于层流预混火焰长度。,三、影响扩散火焰长度的因素,1、雷诺数Re 层流扩散火焰长度与d2、w成正比； 湍流扩散火焰长度与d成正比，而与w无关。,湍流十分强烈时湍流扩散系数 ；而层流时的分子扩散系数只是气体的物性常数。,湍流扩散 层流扩散 层流预混 正比d d2 d 与w无关 正比w 正比w D正比w*d 正比1/D 湍流扩散系数 ； 而层流时的分子扩散系数只是气体的物性常数。,时的火焰长度小于 时的火焰长度。,三、影响扩散火焰长度的因素,2、过量空气系数,三、影响扩散火焰长度的因素,3、化学当量比n

23、与喷口直径（2R0） 对于湍流扩散火焰：,减小R0，可缩短lhy。 当天然气或液化石油气燃烧时，n值很大，必须选小的R0，因此总把煤气分成许多小股细流。,第六节 点火,先锋火焰射流尺寸较大时，高温气体离开喷口与新鲜燃料混合后温度仍较高，燃烧化学反应经过一段孕育时间以后又加速起来而造成了自然热着火，这就是成功的点火过程。,若先锋火焰的尺寸太小，射流中的高温气体与低温的可燃混合物突然大量混合，温度急剧下降，燃烧化学反应不能迅速进行，点火失败。 可能的原因： 1、可燃混合物开始时温度一度较高，但因为孕育时间不够，来不及着火就冷却下去了； 2、少量可燃混合物的厚度大大小于层流火焰锋面的厚度，所以虽然它

24、温度尚高，但不能形成火焰传播。,2019/5/31,第四章 液体燃料的燃烧,雾化 油滴的燃烧过程 油雾炬的燃烧过程 油与空气的分配和调风器 稳焰,石油化工工艺过程中分离出来的渣油等统称为重油. 燃料油的化学组成是烃类，烃集聚于液相，燃烧时蒸发成蒸汽，烃蒸汽与空气中氧形成扩散火焰。 雾化是液体燃料燃烧最经济、高效的途径。 雾化烃蒸汽转化为气体燃料，符合上一章的规律。 气体燃烧是单相燃烧，液体燃烧时助燃体为气体，但燃料为液相。,第一节 雾化,一、机械雾化器 液体切向进入漩涡室，高速旋转并由中心孔喷出。 设计方法： “最大流量理论”+一定的修正 漩涡室流动为势位流动，因此：,一、机械雾化器,假设油无

25、粘性，则根据动量矩守恒定律：,式中：r某一点半径； R切向进口槽中心线所处切圆半径； 某一点切向速度； 切向进口槽的流速。,势位流动中，伯努利定律可对任一点切向速度适用：,式中：p某点的静压： 油的密度。,（4-2）,一、机械雾化器,假设油无粘性，因此伯努利定律对任一点都适用； 在喷口处，油的径向速度为零。,（4-3）,根据式（4-2）和式（4-3）可知对喷孔出口截面上各点轴向速度数值是均匀的，即： wz=常数,一、机械雾化器,喷孔势位流动的中心处是一个空气漩涡，其直径是根据最大流量的原则来确定的。 根据最大流量原则，就可以定出喷孔截面上扣除空气漩涡后的充满度：,式中：A结构特性系数； r0喷

26、孔半径； f切向进口槽总截面积。,轴向速度wz与 成反比，除wz等于乘以 ；动量矩臂为r0，则旋流强度：,一、机械雾化器,A等同油的旋流强度。（旋流强度=切向动量矩/轴向动量矩） 分析： 进口动量矩=切向速度动量矩臂,由于动量矩守恒，因此：出口动量矩=进口动量矩,问题：雾化为何要表面精加工？喷口有毛刺会有何影响？ 问题2：决定雾化效果最重要的因素有？ P、A、r0,一、机械雾化器,雾化器喷油量：,式中： 流量系数； p0油的入口压力。,一、机械雾化器,雾化角：出口处油雾两侧边缘边界切线的交角。,一、机械雾化器,一、回油雾化器,变负荷下，油量要减少，就要减小油压，就会恶化雾化质量。开发： 回油雾

27、化器：在简单雾化器漩涡室端壁上开一些小孔，进行回油。 按照开孔位置分为：集中大孔回油（在中心）； 分散小孔回油（在半径稍大些圆上）。,CA曲线：喷口油量曲线 BA曲线：进油量曲线 Gwl回油量 Pw回油压力（回油管上回油调节 阀之前）,一、回油雾化器,设计方法： 1、Pwl=0状态： 算出最大回油量GB、最小喷油量Gmin，则最大进油量= GB+ Gmin 2、 Gmax（点）由最大负荷决定。,二、蒸汽机械雾化器,雾化好、调节比大、能耗阻力小。,1、甲烷裂解时水蒸汽对析碳影响 CH4=C+2H2+75kJ C+H2O=CO+H2-131kJ +) CH4+H2O=CO+3H2-207kJ 2、

28、加速油滴蒸发气化作用。水的饱和温度低。水先气化带动油滴破碎气化。,转化反应的最小水碳比,神雾燃烧器原理,二、蒸汽机械雾化器,式中：n油孔和气孔的套数。,(4-17),(4-18),二、蒸汽机械雾化器,经验修正公式：,(4-25),据新华社北京奥运专电(记者高鹏) 北京奥运会“祥云”火炬克服低温、低压、缺氧、大风等极端不利条件。在珠峰之巅漂亮地燃烧，举世为之惊叹。在这史无前例的壮举背后，凝聚着无数智慧与辛劳。早在2001年7月13日北京申奥成功，航天科工集团就成立了一个科技奥运领导小组。2006年1月17日，北京奥组委正式致函航天科工集团。委托其就奥运火炬珠峰燃烧技术进行科研攻关，迄今已两年多。

29、,双火焰原理： 一个火“冲锋”，一个火“值班” 从以往奥运火炬来看。火炬燃料_般有固态、液态和固液混合三种。研制团队最初选定丙烷作为火炬燃料。 燃烧系统设计为避免“祥云”火炬重蹈火炬突然熄灭的覆辙，研制团队运用航空发动机的双火焰原理，设计 了预混火焰与扩散火焰的“双火焰”燃烧方案，即一个火焰在外面“冲锋”，一个火焰在里面“值班”。 2006年9月，科工集团火炬研发部自掏腰包奔赴西藏珠峰大本营进行实地试验。结果发现液态丙烷火炬在实际低压环境下燃烧时间太短。达不到要求。返回北京后。研制团队放弃了液态丙烷火炬的方案。将研制重点转向固液组合火炬和固态燃料火炬。,三、烃的燃烧反应 （烷燃烧为例）,（ 为

30、 ，此外，烷基又可看成 ）,、有下的反应： 2、 缺下的反应：,OH基为活化中心,三、烃的燃烧反应,、有下的反应：,合成：,高一级的烷 同一级的醛 低一级的烷 甲醛,高一级的烷 同一级的醛 低一级的烷 甲醛,甲醛-燃烧 分解,闪点： 甲醛200-300左右，发出浅蓝色光-冷焰 第一次出现冷焰的温度：闪点 冷焰一般不爆炸，超闪点后禁止遇明火。,三、烃的燃烧反应,、缺氧,脱氢,断链,乙烯： 高温下9001100 中温下 500,比越大，那么析碳越多。,析碳： 1.C/H越大，析碳可能性越大； 不饱和烃（烯、炔）比饱和烃（烷）更易 渣油重油轻油汽油液化石油气天然气,燃料试验曾遇“爆燃”意外 2007

31、年1月。一支由10多名研制人员组成的试验队奔赴祖国最北端的黑龙江漠河。对这两种火炬在低温、大风条件下的性能进行实地测试。在那里，研制团队遭遇了意外“爆燃”。一天夜晚。固态燃料火炬点燃后，燃料猛地一下喷了出来，幸好当时没有试验队员正对着火炬，否则后果不堪设想。工艺改良后。“爆燃”现象再未发生过。,2007年5月7日。登山队员带着固态燃料火炬和固液组合火炬开始登顶测试。5月9日，登山队员成功登顶，并顺利点燃了携带的3支固态燃料火炬。 考虑到固态燃料火炬操作更为简便。研制团队将固态燃料火炬确定为珠峰火炬燃烧系统最终设计方案。 悉尼水下奥运火炬设计？,第二节 油雾滴的燃烧过程,模型假设：假设油滴为球形

32、，直径 （=2r0） 油滴与气体无相对运动； 火焰锋面的热量全由传导传递，火焰锋面对油滴的对流、辐射换热忽略； 高温下油滴温度已达到饱和温度，导来的热全部用于蒸发； 油滴周围有一稳定球形火焰锋面，此处油气与O2达到当量比； 忽略温度场不均匀对热导率、扩散系数等的影响（a、D）均匀； 不考虑油滴表面生成的油蒸汽向外扩散引起的向外流动的那股质量流（斯蒂芬流）； 这个油滴不受周围油滴的影响，周围油滴不影响O2向该油滴均匀扩散。,油雾滴的燃烧过程,分析： 1、热量交换：向内传导热量=油滴汽化潜热+油滴升温,式中：热导率（假设为一常数）； T当地温度； qm油滴表面的气化量（油滴半径为r0）； T0油滴

33、表面温度，设等于油的表面温度； H每单位质量油的气化潜热。 将式（4-40）自由滴表面（ro、T0）到火焰锋面（r1、Tr）积分得：,（4-41）,（4-40）,油雾滴的燃烧过程,2、质量交换（氧的扩散）： 氧从远处向火焰锋面扩散量=火焰锋面消耗量 设化学反应当量比：油气：O2=1:,式中：D氧的分子扩散系数； C氧浓度。,从远处至火焰锋面积分：（C、）锋面（0、r2）,（4-43）,油雾滴的燃烧过程,联立（4-41）与（4-43）得：,讨论：由公式可看出、D、Tr越大，qm越大；T0越小， qm越大。 （T0减小或者 Tr增大时，k增大） 水的T0小、油的To大。,（4-45）,油雾滴的燃烧

34、过程,3、油滴燃烧中，直径减小与气化量的关系：,将式（4-45）、（4-47）联立得：,因此由直径0的油滴烧到直径所需的时间：,或者可以写成：,（油滴燃烧的直径平方直线定律）,（4-48）,（4-47）,油雾滴的燃烧过程,=0时油滴燃尽，由式（4-48）知燃尽时间为：,燃尽时间与 成正比，可见雾化的重要性。 讨论：与2成正比；只适合纯扩散火焰。 若油滴与气体存在相对运动（炉内），则热量与质量交换都要加强； 当相对Re=0200时有：,即比静止时（Nu=2) 时大了 倍。,油雾滴的燃烧过程,讨论： 若油滴与气体存在相对运动（炉内），则热量与质量交换都要加强； 当相对Re=0200时有：,即比静止

35、时（Nu=2) 时大了 倍。,油雾滴的燃烧过程,一些油滴蒸发气化但不一下子燃烧，如非常细的油滴喷入炉膛后迅速蒸发气化，并与空气预混再受热着火，此时用煤气、空气预混燃烧 规律来分析（第三章）。 一些油滴逸入缺氧区。缺氧条件下，不能形成各自的球形扩散火焰锋面，较多油滴受周围高温介质加热，蒸发气化，然后再与空气混合形成扩散火焰，此时可用第三章煤气扩散火焰规律来分析。 这种一时不能燃烧或来不及燃烧的油滴，直径也在减小。 相当于火焰锋面在远处，r1=，因此，由（4-41）式得：,（4-41）,（4-52）,r1=代入，可推得：,油雾滴的燃烧过程,其蒸发气化过程中的直径平方变化规律为：,实际燃料油燃烧过程

36、：（不均质，先烧轻质油，后烧重质油） 燃料油为多种烃的混合物，分子量很大，油滴燃烧室，轻质组分先蒸发和燃烧，残渣再裂解析碳而焦化再燃烧，直至燃尽。 解释：燃料油中加入适量水并混均匀，雾化燃烧效果更好，原因？ 热油锅中倒入水，热油会爆出油滴而飞溅，为什么？,油雾滴的燃烧过程,实际燃料油燃烧过程：（不均质，先烧轻质油，后烧重质油） 燃料油为多种烃的混合物，分子量很大，油滴燃烧室，轻质组分先蒸发和燃烧，残渣再裂解析碳而焦化再燃烧，直至燃尽。,问题1：燃料油中加入适量水并混均匀，雾化燃烧效果更好，原因？ 问题2：热油锅中倒入水，热油会爆出油滴而飞溅，为什么？,第三节 油雾矩的燃烧过程,一、机械雾化器

37、1、实际油雾矩： 油雾中的油滴粒度（）并不相等； 油滴的扩散燃烧锋面相互传热； 相互妨碍氧扩散到它们的火焰锋面（各个油滴周围氧浓度有较大不同）； 燃料与空气在喷口处原始浓度及速度分布不均匀（直接影响雾矩中分布特性）,式中：f(p)是压力p的函数，f(p) 1 说明：因为压力p决定油滴粒径分布，也影响油雾扩展角，与空气的混合程度等，但应注意不只是与压力有关，与结构系数A、炉膛结构、温度场都有关。,二、油雾的计算模型 2.1 蒸发气化模型 由式（4-35）、（4-37）求出油雾矩中的各种粒径分布；,用油滴的分布特性曲线表示：,完全仿照煤粉而采用余留量，则：,（4-35）,（4-37）,二、油雾的计

38、算模型 2.1、蒸发气化模型 按（4-46）、（4-49）求出不同粒径下油滴燃尽过程。,（4-46）,（4-49）,模型缺点：未考虑油雾与空气射流的混合造成油滴浓度与氧浓度不均的问题。,二、油雾矩的计算模型 2.2 湍流混合扩散火焰模型 计算方法1：气流混合燃烧 先得到雾滴中的浓度分布和氧的浓度分布； 用射流理论或模型试验来确定。 求出火焰锋面及火焰长度。 找出油与氧的浓度比符合化学反应规定的当量比点，并连线。,二、油雾矩的计算模型 2.2 湍流混合扩散火焰模型 计算方法2：蒸发气化燃烧 计算雾矩射流中各根流线，再计算油滴的位移和时间关系，对照（4-48）、 （4-50）所计算的油滴燃尽时间r

39、 ，就可确定油滴流到哪一点才烧完。 在方法2计算中，氧浓度分布和变化、油滴颗粒群的颗粒分布还只是简单假定。,二、油雾矩的计算模型 2.2 湍流混合扩散火焰模型 缺点： 方法1只考虑气流混合，方法2只考虑油滴蒸发气化这点，因此，算出的 火焰长度都比实际的小。 最好是用上两步分别计算，火焰长度计算结果较大的相对可信。 当射流尺寸很小，喷射速度大，油滴粗时，肯定蒸发气化及燃烧对实际燃烧影响最大；反之，射流尺寸大，喷射速度小，油滴很细时，气流混合成为决定性环节。 燃气轮机中，火焰长度是由气流混合和油滴气化燃烧两者控制，作用权重接近；工业炉中油雾滴气化燃烧过程是决定环节。,第四节 油与空气的分配和调风器

40、,尽量解决喷口处原始的油与空气的速度分布均匀性问题、浓度分布均匀性问题、温度分布均匀性问题。 风箱设计： 风箱入口截面上空气流速应低些，1012m/s； 风箱中避免流动涡流区； 在直风道中装调风器。,第五节 稳焰,稳焰措施： 造成一个回流区，如钝体尾迹； 旋转射流； 边界层脱离所引起的死滞漩涡区等。,钝体稳焰模型： 1、着火温度模型 分析： 回流区内燃烧产热：,反应常数，温度取为出回流区时的温度T；,C回流区内的燃料和氧浓度； n化学反应级数； Q燃料发热量； dwl回流区直径； lwl回流区长度。,（4-56）,钝体稳焰模型： 1、着火温度模型 反应放热使回流区气体温度从T1升高到T，即,式

41、中：wwl回流区内平均回流速度； T离开回流区时的气体温度； T1流入回流区时的气体温度。,（4-57）,钝体稳焰模型： 1、着火温度模型 两股气流混合，可写成：,式中：x回流气体与主流气体的比例。 综合（4-56）、（4-57）、（4-59），消去Qwl、T后得：,（4-59）,（4-60）,钝体稳焰模型： 1、着火温度模型 讨论：当主气流速度 回流速度wwl也 混合后T1，当T1下降到着火温度以下时，回流区内气体不能再燃烧，气流就脱火。 脱火临界条件计算： 由于浓度C和密度与压力p成比例，回流速度wwl与主气流速度w成比例，以及回流区长度lwl与钝体稳焰器直径d成比例，因此，可将（4-60

42、）简化为：,（4-62）,脱火判别： 气体来流速度大于（4-62）、（4-63）中计算值w时，发生脱火。,钝体稳焰模型： 1、着火温度模型 由（4-62）和,脱火临界条件,钝体稳焰模型： 1、着火温度模型 由式（4-63）参考图3-18曲线，可绘出图4-10。 判别：曲线以下是稳焰的正常工作区；曲线以上工况时，发 生脱火。,钝体稳焰模型： 2、气流混合与反应模型 气流混合曲线 由式（4-58）得：,上式绘于图4-11曲线2。,钝体稳焰模型： 2、气流混合与反应模型 回流区内气体温升速率：,式中，回流区逗留时间。,钝体稳焰模型： 2、气流混合与反应模型 分析： 、当T1很低时，几乎不进行化学反应，此时T=T1，沿450直线走； 、当T1TZH，燃烧反应发生，使得TT1，曲线开始偏离450线； 、当T1足够大，在主流区反应与回流区反应一样快时，T=T1,回到450线。,