燃烧学课件.

exp
Etotal RTB
]
hS V
TB
Etotal 2R
Etotal 2R
1 4R T0II Etotal
可以看出TB有两个解。取等号右边两项相加所对应的 TB 值很高，它位于 曲线上的拐点以上，实际上 TB不可能如此高。所以我们可以不予考虑，只取TB较低
的值。
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即 ：TB
Etotal 2R
总之，混气的初温，浓度，流速和混气性质对着火 和熄火都有影响。初温较高，浓度接近于化学恰当比， 混气流速低或活化能小均会使着火过程容易实现，亦即 有利于稳定燃烧；而熄火则发生在初温较低（比着火温 度低），浓度偏离化学恰当比，流速较高的情况下。
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第三节 可燃极限
1.可燃性 燃料与氧化剂的混合物在点火的情况下，如果会产生
从图中可以看出，当温度或压力降低时，着火温 度缩小，当压力或温度下降到某一数值时，着火界限缩 成一点，如果压力或温度继续降低，任何混合气成分都 不能着火。
燃料/氧化剂混合物中温度和压力可燃极限随当量比变化的典型 曲线
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可燃边界 取决于反应容器的尺寸， 点火源的能量，火焰传播的方向（向 上，向下，水平），压力，温度和混 合物中稀释气体的量和性质。
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则系统的能量方程为：
的热
表示单位气体混合气在单位时间内反应放出
量，称为生热速率。
外界散
表示单位气体混合气在单位时间内平均向
发的热量，称为散热速率。
取决于阿累尼乌斯因子
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取决于阿累尼乌斯因子 为T的线性函数，斜率
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初始值：
着火速率取决于生热速率与散热速率的相互关系 及其随温度而增长的性质。分析 和 随温度的变化， 就可以得出系统的着火特点，并导出着火的临界条件。

爆炸升压速度：
爆炸威力指数=最大爆炸压力×平均升压速度。 爆炸总能量：
可燃气体的燃烧
爆炸极限
一、基本概念
1、爆炸下限：可燃气与空气组成的混合气体遇火源能发生爆炸 的最低浓度。 2、爆炸上限：可燃气与空气组成的混合气体遇火源能发生爆炸 的最高浓度。
二、实用意义
（一）评定气体和液体蒸气的火灾危险性大小。 （二）评定气体生产、储存的火险类别。 （三）确定安全生产操作规程。
着火与灭火的基本理论
三、着火条件
1、着火条件 如果在一定的初始条件下，系统将不可能在整个时间 区段保持低温水平的缓慢反应态，而将出现一个剧烈的加 速的过渡过程，使系统在某个瞬间达到高温反应态，这个 初始条件便称为着火条件。 2、正确理解着火条件 ① 达到着火条件，只是具备着火的可能。 ② 着火条件指的是系统初始应具备的条件。 ③ 着火条件是多种因素的总和。
（二）阻火器：阻火器是阻止火焰传播的火焰阻断装置。 金属网阻火器：在器内用若干层有一定 孔径的金属网，把空间分隔成许多小孔隙。 砾石阻火器：器内是用沙粒、卵石、玻璃 球、铁屑等作为充填料，将器内空间分隔 成许多小孔隙。 波纹金属片阻火器：通常由交迭放置的 波纹金属片组成的有三角形孔隙的方形 阻火器和将一条波纹带与一条扁平带绕 在一个芯子上组成的圆形阻火器。
2、爆轰区的特点：
（1）燃烧后气体压力要增加； （2）燃烧后气体密度要增加； （3）燃烧波以超音速传播。
可燃气体的燃烧
层流预混气中正常火焰传播速度
火焰传播机理
1、热理论
火焰能在混气中传播是由于火焰中加速的结果。
2、扩散理论
火焰能在新鲜混气中传播是由于火焰中的自由基向新鲜冷混
着火与灭火的基本理论
谢苗诺夫自燃理论

未来燃烧技术的发展趋势与挑战
发展趋势
未来燃烧技术的发展趋势包括进一步提高燃烧效率、 降低污染物排放、实现可再生能源的利用和智能化控 制等。
挑战
未来燃烧技术的发展面临诸多挑战，如技术瓶颈、经 济成本、政策法规和环保要求等。需要加强科技创新 和政策引导，推动燃烧技术的可持续发展。
感谢您的观看
THANKS
03
燃料电池可应用于汽车、船舶、航空航天、电力系统和备用电
源等领域。
生物质能燃烧技术及应用
生物质燃烧技术
生物质燃烧技术是将生物质转化为热能和电能的一种方式，具有高 效、环保、可再生的特点。
生物质燃烧设备
生物质燃烧设备包括生物质锅炉、生物质焚烧炉和生物质热电机组 等。
生物质燃烧应用
生物质燃烧可用于供热、发电和工业生产等领域，是实现可再生能源 利用的重要途径之一。
02
燃烧的基本原理
燃烧化学反应机理
01
燃烧化学反应机理是研究燃烧过 程中化学反应如何进行的机制。 它涉及到反应物分子间的相互作 用以及反应过程中的能量变化。
02
燃烧化学反应机理对于理解燃烧 过程、优化燃烧效率和减少污染 物排放具有重要意义。
燃烧反应动力学
燃烧反应动力学是研究燃烧过程中化 学反应速率以及影响反应速率的各种 因素的科学。
通过燃烧反应动力学的研究，可以了 解燃烧反应的快慢程度，进而优化燃 烧条件，提高燃烧效率。
燃烧热力学
燃烧热力学主要研究燃烧过程中能量的转化和物质的变化。 它涉及到燃烧过程中能量的释放、转移和利用。
燃烧热力学对于能源利用、环境保护和可持续发展具有重要 意义。
燃烧过程中的物质传递与热力学
燃烧过程中的物质传递与热力学涉及 到燃烧过程中物质和能量的传递与转 化过程。

（三）爆炸极限
1.爆炸浓度极限：可燃的气体、蒸气或粉尘与空气 混合后，遇火会产生爆炸的最高或最低的浓度。
遇火会产生爆炸 的最低浓度，称为爆炸下限；遇 火会产生爆炸 的最高浓度，称为爆炸上限。
爆炸极限是评定可燃气体、蒸气或粉尘爆炸危险 性大小的主要依据。爆炸上、下限值之间的范围越大， 爆炸下限越低、爆炸上限越高，爆炸危险性就越大。
二、 不同物质的燃烧产物
1.单质的燃烧产物 一般单质在空气中的燃烧产物为该单质元素的氧 化物。
2.化合物的燃烧产物 一些化合物在空气中燃烧除生成完全燃烧产物外， 还会生成不完全燃烧产物。最典型的不完全燃烧产物 是一氧化碳（CO2），它能进一步燃烧生成二氧化碳。
3.合成高分子材料的燃烧产物 合成高分子材料在燃烧过程中伴有热裂解，会分 解产生许多有毒或有刺激性的气体，如氯化氢、光气、 氰化氢等。
第二节 燃烧类型
燃烧按其发生的瞬间的特点不同，分为闪燃、着 火、自燃、爆炸。
一、 闪燃
（一）闪燃的含义
定义:液体表面上能产生足够的可燃整齐，遇明火 产生一闪即灭的燃烧现象。
可燃液体之所以会发生一闪即灭的闪燃现象，是 因为液体在闪燃温度下蒸发速度较慢，蒸发出来的蒸 气仅能维持短时间的燃烧，而来不及提供足够的蒸气 补充维持稳定燃烧，故闪燃一下就熄灭。
4.木材的燃烧产物 木材是一种化合物，主要由碳、氢、氧元素组成， 主要以纤维素分子形式存在。木材燃烧主要生成二氧 化碳、水蒸气、甲酸、乙酸、一氧化碳等产物，也会 申城可燃蒸气及颗粒。
三、 燃烧产物的毒性
燃烧产物有不少是毒害气体，往往会通过呼吸道 侵入或刺激眼结膜、皮肤黏膜使人中毒甚至死亡。
据统计，在火灾中死亡的人约80%是由于吸入毒 性气体中毒而致死的。一氧化碳是火灾中最危险的气 体。

（1）自由射流湍流扩散火焰 （2）受限射流湍流扩散火焰 （3）同心射流湍流扩散火焰 （4）旋转射流湍流扩散火焰 （5）逆向射流湍流扩散火焰
相对于层流扩散火焰，湍流扩散火焰要复杂得多，很难用分 析的方法求解。主要靠数值方法求解。也有一些关于火焰长 度和半径的经验公式
对于燃料自由射流产生的垂直火焰，取决于以下4个因素：
动力-扩散燃烧
燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关
本生灯
一次空气消耗系数α1：从底部吸入的空气为一次空气量 二次空气消耗系数α2：从出口引射所得的空气为二次空气量 总空气消耗系数： α= α1 + α2
（1） α1 =0，燃烧所需的空气全部由外界环 境通过引射提供，属于扩散燃烧； （2） α1 ≥1，从本生灯的底部供入的空气充 足，燃烧过程完全由化学反应的快慢控制， 属于动力燃烧； （3） 0<α1 <1, 燃烧既有一次空气混合物的预 混燃烧，也有剩余燃料的扩散燃烧，属于动 力-扩散燃烧。
燃料燃烧所需的时间τ= τm+ τr
燃料与空气混合时间τm流动特征时间
燃烧反应时间τr
化学反应时间
Da= τm /τr
扩散燃烧： τm >>τr, τ≈ τm
化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于混合速度，与化 学反应速度关系不大
预混燃烧： τm <<τr, τ≈ τr
混合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于化学反应速度(化 学动力因素)，与混合过程关系不大
在动量其主要作用区域，无因次火焰长度的经验公式为 :
Frf 5
L* 23
甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因：
（1）出口动量对甲烷射流火焰长度的影响其主要作用，使得 甲烷射流火焰的无量纲长度比丙烷的长；

焰 折火焰表面理论 ”。
传 播
容积燃烧理论：萨默菲尔德和谢京科夫建立。将
理 湍流火焰的前沿看成燃烧反应区。又称为“微扩
பைடு நூலகம்
论 散理论”。
湍流火焰现象分类
湍流火焰
小尺度湍流火焰 （ l l ）
大尺度湍流火焰 （ l l ）
大尺度弱湍流火焰 （ u Sl ）
大尺度强湍流火焰 （ u Sl ）
小尺度湍流火焰
即:
St
Sl
Ft Fl
只要求出
Ft Fl
即可求出
St
谢尔金 : 假设湍流火焰表面是由无 数锥形组成。
St Sl
4d Ft 2
Fl
h2d2 2
l2
1 h 2 d/2
d l
hutul/Sl
h /r 2 u l/S l/l2 u /S l2
故： St Sl 1ku/Sl2
火焰前沿面积的计算：用锥体面积表示有一定的误差，最近开始应用分 形几何学的方法 。
示，也称为层流燃烧速度 ( laminar burning
velocity) ，用Sl表示。
——大小取决于反应速度、热量和活性中心的传
递速度。
数学表达式
Bussen 燃烧 嘴火焰
Un Ucos Sl Ucos
U—未燃混合气局部流速
静止坐标下的预混合气火焰传播速度分析
us——混合气流速 up——火焰面的移动速度 u0——火焰面相对未燃混合气的移动速度
基本方程：
连续方程 ： 能量方程： 组分扩散方程： 状态方程：
u u S l c o n st （4-11）
uCpddT xddxddT xWQ （4-12）
uddC xi ddxDddC xi W

.
传质基础
• Fick定律（形式、各参数意义） • Stephen问题 • 单个液滴蒸发时间（D2定律）
.
燃烧动力学
• 概念：基元反应、反应级数、链式反应 • 碰撞理论（理解） • 基元反应速率、Arrhenius定律 • Kc、kf、kr与kp的关系 • 链式反应过程 • 两种近似方法：稳态近似与局部平衡假设
.
湍流预混火焰
• 湍流预混火焰比层流预混火焰传播快的原 因
• 三种湍流火焰模式（根据湍流强度、长度 尺度划分）、各模式传播速度影响因素
.
扩散火焰
• 扩散火焰 • 层流扩散火焰特征（火焰表面、火焰高度、
浮力影响、碳烟生成、火焰高度-流量关系） • 层流扩散火焰物理描述（T-f、Yi-f） • 火焰高度影响因素 • 层流扩散火焰向湍流扩散火焰的转变
.
几个重要的反应机理
• H2-O2系统 （几个爆炸极限） • CO氧化机理（区分干式、湿式机理） • 高链烷烃氧化机理（乙烷的8步氧化机理）
C-C断裂脱氢自由基产生染料分子 进一步断裂脱氢反应甲酸基、甲醛生 成氧化CO氧化机理
.
简化守恒方程
• 简单化学反应 • 守恒标量：混合物分数（概念与计算）、
混合物绝对焓（了解其前提）
.
层流预混燃烧
• 火焰、预混火焰概念 • 层流火焰传播速度、影响层流预混火焰传播速度
与火焰厚度的因素（温度、压力、当量比、燃料 类型） • 点火、可燃性与熄火
燃烧三阶段 热自燃理论及应用（着火熄火过程） 可燃极限（P、T、浓度范围） 最小点火能量 火焰稳定（两个必要条件）
燃烧学复习
.
本课程内容
• 绪论 • 燃烧热力பைடு நூலகம் • 传质基础 • 燃烧动力学 • 几个重要的反应机理 • 层流预混燃烧 • 湍流预混燃烧 • 扩散火焰 • 液滴蒸发与燃烧

➢计算步骤：
C pi
➢先假定一个理论燃烧温度t1，从“平均恒压热容”表
中查出相应的 C pi代入上述公式，求出相应的Ql1 ；
➢然后再假定第二个理论燃烧温度t2，求出相应的
和Ql2；
t
t1
t2 Ql 2
t1 Ql1

Ql
Ql1
➢然后用插值法求出理论燃烧温度t
• 燃烧温度计算举例
第一节 化学热力学基础
• 一、化合物的生成焓
1 C 2 O2 CO
1 2
H2

1 2
I2

HI
√ h f 298,CO

110.59KJ
/
mol
√ h f 298,HI
25.12KJ
/ mol
CO

1 2
O2

CO2
× h f 298,CO2

283.10KJ
/ mol
第一节 化学热力学基础
• 一、化合物的生成焓
➢n mol物质在恒压（恒容）下，由T1升高到T2所需的 热量用Qp（Qv）来表示。
T2
Qp n T1 CpdT
T2
QV n T1 CV dT
➢Cp大于Cv，对于理想气体： Cp－Cv＝R；
➢对于液体和固体： Cp＝Cv。
➢热容比：气体的恒压热容和恒容热容之比，用K表示，
第一节 化学热力学基础
• 一、化合物的生成焓
➢燃烧温度的计算
➢计算方法
Ql
T
ni 298 C pi dT
Ql Vi Cpi T 298
恒压平均热容 C取pi 决于温度，只在某一个温度 范围内是常数

表3-4某些常见可燃物在空气中的自燃点
物质名称 氢气 一氧化碳 硫化氢 自 燃 点 (℃) 物质名称 400 610 260 二硫化碳 乙醚 汽油 自 燃 点 物质名称 (℃) 黄磷 90 160 530-685 麦芽 赛璐珞 自 燃 点 ( ℃) 30 200 180
乙炔
305
煤油
210
木 粉 （ 沉 积 260 状）
2．闪点是可燃性液体分类的依据 易燃液体：闪点≤61℃的可燃性液体。 可燃液体：闪点>61℃的可燃性液体。 易燃液体按其闪点的高低分为以下三项： ① 低闪点液体：闪点﹤一18℃； ② 中闪点液体：一18℃≤闪点﹤23℃； ③ 高闪点液体：23℃≤闪点≤61℃； 3、根据闪点确定灭火剂的供给强度 灭火剂供给强度，指每秒钟每平方米面积上供给 灭火剂的数量，泡沫液用L· S-1· m-2所示。
燃烧学
一、燃烧的概念
燃烧——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。 燃烧具有三个特征，即化学反应、放热和发 光。通电的电炉和灯泡虽有发光和放热现象， 但没有进行化学反应，只是进行了能量的转 化，故不是燃烧；生石灰遇水发生了化学反 应，并且放出大量的热，但它没有发光现象， 它也不是燃烧。这些现象虽不是燃烧，但在 一定条件下，可作为着火源引起燃烧或引发 火灾。
二、燃烧的基本条件
任何物质发生燃烧，必须具备以下三个必要条件， 即可燃物、氧化剂和温度(引火源)。人们总是用 燃烧三角形来表示燃烧的三个必要条件(见图3— 1)。只有在上述三个条件同时具备的情况下可燃 物质才能发生燃烧，三个条件无论缺少哪一个， 燃烧都不能发生。
进一步研究表明，用燃烧三角形来表示无焰燃烧 的基本条件是非常确切的。而对有焰燃烧，因燃 烧过程中存在未受抑制的游离基(自由基)作中间 体，因而燃烧三角形需增加一个坐标，形成燃烧 四面体(见图3—2)。自由基是一种高度活泼的化 学基团，能与其他的自由基和分子起反应，从而 使燃烧按链式反应的形式扩展。因此，有焰燃烧 的发生需要四个必要条件，即可燃物、氧化剂、 温度和未受抑制的链式反应。

v j p 膨胀 / 压缩功 x j
v i 耗散能 ij x j
v j v i 2 [2Sij ( )ij] 3 x j x j
能量守恒方程(续3)--内能形式
v i v i v j v i v j 1 张量运算 [( )( )] S ij ij x j 2 x j x i x j x i
q rj T ( ) x j x j
能量方程的完整形式
2 d v (e ) dt 2 x j

x j
(
s
Ys D x j
hs )
vi s Fsi s FsiVsi (pijvi ) x j
能量守恒方程(续2)-膨胀功和耗散能
v j v i v j 2 pij pij ( ) ( )ij x j x i 3 x j
多组分有反应流动分子输运定律（续）
• 组分焓和混合物焓都包括物理焓 ( 热焓）和化 学焓。 • 组分生成焓是常数，混合物生成焓是组分浓度 的函数。 • 组分的比热与组分浓度无关，混合物的比热取 决于组分浓度。 • 三种混合物的焓：热焓、热焓十化学焓、滞止 焓 = 热焓十化学焓十动能。
(v j ) S 0 t x j

[ V t x j
d SV 0 dt V

2.2 连续方程

t x j x j
S 0
(v j ) 0
vj x j
d 0 dt
v j (v j ) x j
0, S ij ij
ij ij 0,
ij ij 0,
v j v i ij x j x j