燃烧学基础-概念与应用
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消防燃烧学第一章火灾燃烧基础知识第一节燃烧的本质和条件一、燃烧的本质(识记)燃烧是可燃物与助燃物相互作用发生的强烈放热化学反应,通常伴有火焰、发光和(或)发烟现象。
游离基的链式反应是燃烧反应的实质,光和热是燃烧过程中的物理现象。
二、燃烧条件及其应用(简单应用)(一)燃烧条件燃烧的发生必须具备三个基本条件,即可燃物、助燃物和点火源。
1.可燃物(还原剂)如氢气、乙炔、乙醇、汽油、木材、纸张、塑料、橡胶、纺织纤维、硫、磷、钾、钠等。
2.助燃物(氧化剂)如空气(氧气)、氯气、氯酸钾、高锰酸钾、过氧化钠等。
一般‘3.点火源如明火、高温表面、摩擦与冲击、自然发热、化学反应热、电火花、光热射线等。
上述三个条件还需满足以下数量要求,并相互作用:(1)一定的可燃物浓度氢气的体积分数低于4%时,不能点燃;煤油在20℃时,由于蒸发速率较小,接触明火也不能燃烧。
(2)一定的助燃物浓度或含氧量例如,一般的可燃材料在氧气的体积分数低于13%的空气中无法持续燃烧。
(3)一定的着火能量即能引起可燃物质燃烧的最小着火能量。
(4)相互作用燃烧的三个基本条件须相互作用,燃烧才可能发生和持续进行。
(二)燃烧条件的应用根据着火三角形1.控制可燃物2.隔绝空气3.消除点火源4.防止形成新的燃烧条件,阻止火灾范围的扩大根据燃烧四面体1.隔离法2.窒息法3.冷却法4.化学抑制法第二节燃烧分类与燃烧基本过程一、燃烧分类(识记)按照参与燃烧时物质的状态分类:气体燃烧、液体燃烧和固体燃烧。
按照可燃物与助燃物相互接触与化学反应的先后顺序分类:预混燃烧和扩散燃烧。
按照化学反应速度:热爆炸和一般燃烧。
按照参加化学反应的物质:化合反应燃烧和分解爆炸燃烧。
按照反应物参加化学反应时的状态:燃烧可分为气相燃烧和表面燃烧按照着火的方式分类:自燃和点燃。
绝大部分物质的燃烧都属于气相燃烧。
物质燃烧剩余的残炭和金属物质的燃烧等是表面燃烧。
二、燃烧的基本过程(领会)(一)可燃固体的的熔化、分解或升华过程燃烧过程中发生熔化的主要是热塑性材料,塑料的熔化没有明确的熔点。
燃烧基础知识目录一、燃烧概述 (1)二、燃烧要素 (2)1. 可燃物 (3)2. 氧化剂 (4)3. 点火源 (4)三、燃烧过程及阶段 (5)1. 燃烧过程的物理变化 (7)2. 燃烧过程的化学变化 (8)四、燃烧类型 (9)1. 扩散燃烧 (10)2. 预混燃烧 (11)五、燃烧反应方程式及计算 (12)1. 燃烧反应方程式的编写原则和方法 (13)2. 燃烧反应的计算方法与应用实例 (14)六、燃烧的应用与控制系统 (16)一、燃烧概述燃烧是一种化学反应过程,广泛存在于自然界以及人类生产生活中。
燃烧的本质是物质之间的氧化反应,其中包含了能量的转化与释放。
燃烧过程涉及三个基本要素:可燃物、助燃物和点火源。
可燃物是燃烧反应的主体,助燃物主要是氧气,而点火源则是引发燃烧反应的能量来源。
燃烧反应是一种放热反应,意味着在反应过程中会释放热量。
这种热量释放的形式多样,可以表现为火焰、热辐射等。
燃烧反应的速度和强度取决于多种因素,包括可燃物的性质、助燃物的浓度、点火源的能量以及环境温度等。
了解燃烧的基础知识对于防止火灾、控制燃烧过程以及有效利用燃烧产生的能量具有重要意义。
在工业、农业、交通运输以及日常生活等领域,燃烧知识的应用十分广泛。
在发动机中燃烧燃料以产生动力,在烹饪中使用火来加热食物,以及在火灾发生时如何正确使用灭火设备等。
对燃烧基础知识的理解和掌握至关重要,不仅有助于我们更好地利用燃烧带来的好处,还能在紧急情况下采取正确的应对措施,保护生命财产安全。
我们将更详细地介绍燃烧的相关知识和理论。
二、燃烧要素燃烧是一种化学反应,通常涉及燃料、氧气和热量。
要使燃料燃烧,必须同时满足三个基本要素,即燃料、氧气和热量。
燃料:燃料是燃烧过程中产生能量的来源。
它可以是一种固体、液体或气体。
常见的燃料包括煤、石油、天然气、木材、纸张等。
燃料的种类和性质对燃烧过程有很大影响,不同燃料具有不同的燃烧特性和效率。
氧气:氧气是燃烧过程中的必要成分,燃料无法燃烧。
第1章燃烧化学基础燃烧的本质和条件1.1.1 燃烧的本质所谓燃烧,就是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应,通常伴有火焰、发光和发烟的现象。
燃烧区的温度很高,使其中白炽的固体粒子和某些不稳定(或受激发)的中间物质分子内电子发生能级跃迁,从而发出各种波长的光;发光的气相燃烧区就是火焰,它的存在是燃烧过程中最明显的标志;由于燃烧不完全等原因,会使产物中混有一些微小颗粒,这样就形成了烟。
从本质上说,燃烧是一种氧化还原反应,但其放热、发光、发烟、伴有火焰等基本特征表明它不同于一般的氧化还原反应。
如果燃烧反应速度极快,则因高温条件下产生的气体和周围气体共同膨胀作用,使反应能量直接转变为机械功,在压力释放的同时产生强光、热和声响,这就是所谓的爆炸。
它与燃烧没有本质差别,而是燃烧的常见表现形式。
现在,人们发现很多燃烧反应不是直接进行的,而是通过游离基团和原子这些中间产物在瞬间进行的循环链式反应。
这里,游离基的链锁反应是燃烧反应的实质,光和热是燃烧过程中的物理现象。
1.1.2 燃烧的条件及其在消防中的应用1.1.2.1 燃烧的条件燃烧现象十分普遍,但其发生必须具备一定的条件。
作为一种特殊的氧化还原反应,燃烧反应必须有氧化剂和还原剂参加,此外还要有引发燃烧的能源。
1.可燃物(还原剂)不论是气体、液体还是固体,也不论是金属还是非金属、无机物还是有机物,凡是能与空气中的氧或其它氧化剂起燃烧反应的物质,均称为可燃物,如氢气、乙炔、酒精、汽油、木材、纸张等。
2.助燃物(氧化剂)凡是与可燃物结合能导致和支持燃烧的物质,都叫做助燃物,如空气、氧气、氯气、氯酸钾、过氧化钠等。
空气是最常见的助燃物,以后如无特别说明,可燃物的燃烧都是指在空气中进行的。
3.点火源凡是能引起物质燃烧的点燃能源,统称为点火源,如明火、高温表面、摩擦与冲击、自然发热、化学反应热、电火花、光热射线等。
上述三个条件通常被称为燃烧三要素。
但是即使具备了三要素并且相互结合、相互作用,燃烧也不一定发生。
第1章燃烧化学基础1.1 燃烧的本质和条件1.1.1 燃烧的本质所谓燃烧,就是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应,通常伴有火焰、发光和发烟的现象。
燃烧区的温度很高,使其中白炽的固体粒子和某些不稳定(或受激发)的中间物质分子内电子发生能级跃迁,从而发出各种波长的光;发光的气相燃烧区就是火焰,它的存在是燃烧过程中最明显的标志;由于燃烧不完全等原因,会使产物中混有一些微小颗粒,这样就形成了烟。
从本质上说,燃烧是一种氧化还原反应,但其放热、发光、发烟、伴有火焰等基本特征表明它不同于一般的氧化还原反应。
如果燃烧反应速度极快,则因高温条件下产生的气体和周围气体共同膨胀作用,使反应能量直接转变为机械功,在压力释放的同时产生强光、热和声响,这就是所谓的爆炸。
它与燃烧没有本质差别,而是燃烧的常见表现形式。
现在,人们发现很多燃烧反应不是直接进行的,而是通过游离基团和原子这些中间产物在瞬间进行的循环链式反应。
这里,游离基的链锁反应是燃烧反应的实质,光和热是燃烧过程中的物理现象。
1.1.2 燃烧的条件及其在消防中的应用1.1.2.1 燃烧的条件燃烧现象十分普遍,但其发生必须具备一定的条件。
作为一种特殊的氧化还原反应,燃烧反应必须有氧化剂和还原剂参加,此外还要有引发燃烧的能源。
1.可燃物(还原剂)不论是气体、液体还是固体,也不论是金属还是非金属、无机物还是有机物,凡是能与空气中的氧或其它氧化剂起燃烧反应的物质,均称为可燃物,如氢气、乙炔、酒精、汽油、木材、纸张等。
2.助燃物(氧化剂)凡是与可燃物结合能导致和支持燃烧的物质,都叫做助燃物,如空气、氧气、氯气、氯酸钾、过氧化钠等。
空气是最常见的助燃物,以后如无特别说明,可燃物的燃烧都是指在空气中进行的。
3.点火源凡是能引起物质燃烧的点燃能源,统称为点火源,如明火、高温表面、摩擦与冲击、自然发热、化学反应热、电火花、光热射线等。
上述三个条件通常被称为燃烧三要素。
但是即使具备了三要素并且相互结合、相互作用,燃烧也不一定发生。
燃烧学燃烧学是一门研究燃烧现象及其应用的学科。
它涉及到多个方面,包括燃烧基础、燃烧化学、燃料与燃烧、火焰传播、燃烧器设计、燃烧环境影响、燃烧测量与监控、燃烧效率与优化、燃烧污染物排放以及燃烧理论模型等。
一、燃烧基础燃烧是物质与氧气发生反应的过程,通常会产生光和热。
燃烧基础是燃烧学的基础,它涉及到燃烧的概念、燃烧的必要条件以及燃烧的类型等方面的知识。
二、燃烧化学燃烧化学是燃烧学的重要组成部分,它主要研究燃烧过程中的化学反应和反应机理。
通过了解燃烧化学,可以更好地理解燃烧现象,优化燃料和燃烧条件,提高燃烧效率。
三、燃料与燃烧燃料是燃烧过程中所需的物质,不同的燃料具有不同的性质和特点。
燃料与燃烧的研究涉及到燃料的分类、特性、燃烧过程和反应机理等方面的知识。
通过对燃料与燃烧的研究,可以提高燃料的利用效率和减少污染物的排放。
四、火焰传播火焰传播是燃烧过程中的一个重要现象,它涉及到火焰的形成、传播和熄灭等方面的知识。
通过对火焰传播的研究,可以更好地了解火焰的特性,控制火焰的行为,提高燃烧过程的稳定性。
五、燃烧器设计燃烧器是实现燃料燃烧的装置,其设计对于燃烧过程的效率和安全性具有重要影响。
燃烧器设计的研究涉及到燃烧器的结构、工作原理、设计原则和方法等方面的知识。
通过对燃烧器设计的研究,可以提高燃烧器的性能和可靠性。
六、燃烧环境影响燃烧过程会向环境中排放各种气体和颗粒物,这些物质会对环境产生影响。
燃烧环境影响的研究涉及到污染物排放、空气质量和环境监测等方面的知识。
通过对燃烧环境影响的研究,可以降低燃烧过程对环境的影响,促进可持续发展。
七、燃烧测量与监控燃烧测量与监控是燃烧学中的重要技术手段,它涉及到各种测量仪器和监测方法。
通过燃烧测量与监控,可以实时了解燃烧过程的参数和状况,优化燃烧过程,提高燃烧效率,同时也可以保障设备和人员的安全。
八、燃烧效率与优化燃烧效率是指燃烧过程中有效能量的比例,优化燃烧效率可以提高燃料利用率和减少能源浪费。
燃烧学的基础认识燃烧是一种氧化还原反应,通常需要三个要素:燃料、氧气和点火源。
燃料可以是固体、液体或气体,常见的燃料包括木材、煤炭、石油和天然气等。
氧气是燃烧反应的氧化剂,点火源则是引发燃烧反应的能量输入。
燃料在燃烧过程中与氧气发生氧化反应,产生二氧化碳和水等化合物,并释放出大量的能量。
燃烧反应通常伴随着火焰、热和光的产生。
火焰是燃料燃烧过程中可见的明亮和炽热的气体,热是燃烧过程中释放的能量,而光是由火焰所产生的可见光辐射。
燃烧过程中,燃料的燃烧速率受到多种因素的影响。
其中,燃料的物理性质、温度、氧气浓度和反应速率常数等因素都会对燃烧速率产生影响。
燃料的物理性质如燃烧点、闪点和挥发性等都会影响燃料的易燃性和燃烧速率。
温度是影响燃烧速率的重要因素,一般情况下,温度越高,燃烧速率越快。
氧气浓度是燃烧反应的重要参数,氧气浓度越高,燃烧速率越快。
反应速率常数是描述燃烧反应速率的物理量,它与反应物浓度、温度和反应机理等因素有关。
燃烧反应不仅是一种常见的化学反应,也是人类生活中不可或缺的过程。
燃烧为人类提供了能源,如燃料为汽车提供动力、燃烧为发电厂提供电能。
然而,燃烧也会带来一些负面影响,如空气污染和火灾等。
燃烧产生的废气和废物会对环境造成污染,如二氧化碳的排放对全球气候变化产生影响。
火灾是燃烧失控的一种情况,会给人类的生命财产造成巨大的损失。
为了更好地利用燃烧过程,保护环境和防止火灾,燃烧学的研究变得尤为重要。
燃烧学研究的内容包括燃烧机理、燃烧过程的数学模型和燃烧控制等。
通过研究燃烧机理和燃烧过程的数学模型,可以更好地理解燃烧反应的基本原理和特性,为燃烧过程的优化和控制提供科学依据。
燃烧控制技术可以通过调节燃料和氧气的供应、改变燃烧条件和优化燃烧设备等手段,实现燃烧过程的高效、清洁和安全。
燃烧学是研究燃烧反应的一门学科,它涉及燃料的燃烧过程、燃烧速率和燃烧控制等内容。
燃烧反应是一种常见的氧化反应,通过燃料与氧气的反应,产生能量、热和光。
燃烧基础知识燃烧是一种常见的化学反应,它是指物质与氧气反应,释放出能量的过程。
燃烧是人类生活和工业生产中不可或缺的一部分,也是我们理解和应用能源的基本知识。
本文将介绍燃烧的基础知识,包括燃烧的定义、燃烧反应的特点以及燃烧产物的种类。
首先,燃烧简单来说就是物质与氧气发生化学反应的过程。
在燃烧过程中,通常需要三个要素:燃料、氧气和点火源。
燃料是一种可燃物质,可以是固体、液体或气体。
氧气是氧化剂,它是燃烧反应必不可少的参与者。
点火源是引导燃料和氧气反应的初始能量,可以是火花、火焰等。
燃烧反应的特点主要有三个方面。
首先,燃烧是一种放热反应,即燃料与氧气反应时,会释放出大量的能量。
这是因为燃烧反应是一种氧化反应,燃料中的碳、氢等元素与氧气结合形成二氧化碳、水等化合物,释放出化学能。
其次,燃烧是一种自持续反应,即一旦点火,燃料便会自动燃烧下去,不需要外界能量的输入。
最后,燃烧反应是一种快速而剧烈的反应,可以伴随着火花、火焰、爆炸等现象。
燃烧产物的种类主要取决于燃料的成分。
在燃料中含有碳元素时,燃烧反应会生成二氧化碳和水。
碳是一种重要的燃料,我们通常使用煤、油、天然气等作为燃料。
燃烧反应的产物主要是二氧化碳和水蒸气,同时还会释放出大量的热能。
当燃料中含有硫元素时,燃烧反应还会生成二氧化硫,这是大气污染物之一。
除碳和硫外,燃料中还可能含有氮、氧、氯等元素,这些元素在燃烧反应中也会参与生成相应的产物。
燃烧是人类利用能源的重要途径之一。
它提供了灯火通明、温暖的家园、驱动交通工具和发电等多种用途。
然而,在利用燃烧过程中也会产生一些问题。
首先,燃烧释放出的二氧化碳是温室气体之一,会导致全球气候变暖。
其次,燃烧产生的废气和废物会对环境造成污染,例如烟尘、气体和废弃物等。
因此,我们需要注意燃烧的效率和环保性,减少燃烧过程中的能量损失和污染。
总之,燃烧是一种物质与氧气反应的化学反应,它具有放热、自持续和剧烈等特点。
燃烧产物的种类和数量主要取决于燃料的成分。
燃烧学的基础原理与实践燃烧学是现代材料科学和工程技术的基础学科之一,其研究的主要对象是燃烧过程中的物理和化学变化过程。
在生产过程中,热能的利用和安全控制等重要问题都与燃烧学相关。
在实践中,人们通过对燃烧的深入研究,掌握了多种优化燃气混合物设计、燃料改进技术等相关技术,促进了燃烧过程的现代化、高效化。
在燃烧学中,燃烧反应是燃烧的核心和基础。
燃烧是一种氧化还原反应,其基础原理是燃料和氧气的反应,生成水和二氧化碳以及其它的燃烧产物。
其中,燃料是燃烧的必要条件之一,燃烧的品质和效率与燃料的选择和性质有着很大的关系。
在生产中,人们常采取优化燃料性质和混合比的措施,从而达到经济、安全、环保方面的目标。
此外,燃烧的速率也是燃烧过程中一个非常重要的参数。
燃烧速率是指在燃烧过程中燃料与氧气反应的速度。
速率快的燃烧过程不仅可以提高能量利用率,其在生产加工中还常用于实现快速升温、快速加热等生产加工需求。
因此,控制燃烧的速率、稳定燃烧过程等都是升级优化生产控制过程的具体技术措施。
同时,人们通过燃烧反应的研究,根据反应产物的特性,研发出了多种燃烧控制和污染减少的技术。
例如,在生产加工环境中,针对石油、煤炭、液化气等燃烧过程潜在的安全隐患和环境污染问题,人们引入了先进的燃烧技术和化学处理方法。
例如,通过高温燃烧,将含有污染物的气体分解成可回收的资源,既提高了产值,又减轻了环境问题.此外,燃烧学还涉及到多种研究技巧和相关工具,例如实验测试技术、计算机模拟技术等。
其中,计算机模拟技术的应用尤为广泛,尤其是在安全控制和环境保护等方面,通过计算机对燃烧过程进行模拟,人们可以提前发现潜在的问题,预测和优化燃烧过程,提高工作效率。
燃烧学的研究不仅可以掌握生产过程中燃烧反应的基本原理,还可以通过对燃烧反应机理、速率和产物的研究,优化材料和燃料的使用、提高安全性、减少环境污染等方面。
这是现代燃烧技术和资源环保治理的重要保障和基础。
燃烧重要基础知识点燃烧是指物质与氧气发生化学反应,放出能量并伴随着火焰、热和光的现象。
作为一种常见的化学反应,燃烧在我们日常生活中无处不在,了解燃烧的基础知识点对于我们理解火灾的原因以及进行火灾预防和灭火工作具有重要意义。
1. 燃烧的必备条件:燃烧需要三个基本要素,即燃料、氧气和足够的热量。
燃料是指能够与氧气发生反应产生能量的物质,如木材、煤炭、石油和天然气等。
氧气则是燃烧的气体供应源,一般来自空气中的氧分子。
热量则是激发燃料与氧气发生反应的能源。
2. 燃烧的反应类型:燃烧反应是一种氧化还原反应,通常是燃料和氧气之间的强烈反应。
在燃烧过程中,燃料被氧气氧化,生成二氧化碳、水和释放出能量。
这种类型的反应也被称为完全燃烧。
此外,不完全燃烧也是一种常见的燃烧类型,它发生在氧气供应不足的情况下,导致燃料无法完全氧化,产生一些残留物如一氧化碳和碳颗粒。
3. 火焰的形成:当燃料和氧气在一定条件下相遇时,就会发生火焰的形成。
火焰是燃烧过程中释放出的可见明亮的燃烧产物。
当燃料与氧气发生反应并释放出能量时,这些能量以热量和光的形式释放出来。
光的能量在我们的视觉系统中被感知为火焰。
4. 火灾防控措施:了解燃烧的基础知识点对于进行火灾防控工作至关重要。
预防火灾的措施包括定期检查和维护电气设备、正确使用火源(如燃气、蜡烛等)、妥善处理易燃物品以及建立有效的消防设备和措施。
在火灾发生时,正确的灭火方法也是至关重要的,常见的灭火方法包括使用灭火器、灭火器具和灭火系统等。
总结:燃烧作为一种常见的化学反应,在日常生活中起着重要作用。
掌握燃烧的基础知识点不仅有助于理解火灾的原因,还有助于进行火灾预防和灭火工作。
第一章燃烧基础知识学习要求通过本章学习,应了解燃烧的必要条件和充分条件,掌握燃烧的四种类型,熟悉气体、液体、固体燃烧的特点以及燃烧产物的概念和几种典型物质的燃烧产物。
燃烧基础知识主要包括燃烧条件、燃烧类型、燃烧方式与特点及燃烧产物等相关内容,是关于火灾机理及燃烧过程等最基础、最本质的知识。
第一节燃烧条件燃烧,是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应,通常伴有火焰、发光和(或)发烟现象。
燃烧过程中,燃烧区的温度较高,使其中白炽的固体粒子和某些不稳定(或受激发)的中间物质分子内电子发生能级跃迁,从而发出各种波长的光;发光的气相燃烧区就是火焰,它是燃烧过程中最明显的标志;由于燃烧不完全等原因,会使产物中产生一些小颗粒,这样就形成了烟。
燃烧可分为有焰燃烧和无焰燃烧。
通常看到的明火都是有焰燃烧;有些固体发生表面燃烧时,有发光发热的现象,但是没有火焰产生,这种燃烧方式则是无焰燃烧。
燃烧的发生和发展,必须具备三个必要条件,即可燃物、氧化剂(助燃物)和温度(引火源)。
当燃烧发生时,上述三个条件必须同时具备,如果有一个条件不具备,那么燃烧就不会发生。
如图1-1-1 图1-1-1 着火三角形一、可燃物凡是能与空气中的氧或其他氧化剂起化学反应的物质,均称为可燃物,如木材、氢气、汽油、煤炭、纸张、硫等。
可燃物按其化学组成,分为无机可燃物和有机可燃物两大类。
按其所处的状态,又可分为可燃固体、可燃液体和可燃气体三大类。
二、氧化剂(助燃物)凡是与可燃物结合能导致和支持燃烧的物质,称为助燃物,如广泛存在于空气中的氧气。
普通意义上,可燃物的燃烧均指在空气中进行的燃烧。
在一定条件下,各种不同的可燃物发生燃烧,均有本身固定的最低氧含量要求,氧含量过低,即使其他必要条件已经具备,燃烧仍不会发生。
三、引火源凡是能引起物质燃烧的点燃能源,统称为引火源。
在一定条件下,各种不同可燃物发生燃烧,均有本身固定的最小点火能量要求(见本篇第三章第三节),只有达到一定能量才能引起燃烧。
燃烧学的基础认识燃烧学是研究燃料和氧化剂在一定条件下发生反应产生热能的科学。
燃烧是一种氧化还原反应,需要燃料、氧气和足够高的温度来发生。
燃料可以是固体、液体或气体,在燃烧过程中,燃料与氧气发生反应产生热能,同时释放出二氧化碳和水蒸气等废气。
燃烧过程中的关键要素包括燃料、氧气和着火源。
燃料是燃烧过程中释放能量的物质,它的化学能被氧化成热能。
氧气是燃烧的氧化剂,它与燃料发生反应,释放出能量。
着火源是燃烧反应的起点,它提供了足够高的温度使燃料和氧气发生反应。
燃烧反应可以分为完全燃烧和不完全燃烧两种。
完全燃烧是指燃料和氧气充分接触并完全反应,产生二氧化碳和水。
不完全燃烧是指燃料和氧气反应不充分,产生一氧化碳和烟尘等有害物质。
燃烧过程中的热能释放是由燃料的化学能转化而来的。
燃料的化学能可以通过燃烧热值来表示,它是单位质量燃料完全燃烧所释放的热量。
燃烧热值是燃料燃烧过程中能量转化的重要参数,它可以用于计算燃料消耗量和燃烧产生的能量。
燃烧学在许多领域有着广泛的应用。
在能源领域,燃烧学用于研究和优化燃烧过程,提高燃料的利用效率和减少排放物的产生。
在环境保护方面,燃烧学可以帮助我们了解燃烧产生的废气和废物的特性,从而采取措施减少环境污染。
在火灾防控领域,燃烧学可以帮助我们了解火灾的起因和蔓延规律,从而制定有效的防火措施。
燃烧学是研究燃料和氧化剂在一定条件下发生反应产生热能的科学。
燃烧过程中的关键要素包括燃料、氧气和着火源。
燃烧反应可以分为完全燃烧和不完全燃烧两种。
燃烧学在能源、环境保护和火灾防控等领域有着广泛的应用。
通过深入了解燃烧学的基础认识,我们可以更好地理解和应用燃烧过程。
燃烧学基础—概念及应用R.重庆大学2009/4/131引言学习燃烧学的目的自人类赖以生存的地球存在以来,就有了燃烧现象及其对燃烧的控制。
燃烧是能源利用的一种主要形式,现阶段,人类使用的能源的85%来源于燃烧[1,2],见表1.1。
在我们的日常生活中,燃烧具有重要的意义,如冬季供热就是直接来源于锅炉等的燃烧,或者通过燃烧化石燃料发电来进行间接供热,实际上,电能的供给也主要是依靠燃烧。
上世纪90年代,美国约32%的电能供给是通过核电站或者水力发电来完成的,但仍然有一半以上的用电需量需要通过燃煤发电来供给。
交通运输几乎完全依赖于燃烧,如航空和地面运输设备的动力就主要依赖于石油产品的燃烧。
工业过程严重地依赖于燃烧,如钢铁和金属冶炼业中原材料的准备、热处理等工艺中都涉及到燃烧现象。
其他工业燃烧装置包括锅炉、精炼和化工流体加热器、玻璃融化、固体干燥等。
水泥行业也大量使用燃烧所释放的热能。
表1.1 1996年美国的能源消耗我们可以看到,燃烧对人类的生产生活具有非常重要的意义。
另一方面,燃烧过程还广泛于环境保护,如废弃物焚烧,发动机废弃物(主要成分为已燃的碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化硫和三氧化硫,以及各种形式的颗粒物等)的排放控制等;同时,燃烧失去控制后,可能引起火灾爆炸灾害,造成人员的伤亡和财产损失。
因此,燃烧对于人类社会的生产生活非常重要。
燃烧的定义简单地说,燃烧就是快速的发光发热的化学反应。
该定义强调了化学反应对于燃烧现象的本质重要性,同时也强调了燃烧过程对于将化学键内存储的能量转化为热能并以不同的方式供人类应用的重要性。
燃烧模式及火焰类型燃烧可以有焰燃烧或无焰燃烧两种模式。
对于有焰燃烧模式,又可以分为预混火焰和非预混火焰(扩散火焰)。
我们可以采用如图1.1所示的火花发动机中发生的“敲缸”过程,来理解有焰燃烧和无焰燃烧模式之间的主要差别。
图1.1 火花发动机中的(a)有焰和(b)无焰燃烧模式在图1.1a表中,我们看到一个层很薄的强烈化学反应区域传播通过未燃的燃料空气混合物,火焰后方是炽热的燃烧产物。
燃烧学基础—概念与应用Stefen R. Turns重庆大学2009/4/131引言学习燃烧学的目的自人类赖以生存的地球存在以来,就有了燃烧现象及其对燃烧的控制。
燃烧是能源利用的一种主要形式,现阶段,人类使用的能源的85%来源于燃烧[1,2],见表1.1。
在我们的日常生活中,燃烧具有重要的意义,如冬季供热就是直接来源于锅炉等的燃烧,或者通过燃烧化石燃料发电来进行间接供热,实际上,电能的供给也主要是依靠燃烧。
上世纪90年代,美国约32%的电能供给是通过核电站或者水力发电来完成的,但仍然有一半以上的用电需量需要通过燃煤发电来供给。
交通运输几乎完全依赖于燃烧,如航空和地面运输设备的动力就主要依赖于石油产品的燃烧。
工业过程严重地依赖于燃烧,如钢铁和金属冶炼业中原材料的准备、热处理等工艺中都涉及到燃烧现象。
其他工业燃烧装置包括锅炉、精炼和化工流体加热器、玻璃融化、固体干燥等。
水泥行业也大量使用燃烧所释放的热能。
表1.1 1996年美国的能源消耗我们可以看到,燃烧对人类的生产生活具有非常重要的意义。
另一方面,燃烧过程还广泛于环境保护,如废弃物焚烧,发动机废弃物(主要成分为已燃的碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化硫和三氧化硫,以及各种形式的颗粒物等)的排放控制等;同时,燃烧失去控制后,可能引起火灾爆炸灾害,造成人员的伤亡和财产损失。
因此,燃烧对于人类社会的生产生活非常重要。
燃烧的定义简单地说,燃烧就是快速的发光发热的化学反应。
该定义强调了化学反应对于燃烧现象的本质重要性,同时也强调了燃烧过程对于将化学键内存储的能量转化为热能并以不同的方式供人类应用的重要性。
燃烧模式与火焰类型燃烧可以有焰燃烧或无焰燃烧两种模式。
对于有焰燃烧模式,又可以分为预混火焰和非预混火焰(扩散火焰)。
我们可以采用如图1.1所示的火花发动机中发生的“敲缸”过程,来理解有焰燃烧和无焰燃烧模式之间的主要差别。
图1.1 火花发动机中的(a)有焰和(b)无焰燃烧模式在图1.1a表中,我们看到一个层很薄的强烈化学反应区域传播通过未燃的燃料空气混合物,火焰后方是炽热的燃烧产物。
随着火焰移动通过燃烧空间,已燃气体的温度和压力升高。
在如图1.1b的情况下,快速的氧化反应在未燃气体中的多个位置处同时发生,导致整个容器内的压力急剧升高,这种在发动机内呈现的容积性的放热过程称为自动点火。
发动机“敲缸”时,这种自动点火过程的压力急剧上升导致发动机发出特殊的声音。
“敲缸”是人们所不期望的,使用无铅汽油时如何避免“敲缸”现象的发生仍然是发动机设计中具有挑战性的工作,而在压缩点火或柴油发动机中则是通过设计使自动点火形成燃烧。
顾名思义,预混或非预混(或称为扩散火焰)两种火焰类型与反应物的混合状态有关。
在预混火焰中,在发生主要化学反应之前,燃料和氧化剂在分子水平上得以混合,火花发动机就是预混燃烧的一个例子。
而扩散火焰则相反,燃烧开始之前反应物是分离的,燃烧过程与混合过程同时发生,例如蜡烛燃烧。
在许多实际工程装置中,这两类燃烧火焰都不同程度地同时存在着,例如通常认为柴油发动机燃烧就同时存在预混燃烧和非预混燃烧。
严格地讲,“扩散”只适用于化学组分的分子扩散,例如燃料分子从一个方向向火焰扩散而氧化剂分子则从相反的方向火焰扩散。
在湍流非预混火焰中,湍流对流过程使燃料和空气在宏观尺度上得以混合。
而分子扩散,即在很小的尺度上进行的分子混合使得化学反应能够得以进行。
燃烧学的学习方法我们将从燃烧现象中的几个关键物理过程开始来研究燃烧问题,这些关键的物理过程构成了燃烧学的基本框架,即:第二章的热化学,第三章的质量(以及热量)的分子输运;第四章的化学动力学问题;第五章和第六章中我们将介绍如何用流体力学将上述问题耦合在一起。
随后,我们将应用这些基础知识,从而建立起对层流火焰的理解(第七章),在层流火焰的分析中,我们会相对容易地看到如何应用能量守恒原理。
大多数实际燃烧装置都是工作在湍流状态下,因此这些理论概念的运用非常困难,因此在第八、九章和第十章我们将介绍湍流火焰及其应用。
最后几章,我们介绍固体的燃烧和爆轰问题。
本教材的目的是提供一种可以简单处理燃烧问题的基本方法,从而使没有燃烧学基础的读者可以熟悉和理解燃烧学的基础知识与实际应用方面的问题。
参考文献2 燃烧与热化学本章我们将考察热力学中对燃烧研究中非常重要的几个概念。
首先,我们简要回顾了描述理想气体与理想气体混合物的基本参数的关系式,以及热力学第一定律。
尽管读者可能在热力学课程中已经很熟悉这些概念,但是为了燃烧研究的完整性,我们这里还是将其作为教材的内容给出。
然后,我们关注与燃烧和反应流有密切关系的几个热力学问题,包括原子守恒的概念和定义、用于考虑化学键键能的焓的定义、确定反应热、热值和绝热火焰温度等的第一定律的概念。
建立化学平衡、热力学第二定律的概念,并将其应用与燃烧产物混合物。
接下来,我们强调了化学平衡的概念,这是由于平衡状态可以确定许多实际燃烧装置的性能参数。
例如,我们可以通过化学平衡来确定稳态燃烧器出口处的温度和主要组分。
同时,为了更好的理解这些概念,还给出了一些实际例子。
2.1 热力学参数之间的关系2.1.1强度量和广延量广延量的数值大小与所考虑物质的量(质量或摩尔数)有关,通常用大写字母表示,例如用()3V m 表示体积、用()U J 表示内能、用()()H J U PV =+表示焓等。
而强度量是用单位质量(或每摩尔)来表示的,其数值与物质的量无关。
基于质量的强度量通常用小写字母表示,例如用()3/m kg υ表示比容、用()/u J kg 表示比内能、用()()/h J kg u P υ=+表示比焓等。
对于采用小写字母表示热力学参量,这种约定的一个例外是强度量温度T 和压力P 。
本教材中,对基于摩尔的强度量的表示,采用小写字母上方加上一横来表示,例如u 和()/h J kmol 。
广延量可以采用相应的强度量来方便地得到,其方法将强度量(单位质量或摩尔的参数值)乘以物质的质量或者摩尔数,即:V m υ=(或N υ) (2.1)U mu =(或Nu )H mh =(或Nh )后面的内容中,我们会采用基于质量或者基于摩尔的强度量,这主要取决于哪一种方式更适合。
2.1.2状态方程状态方程给出了物质压力P 、温度T 和物质体积V (或比容υ)之间的相互关系。
对理想气体,即可以忽略分子间相互作用力和分子体积的气体,下述形式的状态方程成立:u PV NR T = (2.2a )PV mRT = (2.2b )P RT υ= (2.2c )或者P RT ρ= (2.2d )式中气体常数R 与通用气体常数()8315/u R J kmol K =-和气体分子量MW 有关,即:/u R R MW = (2.3)方程2.2d 中的密度ρ是比容()1//m V υρυ==的倒数。
在本教材中,我们假定所以气体组分和气体混合物都满足理想气体性质。
这一假定对本教材中所考虑的几乎所有燃烧是合理的,因为燃烧涉及的高温通常使气体的密度较低,因而理想气体假设是一种合理的近似。
2.1.3量热状态方程内能(或焓)与压力和温度的关系式称为量热状态方程(Calorific EOS ),即:(),u u T υ= (2.4a )(),h h T P = (2.4b )其中量热的意义与用卡表示的能量有关,在SI 单位制中采用焦耳来表示。
通过对(2.4a )和(2.4b )微分得到u 或h 的微分变化,即:Tu u du dT d T υυυ∂∂⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ (2.5a ) P Th h dh dT dP T P ∂∂⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ (2.5b ) 上式中,我们看到对温度的偏微分分别为定容和定压比热,即:u c T υυ∂⎛⎫≡ ⎪∂⎝⎭ (2.6a ) P Ph c T ∂⎛⎫≡ ⎪∂⎝⎭ (2.6b ) 对理想气体而言,对比容的偏导数()/T u υ∂∂和对压力的偏导数()/T h P ∂∂为零。
据此,我们将(2.5)积分,并将(2.6)带入(2.5)积分得到的关系式,从而理想气体的量热状态方程:()ref Tref T u T u c dT υ-=⎰ (2.7a ) ()ref Tref P T h T h c dT -=⎰ (2.7b ) 下节中,我们将给出参考状态的定义,从而可以考虑不同化合物的各种键能。
对于真实和理想气体,比热c υ和P c 一般都是温度的函数,这是由于分子的内能通常有三种能量存储模式即:平动、振动和旋转。
事实上,根据量子理论,当温度升高时,振动和旋转能量存储模式而不断被激发。
图2.1通过单原子组分和双原子组分系统地表示了不同的能量存储模式,其中单原子组分的内能只有平动动能,而双原子组分的储能模式包括了振动的化学键(图中用两个原子和弹簧表示),两个正交轴的旋转能以及平动动能。
图2.1 (a )单原子组分的内能仅由平动动能构成,而(b )双原子组分的内能包括振动能(势能和动能)和旋转能(动能)根据图2.1所示的简单模型,我们可以预料双原子组分的比热比单原子组分的比热要大。
一般地,组分的分子越复杂,其摩尔比热越大。
这可以从图2.2中清楚地看出,图2.2给出了燃烧产物组分的摩尔比热随温度的函数变化关系。
作为一组,三原子组分的比热最大,其次为双原子组分,单原子组分的比热最小。
注意到三原子组分的比热受温度的影响比双原子组分大,这是因为随着温度升高被激发的振动和旋转能量存储模式越多。
比较可以看出,单原子组分的比热在较大的温度范围内几乎为常数,实际上,在200K ~5000K 的温度范围内,H -原子的比热都为常数(20.786/P c kJ kmol K =-)。
图2.2 单原子(,,H N O )、双原子(22,,CO H O )以及三原子(222,,CO H O NO )组分的摩尔定压比热随温度的函数变化(值取自附录A )。
附录A 中的表A.1-A.2以列表的形式给出了定压摩尔比热随温度的变化关系,同时附录A 中也给出了这些变化关系的拟合曲线(拟合数据取自Chemkin 热力学数据库[1])。
通过Chemkin 热力学数据库很容易得到给定温度范围内任意温度下的P c 值。
2.1.4理想气体混合物混合物的摩尔分数和质量分数是表征混合物组成的两个重要概念。
考虑由1N 摩尔组分1、2N 摩尔组分2等组成的多组分气体混合物,组分i 的摩尔分数i χ定义为组分i 的摩尔数占系统总摩尔数的百分数,即:12i i i i totN N N N N N χ≡=+++ (2.8)类似地,可以定义组分i 的质量分数i Y ,即组分i 的质量占混合物总质量的百分数:12i i i i totm m Y m m m m ≡=+++ (2.9) 注意到,根据定义显然有混合物各摩尔分数(或质量分数)之和为1,即:1i iχ=∑ (2.10a ) 1ii Y =∑ (2.10b )摩尔分数和质量分数之间可以通过组分的分子量和混合物的分子量进行换算如下:/i i i mix Y MW MW χ= (2.11a )/i i mix i Y MW MW χ= (2.11b )混合物的分子量可以通过各组分的摩尔分数或者质量分数计算如下:mix i i iMW MW χ=∑ (2.12a )()1/mix i iiMW Y MW =∑ (2.12b ) 组分的摩尔分数也可以用于计算组分的分压,第i 组分的分压i P 是在同一温度下将第i 组分从系统中隔离出来,而且占混合物相同的体积时的压力。