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什么是燃烧?什么是火焰

归档日期:08-09       文本归类:爆速      文章编辑:爱尚语录

  这个问题在化吧属于月经问题,不断被人提出、不断被解答,但答案却一直未能统一。

  有人说火焰是物质,是等离子态的、或者气态的一些物质;有人说火焰是现象,是发光发热的化学反应引发的物理现象。

  首先,我们不用物质的定义,我们说火焰是一个空间概念:一个”区域“。在这个区域中,发生着燃烧反应,当然伴随着热、或者光和热,而这个区域内的物质也就是大家常说的等离子态、或者气态的燃烧反应物和产物。

  其次,这个区域有很多的限制条件。最重要的条件,这个区域是“局部”的,即火焰在任何时候都只占可燃混合物的很小一部分。

  第二个关键词是亚音速,这是指火焰传播的速度,这个速度我们后面会讲到。顺带一提,以音速传播的不连续燃烧波被称为【缓燃波】,而以超音速传播的燃烧波被称为【爆震波】,这两种波的传播机理不同,属于两种完全不同的现象。关于爆震波我们以后有时间再讨论。

  燃烧是一种放热发光的化学反应,其反应过程极其复杂,游离基的链锁反应是燃烧反应的实质,光和热是燃烧过程中发生的物理现象。

  可燃物与氧气或空气进行的快速放热和发光的氧化反应,并以火焰的形式出现。 煤、石油、天然气的燃烧是国民经济各个部门的主要热能 动力的来源。近世对能源需求的激增和航天技术的迅速 发展,促进了流体力学,化学反应动力学、传热传质学的 结合,使燃烧学科有了飞跃的发展;另一方面以消灭燃烧 为目的的防火技术的发展也促进了燃烧理论的研究。

  在燃烧过程中,燃料、氧气和燃烧产物三者之间进行 着动量、热量和质量传递,形成火焰这种有多组分浓度梯 度和不等温两相流动的复杂结构。火焰内部的这些传递 借层流分子转移或湍流微团转移来实现,工业燃烧装置 屮则以湍流微团转移为主。探索燃烧室内的速度、浓度、 温度分布的规律以及它们之间的相互影响是从流体力学 角度研究燃烧过程的重要内容。由于燃烧过程的复杂性, 实验技术是探讨燃烧工程的主要手段。近年来发展起来 的计算燃烧学,通过建立燃烧过程的物理模型对动量、能 量、化学反应等微分方程组进行数值求解,从而使对燃烧设备内的流场、燃料的着火和燃烧传热过程、火焰的稳定 等工程问题的研充取得明显的进展。

  即可燃物开始燃烧。可燃物必须有一定的起始能量,达到一定的温度和浓度,才能产生足够快的反应速度而着火。大多数均相可燃气体的燃烧是链式反应,活性屮间物的浓度 在其中起主要作用。如果链产生速度 起过链中止速度,则活性中间物浓度将不断增加,经过一段时间的积累(诱导期)就自动着火或爆炸。着火温度除与可燃混合物的特性有关外,还与周围环境的温度、压力,反应容器的形状、尺寸等向外散热的条件有关。当氧化释放的热量超过系统散失的热量时,燃料就会快速升温而着火。这种同流动和传热有密切联系的着火称为热力着火,它是多数燃料在燃烧设备内所经历的着火过程。在燃料的活性较强、燃烧系统内压力较高和散热较少的情况下,燃料的热力着火温度会变得低一些。在一定压力下,可燃物有着火浓度的低限和高限,在这个范围以外,不管温度多高都不能着火。在大气压力下,某些可燃气体在空气中的着火性质如附表所示。

  工程中使用得较为普遍的着火方法是强迫着火,它是用外部能源或炽热物体如电火花、引燃火炬、高温烟气回流等点燃冷的可燃物。在点燃部位首先出现火焰,然后通过湍流混合和传热,火焰锋面逐渐扩展到整个可燃物。 强迫着火是由点火源向周围可燃气体加热,因此点燃温度要高于可燃物的自燃温度。

  激烈进行发光、放热反应的界面或空间称为火焰,其亮度取决于可燃物的性质。炽热的烟气发光较弱,形成白色火焰。如果燃烧区内有固体微粒(如碳黑),就会出现发光强烈的火焰。

  火焰锋面在可燃混合物中的传播形成燃烧波。燃烧 波的传播有两种方式:一种为正常燃烧,是通过热量传递使未燃气体温度升高而引起燃烧,或由于活性中间物质扩散到未燃气体中引起反应而燃烧。正常燃烧典型的火 焰速度约50厘米/秒,常压下火焰厚度为数毫米,燃烧在燃烧波内完成。通常的燃烧设备和喷气发动机内的燃烧即属此类。另一类为爆震(又称爆轰),是靠极薄的激波 传播的,波面两侧压力和温度可相差十倍,甚至更多,使可燃物在激波后的燃烧区迅速完成反应。爆震的传播速 度可达每秒25千米(气体爆炸物)或89千米(固体和液体爆炸物),因而具有很强的破坏力。在正常燃烧中通常遇到的火焰有:

  1、预混火焰 可燃气体和空气或氧气按化学当量比预先混合后燃烧时所形成的火焰,又称动力燃烧火焰。化学反应局限在很窄的火焰锋面内,以一定的速度向可燃气体传播。

  2、层流火焰 静止或处于层流运动的可燃混合物燃烧 时形成的火焰。它以正常速度扩展,火焰锋面光滑而明显,可燃气体在锋面各点的法向分速均等于正常火焰传播速度。

  3、湍流火焰 可燃混合物达到湍流工况后燃烧时所形成的火焰。工业上应用的大都是使可燃混合物从喷嘴流出的速度达到湍流工况后燃烧所形成的火焰。由于气流的脉动,湍流火焰锋面厚度比层流火焰大得多(见图,下 左为长时间曝光照片)。当气流脉动速度不大且脉动微团的平均尺寸小于层流火焰锋面厚度(通常为0.01 1.0毫米)时,称为小尺度湍流火焰(雷诺数为2300~6 000) ;这时火焰锋面呈波纹状(见图,下右纹影照片),用湍流的物性参量代人层流火焰扩展的理论公式即可求解。当气流脉动速度不太大,但脉动微团的平均尺寸大于层流火焰锋面厚度时,称为大尺度端流火焰(雷诺数≥6000);此时火墙锋面弯曲得很利害,使反应表面积大增。根据湍流火焰传播的理论,燃烧速度和火焰的锋面面积成比例,故湍流燃烧速度比层流燃烧速度大得多。如果雷诺数更高,气流脉动和湍流微团尺寸都很大,火焰锋面就被撕得四分五裂,不再以连续面出现。部分被撕裂的可燃物火焰锋面和高温烟气合并到新形成的微团内,使微团内也出现燃烧,这是湍流容积燃烧理论的设想。此时燃烧速度和气流脉动速度成比例。但实验发现湍流燃烧速度往往要比气流脉动速度大好几倍,这是因为在火焰锋面中温度剧增,气流膨胀和可燃物浓度降低导致火焰锋面内产生很大的速度、温度和浓度梯度,从而使脉动速度显著增加,使燃烧速度也相应增加。不过总的说来,湍流燃烧理论还不够成熟。

  4、扩散火馅 未经预先混合的可燃物和氧气(或空气)燃烧时形成的火焰。这种火焰锋面把可燃物和氧气分隔开,两者均需依靠浓度梯度向火焰锋面进行分子扩散和湍流扩散(见扩散),因此火焰的形状和燃烧的速度主要取决于可燃物和氧的热量、质量交换和混合的速度,而不是化学反应速度。扩散火焰可分为均相和非均相两类;前者如气体燃料的扩散燃烧形成的火焰,后者如固体或液体燃料的燃烧形成的火焰。固体燃料燃烧时,往往要经历预热、干燥、挥发成分的析出和着火、焦炭的着火和燃烧等阶段。这些阶段互有重叠,其中以焦炭燃烧所需时间为最长。温度较低时,对燃烧速度起决定作用的是化学反应速度;当温度足够高、化学反应速度已很快时,燃烧速度便取决于氧向固体燃料表面的扩散速度和燃烧产物的离去速度。焦炭燃烧时的生成物CO和CO2在扩散离去时还可能产生二次反应。

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