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11.3.3 电路比拟与碳燃烧控制在线视频

11.3.3 电路比拟与碳燃烧控制

下一节:11.3.4 能量守恒

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11.3.3 电路比拟与碳燃烧控制课程教案、知识点、字幕

通过前面

我们建立的方程

我们就知道

通过空间

扩散的方程

我们建立了m碳点

就是碳燃烧速率

和4πsρD

无穷远的质量分数

和碳表面的质量分数的

ln函数的关系

我们还知道了

碳表面氧的质量分数

和m碳一点的关联式

通过化学反应我们知道

碳燃烧速率m碳一点

它等于4πr方

kc就乘以

在表面上的

氧的质量分数

还有其它的一些

转化的函数

像压力和摩尔量

就是把状态方程代进去的这些

这两个式子就是

其实暗示的

一个是扩散的过程

一个是表面化学反应的过程

这样的话这两个方程

联立求解之后

可以得到所有的 包括碳反应速率

和氧在碳表面的

质量分数

知道质量分数也就知道分压

我们都知道

碳燃烧模型

这两个公式

已经可以预测了

知道初始的碳的粒径

还知道

空气中氧的含量

还知道

这时它的温度

在碳表面的温度

碳表面温度

可以用很多光学的方法

测出来

现在咱们实验室都可以测出来

这样的话

我们就可以知道

碳燃烧的时间

这挺有意思

但是我们想

在实际设计过程中

我们想知道

到底这个反应

阻力来自于哪里

是化学反应阻力控制

还是扩散阻力控制

举个例子

为什么要这样呢

如果是化学反应阻力控制的话

这时再

改善它的扩散条件

都没有什么用

如果是扩散阻力控制

这时表面上的

反应

它再加快也不能起到作用

所以不同的时候

如果是

化学反应阻力控制的反应

这时就不能

通过布置浓度场

去强化扩散

应该怎么做 提高温度

提高温度 化学反应加快了

就可以了

所以知道这两个阻力控制

是很关键的

那我们就要想

什么是化学反应阻力

就是碳燃烧速率

等于

碳表面的

氧的质量分数 YO2s

它除以

我们刚才说的

反应的速率常数

就是Kkin的值

把1/K放在分子上

把碳反应的式子代进来

通过这个式子

我们就可以知道

它是一个阻力的概念

1/Kkin

就是化学反应的阻力

相当于电阻一样的

化学反应的阻力

扩散阻力怎么办呢

我们都知道

扩散这个式子

大家可以看这个式子

它比较复杂

4πrs ρD

ln里面根本没有

阻力的概念

这时假如说

我们考虑

对ln1+YO2∞

和1+YO2s

怎么处理

这个处理其实也不是很难

我们把它换成

ln

里面是1加上YO2∞

减去YO2s

这时

如果后面这个数

比较小的时候

我们可以看

这个数会不会比较小

YO2∞最多是

空气中是0.233

1加这个不大的数

这个数远小于1

这时怎么办呢

可以做什么处理

在咱们微积分

学级数的时候

这个可以怎么做

同学们理解吗

可以做泰勒展开

泰勒展开

我们可以看

这个式子 里面的

1+加上

BO2m

BO2m就是YO2∞-YO2s

分母是νI+YO2∞的那个式子

这样的话

把它泰勒展开之后留第一项

留这个级数的线性项

那最后ln(1+BO2m)

它等于什么呢

就约等于

式子右边的BO2m

泰勒展开的

要点就在这里

所以

最后m碳点

就是碳燃烧速率

等于4πsρD

这跟第三章 第九章

都是一样的

后面是什么呢

是YO2∞-YO2s

除以νI

加上YO2s

νI就是2.664

所以这个数会很小

这样的话

这告诉我们什么呢

已经有这个差了

Y质量分数是势

碳燃烧速率

率就是流

这时我们

就可以把扩散阻力

作出来

分子就是YO2∞-YO2S

分母是其它因数

全移下来

左边是流 m碳点

所以这就可以作为

Rdiffusion

扩散阻力

前面我们把Kkin

就是化学反应的1/K

从那个式子

提出了化学反应阻力

现在又有扩散阻力

那我们就可以画一个电路图了

我们怎么画这个电路图呢

看这张图

中间这个接点

我们认为是碳表面

碳表面

往内发生化学反应

一直到氧浓度是0

碳表面上的氧浓度不是0

然后在无穷远的氧气

就通过扩散阻力

到碳表面

碳表面再发生化学反应

这两个阻力

哪个阻力大

我们就要

在燃烧中解决阻力的问题

所以利用这种电路图

碳燃烧速率

m碳点

它就等于

无穷处氧的浓度减去0

除以化学反应的阻力Rkin

和扩散阻力

Rdiffusion

这两个合在一起

我们把这两个阻力

加在一起

同时我们也可以写到

YO2s-0

除以化学反应阻力

也可以写成

Y∞减去表面的质量分数

然后除以Rdiffusion

这就是电路图的原理

当然了

那个化学反应阻力

1/K

就是这个式子

我们看它的比例关系

量纲配齐了之后

本质就是表面上氧的浓度

和质量分数

和化学反应速率是一次方关系

从这一部分就得到了

Langmuir-Hinshelwood反应机理

这样

我们就可以看

碳燃烧

到底是一个什么样的模式呢

根据碳的模式怎么控制燃烧

我们也不能够只看

书本 那么教条

我们要联系生活

比如说我们平常

烧个煤球

这么大的煤球

它是什么控制

它是扩散阻力控制

还是反应阻力控制呢

学了这个课

我想同学们就会理解了

还有一个煤粉炉

煤粉炉里煤粉是几十微米的

它是怎么控制

这时其实不难

我们只要知道

反应环境的温度

和碳颗粒的

粒径

我们就可以去估计它

举个例子

我们可以把这两个相除

上面分子是化学反应阻力

分母是扩散阻力

一除就得到了这么一个式子

第一个项接近于1

对吧 νI 2.664

这是可以的 YO2s量比较小

第二部分

有温度

分母还有压力

还有个常数就是R

这里D是扩散系数

rs就是颗粒的粒径

在分母上

但是我们提醒大家注意

一定要注意kc

因为kc是什么

它背后是

阿雷尼乌斯

里面隐含的温度

也就是说温度

虽然在分子有Ts温度

它比起kc里面温度指数

这个温度的影响可以忽略

同学有的时候不注意

一看到Ts在上面

就容易判断错

kc里面指数的温度

要比这个一次方的温度

要变化快很多

这里边还隐含着温度

所以这就是对

阿雷尼乌斯方程的数学的理解

这时大家一定要注意

通过这两个阻力

比较的时候 我们就想

当一个大的颗粒

在燃烧的时候

根据这个式子

rs特别大

那这时就是扩散阻力比较大

反应阻力比较小

那它是扩散控制的

所以咱们烧大煤球

烧链条炉

这种 还有以前的

家用那种

煤块 烧炉子取暖的

这都是扩散控制

然后这时我们还要想

如果温度特别高的时候

按说温度高 Ts在上面

应该是化学阻力大

就是化学反应动力控制

但不是这样

因为kc 温度高的时候

反应很快

化学反应动力的

阻力是特别小的

它是扩散控制

所以对很高温的燃烧

这时大家就想

不要再提高温度

温度已经提高到极限了

就要改变它的扩散

另外 反过来

如果粒径很小的这种煤粉

它是化学反应动力控制

对吧

就像咱们煤粉炉里

这时大家想的是什么

二者相除之后

因为rs很小

它的扩散的阻力

就很小

基本上扩散都能保证

它是化学反应控制

就是什么呢

这时大家想的

就是要提高温度

去改善条件

所以煤粉炉

是这样扩散的条件的话

一般是

化学反应动力控制的

但即使是煤粉炉 大部分时候

也是扩散和反应

联合控制

如果对煤粉细的炉子

一旦不存在扩散带来的问题

这时大家要

调节化学反应

还有低温

炉子低温的时候

这时它也是

化学反应控制

这时大家要提高它的温度

来改变燃烧速率

压力的也是

到真正的高压的炉子

比如像气化炉

很多都是高压

这时压力一高

更容易是扩散控制的问题

这时

大家一定要通过阻力的方法

一一去解决问题

当然了

单膜模型里面

可以用阻力的方法

也可以解两个方程

然后我们去预测

碳反应速率

这部分书上有很多例题

在这里

因为时间关系我就把例题

作为作业题布置给大家

希望大家

能够

在课下通过作业例题

通过电路的方式

通过化学反应

和扩散的结合

去思考单膜模型

单膜模型我们就讲到这

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

11.3.3 电路比拟与碳燃烧控制笔记与讨论

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