閉口系統(tǒng)熱自然理論1

1、第三篇第三篇 燃燒基本原理燃燒基本原理 2、燃燒過程燃燒過程 燃燒過程是一個復(fù)雜的燃燒過程是一個復(fù)雜的物理擴散過程物理擴散過程和和化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)過程的的綜合過程綜合過程。1、燃燒現(xiàn)象燃燒現(xiàn)象可燃分子與氧化劑分子可燃分子與氧化劑分子相互接觸相互接觸時，在時，在一一定溫度、濃度和壓力定溫度、濃度和壓力等條件下發(fā)生的劇烈反應(yīng)，放出一定的等條件下發(fā)生的劇烈反應(yīng)，放出一定的光和熱光和熱.基本概念基本概念反應(yīng)時間反應(yīng)時間 1 ：混合所需要的時間，主要受到擴散因素的影：混合所需要的時間，主要受到擴散因素的影響響。2 ：混合后的可燃混合物為達到開始燃燒反應(yīng)的：混合后的可燃混合物為達到開始燃燒反應(yīng)的 條條

2、件件（溫度）（溫度）所需要的加熱時間。所需要的加熱時間。 3 ：完成化學(xué)反應(yīng)所需要的時間，主要受到化學(xué)：完成化學(xué)反應(yīng)所需要的時間，主要受到化學(xué)反應(yīng)動力因素的影響。反應(yīng)動力因素的影響。 ：燃燒過程所需要的總的反應(yīng)時間。：燃燒過程所需要的總的反應(yīng)時間。= 1 +2 +3 根據(jù)根據(jù) 1與與2 、3這兩類因素的影響，可將燃燒過程劃分為三類：這兩類因素的影響，可將燃燒過程劃分為三類：（1）動力燃燒：）動力燃燒： 即即 1 2 +3 ，如預(yù)混氣體的燃燒，如預(yù)混氣體的燃燒（2）擴散燃燒：即）擴散燃燒：即 1 2 +3 ，即燃燒主要是受到混合的影響，如邊混合邊，即燃燒主要是受到混合的影響，如邊混合邊燃燒。燃燒

3、。（3）中間燃燒：介于上述二者之間。）中間燃燒：介于上述二者之間。 燃燒基本類型燃燒基本類型 根據(jù)流（氣）體的流動性能可劃分為：根據(jù)流（氣）體的流動性能可劃分為：（1）層流燃燒：燃燒室中的煤氣和空氣均為層流流動。）層流燃燒：燃燒室中的煤氣和空氣均為層流流動。（2）紊流燃燒：燃燒室中的煤氣和空氣均為紊流流動。）紊流燃燒：燃燒室中的煤氣和空氣均為紊流流動。（3）過渡燃燒：介于上述二者之間的流動。）過渡燃燒：介于上述二者之間的流動。 按可燃物與氧化劑的物態(tài)劃分為：按可燃物與氧化劑的物態(tài)劃分為：（1）同相燃燒：燃料與氧化劑的物態(tài)相同，又稱均相燃燒。）同相燃燒：燃料與氧化劑的物態(tài)相同，又稱均相燃燒。（1

4、）異相燃燒：燃料與氧化劑的物態(tài)不同，又稱非均相燃燒。）異相燃燒：燃料與氧化劑的物態(tài)不同，又稱非均相燃燒。建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)主講：陳德敏主講：陳德敏第九章第九章 預(yù)混可燃氣的著火與熄火預(yù)混可燃氣的著火與熄火 9-1閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論內(nèi)容提要及大綱要求內(nèi)容提要及大綱要求 概述概述 掌握不同著火方式的特點掌握不同著火方式的特點 閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論 重點掌握閉口系統(tǒng)熱自燃理論的基本思想重點掌握閉口系統(tǒng)熱自燃理論的基本思想 分析熱自燃著火臨界條件分析熱自燃著火臨界條件 影響熱自燃著火臨界條件的因素影響熱自燃著火臨界條件的因素 點火過程點火過程

5、 點火過程點火過程 點火過程影響因素點火過程影響因素概概 述述 一、必要性一、必要性 1、燃燒設(shè)備、燃燒設(shè)備 2、消防與爆炸、消防與爆炸迅速而可靠的點燃迅速而可靠的點燃火焰穩(wěn)定火焰穩(wěn)定防止著火防止著火熄熄 火火概概 述述 著火：著火： 在短時間內(nèi)預(yù)混可燃氣體從在短時間內(nèi)預(yù)混可燃氣體從較低的化學(xué)反應(yīng)速較低的化學(xué)反應(yīng)速率率迅速達到迅速達到較高化學(xué)反應(yīng)速率較高化學(xué)反應(yīng)速率的過程的過程 熄火熄火 從穩(wěn)定強烈的放熱反應(yīng)向無化學(xué)反應(yīng)的過渡過從穩(wěn)定強烈的放熱反應(yīng)向無化學(xué)反應(yīng)的過渡過程。程。概概 述述 二、著火方式二、著火方式 1、自燃：、自燃：可燃物在可燃物在無外部火源無外部火源作用，因作用，因受熱受熱或自

6、身發(fā)熱并蓄熱而發(fā)生燃燒的現(xiàn)或自身發(fā)熱并蓄熱而發(fā)生燃燒的現(xiàn)象象。 熱自燃熱自燃:整個空間均勻加熱整個空間均勻加熱,T ,達某一溫度著火達某一溫度著火. 化學(xué)自燃化學(xué)自燃(鏈鎖自燃鏈鎖自燃):化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱,T 2、點燃、點燃(引燃引燃): 可燃物可燃物局部局部受高溫?zé)嵩醇邮芨邷責(zé)嵩醇訜釤?T 發(fā)生燃燒的現(xiàn)象發(fā)生燃燒的現(xiàn)象概 述 著火方式的區(qū)別與聯(lián)系著火方式的區(qū)別與聯(lián)系 鏈鎖自燃與熱自燃均為整個空間的著火過程鏈鎖自燃與熱自燃均為整個空間的著火過程，鏈鎖自燃基于鏈鎖反應(yīng)機理，熱自燃基于熱活鏈鎖自燃基于鏈鎖反應(yīng)機理，熱自燃基于熱活化機理，但前者也有熱的作用，后者也有活性化機理，但前者也有熱的

7、作用，后者也有活性中間產(chǎn)物的作用。中間產(chǎn)物的作用。 熱自燃與點燃的區(qū)別在于整體加熱與局部加熱，熱自燃與點燃的區(qū)別在于整體加熱與局部加熱，有無外界火源。著火機理均基于熱活化有無外界火源。著火機理均基于熱活化。閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論 基本思想基本思想： 當反應(yīng)系統(tǒng)與周圍介質(zhì)間當反應(yīng)系統(tǒng)與周圍介質(zhì)間熱平衡被破壞熱平衡被破壞時就發(fā)時就發(fā)生生著火著火。 著火、熄火的本質(zhì)：著火、熄火的本質(zhì)： 利于著火的因素利于著火的因素：反應(yīng)：反應(yīng)放熱放熱（放熱量與放熱速率）（放熱量與放熱速率） 不利于著火的因素不利于著火的因素：散熱散熱 反應(yīng)放熱曲線與系統(tǒng)向環(huán)境散熱曲線相切，為反應(yīng)放熱曲線與系統(tǒng)向環(huán)境散熱

8、曲線相切，為著火著火臨界條件臨界條件。閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論 反應(yīng)放熱量反應(yīng)放熱量=系統(tǒng)散熱量是臨界條件？系統(tǒng)散熱量是臨界條件？閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論熱自燃著火臨界條件、影響因素分析熱自燃著火臨界條件、影響因素分析假設(shè)條件：假設(shè)條件：體積為體積為V,表面積為表面積為S,壁溫壁溫=T0=環(huán)境環(huán)境=預(yù)混可燃氣的溫度預(yù)混可燃氣的溫度 氣體瞬時溫度為氣體瞬時溫度為T,預(yù)混可燃氣體預(yù)混可燃氣體溫度、濃度化學(xué)反應(yīng)速率處處相等溫度、濃度化學(xué)反應(yīng)速率處處相等 忽略器壁的輻射換熱，容器與環(huán)忽略器壁的輻射換熱，容器與環(huán)境存在對流換熱境存在對流換熱, 且且 不變不變著火前后物質(zhì)濃度變化很

9、小著火前后物質(zhì)濃度變化很小VSTo=C（常數(shù)）T、C T=T()C=C() 熱收入熱收入：化學(xué)反應(yīng)放熱熱支出熱支出：器壁導(dǎo)熱+熱力學(xué)能增量閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論 簡化后方程簡化后方程 （1） 常物性條件下：常物性條件下： 認為自燃的瞬間即達到穩(wěn)定狀態(tài)認為自燃的瞬間即達到穩(wěn)定狀態(tài)，故，故 ，簡化為：，簡化為： （3）(2) rTT22p c0T22rT熱力學(xué)能增量熱力學(xué)能增量熱損失熱損失生成熱生成熱rTrr1Tcpr反應(yīng)速度是溫度的反應(yīng)速度是溫度的指數(shù)函數(shù)指數(shù)函數(shù)，此方程求解困難。，此方程求解困難。 等式左邊等式左邊為散熱量，穩(wěn)定的均勻散熱為：為散熱量，穩(wěn)定的均勻散熱為： （直線）

10、（直線） 式中：式中： 換熱系數(shù)換熱系數(shù) T容器內(nèi)混氣瞬時溫度容器內(nèi)混氣瞬時溫度 Q2系統(tǒng)的散熱量系統(tǒng)的散熱量 2022QTTSrTS閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論 等式右邊等式右邊為為反應(yīng)產(chǎn)生的熱量反應(yīng)產(chǎn)生的熱量(溫度變量的形式溫度變量的形式)： 對于一定的預(yù)混可燃氣體，式中對于一定的預(yù)混可燃氣體，式中q、V、k0、n、E均為均為定值。即定值。即C相當于初始濃度：相當于初始濃度： （曲線）（曲線）1RTEn0QeCqVkVWqRTEAQexp1閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論TQT02T01T0312B閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論作圖求解作圖求解滿足熱平衡的溫度，并分析滿足

11、熱平衡的溫度，并分析Q2Q1閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論1 點點1之前，之前，Q1Q2 ，系統(tǒng)被，系統(tǒng)被加熱，溫度逐漸升高；加熱，溫度逐漸升高； 點點1處處Q1=Q2，過程穩(wěn)定下來；過程穩(wěn)定下來； 點點1后，后， Q2Q1 ，系統(tǒng)受，系統(tǒng)受到冷卻重新回到到冷卻重新回到1點點 點點1處溫度不高，不能自動處溫度不高，不能自動加速到自然著火。加速到自然著火。例：處于例：處于儲存期的燃料。儲存期的燃料。反應(yīng)放熱量與系統(tǒng)散熱量之間發(fā)生平衡不是熱自反應(yīng)放熱量與系統(tǒng)散熱量之間發(fā)生平衡不是熱自燃著火的燃著火的充分條件充分條件低溫穩(wěn)定點T01QTQ1Q2T1 T1閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論 2

12、點，點，Q1=Q2， 1-2之間之間Q2Q1，1點過點過渡到渡到2點必須有外界熱量點必須有外界熱量加入加入 當過程稍向左，系統(tǒng)被當過程稍向左，系統(tǒng)被冷卻到冷卻到1點點 稍向右，系統(tǒng)能著火稍向右，系統(tǒng)能著火12Q2Q1 Q2T01T02QT高溫不穩(wěn)定點T2 T2T2直線與曲線有直線與曲線有一個交點和兩個交點一個交點和兩個交點均不能發(fā)生自燃均不能發(fā)生自燃閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論 B點處點處Q1=Q2; B點左邊，點左邊， Q1Q2 ; B點右邊，點右邊， Q1Q2 ; B點為熱自然著火發(fā)生點為熱自然著火發(fā)生的臨界點，稱為的臨界點，稱為著火著火點點，TB稱為著火溫度稱為著火溫度。Q2Q1

13、 Q2Q2T01T02T03 TBQT2B著火臨界條件：著火臨界條件： Q1=Q2；BBTTTTdTdQdTdQ21三、影響著火的主要因素三、影響著火的主要因素 1、壓力、壓力 壓力壓力 如果其它參數(shù)為常數(shù)，自燃溫度求解曲如果其它參數(shù)為常數(shù)，自燃溫度求解曲線線TQT01CP2P1P2P1閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論QTQ2Q1Q1Q1P提高系統(tǒng)的壓力，或者濃度，將有利于發(fā)生自然著火；例如：柴油機氣缸內(nèi)預(yù)混可燃氣高例如：柴油機氣缸內(nèi)預(yù)混可燃氣高壓下自然著火。壓下自然著火。To著火區(qū)著火區(qū)不著火不著火ToPPTB B ，在溫度相同的情況下反應(yīng)物濃度增加反應(yīng)速度增加，反應(yīng)放熱在溫度相同的情況

14、下反應(yīng)物濃度增加反應(yīng)速度增加，反應(yīng)放熱Q放放，放熱曲線向左移放熱曲線向左移PTB B ，降低壓力的實質(zhì)是降低了反應(yīng)速度，必須提高起始溫度，反應(yīng)才能自行降低壓力的實質(zhì)是降低了反應(yīng)速度，必須提高起始溫度，反應(yīng)才能自行加速到著火，加速到著火，低壓增加了著火的難度。低壓增加了著火的難度。對應(yīng)一定的自燃溫度，有一個最低對應(yīng)一定的自燃溫度，有一個最低的壓力使自燃能夠?qū)崿F(xiàn)，這個壓力的壓力使自燃能夠?qū)崿F(xiàn)，這個壓力低限為自燃的臨界壓力。低限為自燃的臨界壓力。閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論 2、初始溫度、初始溫度 始溫度為始溫度為 時時， Q1Q2 這種工況下，盡管可這種工況下，盡管可以發(fā)生自燃著火，但以發(fā)

15、生自燃著火，但所對應(yīng)初始條件卻并所對應(yīng)初始條件卻并非自然著火的臨界條非自然著火的臨界條件。件。Q2Q1 Q2Q2T01T02T03 TBQTT03Q203T初始溫度的增加有利于自燃著火的發(fā)生初始溫度的增加有利于自燃著火的發(fā)生B當當To=C時，時，P與與X的關(guān)系的關(guān)系 1o、當P Pmin時，不能著火 2o、當P Pmin時，有一個著火濃度范圍 3o、當P 時，X下，X上 To=C 著火區(qū)著火區(qū)P P Pmin X下下 X上上 X 3、容器尺寸、容器尺寸T （V/S）= r著火區(qū)著火區(qū)VSVSVSVS1o、（、（ ）TB圖圖 2o、（、（ ）TB關(guān)系：關(guān)系：（ ） TB B （ ） TB B 閉

16、口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論QTQ1 Q2T01改變散熱條件改變散熱條件Q2Q24、換熱狀況加強系統(tǒng)的散熱，即增大 ，將使原有自然著火條件被破壞。例如：易燃、易爆物品倉庫加強通例如：易燃、易爆物品倉庫加強通風(fēng)風(fēng)S5、濃度（在一定壓力）、濃度（在一定壓力）著火濃度范圍TTminT 0 X下 X佳 X上P=常數(shù)XA當當TTminmin時，任何濃度下均不能著火，時，任何濃度下均不能著火，而而Tminmin對應(yīng)的濃度稱為最佳濃度。對應(yīng)的濃度稱為最佳濃度。 當當T Tminmin時，著火濃度有一個范圍。時，著火濃度有一個范圍。當當T 時，著火濃度范圍增加。時，著火濃度范圍增加。 著火濃度范圍TTm

17、inT 0 X下 X佳 X上P=常數(shù)XA混合可燃氣的濃度界限混合可燃氣的濃度界限 ,%1002211lPlPl Pi各氣體的體積百分數(shù)各氣體的體積百分數(shù) li各氣體的濃度界限各氣體的濃度界限影響臨界著火條件因素：影響臨界著火條件因素：化學(xué)動力學(xué)因素化學(xué)動力學(xué)因素：燃料性質(zhì)、混氣成分、環(huán)境溫度：燃料性質(zhì)、混氣成分、環(huán)境溫度流體力學(xué)因素流體力學(xué)因素：氣流速度、燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸：氣流速度、燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論 總結(jié)總結(jié) 著火方式著火方式 著火方式區(qū)別與聯(lián)系著火方式區(qū)別與聯(lián)系 閉口系統(tǒng)熱自然理論閉口系統(tǒng)熱自然理論 著火臨界條件著火臨界條件 影響閉口系統(tǒng)熱自然著火臨界條件的因

18、素影響閉口系統(tǒng)熱自然著火臨界條件的因素 四、燃燒室中的著火與熄滅四、燃燒室中的著火與熄滅 燃燒室特點燃燒室特點： .；排出氣體成份基本不變室內(nèi)溫度基本不變；燃料與氧化劑連續(xù)供入一定的空間；均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡 根據(jù)燃燒室特點提出簡化模型根據(jù)燃燒室特點提出簡化模型 著火過程和燃燒過程均為絕熱過程絕熱過程 反應(yīng)反應(yīng)放出的熱量全部轉(zhuǎn)化為燃燒產(chǎn)物的熱量放出的熱量全部轉(zhuǎn)化為燃燒產(chǎn)物的熱量 燃燒室內(nèi)溫度、濃度、壓力等參數(shù)的平均值與出口參數(shù)是相同的 設(shè)初始溫度T0；初始濃度為C0；燃燒產(chǎn)物溫度T；沒有燃盡的可燃混合物濃度為C，可燃混合物在燃燒室內(nèi)停留的時間為 ；完成燃

19、燒反應(yīng)所需時間為12（一）、均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡（一）、均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡 TOCOCT11、定義無因次參數(shù)、定義無因次參數(shù) 1o、燃燒完全系數(shù)、燃燒完全系數(shù)1CCCCCooo2o、無因次溫度、無因次溫度RTE3o、無因次時間、無因次時間 1 可燃混合物在燃燒室內(nèi)停留時間可燃混合物在燃燒室內(nèi)停留時間 2 完成燃燒反應(yīng)所需要的時間完成燃燒反應(yīng)所需要的時間1212（一）、均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡（一）、均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡 2、發(fā)熱曲線及散熱曲線、發(fā)熱曲線及散熱曲線 1o、發(fā)熱方程、發(fā)熱方程 qCekqCekqCRTEkAqCCqWQooO122011111e

20、xp.0）（從量綱可以看出）（從化學(xué)反應(yīng)上來理解）（設(shè)為一級反應(yīng)）（從消耗量上來理解）（一）、均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡（一）、均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡 即即:CCqeCqo1211）（1112e1111 2e2o、散熱方程：、散熱方程： 全部的反應(yīng)放熱使燃燒產(chǎn)物熱量的增加為全部的反應(yīng)放熱使燃燒產(chǎn)物熱量的增加為）（）（BTTcQop12 得：得：CCqo1）（opTTc1=（一）、均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡（一）、均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡 )(2oopRECqc 3o、當燃燒穩(wěn)定時，有QQCCCoo1212（熱平衡反映了熱量狀況）（反映了燃燒狀況，總的是相等的） （一）、均

21、相可燃混合物著火燃燒的熱平衡（一）、均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡 1 012 0 543211點：低溫穩(wěn)定點點：低溫穩(wěn)定點2點：高溫不穩(wěn)定點點：高溫不穩(wěn)定點3點：著火溫度點：著火溫度4點：熄滅點點：熄滅點5點：高溫穩(wěn)定點（燃燒工作點）點：高溫穩(wěn)定點（燃燒工作點） （一）、均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡（一）、均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡 3、臨界條件（、臨界條件（3點與點與4點）點） 12121112211eCpqCERoo（）（一）、均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡（一）、均相可燃混合物著火燃燒的熱平衡 (二二)影響燃燒狀況的因素影響燃燒狀況的因素 1o、 o的影響的影響 o 有利于著火及

22、有利于著火及穩(wěn)定燃燒，即混合穩(wěn)定燃燒，即混合可燃氣體預(yù)熱溫度可燃氣體預(yù)熱溫度越高，則著火越容越高，則著火越容易，燃燒越穩(wěn)定。易，燃燒越穩(wěn)定。燃燒完全系數(shù)大。燃燒完全系數(shù)大。 2o、q的影響的影響 q2 ，有利于，有利于著火，并使過程著火，并使過程穩(wěn)定在較高水平。穩(wěn)定在較高水平。(二二)影響燃燒狀況的因素影響燃燒狀況的因素（化學(xué)反應(yīng)時間）（停留時間）2112的影響的影響 12 1 燃燒過程的穩(wěn)定水平提高有利燃燒（化學(xué)反應(yīng)時間縮短），燃燒（停留時間加長）有利，2112c=c=30(二二)影響燃燒狀況的因素影響燃燒狀況的因素(二二)影響燃燒狀況的因素影響燃燒狀況的因素4o、循環(huán)爐氣的影響：可燃混合物

23、量循環(huán)氣體量o，有利于穩(wěn)定燃燒(二二)影響燃燒狀況的因素影響燃燒狀況的因素(二二)影響燃燒狀況的因素影響燃燒狀況的因素非絕熱條件下的散熱曲線， 散熱曲線將不再是直線，當輻射傳熱系數(shù) 增加時，著火越困難，過程穩(wěn)定的水平也越低。(二二)影響燃燒狀況的因素影響燃燒狀況的因素（三）、擴散燃燒的穩(wěn)定狀態(tài)（三）、擴散燃燒的穩(wěn)定狀態(tài)（純擴散：即（純擴散：即 混混 化化+ 熱熱）1、模型、模型 平均燃燒完全系數(shù)平均燃燒完全系數(shù)其中：其中：C0為初始濃度，為初始濃度，Ck燃燒室內(nèi)混合物平均濃度燃燒室內(nèi)混合物平均濃度Q散化熱0+= 0oKoCCC 2、反應(yīng)速度：、反應(yīng)速度： 1o、燃燒室內(nèi)燃燒反應(yīng)速度、燃燒室內(nèi)燃燒反應(yīng)速度WCCOK1 2o