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8.3.1 温度、压力和当量比,燃料选型及火焰速度选型在线视频

8.3.1 温度、压力和当量比,燃料选型及火焰速度选型

下一节:8.3.2 火焰速度测量

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8.3.1 温度、压力和当量比,燃料选型及火焰速度选型课程教案、知识点、字幕

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

燃烧理论课程列表:

第一章 导论

-1.1 我们为什么要学习燃烧理论

--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

--1.2 什么是燃烧:定义与现象

-1.3 燃烧科学发展简史

--1.3 燃烧科学发展简史

-1.4 燃烧科学的研究方法

--1.4 燃烧科学的研究方法

-1.5 课程的结构

--1.5 课程的结构

第二章 燃烧与热化学

-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

--反应物与生成物的组成

--绝对(或标准)焓和生成焓

--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

--回热式和蓄热式交换器

--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

第三章 传质引论

-3.1 传质概述

--3.1.1传质概述

-3.2 传质理论基础

--3.2.1菲克扩散定律

--3.2.2扩散的分子基础-分子动力学

--3.2.3扩散系数的微观推导(选修)

--3.2.4组分守恒方程推导

-3.3 传质应用实例

--3.3.1应用实例一:液面蒸发

--3.3.2蒸汽界面边界条件

--3.3.3液滴蒸发

-3.4 小结

--3.4.1液滴质量守恒+小结

-第三章 传质引论--第三章作业

第四章 化学动力学

-4.1 概述

--概述

-4.2 总包反应与基元反应

--总包反应与基元反应

-4.3 基元反应速率

--双分子反应和碰撞理论

--其他基元反应

-4.4 多步反应机理的反应速率

--净生成率

--反应速率常数与平衡常数关系

--稳态近似

--单分子反应机理

--链式反应和链式分支反应(一)

--链式反应和链式分支反应(二)

--化学时间尺度(一)

--化学时间尺度(二)

--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)

--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

第五章 一些重要的化学机理

-5.1 概述

--概述

-5.2 H2-O2系统

--H2-O2系统

--H2-O2系统爆炸特性

-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

--总包反应和准总包机理

-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

--氮氧化物的形成(一)

--氮氧化物的形成(二)

--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

第六章 反应系统化学与热分析的耦合

-6.1 概述

--6.1 概述

-6.2 定压-定质量反应器

--6.2 定压-定质量反应器

-6.3 定容-定质量反应器

--6.3 定容-定质量反应器

-6.4 全混流反应器

--6.4 全混流反应器

-6.5 柱塞流反应器

--6.5 柱塞流反应器

-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结

--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

第七章 反应流的简化守恒方程

-7.1 概述和总质量守恒

--7.1 概述和总质量守恒

-7.2 组分质量守恒

--7.2 组分质量守恒

-7.3 多组分扩散(选修)

--7.3 多组分扩散(选修)

-7.4 动量守恒方程(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

--7.5 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

--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

第八章 层流预混火焰

-8.1 概述及物理描述

--8.1 定义及重要特征与实验室典型火焰

-8.2 层流火焰分析

--8.2.1 简化分析

--8.2.1 简化分析(续)

--8.2.2 详细分析

-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

--8.3.2 火焰速度测量

-8.4 熄火、可燃性和点火

--8.4.1 冷壁熄火

--8.4.2 可燃极限和点火

-8.5 火焰稳定及小结

--8.5 火焰稳定及小结

-第八章 层流预混火焰--第八章作业

第九章 层流非预混火焰

-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

--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

--各种不同的解法(一)(选修)

--9.4.5 各种不同的解法(二)(选修)

-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度

--圆口和槽型口燃烧器火焰长度

--火焰长度的影响因素

--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

第十章 液滴的蒸发与燃烧

-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

--质量守恒和组分守恒

--温度分布

--液滴表面能量守恒

--火焰面处能量守恒

--液气平衡 总结和求解

--燃烧速率常数和液滴寿命

--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

--液滴数目和液滴相守恒

--总守恒方程

--气相成分和气相能量守恒

--液滴动量守恒 模型总结

--例题

-10.5 小结

--小结

-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业

第十一章 固体燃烧

-11.1 概述及燃煤锅炉

--11.1.1 概述

--11.1.2 燃煤锅炉

-11.2 非均相反应

--11.2.1 非均相反应及表面化学反应

--11.2.2 碳反应的半总包机理反应

-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型

--11.3.1 模型建立

--11.3.2 质量与组分守恒与表面化学动力学

--11.3.3 电路比拟与碳燃烧控制

--11.3.4 能量守恒

-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型

--11.4.1 模型建立

--11.4.2 组分守恒、封闭性和表面化学反应

-11.5 颗粒燃烧速度

--11.5 颗粒燃烧速度

-11.6 煤的热解及燃烧

--11.6 煤的热解及燃烧

-第十一章 固体燃烧--第十一章作业

第十二章 湍流燃烧入门(选修)

-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

--湍流模型方法(1)

--湍流模型方法(2)

-12.5 湍流预混火焰

--湍流火焰速度

--湍流火焰结构与模式

--12.5.3 例题

--层流火焰折皱模式

--分布式反应区模式和漩涡小火焰模式

--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

--课程总结

8.3.1 温度、压力和当量比,燃料选型及火焰速度选型笔记与讨论

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