第三篇燃烧基本理论

• 研究射流混合过程的原因
– 工业炉燃烧过程中气体的混合与加热对整个燃 烧过程起着极为重要的作用
– 在工业炉燃烧技术中，火焰的长度、宽度以及 它的温度分布等特性主要取决于煤气与空气的 混合
– 气流的喷出速度、煤气与空气的相对速度、气 流的交角以及旋流强度等都会对燃烧过程产生 明显的影响
• 工业炉燃烧技术主要研究的混合规律
– K0—常数，频率因子
• 随着温度的升高，反应速度在一定范围内是急剧 增加的。大约达到10000K后，反应速度常数的 增加趋势才趋于缓慢而逐渐接近常数K。
• 反应速度可以表示为温度和浓度的函数，即
W
W (C,T )
K0C n
exp
E RT
– 只适用于简单反应，对于复杂反应，表达式将不同
混合速度又随之变快。
• 速度梯度越小，射流扩展及轴心速度衰减就越慢， 势核的长度也越大，当外围流与射流的流速相等 时，势流核心将贯穿整个流场。
交叉射流
• 交叉射流：以某一角度与主流相交的射流。 向火焰中喷射二次助燃空气或稀释空气时经 常采用交叉射流
– 掌握交叉射流的走向 – 交叉射流在主流中的穿透深度 – 交叉射流和主流的混合情况
第三篇
燃烧基本理论
概述
• 燃烧过程
– 燃烧过程是一个复杂的物理化学过程 – 完成燃烧过程不仅需要一定的浓度和温度，还需要一定的时
间和空间 – 燃烧过程所需要的时间包括三个方面：混合、升温和反应反
应所需时间受化学动力学因素的影响，而混合所需的时间则 受扩散因素的影响
• 燃烧过程主要受化学动力学因素和扩散因素的影响
• 流场特征：旋转射流兼有旋转紊流运动、 自由射流及尾流的特点，是这三种运动的 组合
• 作用：是强化燃烧和组织火焰的有效措施， 能提高火焰稳定性和燃烧强度。
• 影响燃烧过程中火焰长度的因素及研究方 法
– 气体动力学因素 – 煤气的物理化学性质 – 烧嘴出口直径 – 燃烧空间的几何特性 – 空气过剩系数 – 通过实验来确定不同条件下火焰长度的变化规
律和半经验性计算公式
第八章
燃烧反应速度和反应机理
化学反应速率
• 化学反应速度（速率）
– 单位时间内反应物（或生成物）浓度的变化
aA bFra Baidu bibliotek gG hH
W 1 dCA 1 dCB 1 dCG 1 dCH
a d b d g d h d
– 由于参加反应各物质在达到平衡时，平衡系统中各组 分之间存在一定的计量关系，因此，可以只研究某一 种物质的浓度随时间的变化
概述
• 燃烧过程分类 • 影响因素
– 动力燃烧：燃烧过程受可燃混合物加热和化学反应速率的限制， 而不受混合速度的限制
– 扩散燃烧：燃烧过程主要受扩散速度的限制 – 中间燃烧：介于上述两者之间的燃烧
• 气体流动性质
– 层流燃烧：燃烧室中煤气、空气和火焰都是以层流流动 – 紊流燃烧：火焰气体以紊流流动 – 介于二者之间的过渡性质的燃烧
– 即速度常数K与温度T之间的函数关系
• 范特霍夫规则
–
KT10 / KT，该2式表4明温度每升高10K反应速度大约要变为原来速度的2-4倍。
• 阿伦尼乌斯定律
阿伦尼乌斯认为：
也就是
K＝K0
K＝K 0
e
E RT
exp(
E RT
)
– 式中：E—阿伦尼乌斯活化能，通常称为活化能。单位：J·mol-1
– R—通用气体常数，8.314 J/(mol·K)
静止气体中的自由射流
• 煤气喷射到大气中的燃烧情况即属于静止气体中 的自由射流，其燃烧装置称为大气烧嘴
• 静止气体中的自由射流分为初阶段、过渡段和自 模段
– 初始段：射流离开喷口，产生紊流旋涡层，与外围流 体进行动量和质量交换，形成势流核心，核内各截面 仍保持喷口截面上的初始速度、浓度及温度
– 过渡段：外围气体跨流扩散与主流混合，发生动量、 质量及能量的交换，随着混合区的逐渐扩大，势流核 心逐渐缩小并消失。射流沿程各截面速度分布不断变 化，速度分布日趋相似
– 紊流射流混合规律
• 常用到的射流类型：圆形断面的自由射流、同心 射流、交叉射流及旋转射流等
• 射流混合过程研究的主要内容
– 射流初始条件：喷口尺寸、流量、温度、压力、密度、 浓度、出流速度等
– 射流边界条件：外围流体流速、压力、温度、浓度等
• 研究射流混合过程的目的
– 根据射流的初始条件和边界条件，配合有关的物理参 数，求出射流流场的速度分布、温度分布、浓度分布、 卷吸气量比、射流扩展率以及射流张角，供研制和设 计燃烧装置或组织火焰时参考
– 自模段：射流沿程各断面轴向流速都呈正态相似分布
同向平行流中的自由射流
• 当射流出流于同向平行气流中时，射流的扩展、 轴心速度的衰减、势核的长度等，都和射流与外 围气流之间的速度梯度有关
– 随着外围气流速度的逐渐增大，射流与外围气流之间 的速度差越来越小，因而混合速度逐渐减慢
– 当两者速度相等时，混合速度很慢 – 当外围速度超过射流速度时，速度梯度又开始增大，
• 参加反应物质的物态
– 同相燃烧：燃料和氧化剂的物态相同 – 异相燃烧：燃料和氧化剂的物态不同
概述
• 学习本篇的方法
– 本篇着重介绍有关燃烧的基本理论，学 习时，应着重从基本概念出发，理解现 象的本质、变化规律及影响因素，以便 能够运用燃烧的基本原理正确地组织炉 内的燃烧过程
第七章 射流混合过程
• 影响化学反应速度的因素
–浓度 –温度 –压力
• 浓度对化学反应速度的影响
– 符合质量作用定律
aA bB gG hH
W K[A]a [B] b
– K—反应速度常数；
– a b nn—反应级数
– [A]、—[B分] 别表示A、B的浓度（mol/m3）
• 所以： W K Cn
• 温度对反应速度的影响
环状射流和同心射流
• 对于环状射流和同心射流而言：
– 在充分发展区，流动情况与轴对称的圆射流相似 – 在靠近喷口附近，环状射流形成低压回流区；而
同心射流则形成环状回流区 – 喷嘴的几何形状对邻近喷嘴的射流状态有很大影
响 – 回流区的存在能改善火焰的稳定性
旋涡射流
• 旋涡射流：射流离开喷口前先强迫流体做 旋转运动，当流体从喷口出流后，除了具 有一般射流的径向与轴向速度分量外，还 具有一定分布的圆周向速度分量，这就是 旋转射流