第04章-燃气燃烧的火焰传播

第四章燃气燃烧的火焰传播本章要点火焰传播速度是燃烧的重要特性之一，对火焰稳定性和燃气互换性有很大影响，也是燃气燃烧器设计及安全使用燃气的重要参数之一。本章主要内容包括：•火焰传播的理论基础；•法向火焰传播速度的测定；•影响火焰传播速度的因素；•混合气体火焰传播速度的计算；•火焰传播浓度极限。23一、火焰传播机理•法向火焰传播速度Sn：火焰焰面的移动速度称为法向火焰传播速度。火焰传播仅是由于传热的作用，炙热的焰面将热量传给未燃气体，使其着火燃烧，依次传播到整个体积。第一节火焰传播的理论基础4•火焰的传播方式¾正常火焰传播¾爆炸：均相的燃气-空气混合物，密闭容器，局部着火，由于燃烧反应的传热和高温燃烧产物的膨胀，压力急剧增加，压缩未燃气体，处于绝热压缩状态，达到着火温度时，一瞬间燃尽，压力猛烈增大。¾爆燃：火焰的均匀运动可达到5~10倍管径处。如果管子相当长，其后由于发生扰动，火焰晃动，这时火焰前进速度强烈增加，发生爆燃。第一节火焰传播的理论基础5火焰锋面与管壁的相对位移情况：火焰传播机理：（1）Snu，向气流上游移动；（2）Snu，向气流下游移动；（3）Sn=u，平衡，火焰面驻定不动。第一节火焰传播的理论基础第二节法向火焰传播速度的测定•火焰传播的理论只能是提供火焰传播速度的定性的结果,而火焰传播速度必须通过实验来确定。•测量火焰传播速度的基本方法,包括静力法和动力法。•具体来说有管子法、皂泡法、本生火焰法和平面火焰法等。677一、静力法测定Sn（一）管子法第二节法向火焰传播速度的测定88•d小时，Sv受管壁散热的影响，Sv随管径的增加而增大。•d大时，焰面皱曲，Sv随管径的增加而上升。•d越小，散热越大，Sv越小。•临界直径第二节法向火焰传播速度的测定9管子法的特点：优点：¾直观性强。缺点：¾测定值受管径的影响大。第二节法向火焰传播速度的测定10（二）皂泡法•原理：将一些均匀可燃混合物吹进附近有一对电火花塞极的肥皂泡中,点火。•假定:¾球形火焰沿径向传播。¾压力保持不变。¾用照相法确定火焰锋面的发展过程。第二节法向火焰传播速度的测定11皂泡法的不足在于难于确定温度比,而且难于精确测量肥皂泡的初始和最终尺寸。另外:¾由于肥皂溶液的蒸发，不适和研究干可燃物的火焰速度；¾不可避免地会产生向电极的传热；¾对于缓慢的燃烧,火焰锋面不可能保持球形,而且反应区会变厚；¾对于快速反应,由于火焰结构呈蜂窝状,火焰锋面不可能总是光滑的。第二节法向火焰传播速度的测定12二、动力法测定Sn（一）本生火焰法•本生火焰结构：¾内锥：燃气与一次空气燃烧所形成。¾外锥：尚未燃烧的燃气（中间产物）与二次空气混合后燃烧形成。第二节法向火焰传播速度的测定13nnvvS==ϕcos•本生火焰法的根据：内锥静止，其表面上各点Sn与该点气流法向分速vn平衡。22cosrhr+=ϕ12−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=nSvrh第二节法向火焰传播速度的测定14⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛===fmnnfnfmFFvSSFvFvF00000或ρρρ0FLLvagm+=22hrrFf+≈π•连续性方程•出口处平均流速•锥面积：22hrrLLSagn++=π•法向火焰传播速度：第二节法向火焰传播速度的测定15（二）平面火焰法•采用平面或盘状火焰测量Sn。•优点在于：火焰的发光区、浓度梯度都重叠在同一平面上。可采用不同方法测量。•适用于Sn较低的混合气。第二节法向火焰传播速度的测定16（三）其他方法（1）颗粒示踪法•基本原理：在可燃混合物中掺入既能发光、又不会引起化学反应的物质，根据这些颗粒的运动轨迹照片确定气流的速度和方向，计算颗粒在气流中的速度。•该方法过于复杂，不适于作为经常使用的Sn测定方法。但该方法证实了Sn为一名符其实的物理常数。第二节法向火焰传播速度的测定17(2)激光测速法•基本原理：光学多普勒效应。根据激光被运动微粒散射后，散射光和入射光的频率偏移，计算速度。•特点：无接触测量，空间分辨率高，动态响应快，测量精度高，测速范围大，有较好的方向灵敏性。第二节法向火焰传播速度的测定思考题（1）什么是法向火焰传播速度？（2）火焰的传播方式有哪些？（3）法向火焰传播速度的测定方法有哪些？（4）如何利用本生火焰法测定法向火焰传播速度？1819一、混合气比例的影响•单一燃气或混合燃气的Sn随混合物中燃气的含量变化呈倒U形分布。•空－燃比接近化学计量比时，Sn最大。•着火浓度的上、下限时，Sn最小。第三节影响火焰传播速度的因素20二、燃气性质的影响¾气体导热系数λ越大(导温系数a），Sn越大。¾分子结构：¾碳原子数：烷烃，nc对Sn影响不大;不饱和烃，Sn随nc增多而减小。()()()烷族烯族炔族maxmaxmaxnnnSSS第三节影响火焰传播速度的因素21三、温度的影响（一）混合物初始温度的影响•混合物初始温度提高，反应温度上升，燃烧反应速率加快，从而使火焰传播速度增大。mnTS0∝2~5.1≈m第三节影响火焰传播速度的因素22三、温度的影响（二）火焰温度的影响•温度不太高时，Sn随火焰温度呈指数变化关系；•温度超过2500℃时，高温离解促进了反应，增强了火焰传播。第三节影响火焰传播速度的因素23四、压力的影响•试验表明，其他参数不变，随压力升高，Sn减小。•增加压力一般都能提高燃烧强度，缩小燃烧设备的体积。第三节影响火焰传播速度的因素24五、湿度和惰性气体的影响添加气可增大或减小火焰的传播速度，添加气可改变混合气的物理性质，或起催化作用。1、湿度CO火焰中水蒸气的加入提高了Sn第三节影响火焰传播速度的因素252、惰性气体•一方面直接影响燃烧温度从而影响燃烧速度，另一方面，通过影响可燃混合气的物理性质来影响火焰传播速度。•加入惰性物质，使火焰传播速度降低，可燃界限缩小，使最大的火焰传播速度值向燃料浓度较少的方向移动。第三节影响火焰传播速度的因素第四节混合气体火焰传播速度的计算2626•采用经验公式计算混合气体的火焰传播速度。•使用条件：CO20%，N2+CO250%•计算公式：()[]222200max5.21CONNfrVrVSSiiiiiinin++−=∑∑ααgggOONN,2,2,2276.410076.3−−=ggOCOCO,2,2276.4100−=∑∑=iiifrrf•其中：27影响的衰减系数。—各组分考虑惰性组分—的容积成分；—燃气中—的容积成分；—燃气中—的容积成分；—燃气中——各组分的容积成分；—要量；—各组分的理论空气需—空气系数；向火焰传播速度的一次—各组分相应于最大法—；向火焰传播速度，—各单一组分的最大法—；播速度，—燃气最大法向火焰传—igggiiininfCOONrVSS2222220COONm/sm/s...maxα()[]222200max5.21CONNfrVrVSSiiiiiinin++−=∑∑αα第四节混合气体火焰传播速度的计算【例4-1】某城市燃气的组分为H2：52%，CO：12%，CH4:17%，C3H6：17%，O2:0.8%，N2:12%，CO2:4.5%。求该燃气的最大火焰传播速度Snmax。【解】28()()()()3227271422111501752911380123824015238250820.............=×××+×××+×××+×××=∑iiinirVSα()()()()39291714221111752911123824052382500..........=××+××+××+××=∑iiirVα第四节混合气体火焰传播速度的计算2909408076410080763127641007632222.......,,,=×−×−=−−=gggOONN009022.=N046808076410054764100222.....,,=×−=−=ggOCOCO67202207150171127505271171252......=++++++==∑∑iiifrrf()[]smCONNfrVrVSSiiiiiinin/..max7960521222200=++−=∑∑αα第四节混合气体火焰传播速度的计算第五节火焰传播浓度极限•一、火焰传播浓度极限及其测定•火焰传播浓度下限（低限）：能使火焰继续不断传播所必需的最低燃气浓度。•火焰传播浓度上限（高限）：能使火焰继续不断传播所必需的最高燃气浓度。•火焰传播极限：火焰传播浓度上、下限范围，称“火焰传播极限”，又称着火爆炸极限。30•测定火焰传播浓度极限方法：•内径50mm、长1.5m玻璃管，一端封闭，一端敞开，内充燃气-空气混合物。以点火源进行点火，采用不同浓度燃气-空气混合物试验。火焰不能传到上部的浓度为火焰传播浓度极限。31第五节火焰传播浓度极限二、影响火焰传播浓度极限的因素（1）燃气在纯氧中着火燃烧，火焰传播浓度极限范围扩大；（2）提高燃气-空气混合物温度，反应速度加快，火焰温度上升，火焰传播浓度极限范围扩大；（3）提高燃气空气混合物压力，分子间距缩小，火焰传播浓度极限范围扩大，上限变化显著；32第五节火焰传播浓度极限（4）加入惰性气体，火焰传播浓度极限范围缩小；（5）含尘量、水蒸气、容积材料和形状有时亦影响火焰传播浓度极限范围。33第五节火焰传播浓度极限思考题（1）影响火焰传播速度的因素有哪些？分别是如何影响的？（2）如何计算混合气体火焰传播速度？（3）火焰传播浓度极限是什么？（4）影响火焰浓度极限的因素有哪些？分别是如何影响的？34本章小结•基本概念：法向火焰传播速度，火焰传播浓度极限等；•火焰传播速度的测定方法；•本生火焰法测法向火焰传播速度；•影响法向火焰传播速度的因素；•影响火焰传播浓度极限的因素。35作业36【作业】已知天然气的组分为CH4：92.91%，C2H6：1.01%，C3H8：0.56%，C4H10：0.58%，H2:0.09%，H2S:4.48%，N2:0.10%。求该燃气的最大火焰传播速度Snmax。