当前课程知识点:燃烧理论 > 第十一章 固体燃烧 > 11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型 > 11.3.1 模型建立
同学们前面我们把碳反应
关联规律建完之后
下面我们就可以
去描述碳颗粒的燃烧
就是碳的燃烧
其实它对我们了解
气固反应
总体还是十分有趣的
这时我们要知道
我们建碳燃烧模型的时候
主要是组分扩散
但是它的热量
后面我们也会去考虑
因为它会产生热量的
热量对燃烧有干扰
我们一步一步的来
因此碳燃烧的过程
它相对来说是
怎么能把复杂的过程
给一步一步演化
比拟于液滴的燃烧
如右图
我们也可以用一个双膜模型
就是有表面上的化学反应
和气相的燃烧面
我们都知道这个燃烧面的温度
肯定是最高的
这是温度的最高点
然后另一个面是碳表面
做一个双膜模型
而这两个膜如果十分接近
膜之间的过程
可以忽略的时候
我们就可以假设成
单膜模型
对于单膜模型我们知道
它
气相的温度
最高点是在碳表面上
双膜模型它从
碳表面到火焰面
还有一个
连接的过程
当然这时别人提出
连续膜的概念
那个
其实没有更大的意义
所以我们在这儿
主要就是把单膜和双膜
给大家一一讲一下
单膜模型
它在碳燃烧里面
还有煤燃烧这个领域
用得特别多
为什么呢
举个例子
咱们设计一个锅炉
碳燃烧到底
怎么能够很快地预测
它是哪个反应机制控制的
多长时间内燃烧完
单膜模型在这里
有很大的优势
我们处理的时候呢
无非是把前面我给大家讲的
表面反应
就是化学反应速率
和氧分压的
一次方的关系
用来代替克劳修斯-克拉珀龙方程
就是液滴的方程
然后去做这个问题
这个问题像液滴一样
我们要做哪些假设呢
这也是我问同学们的
第一呢 这个过程
碳燃烧的过程
肯定是一个拟稳态的过程
什么叫拟稳态
拟稳态过程呢
就是气相内所发生的变化
比起碳表面的变化
要快很多
就是碳表面的变化要慢
一到两个量纲
这时才能假设成拟稳态
我们在液滴蒸发的时候
我给大家讲
一个是L方除以D
气相扩散的时间尺度
一个是L方除以K
蒸发速率
其实这时候你如果能用
一个反应速率
代替那个K
是一回事
你们可以去推这个时间尺度
另外我们假设颗粒
在一个无限大的
静止的环境里面
颗粒间没有影响
对流的影响也可以被忽略
主要是扩散
在碳的表面
我们通过
单膜模型就认为生成二氧化碳
碳的表面
本来我们前面讲的
高温下是生成一氧化碳
大家就问李老师
单膜模型为什么这里
是用二氧化碳呢
是因为碳表面
无限接近燃烧面
这时我们就把一氧化碳
在瞬间转化成二氧化碳
我们可以用二氧化碳来表示
这就是单膜模型
它怎么耦合
化学反应机理
和一氧化碳
到二氧化碳反应的
一个假定
第四部分我们要考虑到
就是
在碳的表面氧气向内扩散
生成的产物二氧化碳向外扩散
但是这时
我再问同学们一个问题
碳的反应它其实在物理上
是一个斯蒂芬流的问题
什么叫斯蒂芬流
斯蒂芬流的问题
顾名思义就是有一种介质
它的总通量
是等于零的
什么叫总通量等于零
就是扩散通量
和对流通量是相当的
那这种介质是什么
在咱们这里就是氮气
所以大家要想到
斯蒂芬流问题
然后第五个假设是
它的刘易斯数等于1
就是说施凡伯-谢尔多维奇方程
可以用
这一点大家也可以对照
第七章去看一下
刘易斯数等于1
对建模带来的便利是什么
其它的还有第六个是
碳 它没有内部扩散
还有一个是颗粒温度均匀
这时如果颗粒温度
不均匀怎么办
那我们就再建一个传热模型
和这个耦合在一起就可以了
另外在温度方面
我们假设颗粒是
一个灰体在辐射
用这种假设
去
考虑辐射的换热
所以我们这里有一个图
这个图比较有意思
二氧化碳生成的速率
从碳表面开始逐渐降低
氧气
就是从无穷远
假如说无穷远处是空气
氧气的质量分数0.233
到碳表面逐渐减少
我就问 它浓度是不是零
或者说碳表面上
氧气浓度肯定不是零
氧气浓度在碳表面上
我就问它什么时候
接近于零
你要思考
假如氧在碳表面上
发生的反应特别快
就是我好不容易扩散到这儿
就立刻发生反应
直接
被很快的化学反应消耗完了
那这时在碳表面上
氧就无限接近于零
它如果消耗很快
刚被扩散
费了九牛二虎之力
扩散到这个表面上
一下子就消耗了
这时反应是什么
就是我们后面讲的
化学反应快时 它是扩散阻力
在控制这个过程了
不知道同学能不能理解
其中一个过程快 它就会被
那个慢的过程限制
因为好不容易扩散过来
就立刻反应了
那就是扩散慢
那就是扩散控制的模式
这里给大家埋一个伏笔
-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