当前课程知识点:燃烧理论 > 第六章 反应系统化学与热分析的耦合 > 6.6 燃烧系统建模中的应用及小结 > 6.6 燃烧系统建模中的应用及小结
最后让我们把第六章
反应系统的
化学热分析的耦合
总结一下
也就是它在
燃烧建模中的
一些应用
我们先讲定容-定质量反应器
内燃机的燃烧
就像一个
定容-定质量的反应器
这个应用就不再说了
我们在课堂中已经讲过
全混流反应器
和柱塞流反应器
除单独用于研究外
还可以
结合起来应用
处理一些更复杂的系统
将两者分开讲
对于全混流反应器
当时给大家
布置了一个作业
让大家去预测
它的吹熄特性
其实它的NOx
生成特性
也可以预测
以吹熄特性为例
假设有
一个小孔
高速射流
流到该反应器内
此时如果
气流
不断加快
开始时假定
燃料和氧化剂
是按照一定的
当量比进行混合的
不断加快
会发生什么
我当时给大家
布置了例题
同学们
可能对例题
已经预习了一下
有同学也做了一下
以下是我们的答案
随着流速的增加
开始流得很慢
产物(的质量分数)是1
即全部转化为产物
反应物(的质量分数)是0
即反应物全部反应完了
之后
我们发现
随着流速加快
产物的
质量分数
即Yi 就不再是1了
显著降低
这说明了什么
这说明
在反应器内
如果通的速度很慢
反应物可以完全反应
如果通的速度很快
因为流动速度太快
反应物还没有来得及反应
就继续流动 离开了
此时
产物的质量分数
就是Yproduct
在沿着
上部这条线
一直下降
但是一旦下降到
某个临界点
这时我们就会发现
它突然就没有数值了
此时方程不再求解
该点就是它的吹熄点
而这时发现
恰恰在物理上的吹熄
和实际求解的吹熄
吻合得特别好
这是因为 方程
在内部决定了反应的机制
我们还可以
看温度曲线
下面的图是温度图
温度曲线也是
流量越大
在固定的
反应器容积里
温度并非越高
我们以前的概念是
燃料不足
会导致温度较低
此处不是这个概念
对于全混流反应器
因为它的容积特别小
实际产生的
燃烧温度比较高
但是如果
通的气流速度太快
它在反应器内
停留时间太短
这时
为了加热
更大量的物质
它的温度反而(会降低)
因为
没有完全反应
还要加热所有的
燃料和氧化剂
当然温度
就会明显下降
这一点大家去理解
比较有意思
对于柱塞流反应器
我们都知道
我国是燃煤大国
它在煤燃烧上应用较广
我国在国际燃烧届
过去话语权相对较少
现在逐渐地
我国的技术研究
也达到了
国际水平
我觉得最近
清华
和国内其他一些大学
做了很多好的研究
包括我们所采用的
一维平焰燃烧器
大家可以看到
煤燃烧的火焰
是十分漂亮的
这是一维的火焰
这个火焰就可以
用柱塞流模型来建模
来分析其中的反应过程
大家有兴趣的话
可以去查阅
袁野博士
在我们专业权威的期刊
Combustion and Flame上发的一些文章
然后还有
更多方面的应用
与柱塞流模型(相关的)
一维平焰燃烧器
它又叫Hencken burner
它一小时
只燃烧几克煤粉
几克煤粉是
十分小的量
更大的燃烧器
一小时(可以燃烧)几公斤(煤粉)
25千瓦 30千瓦这一量级的
比如一维炉
也可以用
这样的模型来建立
清华大学
也发表了很多相关的论文
同学们可以去查阅
相关的外文发表
包括卓建坤 徐晓光
李庚达博士
他们做了很多
有意思的工作
最后我还要讲一下
在燃气轮机上的建模
这是燃气轮机的燃烧
这张图形象地表明了
首先还是有很多小孔
气流射流进入
我们已经知道小孔 气流射流
就是应用全混流反应器
对 燃气轮机第一段
就是用一个全混流反应器去模拟
但是 燃机包含很多
烟气回燃的过程
就是循环燃烧的过程
第二章讲的
循环燃烧的概念
紧跟着后面
又是全混流反应器
到最后一级
这时
相当于平推流
所以可以把
一个燃气轮机
分成两个全混流反应器
加一个柱塞流反应器
柱塞流
在有的化工书上
又叫平推流
即Plug Flow
就是它的概念
这一部分
对于
燃气轮机的建模
也是十分重要的
同学们
可以查阅
相关的一些文献
去了解这个过程
燃烧反应器
对于工业中的
燃气轮机
锅炉 以及窑炉
的初步建模
和简单分析
有很大的意义
最后
我将对本章课程
进行总结
这章课程
在开始时
先向大家说明了
反应器模型的
重要性
然后我们提出了
四个原型反应器
对于定压-定质量反应器
需要思考
学过之后
有什么体会
定压 则压力是定值
质量
也是一个定值
这时真正要关注的
一个重要概念是
是定压-定质量
反应器里面
浓度的变化
之前
对其它三个反应器
进行思考
浓度的变化
因为体积没有变化
这时
这个结论是对的
但是定压-定质量反应器
一定要考虑到
这个公式的
第二项
因为发生了化学反应
体积变化
所带来的浓度变化
必须要考虑进去
除掉这个影响之后
才是纯化学反应
带来的浓度变化
这是定压-定质量反应器
学习中
最重要的一个问题
就是
体积的变化
所带来的效应
定容-定质量反应器
通常可以用在
发动机 内燃机
等方面
这个反应器的核心是
dXi/dT比较简单
真正值得注意的是
在压力变化过程中
除了化学反应
没有质量的变化
温度带来的变化
即第二项
是理解这个方程
压力变化重要的一点
这一点理解了
我们对发动机 内燃机
爆震 爆缸等
实际燃烧
出现的现象
就会有更好的理解
第三个是
全混流反应器
对于它就要思考
对全混流反应器
一看教科书
就是反混无穷大
但是所谓的反混无穷大
指的到底发生在哪里
写的不透
通过去理解
MIT的Longwell教授
这一派所建立的概念
当然 细节部分
在论文中没有写
我们需要
通过方程去体会
反混其实发生在
控制容积体内部
以及出口部分
入口是通过
无数个小孔使流体进入
这时没有反混
在入口部分
对流远大于扩散
所以
反混无穷大
对于入口部分
是不适用的
我觉得
这是在学习中要切记
的一点
第二 这是一个
代数方程
代数方程中
所隐含的时间
大家还记得吗
这个时间
也就是说
组分方程既可以用Yi写
也可以用浓度写
这两个关联很有意思
大家要去理解
柱塞流反应器
它的特点就是
已经不再是N+1个方程
前面三个都是N+1个方程
它还有另外一个方程
这个多出的方程
可以用
密度变化的方程
也可以
用速度变化的方程
也可以用压力变化的方程
我们在N+4中
我们选用
密度的方程来表达
这个推导过程
我上节课
虽然已经讲解了
但是我希望同学
在课下能够(自行推导一下)
那只是告诉你
哪几个方程
能够推出来
但是具体的步骤
我希望大家在课下
能够把这个过程推导一遍
这样的话
你对反应器的理解
会更深刻
无论如何
这四个反应器
都告诉我们
气体状态方程
是隐含的 很重要
气体状态方程
你只要知道
Yi和Xi之间的关联
还有能量守恒方程
和化学反应方程
化学反应方程是N个
其它的
就是第N+1 N+2个
当然还有流动方程
越来越复杂
到实际的反应器
最后谢谢大家
-1.1 我们为什么要学习燃烧理论
-1.2 什么是燃烧:定义与现象
-1.3 燃烧科学发展简史
-1.4 燃烧科学的研究方法
-1.5 课程的结构
-2.1 概述
--概述
-2.2 状态参数复习
--状态参数复习
-2.3 热力学第一定律
--热力学第一定律
-2.4 反应物和生成物的混合物
--燃烧焓与热值
--例题
-2.5 绝热燃烧温度
--定压绝热燃烧温度
--定容绝热燃烧温度
-2.6 化学平衡
--第二定律的讨论
--吉布斯函数
--复杂系统(选修)
-2.7 燃烧的平衡产物
--全平衡(选修)
--水煤气反应的平衡
--压力影响
-2.8 应用
--例题
--烟气再循环
-2.9 小结
--小结
-第二章 燃烧与热化学--第二章作业
-3.1 传质概述
-3.2 传质理论基础
-3.3 传质应用实例
-3.4 小结
-第三章 传质引论--第三章作业
-4.1 概述
--概述
-4.2 总包反应与基元反应
-4.3 基元反应速率
--其他基元反应
-4.4 多步反应机理的反应速率
--净生成率
--稳态近似
--单分子反应机理
--部分平衡
-4.5 简化机理(选修)
--简化机理(选修)
-4.6 催化和非均相反应(选修)
-4.7 小结
--小结
-第四章 化学动力学--第四章作业
-5.1 概述
--概述
-5.2 H2-O2系统
--H2-O2系统
-5.3 一氧化碳的氧化
--一氧化碳的氧化
-5.4 高链烷烃的氧化
--三步机理
--八步机理
-5.5 甲烷燃烧
--复杂机理和起源
--甲烷燃烧动力学
--高温反应途径分析
--低温反应途径分析
-5.6 氮氧化物
--氮氧化物的危害
-5.7 小结
--小结
-第五章 一些重要的化学机理--第五章作业
-6.1 概述
--6.1 概述
-6.2 定压-定质量反应器
-6.3 定容-定质量反应器
-6.4 全混流反应器
-6.5 柱塞流反应器
-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结
-第六章 反应系统化学与热分析的耦合--第六章作业
-7.1 概述和总质量守恒
-7.2 组分质量守恒
-7.3 多组分扩散(选修)
-7.4 动量守恒方程(选修)
-7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式
-7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义
-第七章 反应流的简化守恒方程--第七章作业
-8.1 概述及物理描述
-8.2 层流火焰分析
-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素
-8.4 熄火、可燃性和点火
-8.5 火焰稳定及小结
-第八章 层流预混火焰--第八章作业
-9.1 概述
--概述
-9.2 无反应的恒定密度层流射流
--物理描述
--求解
--两个例子
-9.3 射流火焰的物理描述
-9.4 简化理论描述
--概述
--守恒标量
--状态关系式
-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度
--两个例子
-9.6 碳烟的形成和分解
--碳烟的形成和分解
-9.7 对冲火焰(选修)
--对冲火焰(选修)
-9.8 小结
--小结
-第九章 层流非预混火焰--第九章作业
-10.1 概述
--概述
-10.2 液滴蒸发的简单模型
--基本假设
--气相分析
--气液界面能量平衡
--液滴寿命
-10.3 液滴燃烧的简化模型
--假设
--温度分布
--液滴表面能量守恒
--火焰面处能量守恒
--例题
--扩展到对流条件
-10.4 一维蒸发控制燃烧
--物理模型和假设
--总守恒方程
--例题
-10.5 小结
--小结
-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业
-11.1 概述及燃煤锅炉
-11.2 非均相反应
-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型
-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型
-11.5 颗粒燃烧速度
-11.6 煤的热解及燃烧
-第十一章 固体燃烧--第十一章作业
-12.1 概述
--概述
-12.2 湍流现象与描述
--湍流的现象与描述
-12.3 湍流尺度
--湍流尺度
-12.4 湍流模型
-12.5 湍流预混火焰
--湍流火焰速度
--层流火焰折皱模式
--火焰稳定
-12.6 湍流非预混火焰
--射流火焰
--火焰长度
-12.7 湍流燃烧小结
--湍流燃烧小结
-课程总结
--课程总结