影响火焰传播速度的因素

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火焰传播速度混合气比例燃气性质温度、压力湿度和惰性气体 |
分类: 燃料燃烧 |
影响火焰传播速度的因素有可燃混合物的性质、浓度、初始温度、压力和添加剂种类及含量等因素,而与流速无关。
(1)混合气比例的影响
燃气与空气混合物中,火焰传播速度与混合物内燃气含量直接有关。混合比例变化时,变化规律如下图:
图中可看出所有单一燃气和燃气混合物的传播速度呈倒 U形,中间最大,含量接近化学计量比。其原因是当混合物中燃气含量较高时,火焰中 H、OH等自由基浓度大,链反应的断链率较小。对于多数火焰,当混合比较接近化学计量比时,火焰燃烧速度最大。一般认为火焰温度达到高温时,其火焰传播速度也最大。
(2)燃气性质的影响
火焰传播速度与燃气性质有关。气体热导率越大,传播速度也大。例如氢气热导率在所有燃气中最大,故它的火焰传播速度也最大。甲烷和其他碳氢化合物热导率小,传播速度也小。
碳氢燃料的结构对火焰传播速度也有不同影响。下图为燃料分子中碳原子数对火焰传播速度的影响:
由曲线可见,对于饱和烃类,如乙烷、丙烷,火焰传播速度几乎与分子中碳原子数无关,约为70cm/s。而不饱和烃燃料,如乙烯、乙炔等,火焰传播速度随碳原子数增加而减少。而且碳原子数小于4时,火焰传播速度下降较快;大于4时,下降缓慢,逐步趋向一极限定值。实验结果表明,随着燃料分子量增大,火焰传播范围也越来越小。
(3)温度的影响
温度的影响主要包含混合物初始温度、火焰温度两个方面的影响。由燃烧热平衡条件知道,混合物初始温度越高,将导致反应温度的上升,燃烧反应速率加快,从而使火焰传播速度增大。实验研究测定氢气和甲烷的火焰传播速度与混合物的初始温度的变化,如下图:
归纳实验结果表明,火焰传播速度随初始温度的变化规律大致为
此处m大约在1.5~2.0之间,这可从下图中估计出来:
火焰温度对火焰传播速度的影响比较复杂,大体情况如下图所示:
温度不太高时,火焰传播速度的增加主要表现为指数关系,影响较大,可以认为对火焰传播速度影响的主要因素是火焰温度。当超过2500℃时,火焰温度的影响已不符合热力理论了。因为在高温下离解反应易于进行,从而使自由基浓度大大增加,又增强了火焰传播。许多火焰的实验数据表明,氢原子浓度的增加,对提高火焰传播速度的作用是十分显著的。
(4)压力的影响
实验表明,随着燃烧时压力的升高而当其他参数不变时,火焰传播速度要减少。由热理论分析可知
对多数碳氢燃料的燃烧反应来看,反应级数均小于2。而根据上式,只有n>2时火焰传播速度才有可能随压力的升高而增大,否则随压力的升高而减少。但压力增加时,燃烧强度明显增大,即火焰传播速度增大。
压力影响可表示为:
由图可知,Sn<50cm/s时K<0为负值,即压力升高时火焰传播速度减慢;Sn=(50~100)cm/s时K=0,说明压力与火焰传播速度无关;Sn>100cm/s时K≈0.3,为正值,即压力升高时火焰传播速度稍微增大。火焰传播速度较低时,如Sn=20cm/s时K=—0.3。
以上数据表明:Sn<50cm/s时反应级数小于2;而对Sn=(50~100)cm/s时反应级数为2;Sn>100cm/s时反应级数大于2。
(5)湿度和惰性气体的影响
在单一燃气或混合气中添加气体时可以增加或减少火焰传播速度。大多数添加气体或改变混合气的物理性质 (如热导率),或是起催化作用。所以认为加入添加气体的结果,往往使混合气具有全新的性质。例如一氧化碳燃烧时加入很少量添加气体,由于反应加快而使火焰传播速度显著增大。下图表示了一氧化碳燃烧时加入不同量的水蒸气可使火焰传播速度增大的实验结果:
由图可看出,当混合气中水蒸气含量为2.30%时,最大火焰传播速度可达到52cm/s,比干气燃烧高出一倍多。因此,在一氧化碳火焰中一定要用水蒸气来使反应加快,提高火焰传播速度。
在混合气体中以惰性气体氮、氩、氦和二氧化碳等代替氧,从而改变氧化剂中氧气的浓度,其含量不同对火焰传播速度有不同的影响。一般说来,加入惰性气体 (或降低氧气的浓度),将使燃烧温度大大降低,从而降低火焰传播速度。但不同惰性气体的影响可能相互矛盾。下图为氮气含量不同时甲烷-氧混合气的火焰传播速度变化的一系列曲线:
图中看出,随着氧气量的减少,着火范围缩小,这与点火的极限相适应。另外氧含量降低时,火焰传播速度的峰值位置向左移动,虚线表示化学计量成分的火焰传播速度值的连线。若掺混二氧化碳,结果相类似。
实验结果表明,烃类燃料燃烧时加入氢气燃烧的中间产物,如O、H、OH等活性中心,则可显著改善燃烧反应的动力学特性。就工程应用而言,根据添加剂对火焰传播速度的影响来判断改善反应动力学特性的程度,是很有意义的。另外火焰传播速度与火焰方向有关,即火焰向上时,燃烧速度最快;火焰向下时,燃烧速度最慢;火焰水平方向时,燃烧速度介于二者之间。