当前课程知识点:燃烧理论 > 第八章 层流预混火焰 > 8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素 > 8.3.1 温度、压力和当量比,燃料选型及火焰速度选型
同学们
前面我们讲了表征火焰的特征量
比如火焰速度和火焰厚度
我们还求解了它的表达式
这时我们想
影响火焰速度的因素到底是什么
我们为什么要找出来
火焰速度的影响因素
我们想 对于燃烧
如果我们把温度调高
火焰会变的不稳定
这是什么原因
这跟火焰速度有关
在高压下原来
设计很稳定的一个反应
突然不反应了
或者突然反应变的失稳了
这是什么原因
也是跟火焰速度有关系
所以研究火焰速度的
影响因素很重要
为了分析它的影响因素
要从我们求解的
简化式来看
我们想火焰速度是什么
首先肯定不是来流的速度
从该式我们可以看出
化学反应生成率
也就是燃料的化学反应消耗率
该值
和化学反应有很大相关
另外它和
热扩散率
的关系很大
未燃的密度变化不是很大
大概是
一点几千克每标立
这样
通过该式我们可以分析
Cp与平均温度的四分之一次方有关
k是呈二分之一次方关系
我们可以看到最终是0.25次方
书上写0.75
可能有点问题
我认为是以我们的讲授为主
还有与压力的负一次方有关
根据阿伦尼乌斯反应
具体的大家看
我补充的一些推导的辅助讲义
为什么跟P的n-1次方有关
跟T的负n次方有关
但是Tb最重要的不是在指数外的系数
而是在指数内的
红色标出的Tb
这个是温度的最大项
而压力是和指数外的
P的n-1次方有关
我们把这些代到前面的式子里面
我们可以得到
Sl与平均温度
未燃温度
燃后温度
其中燃后温度一定是以指数内为准
还有与压力的关系
同样的 我们可以根据
火焰的贝克利数得到δ
该值和Sl这两个是相反的比例
我们就知道
火焰厚度的关联式
根据这个式子我们知道
火焰温度 压力 不同的燃料
还有过量空气系数
这些会影响火焰速度
此外还有一些其他因素 比如初始温度
火焰里的添加剂
该添加剂是使反应加快的
惰性物质 不参与反应的
还有热扩撒系数
这些是辅助的影响因素
我们一一分析
首先过量空气系数
对于过量空气系数 我们想
什么时候火焰速度最快
起主导作用的
是Sl中的指数项
根据阿累尼乌斯公式所得的
我们都知道
真正的火焰温度
最大值
是在
当量比稍微大于1
约为1.05处
即过量系数
小于1时
就是恰好还未达到完全燃烧
此时燃烧温度最大
但对于火焰速度是怎样的
我们看图
可以发现 很有意思
对火焰速度也是一样
随着当量比的增加
在1.07处
出现最高值
这是甲烷的图线
联系到我们
在第二章学的火焰温度
也是近似在该当量比
即略大于1处
所以这两个存在一定的一致性
这说明
改变当量比 即改变过量系数
是因为温度的变化造成的火焰速度变化
如果要空气过多
温度上不去
则火焰速度下降
如果空气太少
火焰速度也会下降
所以可以得到
当量比是和温度紧密相关的
同样的 大家可以看下方这条线
上方的线是熄火距离
我们以后再讲
根据下方这条线 我们可以得到
恰恰是在
当量比略大于1
约为1.07处
火焰厚度最小
这跟火焰速度正好相反
前面我们讲到了
调节空气的
当量比
实际也是跟火焰温度有关的
那么火焰温度的影响
到底是怎样的
火焰温度就是指数内的关系
大家可以看
我们前面推出来的关系式
在阿伦尼乌斯指数内 Tb的影响
根据右图 温度增加
火焰速度大幅度提高
因此
火焰温度的影响是很大的
我们再考虑
第三个因素 压力的影响
我们都知道
为了提高燃烧的效果
以及燃烧速率
我们喜欢
制造高压反应器
在高压反应器内 分子碰撞更频繁
速度加快
但是在高压下
火焰速度如何改变
似乎有个误区
高压下反应加快
火焰速度也应该增加
但是我们通过推导发现
高压下
最后我们可以得到n/2-1
这个幂次
这个幂次可以通过前面的式子
严格推导出来
同学们有兴趣的话
可以推一下
大部分反应
都可能是二阶反应
此时 和压力无关
而我们得到一些总包反应
甲烷 丙烷 乙烷
似乎只是1点多
没有到2
通过大量实验 可以得到
火焰速度其实和压力还是有关的
但不是我们主观所想的 增加压力
火焰燃烧加快
然后火焰速度提高
而是略降低的
这是由于前面
众多因素造成的
我们导出的n/2-1关系
根据Bradley做出的
经典的图 我们可以看到
对于甲烷
真正的火焰速度
与压力的-0.5幂次相关
但现在又认为比-0.5
还要更平缓一些
整体的规律我们可以看出
改图已经给出来
即压力增大
火焰速度反而略有减小
再看火焰厚度
我们主观去想
随着压力升高
火焰速度好像应该是增加的
其实是减少的
但火焰厚度很容易想象
压力增高 火焰厚度肯定变薄
事实上确实是变的比较薄
根据Glassman这本书的数据
随着压力从0.25大气压
到1个大气压 再到8个大气压
火焰厚度减小了10倍
即在高压下
一般的燃气轮机 内燃机里
都是几十个大气压
此时火焰会变得非常薄
甚至达到0.2mm
在0.2mm内 如何通过激光
测出里面的组分
这都是具有挑战性的问题
这也是我们未来需要解决的
我们再看一下
火焰区域的贝克利数
随着压力的变化
贝克利数
变化的不是特别大
所以贝克利数对压力
并不是很敏感
在实验误差内 认为
它基本是恒定的
我们最后再看一下
虽然在高压下
火焰速度略有降低
但是火焰通量
通过下面的图可以看到
上升了很多
这什么原因
高压下 密度增大
所以真正的反应
是通过火焰通量体现出来
是变的更快了
这一点大家要去理解
前面我们讲了温度 压力
空气的过量系数
的影响
我们想 对于不同的燃料
例如甲烷 乙烯 乙炔
它们的火焰速度一样吗
肯定不一样
根据生活常识 我们知道
甲烷火焰比较稳定
但氢气火焰就比较剧烈
比较容易回火
很难稳定
火焰速度非常高
我们可以看到
不同结构的影响
请看右边的图
对于饱和的碳氢化合物
例如 甲烷 乙烷 丙烷 是最下方的平缓曲线
变化不是特别大
而对于非饱和的烃
比如烯烃 特别是炔烃
例如
电火石乙炔切割
其中乙炔的火焰速度较快
它的稳燃难度也较大
必须用很大的气流才能稳住
炔烃的火焰速度很高
特别是乙炔
但是随着碳分子数增加
从乙炔 到丙炔 再到丁炔
曲线逐渐接近
表征烷烃的
平缓曲线
烯烃在两者之间
不同的结构
存在
不同饱和度的键
有不饱和键的烃类
更容易参与反应
活性更强
从左边的图
我们可以看到
乙炔 乙烯和乙烷中
乙炔的火焰速度最高
我们把中间的当量比
略大于1的时候
对应的
峰值处的
火焰速度统计出来
得到右边的图
包括乙炔等
都是以丙烷为参照物
甲烷 丙烷
都在1附近
乙烯更高一些
氢气比乙炔还要高
氢气的最高
是丙烷火焰速度的六七倍
其实火焰速度
对我们设计中的稳燃
即火焰的稳定 是很重要的
我们继续讨论
初始温度
我们知道很多燃烧过程
为了提高效率
使烟气循环 温度升高
这样 为使火焰稳定
整个设计 例如喷嘴 都要改变
总体而言 温度上升
火焰速度增大
大家在实际中要注意
我们进一步给出图像
横坐标为乙烯 丙烷
和甲烷燃烧的初始温度
从100K
升高到500K时
火焰速度
增加了一倍以上
甚至有的达到两倍
这一点也要注意
有的学者
得到右边的图
进一步得到了
关联式
即随着初温的提高
火焰速度上升的
表达式
这在实际设计中会十分有用
我们再讨论添加剂的影响
例如
燃烧一氧化碳
现在我们通常使用煤
煤气是氢气和一氧化碳
如果只有一氧化碳
而没有氢气
我们知道
通过我们第四章第五章的学习
一氧化碳燃烧较慢
因为一氧化碳没有氢基
没有活性基
来提高链式反应的速率
这里有一个很有意思的实验
如果仅仅用一氧化碳
没有加其他的燃料
这时
一氧化碳的
火焰传播速度是相当低的
随着我们加入甲烷的比例逐渐增加
大概加到
10%的甲烷时
火焰速度就已经
达到一个相当高的值
继续再加
火焰速度则会下降
所以这给我们一个启示
在实际生产中
我们只要在一氧化碳里
加入很少量的甲烷
或者是其他含氢燃料
火焰速度就会提升
另外我们考虑惰性物质的影响
惰性物质
包括氮气 二氧化碳
加入惰性物质
会如何影响火焰速度
一方面
加入惰性介质之后
物质总量增加 但不参与反应
导致燃烧温度下降
最终降低燃烧速度
而另一方面
它会改变一些物理参数
比如热导率 热容等
大量实验证明
加入惰性物质
火焰速度是降低的
而且可燃极限
将朝向燃料浓度
较低的方向移动
就是我们右图的趋势
我们再看一个比较有意思的图
这个图的横坐标是
被惰性组分替代的氧气百分数
比如 本来是
氢气 一氧化碳 甲烷
和纯氧的燃烧
横坐标零点对应的是百分之百的氧气
然后逐渐增加氮气或者二氧化碳
为什么增加二氧化碳
二氧化碳很有意思
咱们现在都讲全国气侯变暖
因为国外想用这一点
来控制我们中国
他们说我们产生的
二氧化碳太多
这时我们不用氮气
而用纯二氧化碳来回循环燃烧
这样的好处在于
最后的烟气中二氧化碳比较浓
易于储存
方便二氧化碳的捕集
这是一项很有意思的技术
我们可以
看到
随着加入的氮气 二氧化碳增
火焰速度逐渐降低
最后我们讲一下物理系数
比如扩散系数 比热对燃烧速度的影响
前面讲到惰性物质的加入
会影响这些物理系数
这个图
比较有意思
纵坐标依然是火焰速度
横坐标是燃料甲烷在空气中的比例
可以看到是
氦气 氩气和氮气
这三种惰性气体
这三者的
火焰速度为何不同
我们先比较氦气和氩气
氦气和氩气都是单原子气体
这说明
它们的热容相似
因为惰性气体不参与反应
热值是相等的
而热熔相似则使得
最终的
燃烧温度是相近的
即Tb是相近的
但是氦气的热扩散率
远大于氩气
根据公式
得到
氦气的火焰速度要更高
进一步我们对比氩气和氮气
氩气的热扩散率
和氮气的是相似的
但是
因为氩气是单原子气体
氮气是双原子气体
它们的热容都不一样
所以氩气的温度
比氮气要高
温度高导致火焰速度增大
我们再换一些惰性气体
引起的参数变化可能又不一样
这就是火焰和燃烧研究的复杂性
这是传统的流体力学
所无法想到的
因为它要把热量 质量
流体的传递耦合在一起
这就导致了它的复杂性
这就是燃烧这个学科
门槛比较高的部分原因
我们就讲到这里
-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