燃烧学重点知识第二部分.docx
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燃烧学重点知识第二部分
4燃烧理论基础
4.1燃烧反应的热力学基础
1、单相反应：
在一个系统内反应物与生成物属同一物态。
2、多向反应（异相反应）：
在一个系统内反应物与生成物不属与同一物态。
3、浓度：
单位体积中所含某物质的量。
摩尔浓度：
质量浓度：
摩尔相对浓度：
质量相对浓度：
4、标准生成焓、反应焓、燃烧焓、显焓、绝对焓（P98-100）
5、化学反应速率：
单位时间内，反应物（或生成物）浓度的变化量。
其单位为：
kg/（m3s）、kmol/（m3s）、分子数/（m3s）
①例：
a、b、c、d为对应于反应物A、B和产物C、D的化学反应计量系数
②反应速率可以表示为：
③化学反应速率与计量系数之间有如下关系：
④化学反应速率的三种表示方法：
反应物的消耗速度、生成物的生成速度、r为反应速度
⑤影响化学反应的因素：
（温度、活化能、压力、浓度、可燃混合气的配比、混合气中的惰性成分）
1.浓度：
浓度越大，反应速度越快。
2.压力：
对于气体燃料，压力升高，体积减少，浓度增加，反应速度加快。
（压力对化学反应速度的影响与浓度相同。
）
3.
温度：
温度增加，反应速度近似成指数关系增加，体现在反应速度常数。
①阿累尼乌斯定律：
—常数，频率因子，由实验确定；
R—通用气体常数，8.28kJ/molK，1.98kcal/molK；
E—活化能，J/mol，由实验确定
⏹气体分子的运动速度、动能有大有小；
⏹在相同温度下，分子的能量不完全相同，有些分子的能量高于分子的平均能量，这样的分子称为活化分子（自由基、活化中心、活化络合物、中间不稳物）
⏹
化学反应中，由普通分子到达活化分子所需最小能量---活化能E；（讨论活化能对反应速率影响，通过阿累尼乌斯定律）
⏹阿累尼乌斯定律反应了温度对反应速率的影响；阿累尼乌斯定律是实验得出的结果；并不是所有的化学反应都符合阿累尼乌斯定律。
4.反应物浓度：
在其他条件不变的情况下，反应物浓度越大，反应速率越大。
5.混合气体：
取决于可燃气所占组分，可燃气所占组分越多，反应速率越快。
⑥化学当量比：
燃料与空气刚好完全燃烧时，空气与燃料的质量比。
⑦化学反应的分类：
1.物态：
单相反应、多相反应
2.基元反应（分子数分）：
单分子反应、双分子反应、三分子反应（P102）
3.反应机理复杂程度：
简单反应、复杂反应
4.反应级数：
1级反应、1.5级反应、2级反应
5.基元反应：
能够一次完成的反应，即反应物的粒子只经过一次分子间的碰撞而实现的化学变化。
6.总反应：
（P102）
⑧质量作用定律：
一组化学组分消失的速率与各反应物浓度以其化学计量系数幂函数的乘积成正比。
（只适用于基元反应）
k:
反应速率常数或比反应速度，不同的反应有不同的k，其大小直接反映了速度的快慢和反应的难易，并取决于反应温度及反应物的物理化学性质。
⑨化学平衡常数：
对于可逆反应：
正反应速度：
逆反应速度：
化学平衡：
（化学平衡是动态平衡，反应物与产物的浓度均不变，但反应没有停止。
）
化学平衡常数：
（kf,kr取决于反应温度及反应物的物理化学性质）
⑩化学反应级数：
实验表明，反应速度与反应物浓度之间存在着一定量的关系。
•kn：
反应的比反应速度常数；
•x+y:
反应级数，一般由实验测定。
化学反应级数与反应分子数的区别：
反应的级数按实验测定的动力学方程来确定，而反应的分子数则根据引起反应所需的最少分数目来确定；
简单反应的级数常常与反应式中作用物的分子数相同；复杂反应，反应物或生成物的净反应速度与其反应机理相关，其某一化合物的净反应速度应是该化合物在各个基元反应中的消耗速度与生成速度的代数和。
4.2活化分子碰撞理论
•在简单反应中，由于反应物中存在着大量作不规则热运动的分子，它们之间会发生碰撞。
当碰撞能破坏反应物原有分子键结构，生成新键时化学反应发生。
•只有相互碰撞的分子所具有的能量超过一定反应能级水平时才能进行化学反应，这一能级称为活化能。
•分子之间需要通过碰撞才能引起化学反应；不是所有的碰撞都会发生反应；发生反应所需的临界能量叫活化能。
•能量大于活化能的分子为活化分子；活化分子间的碰撞可以发生反应；单位时间内碰撞次数越多，反应速率越快；活化能越小，物质的化合能力越强。
4.3链锁反应理论
链锁反应：
P112
链锁反应的三个基本步骤：
✓链的形成（引发）
✓链的增长（发展）
✓链的中断（终止）
链锁反应分两大类：
✓直链反应（不分枝链锁反应）
✓分支链反应（分枝链锁反应）
链的引发（形成）：
由反应物分子生成最初活化中心的过程。
（稳定物质，生成活化分子过程）
链的传播（增长）：
活性中间产物与原物质作用产生新的活性中间产物的过程。
（消耗一个活化分子，又产生一个或多个活化分子）链的增长可以是直线、不分枝式，也可以是分枝式，即：
直链反应：
一个活化分子参与反应产生一个活化分子
分枝链反应：
一个活化分子参与反应产生多个活化分子
链的中断：
活化分子消失成稳定物质的过程。
5气体燃料的燃烧
5.1气体燃料燃烧原理及特点
1、单相（同相、均相）反应：
在一个系统内反应物与生成物属同一物态。
2、多向反应（异相反应）：
在一个系统内反应物与生成物不属与同一物态。
3、气体燃料的燃烧过程包括三个阶段：
燃气和空气的混合阶段、混合后可燃气体混合物的加热和着火阶段、完成燃烧化学反应阶段。
全预混燃烧（无焰燃烧、动力燃烧）
4、两种类型预混燃烧：
半预混燃烧
扩散燃烧（有焰燃烧）
1一次空气系数：
燃烧前已与燃气混合的空气量与该燃气燃烧的理论空气量之比。
2当一次空气系数大于0而小于1时，称为半预混燃烧；
3当一次空气系数大于或等于1时，称为全预混燃烧
4预混燃烧：
如果燃气与空气预先混合后，再送入燃烧室燃烧，这种燃烧成为预混燃烧。
5扩散燃烧：
如果燃气与空气不预先混合后，而是通过各自管道送入燃烧室燃烧，此时燃气内部无一次空气，这种在燃烧室内边混合边燃烧的方式称为扩散燃烧。
5.2预混可燃气体的着火与燃烧
1、预混可燃气体的燃烧过程两个基本阶段：
着火阶段、着火后的燃烧阶段
2、预混可燃气体的着火方法：
点燃
自燃热自燃：
链锁自燃：
预混燃烧的特点：
P135
爆炸式化学反应
3.热自燃理论：
Ø某一反应体系在初始条件下，进行缓慢的氧化还原反应，反应产生热量，同时向环境散热，当产生的热量大于散热时，体系的温度升高，化学反应速度加快，产生更多的热量，反应体系的温度进一步升高，直至着火燃烧。
Ø自热体系着火成功与否取决于其放热因素和散热因素的相互关系。
Ø发生热自燃时的温度称为热自燃温度或着火温度。
Ø理论燃烧温度：
当燃气完全燃烧时，燃气温度达到最高值Tmax，称为理论燃烧温度（绝热燃烧温度）
Ø
预混气体在绝热条件下的热自然：
绝热热自然条件：
上式的物理意义：
①只有当温度升高而使反应速度的增加速率超过因燃料消耗而引起反应速度下降速率时，预混合可燃气体在绝热条件下才会发生热自燃。
②绝热过程不是引起热自燃的充分条件。
只要过程开始后，反应物浓度足够大，初始温度较高，虽初始反应速度较低，但随后的反应速度总会不断增大，并导致热自燃着火。
Ø
预混气体在散热条件下的热自然：
反应放热：
向环境散热：
着火取决于放热量与散热量的相互关系及其随温度而增长的性质。
Ø预混气体在散热条件下的热自然：
Ø预混气体在散热条件下的不同To时的热自燃：
TB
✧A点：
低温区稳定点，其绝对值太低，熄灭状态，对应于一个反应速率很小的缓慢氧化工况。
✧B点：
着火点（临界点）有波动→要么回到B点，要么着火
✧C点：
高温非稳定点，两种发展方向，对热自燃而言不可能出现的工况。
✧着火温度（着火点B对应温度）：
指在一定的混合物压力P和一定的壁温To下引起自燃着火的最低温度。
✧线Ⅲ：
Q1＞Q2，没交点，着火
✧
线Ⅱ（QⅡ）：
Q1≥Q2，一个切点，特定系统的临界散热直线。
✧热自燃着火的临界条件:
✧系统发生热自燃的条件：
：
Q1≥Q2
✧
着火临界温度的影响因素：
①仅能在T0=T0Ⅱ时才能实现临界自燃着火，即TB与T0有关。
T0越低，着火温度越低。
增加散热后，自燃条件被破坏。
②η↓有利着火
③燃料活性强（E小或k0大）易着火
④T0↑容易着火
✧着火感应期i：
指预混可燃气体从初始温度加热到着火温度TB所需时间。
（当可燃气体的温度、压力、燃气浓度升高时感应期可缩短，有利于着火和燃烧性能的改善）
4.点燃理论
①点燃与热自燃的区别：
☯热自燃整个混合气的温度较高，反应和着火在容器的整个空间进行的。
点燃使混合气的部分气体受到高温点火源的加热而反应，然后向空间传播。
☯点燃温度一般高于自燃温度、
☯点燃不仅取决于炽热体附近局部气体是否着火，且还取决于该着火能否被传播。
2点燃方法：
炽热物点燃、电火花或电弧点燃、小火焰点燃、压缩点燃、高温气体点燃。
③影响着火浓度界限（可燃极限）的因素：
P143
1、压力p↓→可燃极限↓
2、流速w↑→着火范围变窄
3、可燃混合物初温T0↓→着火范围变小
4、掺入其它物质
⑤预混可燃气体的燃烧
当可燃混合气的某一局部点燃着火时，将形成一个薄层火焰面，火焰面产生的热量加热邻近层的混合气，使其温度升高至着火温度而发生燃烧。
这样一层一层地着火燃烧，把燃烧扩展到整个混合气，称为火焰传播
根据流动状况，预混燃烧可以分为层流燃烧和湍流燃烧两种
层流燃烧:
Ø火焰前锋：
正在进行激烈发光反应，同时发出光和热的气体薄层（温度最高）
Ø火焰前锋特点：
P147
Ø层流流动下火焰前锋沿法线方向相对于新鲜混合气的移动速度称为“正常传播速度”或“层流传播速度”
Ø层流火焰传播理论:
①热力理论：
火焰中化学反应主要是由于热量的导入使分子热活化而引起的，所以火焰前沿的反应区在空间中的移动决定于从反应区向新鲜预混可燃气体传热的传导率。
②扩散理论：
火焰中的化学反应主要是由活化中心向新鲜预混可燃气体扩散，促使其链锁反应发展所致。
热力理论不否认火焰中有活化中心存在和扩散，但认为活化中心的扩散对反应速度的影响不是主要的。
热力理论与实际较为接近。
Ø层流火焰传播速度:
✓层流火焰传播速度与预混可燃气体的热扩散系数a的平方根成正比，与平均化学反应时间t的平方根成反比
✓火焰前锋面厚度d与火焰传播速度成反比
Ø层流火焰传播速度的影响因素：
✓可燃气体混合物的性质
✓燃料分子的结构
✓过量空气系数
✓可燃混合气的压力
✓可燃混合气的初始温度
✓混合气中的惰性气体
湍流燃烧:
✧湍流火焰与层流火焰的区别：
P151
层流：
火焰锋面光滑，火焰前锋厚度很薄，火焰传播速度小。
湍流：
火焰长度缩短，火焰前锋变宽，并有明显的噪声，火焰前锋不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙表面，火焰传播快。
✧湍流火焰传播理论：
皱折表面燃烧理论、容积燃烧理论
✧三种湍流火焰：
P152
✧为什么紊流火焰传播速度更快？
（1）湍流流动使火焰变形，火焰表面积增加，因而增大了反应区；
（2）湍流加速了热量和活性中心的传输，使反应速率增加，即燃烧速率增加；
（3）湍流加快了新鲜氧气和燃气之间的混合，缩短了混合时间，提高了燃烧速度。
✧湍流火焰传播速度ST的影响因素:
P154更好
Ø可燃混合物浓度的影响：
与层流相似，存在前沿传播的浓度界限和最大传播速度
ØRe的影响：
Re越大，最大传播速度越大。
气流速度增加，最大传播速度显著增加
Ø可燃混合物的初始温度：
初始温度越高，传播速度越大
✧均相预混气体火焰的稳定
•火焰稳定的两个基本条件P155
✧什么是回火、脱火？
稳定及相应措施
P155、P394、P396
✧火焰稳定器：
P157
⑥气体燃料的扩散燃烧：
Ø扩散燃烧特点：
P58
Ø层流扩散燃烧：
P159
Ø影响扩散火焰长度的因素：
P160
Ø燃烧器：
P162
6液体燃料的燃烧
6.1液体燃料的燃烧原理
✧液体燃料的燃烧方式：
主要为扩散燃烧
✧液体燃料的燃烧过程：
先蒸发气化为油蒸汽，进而进行均相燃烧。
（1、雾化2、蒸发 3、掺混 4、燃烧）
✧液体燃料燃烧特点：
1、扩散燃烧2、非均相燃烧
✧液体燃料与气体燃料的不同点：
液体燃料在与空气混合之前存在着蒸发气化过程
✧液体燃料在在着火燃烧前发生蒸发与气化的特点，可将其燃烧分为，液面燃烧、灯芯燃烧、蒸发燃烧、雾化燃烧。
✧燃油雾化燃烧：
Ø
油的雾化
Ø油滴的蒸发
Ø油滴的燃烧过程
✧雾化燃烧：
用雾化器将燃油分裂成许多微小而分散的油滴，以增加燃油单位质量的表面积，使其能和周围空间的氧化剂更好地进行混合，在空间达到迅速和完全的燃烧。
✧雾化的方法可分为机械式雾化和介质式雾化。
✧液体燃料雾化的目的（为什么用雾化、为什么说雾化过程是液体燃料燃烧的关键）：
（P185）
✧雾化性能及质量的评定主要指标：
（P185）
✧雾化过程的几个阶段：
（P185）
✧雾化角等概念（P186-P191好好看看）
✧常用雾化方式及装置：
①机械雾化、介质雾化、混合式雾化、组合式雾化。
②
✧配风器的作用（任务）：
P195
✧配风原理及配风器应该满足的要求：
P196-P197
✧合理的稳焰技术：
P203
✧对于重油燃料，燃烧器应？
P204
✧加强液体燃料的燃烧方法：
P201
（1）加强雾化，减小油滴直径，选用合适的雾化器；
（2）增加空气与油滴的相对速度。
相对速度越大，越有利于燃料和空气之间的扩散、混合，加强燃烧；
（3）及时、适量供风
Ø及时供风，避免高温、缺氧造成燃料热分解；
Ø适量供风，提高燃烧效率。
（4）供风原则
Ø少量一次风送入火焰根部，在着火前与燃料混合，防止油在高温下热分解；
Ø保证后期混合，提高风速，使射流衰减变慢；
Ø在着火区制造适当的回流区，保证着火；
Ø燃烧中保证油雾与空气强烈混合，气流雾化角与油雾扩散角相适应。
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