文档介绍：燃烧学
第 1 章绪论
中国科学技术大学
热科学和能源工程系
2005年2月
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• 燃烧与火焰
•燃烧----燃料与氧化剂两种组分在空间激烈地发生放热化学反应
的过程,它伴有发热\发光过程,即所谓火的现象
•反应物
–燃料---被氧化剂氧化的物质,如煤炭\石油\天然气\木材\化工产品等
–氧化剂---含有活泼氧原子(或类似于氧原子的组分),常指空气中的氧
•可燃混合气---能够进行燃烧的燃料和氧化剂的气态混合物
•燃烧产物----化学反应所生成的物质
•化学反应----一般是氧化反应
•放热过程是燃烧的必要条件之一:
–例如磷火\荧光等不是燃烧
•激烈地放热反应:
–激烈地放热也是必要条件,例如焰前的冷焰与热焰过程也不是燃烧
•注意的是:燃烧强调的是过程 2
•火焰--气相状态下发生的燃烧的外部表现
•火焰的三个特征:
–发热、发光特征--热和辐射的现象
•热辐射:
–H2O\CO2\碳氢化合物等化学性能稳定的燃烧产物的光谱带,波长
µm ~,在红外区最强
•化学发光辐射:
– CH \OH \CC等处于电子激发态的各种自由基组分,是由化学反应
产生的光辐射,不连续光谱带,在反应瞬时产生
•炽热固态烟粒和碳粒辐射
–连续光谱,能够使火焰辐射增强
•燃烧气体、液体或固体燃料的炉膛中,完全燃烧产物的辐射主要
来自H2O \ CO2 \ 烟粒和飞灰颗粒
–电离特征
•碳氢化合物燃料和空气的燃烧火焰中,特别是层流火焰中的气体
具有较高的电离度,在电场中火焰发生变形\弯曲,着火、熄火
条件发生变化
–自传播特征
•火焰一旦产生,就不断向周围传播,直到反应系统燃料耗尽
•火灾是火焰自传播的例子,没有自传播特性,就没有火灾发生 3
•注意:火焰强调的是外部表现
燧人氏钻木取火(无法考证)
—把人和动物分开,摩擦生火
• 现代燃烧学的发展普罗米修斯(古希腊神话)
•17世纪末,德国的斯嗒尔(G. E. Stahl) —为拯救人类从天上偷来火种
–燃素论,努力使燃烧成为一门科学
• 1772年,法国拉瓦锡
–在论文中提出许多物质(金属铝\铁、锡、硫、磷等)燃烧后重
量增加
• 1774,普利斯特列,发现氧
–接着拉瓦锡很快证明这种物质在空气中含有20%,确立了燃烧
的氧化学说,揭开了燃烧的本质
•19世纪
–热力学成为认识燃烧现象的唯一基础
•20世纪30年代,美国化学家刘易斯,俄国化学家谢苗
诺夫将化学动力学机理引入燃烧研究
–发现燃烧反应具有链锁反应的特点
–化学反应动力学是影响燃烧速率的重要因素
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•20世纪50年代,认识到:
–控制燃烧过程的因素不仅是化学动力学因素,还有流动\传热、
传质等物理因素
–燃烧过程是这些因素综合作用的结果
–建立了着火、火焰传播\湍流燃烧的理论
•20世纪50--60年代,冯卡门\钱学森:
–用连续介质力学来研究燃烧现象
•20世纪60年代后期,D. B. Spalding:
–首次得到层流边界层燃烧过程控制微分方程的数值解
–在普朗特、雷诺\ 周培源等人工作基础上,将湍流模型引入燃
烧学的研究,提出一系列湍流输运模型和湍流燃烧模型
–对一大批燃烧现象和实际燃烧过程进行了数值求解
•20世纪80年代,美\英\俄\日\德\中\法等国:
–形成了“计算燃烧学”学科\ 能够定量预测燃烧过程
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• 燃烧的应用
•用火是促进人类文明发展的重要因素之一
•人类文明程度随着可控燃烧强度的提高而提高
–人类最早使用火有140--150万年的历史??
人类文明的发展
•考古学的证据:周口店北京人的证据,至少有50万年
–新石器时代—制造陶器—10000年前
–青铜器时代—公元前2000年
–使用煤炭—公元前200年
–铁器时代—公元300年
–利用石油—1800年以前
–火药发明—1000年前
•燃烧学在现代工业\ 国防\ 生产\ 生活中的应用
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•(1) 能量和动力装置
•替代能源:
–主要包括:核能、太阳能、风能、水、地热、海洋能等
–优点:他们是无污染、洁净的能源
–存在的主要问题:在安全\能量密度\易获取性等方面存在不足
•燃烧燃料获取热能和动力的优势:
–优势:高效、经济、能量密度大
–通过燃烧矿物燃料获取化学能,在世界能源消费份额中,在
一个相当长的历史时期,将仍然占有较大的比重
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•燃烧燃料主要用来获取热能和动力
•动力装置