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燃烧理论与技术专论作业 Home work一、 基本概念(concept)1． 从化学平衡、活化能方面分析，为什么 CO +1/2 O2CO2及 H2 + 1/2O2H2O的分解反应在高温下变得严重答：1）从化学平衡角度分析：首先因为CO和H2与O2反应分别放出283.7kJ/mol、285.17 kJ/mol的热量，上述两个反应都是放热反应由吕·查德理原理可知：处于平衡状态的体系，当外界条件温度、压力及含量摩尔分数发生变化时，则平衡发生移动，其移动方向总是朝削弱或者抗拒外界条件改变的影响当温度提高时，反应体系将向着抗拒温度升高的方向发展，即化学平衡将向吸热方向移动，所以在高温下分解反应变得严重2）从活化能角度来论述对于可逆反应，反应速度可由阿累尼乌斯定律表示，设正反应活化能为E1，逆反应活化能为E2则逆反应速度可表示为：K2=正反应速度可表示为：K1=逆反应与正反应之比为：对于CO +1/2 O2CO2和H2 + 1/2O2H2O而言，由于正反应是放热反应，所以正反应的活化能均比逆反应的活化能低，即E2>E1。

因此k2/k1随着温度增加而提高，因此，在高温条件下，CO +1/2 O2CO2和H2 + 1/2O2H2O的分解将会变得剧烈2．试从下列各种条件中选出可使可燃混合气易于着火的有利条件：1）低的火焰温度； 2）低的初始可燃气温度；3）高的燃烧热值；4）低的化学反应速率（平均值）；5）低的比热容；6）高的热导率；7）高的可燃混合气总压力；8）可燃混合气的组分接近于化学计量数；9）低的气流速度；10）高的湍流强度（若流动是湍流的话）答：3）高的燃烧热值：燃烧热值高，单位时间内释放处的热量多，有利于着火；5）低的比热容：放出相同的热量，能使反应物上升到更高的温度，有利于着火；7）高的可燃混合气总压力：混合器压力高，有利于着火； 8）可燃混合气的组分接近于化学计量数：能使燃料燃烧完全，反应结束后，过剩反应物没有或者极少，能提高反应空间的温度，有利于着火；9）低的气流速度：可使散热减少，有利于提高温度，有利于着火；10）高的湍流强度（若流动是湍流的话）：高的湍流强度，有利于更好的传热传质，加强混合，因此有利于着火；3． 甲烷与空气在化学计量数配比状态（＝1）下用一直径为10mm的圆管作为甲烷或预混后后甲烷的喷管喷出燃烧。

请分别就下面两种状态计算火焰长度1）预混火焰，混合物流速1.5m/s2）扩散火焰，空气全部取自大气答：1）预混火焰，混合物流速1.5m/s解：计算时，预混火焰中可近似假设壁面上的流速wR=0，假设火焰沿着管子中心线传播，此时 则 m/s把数据代入上式得：LB=(2/3) ×1.5×（0.005/1.5）＝3.3 mm2)对扩散火焰由扩散火焰的火焰长度近似计算公式其中Qf 为流量，题中为，为反应CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O当量比下CH4质量分数，为16/(16+64/0.21)=0.05，D近似取为1.4*10-3（通过公式估算），可得=0.2m=200mm4．简述斯波尔丁的ESCIMO湍流燃烧理论的主要思想答：当两层不同速度的流体的平面流混合时，形成了湍流平面混合层的拟序结构，由于两层流体的速度不同，在流体界面上将产生旋涡旋涡是在两层流体互相卷吸和吞食之中产生，并在速度梯度作用下不断被拉伸生长；旋涡是由两层流体相互粘附在一起的，流体层的厚度在拉伸作用下变薄；在两层流体互相扩散的同时，如果有条件存在，将发生燃烧化学反应。

这个过程形象地表示了大尺度湍流输运的一个基本特点，ESCIMO正是由描述这一过程的各分过程的字头合成而组成E（Engulfment）:卷吞，是在大尺度湍流作用下，一种流体被另一种流体卷吞的过程;S（Stretch）:拉伸，是叠在一起的流体层在拉伸作用下长度增加，厚度减少的过程C（Coherence）:粘附，是指流体层不愿分离的一种趋势，认为两层流体一旦由于卷吞而碰到一起它们将互相粘附在一起，在传输、拉伸和燃烧化学反应过程中不分离I（Interdiffusion和Interaction）;相互扩散和化学上的反应，是指在流体层受拉伸过程中，发生在流体内部及其交界面上的扩散和化学反应MO（moving observer）:运动观察系，即为了描述相互扩散和化学反应，把坐标系取在流体层上，是与流体一起运动的观察坐标系从上面的描述可以看出，ESCIMO 方法是欧拉法和拉格朗日方法的结合ESCIMO 理论分成了“经历“(biography),”统计”（demography）和他们的综合（combination）三个大的部分在“经历”部分，针对在大尺度旋涡上一个流体夹块，考察其由产生到消失的全过程流体的夹层块在生存过程中经历了内部的扩散或化学反应，“经历”就是要求解出夹层块的物理化学状态随其“年龄”变化的规律。

在“统计”部分中，针对的对象仍然是流体夹层块，并将注意力集中在“经历”中描述的流体夹层块在整个湍流场中的分布规律夹层块用它们的年龄、诞生时间和尺寸等参数来表征在ESCIMO法中，Spalding选择夹层块的“年龄”作为这一独立因素流体夹层块的分布特性则由“年龄”的分布函数PA(A)来描述这里，PA(A)代表了年龄在A到(A+dA)区域的夹层块的数目比例5．液滴直径为0.2mm的轻柴油在200C的空气中变形并破裂的临界相对速度已知：表面张力 ＝32.3210-3N/m, 气体密度g＝1.205kg/m3）答：液滴在气体中的临界状态可以用液体和气体的韦伯数来表示油滴破碎的临界条件是，因此该液滴在空气中变形并破裂的临界相对速度为：=43.3m/s可得液滴直径为0.2mm的轻柴油在200C的空气中变形并破裂的临界相对速度为43.3m/s6． 请判断下列命题是否正确，并论述理由：1） 同样条件下，煤在高原上热解时其热解产物的析出量要多于在平原上热解；答：正确 当压力降低时，热解产物在煤粒中逸出时的阻力较小，有利于产物析出，高原压力低于平原，因此没在高原上热解时其热解产物的析出要多于在平原上热解。

2） 同样条件下，煤在加氢干馏过程中的热解产率要低于煤燃烧时的热解产率；答：错误，氢的存在干扰了形成半焦的二次反应，使一次反应生成甲烷因此在同样的条件下，煤在加氢干馏过程中热解产率要高于煤燃烧时的热解产率3） 同样条件下，煤在9000C时热解产物的析出量要高于6000C时的析出量，且随着温度的提高，热解产物的析出量将进一步增加；答：正确，根据德赖顿（Dryden）所得到的挥发份产率与温度的关系图可看出，在正常的热解温度下，温度越高热解产物的生成量应越大，但随着温度的提高，曲线趋于平缓，即热解产物的生成量增加不多所以，同样条件下，煤在9000C时热解产物的析出量要高于6000C时的析出量，且随着温度的提高，热解产物的析出量将进一步增加；但是，当热解温度大于1000℃，热解基本结束，温度的变化对煤样热解无明显作用4） 同样条件下，褐煤的热解产率要高于无烟煤；答：正确，不同煤化程度的煤在组成、结构和性质方面有明显的不同，对年轻煤，含氧官能团随煤变质程度的加深变化较大，呈一定的规律性：同时，煤的表面性质和空间结构性质随煤化程度的加深也发生了明显的变化，并且煤化度不同在热解过程中表现出米的塑性行为对二次反应的影响也不同。

在低变质程度的煤中，由于含有较多易断裂易分解的含氧官能团，受热易发生反应，煤样的热解反应性较高，而随着煤化度的升高，煤中的支链和桥键相应减少，基本结构单元的缩合度和缩合芳环数增加，煤样孔隙率减小，发生二次反应的机率明显增大，导致煤样失重减小，从而造成热解反应性下降5） 同样条件下，平均粒径为d＝5mm的煤粒的热析出量要高于平均粒径为d＝0.5mm的煤粒；答：错误，由于不同颗粒在相同的外界条件下，内部的温度时间历程都不一样，甚至同一颗粒度的温度的微小变化所引起的热解产率的变化大于恒温下改变颗粒粒度所引起的变化因此，增大颗粒粒度对热解产率的减少以致可以忽略但由于颗粒粒度的改变经常导致升温速率放慢，如果停留一定时间，则可能导致热解产物量也降低但由于大颗粒煤的热解产物逸出阻力较大，若考虑一次反应过程的阻力，则颗粒粒经增加时，二次反应和析炭沉积量会增加，从而造成热解产物析出量的减少故同样条件下，平均粒径为d＝5mm的煤粒的热析出量要低于平均粒径为d＝0.5mm的煤粒6） 同样条件下，煤闪速热解的挥发分产率要高于慢速热解的挥发分产率，但最终的热解产率应趋于一致答：升温速率对热解有正反两方面的影响升温速率增加，样品颗粒达到热解温度所需时间变短，有利于热解；但同时颗粒内外的温差变大，产生传热滞后效应，影响内部热解的进行。

对升温速率影响煤热解的研究，多数是通过热重实验分析得出的，随着升温速率增大挥发分初释温度提高和热解反应终止温度也提高，且最大失重峰对应温度也增加热解产物生成率主要依赖于温度及在此温度下的停留时间，而非加热速率，加热速率不是热解产物生成的直接影响因素，其主要是通过二次反应起作用7． 有两颗40m和150m的无烟煤焦粒炭（为无烟煤），在空气中燃烧空气温度为1473K，压力为0.1MPa，有何变化？这种变化说明什么？ 答： 当颗粒粒径由150μm变化到 40μm时，热生成速率方程中的扩散项与热散失速率方程中的导热项受到了影响，然而这些方程中的化学项和辐射项保持不变当颗粒的尺寸减少时，热生成速率和热散失速率都增大了，总的影响取决于两条曲线的位置的变化情况，通常得不到一个肯定的答案存在一个临界直径，当介质温度升高，临界着火直径急剧的降低直径较小的煤粒，加热时间短，能使煤粒迅速加热到高温空气的温度，有利于着火实验证实，随着粒径的增加，着火温度是下降的但是粒径大了之后，加热到一定的温度就比较困难所以一般来说，粒径小的煤粒先着火，而粒径大的后着火8． 什么是燃烧，什么是火焰？二者之间有什么关系？答：燃烧是燃料与氧化剂在空间发生激烈地化学反应，伴随有发光发热现象的过程。

火焰是燃料和氧化剂混合后迅速转变为燃烧产物的化学过程中出现的光和热量的现象，是一种物理现象燃烧是一个剧烈的氧化反应过程，通常伴随有火焰，而火焰是一种物理现象，在燃烧过程中不一定会产生火焰，有一些燃烧方式比如催化燃烧、化学链燃烧并不一定伴随有火焰但是有火焰表示燃烧过程正在进行中二 论述题(questions)1． 近代燃烧理论与技术发展的趋势2． 试分析热力着火及强迫着火的理论及其异同，同时论述强迫着火的机理和措施答：所谓着火过程，指直观中的预混气自动的反应加速，并自动升温以致引起空间某部或最终在某个时间有火焰出现的过程，这个现象反映了一个燃烧反应的重要外部标志－即由空间的这一部分到那一部分，或由时间的某瞬间到另一瞬间的化学反应的作用在数量上有跃变的现象（或临界现象）有两种可以使可燃混合物着火的方法：热力着火和强迫着火1）热力着火理论热力着火主要讨论因缓慢的放热反应而自行升温,并加速反应增加放热,最后着火的过程由于热力着火不仅和放热规律有关,还和可燃混合物所处的环境有关目前常用的理论有谢苗诺夫的可燃气体混合物的热力爆燃理论、弗朗克－卡门涅茨基失稳分析法及其两者的改进型理论方法在热力着火情况下，可燃物进行化学反应后所放出的热量，。