三篇燃烧基本理论课件.pptx
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- 燃烧 基本理论 课件
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1、第三篇燃烧基本理论第1页,共47页。概述概述燃烧过程燃烧过程 燃烧过程是一个复杂的物理化学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燃烧过程主要受化学动力学因素和扩散因素的影响第2页,共47页。概述
2、概述燃烧过程分类燃烧过程分类影响因素影响因素 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中间燃烧:介于上述两者之间的燃烧气体流动性质气体流动性质 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介于二者之间的过渡性质的燃烧参加反应物质的物态参加反应
3、物质的物态 同相燃烧:燃料和氧化剂的物态相同同相燃烧: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异相燃烧:燃料和氧化剂的物态不同第3页,共47页。概述概述 学习本篇的方法学习本篇的方法 本篇着重介绍有关燃烧的基本理论,学习时,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原理正确地组织炉内的燃烧过程第4页,共47页。第七章第七章 射流混合过程射流混合过程 研究射流混合过程的原因研究射流混合过程的原因
4、工业炉燃烧过程中气体的混合与加热对整个燃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它的温度分布等特性主要取决于煤气与空气的混合混合 气流的喷出速度、煤气与空气的相对速度、气气流的喷出速度、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明显的影响第5页,共47页。工业炉燃烧技术主要研究的混合规律工业炉燃烧技术主要研究的混合规律 紊流射流混合规律紊流射流混合规律 常
5、用到的射流类型:圆形断面的自由射流、同心射流、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、出流速度等流速度等 射流边界条件:外围流体流速、压力、温度、浓度等射流边界条件: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、
6、浓度分布、卷吸气量比、射流扩流流场的速度分布、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第6页,共47页。静止气体中的自由射流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、过渡段和自模静止气体中的自由射流分为初阶段、过渡段和自模段段 初始段:射流离开喷口,产生紊流旋涡层,与外围流体初始段:射流离开喷口,产生紊流旋涡层,与外围流体进行
7、动量和质量交换,形成势流核心,核内各截面仍保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,速度分布日趋相似度分布日趋相似 自模段:射流沿程各断面轴向流速都呈正态相似分布自模段:射流沿程各断面轴向流速都呈正态相似分布第7页,共47页。同向平行流
8、中的自由射流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,混合速度又当外围速度超过射流速度时,速度梯度又开始增大,混合速度又随
9、之变快。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。流核心将贯穿整个流场。第8页,共47页。交叉射流交叉射流 交叉射流:以某一角度与主流相交的射流。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常采用交叉射流 掌握交叉射流的走向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在主流中的穿透深度 交叉射流和主流的混合情况交叉射流和主流的混合
10、情况第9页,共47页。环状射流和同心射流环状射流和同心射流 对于环状射流和同心射流而言: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喷嘴的几何形状对邻近喷嘴的射流状态有很大影响响 回流区的存在能改善火焰的稳定性回流区的存在能改善火焰的稳定性第10页,共47页。旋涡射流旋涡射流 旋涡射流:射流离开喷口前先强迫流体做旋涡射流:射流离开喷口前先强迫流体做旋转
11、运动,当流体从喷口出流后,除了具旋转运动,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,这就是具有一定分布的圆周向速度分量,这就是旋转射流旋转射流 流场特征:旋转射流兼有旋转紊流运动、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,是这三种运动的自由射流及尾流的特点,是这三种运动的组合组合 作用:是强化燃烧和组织火焰的有效措施,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。能提高火焰稳定性和燃烧强度。第11页,共47页。影响燃烧过程中火焰长度的因素及研究方影响燃烧过程中火焰长度的因素
12、及研究方法法 气体动力学因素气体动力学因素 煤气的物理化学性质煤气的物理化学性质 烧嘴出口直径烧嘴出口直径 燃烧空间的几何特性燃烧空间的几何特性 空气过剩系数空气过剩系数 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律和半经验性计算公式第12页,共47页。第八章第八章燃烧反应速度和反应机理燃烧反应速度和反应机理第13页,共47页。化学反应速率化学反应速率 化学反应速度(速率)化学反应速度(速率)单位时间内反应物(或生成物)浓度的变化单位时间内反应物(或生成物)浓度的变化由于参加反应各物质在达到平衡时,平衡系统中各组由于参加反应各物质在达到
13、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种物质的浓度随时间的变化HGBAhgbaddC1ddC1ddC1ddC1WHGBAhgba第14页,共47页。影响化学反应速度的因素影响化学反应速度的因素浓度浓度温度温度压力压力第15页,共47页。浓度对化学反应速度的影响浓度对化学反应速度的影响符合质量作用定律符合质量作用定律K K反应速度常数;反应速度常数;n n 反应级数反应级数 分别表示分别表示A A、B B的浓度(的浓度(mol/m3mol/m3)所以:所以:HGBAhgbabaBKAWnbaBA、
14、第16页,共47页。温度对反应速度的影响温度对反应速度的影响 即速度常数即速度常数K K与温度与温度T T之间的函数关系之间的函数关系范特霍夫规则范特霍夫规则 ,该式表明温度每升高,该式表明温度每升高10K10K反应速度大约要变为原来速度的反应速度大约要变为原来速度的2-42-4倍。倍。阿伦尼乌斯定律阿伦尼乌斯定律阿伦尼乌斯认为:阿伦尼乌斯认为:也就是也就是式中:式中:E E阿伦尼乌斯活化能,通常称为活化能。单位:阿伦尼乌斯活化能,通常称为活化能。单位:J Jmolmol-1-1 R R通用气体常数,通用气体常数,8.314 J/(mol8.314 J/(molK)K)K0K0常数,频率因子常
15、数,频率因子42K/KT10T)RTEexp(KK0RTE0eKK第17页,共47页。随着温度的升高,反应速度在一定范围内是急剧增随着温度的升高,反应速度在一定范围内是急剧增加的。大约达到加的。大约达到10000K10000K后,反应速度常数的增加趋后,反应速度常数的增加趋势才趋于缓慢而逐渐接近常数势才趋于缓慢而逐渐接近常数K K。第18页,共47页。反应速度可以表示为温度和浓度的函数,即反应速度可以表示为温度和浓度的函数,即 只适用于简单反应,对于复杂反应,表达式将不同只适用于简单反应,对于复杂反应,表达式将不同 燃烧反应属于链锁反应,活性中间产物(活化中心)起燃烧反应属于链锁反应,活性中间
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