1、燃 燒 學(xué) 第六章,田江平 內(nèi)燃機研究所414 tianjp,擴展到三個方向（表面力+體積力）更正,x方向合力 y方向合力 z方向合力,燃燒學(xué),2,第6章 著火與熄火,從燃料與氧化劑到燃燒終了全部形成燃燒產(chǎn)物，通常由三個階段組成： 著火階段（瞬態(tài)過程，受化學(xué)動力學(xué)控制） 燃燒階段（一般為穩(wěn)態(tài)過程） 熄火階段（瞬態(tài)過程） 基本概念 著火過程：從無化學(xué)反應(yīng)向穩(wěn)定的強烈放熱反應(yīng)狀態(tài)的過渡，稱為著火過程。 熄火過程：從強烈的放熱反應(yīng)向無反應(yīng)狀態(tài)的過渡稱為熄火過程。 任何可燃物的燃燒都必須經(jīng)歷著火過程才能燃燒。,燃燒學(xué),3,著火機理,燃燒化學(xué)動力學(xué) 熱活化理論（三要素：燃料、氧化劑和溫度） 鏈反應(yīng)理論（

2、連載體起到更重要的作用） 著火機理 熱自燃機理 在一定的溫度和壓力條件下，因自發(fā)的微量反應(yīng)形成熱量的積累，使可燃混合氣溫度升高，燃燒反應(yīng)加速而發(fā)生著火的情況， 例如：柴油機的擴散燃燒和預(yù)混合壓燃，汽油機的HCCI，CAI等 鏈自燃機理 在一定的溫度和壓力條件下，混合氣中形成鏈載體并進行鏈載體的積累，當(dāng)達到一定積累程度，產(chǎn)生著火。 例如：氫氣爆炸，瓦斯爆炸等,燃燒學(xué),4,著火方式,點燃（強迫） 外部熱源向可燃混合氣的局部區(qū)域輸送熱量，使之提高溫度或增加活化分子的數(shù)量，迫使局部地區(qū)的可燃混合氣完成著火過程而達到燃燒階段。然后火焰以一定的速度向其它區(qū)域擴散，導(dǎo)致全部可燃混合氣的燃燒。 點火熱源可以是

3、電火花、電熱絲、熾熱物體和點火火焰等。 自燃（自發(fā)） 可燃混合氣自身經(jīng)過緩慢的氧化反應(yīng)，逐漸積累熱量或活化分子，導(dǎo)致燃燒。 如柴油機的擴散燃燒、預(yù)混合壓燃,燃燒學(xué),5,著火條件,溫度Tc 必須足夠高以引起明顯的化學(xué)反應(yīng)或熱分解。 時間i 必須經(jīng)歷一段感應(yīng)期。在感應(yīng)期內(nèi)，反應(yīng)速度很低，組分的濃度、溫度、壓力變化不大。 內(nèi)燃機中稱為滯燃期。 混合氣濃度適合 燃料與氧化劑的配比必須在一定范圍內(nèi)（著火界限內(nèi)）。,燃燒學(xué),6,封閉系統(tǒng)熱自燃理論,熱自燃理論由荷蘭物理化學(xué)家范特霍夫提出 反應(yīng)系統(tǒng)與周圍介質(zhì)間的熱平衡被破壞時就發(fā)生著火 產(chǎn)生的熱量散出的熱量，有熱積累，著火 產(chǎn)生的熱量散出的熱量，無熱積累，不

4、著火 熱自燃條件 非穩(wěn)態(tài)分析法：為使問題簡化，假設(shè)容器內(nèi)溫度與濃度分布是均勻的，而只研究過程隨時間的變化。 使問題簡化,燃燒學(xué),7,范特霍夫（1852-1911） 1901諾貝爾化學(xué)獎,放熱反應(yīng)進行中，會通過壁面散熱，這樣容器內(nèi)會形成溫度梯度和濃度梯度問題較為復(fù)雜,熱自燃理論,模型條件與假設(shè) 封閉容器體積為V，表面積為F，壁溫=混合氣溫度T 。 混合氣的瞬時溫度為T，反應(yīng)開始時刻， T0 =T。反應(yīng)過程中容器內(nèi)的溫度、濃度、成分均勻一致。容器內(nèi)既無自然對流，又無強迫對流。 環(huán)境與容器之間有對流換熱，對流換熱系數(shù)為h，且為定值。 著火前反應(yīng)物濃度變化很小。 反應(yīng)速率用質(zhì)量作用定律來描述，摩爾反應(yīng)

5、熱 為常數(shù)。,燃燒學(xué),8,基于以上假設(shè)的能量方程,熱力學(xué)第一定律 定容系統(tǒng)，W=pdv=0，所以有： 上式表明：單位體積單位時間（內(nèi)能變化量=產(chǎn)生的熱量-散失的熱量） 注意本式中符號： qG ：單位體積混合氣在單位時間內(nèi)反應(yīng)放出的熱量，簡稱放熱速率。 qL ：單位體積混合氣在單位時間內(nèi)向外界散發(fā)的熱量，簡稱散熱速率。 ：摩爾反應(yīng)熱，kJ/kmol， w ：化學(xué)反應(yīng)速率，kmol/(m3s) 可以看出，散熱速率與溫度呈線性關(guān)系。那么放熱速率與溫度什么關(guān)系？,燃燒學(xué),9,若取混合氣濃度為A，則化學(xué)反應(yīng)速率可表示為： 根據(jù)燃燒化學(xué)動力學(xué)部分討論的溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律，我們知道：反應(yīng)速率與溫度

6、呈指數(shù)關(guān)系，那么單位體積單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量也與溫度呈指數(shù)關(guān)系。,放熱速率,燃燒學(xué),10,放熱速率與散熱速率關(guān)系圖,燃燒學(xué),11,將兩者畫在同一張圖上可以比較相同溫度下放熱速率和散熱速率的大小。 根據(jù)T大小的不同，可能出現(xiàn)三種情況： 兩個交點 一個交點(切點) 無交點,三種情況討論,（1）兩個交點，分別是A和B 交點A附近 T=T ，放熱大于散熱，T T TA，放熱小于散熱，T 因此A點為一個穩(wěn)定點，在此狀態(tài)下反應(yīng)不能自動加速而發(fā)生著火。事實上，A點為反應(yīng)速率很小的緩慢氧化工況。,燃燒學(xué),12,三種情況討論,交點B附近 TTB，放熱大于散熱，T ，混合氣溫度不斷升高，反應(yīng)不斷加速，直至著火。

7、因此B點為一個不穩(wěn)定點， 在此狀態(tài)下可能著火也可能不著火。,燃燒學(xué),13,事實上B點工況不可能出現(xiàn)。 溫度變化是一個連續(xù)過程，混合物升溫過程中不可能越過穩(wěn)定點A點而自動升溫至B點； 除非有外界強熱源向系統(tǒng)提供大量的熱量，這種情況不屬于“自燃” 總結(jié)：曲線有兩個焦點的情況，不能自燃著火。,三種情況討論,（2）沒有交點 任何時候都有放熱大于散熱， 系統(tǒng)內(nèi)不斷累積熱量， 混合氣溫度不斷提高， 化學(xué)反應(yīng)不斷加速，必然著火。,燃燒學(xué),14,三種情況討論,（3）交點C為兩線切點 T=T ，放熱大于散熱，T T TC，放熱大于散熱，T 直至著火。 因此C點也為一個不穩(wěn)定點，稱為臨界工況。 B點與C點的區(qū)別與

8、聯(lián)系： 1. 都是放熱量與散熱量的平衡點； 2. C點可以自發(fā)達到，B點不能自發(fā)達到。,燃燒學(xué),15,熱自燃溫度,TC稱為熱自燃溫度，即著火溫度。 標(biāo)志由緩慢氧化反應(yīng)向不能維持這種狀態(tài)的過渡 與之對應(yīng)的T 就是引起自燃的最低環(huán)境溫度 在兩個曲線只有一個交點的情況下，可以發(fā)現(xiàn)： 1. 在切點處，qG=qL 2. 因為相切，兩者斜率相等,燃燒學(xué),16,TC與T 的關(guān)系,左式除以右式，得： 解得： 如果符號取正，TC過大，無意義，保留負(fù)號形式，為謝苗諾夫公式 還是很難看出二者關(guān)系,TC與T 的關(guān)系,燃燒學(xué),17,數(shù)值相等,斜率相等,謝苗諾夫（Semenov）公式,其中， 把根號下內(nèi)容展開成 級數(shù)，并

9、取前三項，得： 因此： 舉例：若E=167200 kJ/kmol, T=1000 K, 則有TC1050 K 所以可以認(rèn)為： 實際測量熱自燃溫度在技術(shù)上存在很大困難，因此常把引起自燃的最低環(huán)境溫度當(dāng)做熱自燃溫度。,燃燒學(xué),18,謝苗諾夫（1896-1986） 1956諾貝爾化學(xué)獎,影響自燃著火的因素,著火自燃溫度并非可燃物的物理化學(xué)常數(shù)，與外界條件有關(guān) 環(huán)境溫度 環(huán)境溫度的高低決定系統(tǒng)能夠發(fā)生自燃著火。（回憶兩條曲線） 燃料活性 燃料活性越強，活化能E越小，更容易著火。（作圖） 容器體積 假設(shè)球體，其表面積/體積隨其直徑變化而變化，其比值會影響gL曲線斜率。其斜率為：hF/V d越大， gL曲線斜率hF/V越小，越容易著火（作圖） 對流換熱系數(shù) h越大， gL曲線斜率hF/V越大，越不容易著火（同上圖）,燃燒學(xué),19,影響自