第三章_著火理論

1、西安交通大學能源與動力工程學院1第三章第三章 著火理論著火理論3.1 著火的基本概念3.2 熱自燃理論3.3 鏈式自燃理論3.4 強迫點燃理論3.5 燃燒熱工況西安交通大學能源與動力工程學院2燃燒過程是發(fā)光放熱的化學反應過程，存在兩個最基本的階段：著火階段、著火后燃燒階段。反應的引發(fā)劇烈反應的加速過程燃燒階段著火階段（孕育期）西安交通大學能源與動力工程學院33.1 3.1 著火的基本概念著火的基本概念著火的定義：著火的定義：燃料和氧化劑混合后，由無化學反應、燃料和氧化劑混合后，由無化學反應、緩慢的化學反應向穩(wěn)定的強烈放熱狀態(tài)的過渡過程，緩慢的化學反應向穩(wěn)定的強烈放熱狀態(tài)的過渡過程，最終在某個瞬

2、間在空間中某個最終在某個瞬間在空間中某個部分出現(xiàn)火焰。部分出現(xiàn)火焰。一、著火過程一、著火過程著火過程著火過程：是化學反應的速度出現(xiàn)躍變的臨界過程，是化學反應的速度出現(xiàn)躍變的臨界過程，即化學反應從低速狀態(tài)在短時間內(nèi)加速到極高速的即化學反應從低速狀態(tài)在短時間內(nèi)加速到極高速的狀態(tài)。狀態(tài)。熱著火熱著火鏈式著火鏈式著火西安交通大學能源與動力工程學院4影響著火的因素化學動力學因素傳熱學因素例如：例如：燃料的性質(zhì)；燃料的性質(zhì)；燃料與氧化劑的混合比例；燃料與氧化劑的混合比例；環(huán)境的壓力與溫度；環(huán)境的壓力與溫度；氣流的速度；氣流的速度；燃燒室的尺寸；燃燒室的尺寸；保溫情況等。保溫情況等。二、著火方式與機理二、著

3、火方式與機理西安交通大學能源與動力工程學院5n熱著火：熱著火：可燃混合物由于本身氧化反應放熱大于散熱，或由于外部熱源加熱，溫度不斷升高導致化學反應不斷自動加速，積累更多能量最終導致著火。大多數(shù)氣體燃料著火特性符合熱著火的特征。分為：n鏈式著火：鏈式著火：由于某種原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中心產(chǎn)生速率大于銷毀速率時，在分枝鏈式反應的作用下，導致化學反應速度不斷加速，最終導致著火。 某些低壓下著火實驗（如 H2+O2，CO+O2的著火）和低溫下的“冷焰”現(xiàn)象符合鏈式著火的特征。熱自燃熱自燃強迫點燃強迫點燃西安交通大學能源與動力工程學院6相同點不同點都是在初始的較低的化學反應速度下，利用某

4、種方式，積聚某種可以使得化學反應加速的因素（如溫度、總的活性分子數(shù)），從而使得化學反應速度實現(xiàn)自動加速，最終形成火焰。a) 著火的微觀機理不同。b) 熱著火通常比鏈式著火過程強烈得多。c) 著火的外部條件也有所不同。熱著火過程與鏈式著火過程的對比西安交通大學能源與動力工程學院7n熱著火過程與鏈式著火過程區(qū)別熱著火通常比鏈式著火過程強烈得多。熱著火過程：溫度升高引發(fā)的，將使得系統(tǒng)中整體的分子動能增加，超過活化能的活化分子數(shù)按指數(shù)規(guī)律增加。導致 燃燒反應自動加速。鏈式著火過程：主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的，由于活化中心會被銷毀，所以鏈式著火通常局限在活化中心的繁殖速率大于銷毀速率的區(qū)域，

5、而不引起整個系統(tǒng)的溫度大幅度增加，形成“冷焰”。但是，如果活化中心能夠在整個系統(tǒng)內(nèi)加速繁殖并引起系統(tǒng)能量的整體增加，就形成爆炸。一個完善的燃燒過程應是：及時著火，穩(wěn)定燃燒，充分燃盡一個完善的燃燒過程應是：及時著火，穩(wěn)定燃燒，充分燃盡 需要指出的是，上述著火方式的分類不能十分準確地反應它們之間的聯(lián)系和差別。實際燃燒過程中不可能有單純的熱著火或單純的鏈式著火的情況，而往往是同時存在的，且相互促進。一般來說，在高溫下，熱自燃是著火的主要原因，而在低溫下，鏈式自燃則是著火的主要原因。而熱自燃與強迫點燃的差別只是整體加熱與局部加熱的不同。因此，重要的是掌握各種著火方式的實質(zhì)。西安交通大學能源與動力工程學

6、院8三、著火條件的數(shù)學描述三、著火條件的數(shù)學描述西安交通大學能源與動力工程學院9著火條件初始條件初始溫度初始濃度邊界條件系統(tǒng)的散熱物質(zhì)的交換情況內(nèi)部條件系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的反應特性著火條件應具備兩個基本的效果：著火條件應具備兩個基本的效果：（1）能夠使得系統(tǒng)的化學反應速度自動地、持續(xù)地加速，直到達到一個較高的化學反應速度。（2）實際的化學反應的速度不會趨于無窮大，而最終會到達某個有限的數(shù)值，且在這個有限的化學反應速度的數(shù)值下，系統(tǒng)在空間中存在劇烈發(fā)光發(fā)熱（也就是燃燒）的現(xiàn)象。西安交通大學能源與動力工程學院10著火是對系統(tǒng)的初態(tài)而言的，它的臨界性質(zhì)不能錯誤地解釋為化學反應速度隨溫度的變化有突躍的性質(zhì)。西

7、安交通大學能源與動力工程學院11著火過程的外部標志溫度不是反應進行的溫度，而是系統(tǒng)的初始溫度。西安交通大學能源與動力工程學院12著火條件不是一個簡單的初始條件，而是化學動力參數(shù)和傳熱學參數(shù)的綜合函數(shù)。如：對于一定種類的可燃預混合氣而言，在閉口系統(tǒng)條件下，著火條件可由下列函數(shù)關(guān)系來表示：00(, , , ,)0f Tp d u在開口系統(tǒng)的情況下，著火的臨界邊界條件經(jīng)常用著火距離 xi表示，這時其著火條件可以表示為如下的綜合函數(shù)關(guān)系式：00( , , , ,)0if x Tp d uT0預混合氣的初溫；對流換熱系數(shù)；p預混合氣的壓力；d容器直徑； u0環(huán)境氣流速度。3.2 3.2 熱自燃理論熱自燃

8、理論一、熱自燃條件一、熱自燃條件以封閉容器內(nèi)可燃物質(zhì)的著火過程為例，來分析熱自燃問題。西安交通大學能源與動力工程學院13熱自燃簡化模型為使問題簡化，作如下假設：1. 只有熱反應，不存在鏈式反應；2. 容器的體積V和表面積F為定值；3. 容器內(nèi)的參數(shù)（如溫度濃度等）處處相同；4. 容器與環(huán)境之間僅存在對流換熱，為定值；5. 可燃物質(zhì)的反應熱Q為定值；6. 在整個著火過程中，可燃物質(zhì)濃度變化很小，視作不變；7. 反應開始時，系統(tǒng)溫度和容器壁溫與環(huán)境溫度T0相同；8. 反應過程中，系統(tǒng)的溫度為T，容器壁溫與可燃物質(zhì)溫度相同，均為T。；一、熱自燃條件一、熱自燃條件西安交通大學能源與動力工程學院14單位

9、時間內(nèi)容器內(nèi)可燃物質(zhì)化學反應的放熱量qf：fqwQVw化學反應速度；Q單位體積內(nèi)可燃物質(zhì)的反應熱；V容器的容積。A可燃物質(zhì)總體反應的反應級數(shù)；n可燃物質(zhì)總反應的反應級數(shù)；E可燃物質(zhì)總體反應的活化能；k0頻率因子。0 EnnRTwk Ak eA0 EnRTfqVQkA e西安交通大學能源與動力工程學院15單位時間內(nèi)容器壁對環(huán)境的散熱量qs為：0()sqF TT單位時間內(nèi)容器內(nèi)積累的熱量qL為：LvdTqC Vdt由能量守恒定律：由能量守恒定律：Lfsqqq00 ()EnRTvdTC VVQk A eF TTdtCv單位體積內(nèi)可燃物質(zhì)的定容比熱。西安交通大學能源與動力工程學院16熱自燃中的熱量平衡

10、關(guān)系環(huán)境溫度 qf, qs T T01 T03 T02 A B C qf qs q TA TC TB T01 T03 T02 T 西安交通大學能源與動力工程學院17兩個交點：A點，穩(wěn)定，但反應不會自動加速而著火;B點，不穩(wěn)定，脈動燃燒 or 熄滅。無交點：qfqs，系統(tǒng)內(nèi)能量積累，可燃物溫度不斷提高著火。 一個交點：qf qs，一個切點。 切點C不穩(wěn)定，有波動要么回到C點，要么著火。 C點熱自燃點 ；Tc熱自燃溫度。影響熱自燃的因素：影響熱自燃的因素：西安交通大學能源與動力工程學院181.對流換熱系數(shù)：，散熱直線qs的斜率， qs直線將以橫軸上T0點為軸心向右轉(zhuǎn)動，與qf相切，自燃。2.散熱面

11、積F：F，與減小對流換熱系數(shù)效果相同。3.可燃物濃度c：c p ，放熱曲線qf向左上方移動，與散熱直線qs相切，自燃。自燃的充分必要條件自燃的充分必要條件：西安交通大學能源與動力工程學院19不僅放熱量和散熱量要相等，而且兩者隨溫度的變化率也要相等。|CCfT Ts T Tqq|CCfST TT TdqdqdTdT數(shù)學描述：二、熱自燃溫度二、熱自燃溫度西安交通大學能源與動力工程學院200 EnRTfqVQk A e0()sqF TT|CCfT Ts T Tqq由由 00CEnRTCVQkAeF TT|CCfST TT TdqdqdTdT 02CEnRTCEVQkAeFRT2CEVQwFRT或或?qū)?/p>

12、上兩式作比得：將上兩式作比得：200CCRTTTE西安交通大學能源與動力工程學院21解方程得解方程得：04112CRTETRE（另一根舍去）（另一根舍去） 200CCRTTTE謝苗諾夫公式謝苗諾夫公式0500 1000TK80 400/EkJ mol8.314 /RJ mol041RTE 所以：將所以：將展開，忽略高次項，展開，忽略高次項，014RTE2000411 22RTRTRTEEE 西安交通大學能源與動力工程學院222000411 22RTRTRTEEE 04112CRTETRE200CRTTTE200CCRTTTTE 若E=167.2kJ/mol，T0=1000K，則0050CTTT

13、0CTT表明在著火的情況下，自燃溫度在數(shù)量上與給定的初始環(huán)境溫度相差不多。自燃溫度的影響因素自燃溫度的影響因素西安交通大學能源與動力工程學院23自燃溫度TC是和外界條件，如環(huán)境溫度、容器形狀和尺寸以及散熱情況等有關(guān)的一個參數(shù)。例如，對某種可燃物質(zhì)，當其壓力由p1提高到p2時，放熱曲線qf1向左上方移動到qf2位置。壓力升高，反應加速，自燃溫度變低，即TC1TC2，或T02T01。散熱條件減弱時(換熱系數(shù)減小或容器表面積F減小)，散熱直線qs1移到qs2位置，自燃溫度降低，即TC2TC1，或T02T01。西安交通大學能源與動力工程學院24表表1 某些氣體和液體燃料與空氣混合物在大氣壓力的著火溫度

14、某些氣體和液體燃料與空氣混合物在大氣壓力的著火溫度名稱分子式著火溫度/氫H2530590一氧化碳CO654658甲烷CH4658750乙烷C2H6520630乙烯C2H4542547乙炔C2H2406480苯C6H6580740航空汽油390685原油360367重油336煤油250609表表2 一些固體燃料的著火溫度一些固體燃料的著火溫度西安交通大學能源與動力工程學院25種類著火溫度/木柴250350泥炭225280褐煤200350200400300500無煙煤600700焦炭700碳黑560600高揮發(fā)分煙煤低揮發(fā)分西安交通大學能源與動力工程學院26n烷、烯、炔的著火溫度是烷烴最高（為飽和

15、烴，所以活性低），炔烴最低（三價鍵不飽和烴，活性最強）。n液體燃料著火溫度一般小于氣體燃料著火溫度。注意，這里說的著火溫度是自燃的著火溫度。n固體燃料中揮發(fā)分高的著火溫度低，無煙煤、焦炭揮發(fā)分很少，所以著火溫度最高。褐煤煤場、油爐空氣預熱器上積的油、制粉系統(tǒng)的積粉等等，在通風不良（散熱Q2很小時），經(jīng)相當長時間孕育，可燃物濃度達到著火限時，在低于室溫的情況下，也會自燃著火。n著火溫度與燃料空氣混合物的濃度有關(guān)；通常用過量空氣系數(shù)（實際空氣量/符合化學當量比的空氣量）來表示三、熱自燃界限三、熱自燃界限西安交通大學能源與動力工程學院272CEVQwFRT220222()ERTfoxfoxppwkX

16、 Xk eX XRTR T20222cERTcfoxccpEVQk eX XFR TRT20341cEfoxcRTcVQk EX XpeFR Tpc-Tc之間的關(guān)系：pc，則Tc，混合氣體易發(fā)生自燃。由由得到熱自燃條件：得到熱自燃條件：或或二級反應的反應速度自燃的臨界壓力西安交通大學能源與動力工程學院280CTT0203401EfoxcRTVQk EX XpeFR T023400.ERTcfoxpFReTVQk EX X3200011lnln22cfoxpEFRTR TVQk EX X兩邊取對數(shù)：謝苗諾夫方程令2EAR301ln2foxFRBVQk EX X2001lncpABTT2001ln

17、cpTT關(guān)系曲線由于謝苗諾夫方程的正確性謝苗諾夫方程的正確性西安交通大學能源與動力工程學院29ClO2分解的自燃界限H2+Cl2的自燃界限西安交通大學能源與動力工程學院30自燃自燃溫度還和燃料與氧化劑的混合比相關(guān)。溫度還和燃料與氧化劑的混合比相關(guān)。自燃溫度與混合氣成分關(guān)系臨界壓力與混合氣成分關(guān)系P或或T ，著火，著火界限縮小。界限縮小。當當P或或T下降到下降到某一值時，著火某一值時，著火界限下降成一點。界限下降成一點。當當P或或T繼續(xù)繼續(xù) ，則任何混合氣成則任何混合氣成分都不能著火。分都不能著火。n這些關(guān)系這些關(guān)系表明表明在一定的在一定的P(或或T)下，并非所有混合氣成下，并非所有混合氣成分都

18、能著火，而是有一定的摩爾分數(shù)范圍。超過這一分都能著火，而是有一定的摩爾分數(shù)范圍。超過這一范圍，混合氣就不能著火。如在范圍，混合氣就不能著火。如在T0-x關(guān)系曲線關(guān)系曲線圖和圖和pc-x關(guān)系曲線關(guān)系曲線圖中，只有在圖中，只有在x1-x2的濃度范圍內(nèi)混合氣才可的濃度范圍內(nèi)混合氣才可能著火。能著火。n稱稱x2(即含燃料量多的即含燃料量多的)為上限為上限(或富燃料或富燃料)，稱，稱x1(即含燃即含燃料量少的料量少的)為下限為下限(或貧燃料或貧燃料)。 西安交通大學能源與動力工程學院31西安交通大學能源與動力工程學院3220341cEfoxcRTcVQk EX XpeFR T保持其他參數(shù)不變，則有2cV

19、pF常數(shù)對直徑d的球形容器，則有32/6VdFd2cp d 常數(shù)d ，則pc ，從而提高可燃物質(zhì)的著火性能。四、熱自燃孕育時間四、熱自燃孕育時間n熱自燃孕育時間即為著火孕育期。n直觀意義：指可燃物質(zhì)由可以反應到燃燒出現(xiàn)的一段時間。n定義：在可燃物質(zhì)已達到著火的條件下，由初始狀態(tài)到溫度驟升的瞬間所需的時間。n定義式：西安交通大學能源與動力工程學院330,cic oCCwC0可燃物質(zhì)初始摩爾濃度；Cc可燃物質(zhì)著火時的摩爾濃度；wc,0以摩爾濃度表示的初始反應速度。西安交通大學能源與動力工程學院34曲線I，環(huán)境溫度T0= T01：qL0， dT/dt0，所以溫度T隨時間t將不斷上升。又有d2T/dt

20、20，所以溫度曲線向下凹，T的變化是減速緩慢升高的，最后趨近于極限值TA。曲線，環(huán)境溫度T0= T02 ：Tc以前，T變化情況與曲線I類似。Tc以后，由于qL0，dT/dt0 ，所以T將繼續(xù)單調(diào)上升。但又有d2T/dt20，所以T曲線向上凹。因為這時已經(jīng)開始燃燒，所以溫度的變化是增速升高的。當T= Tc時，dqL/dt=0，溫度曲線出現(xiàn)拐點。曲線III，環(huán)境溫度升高到T0= T03 ：由于初溫升高，著火孕育時間縮短。拐點著火孕育時間著火過程中的溫度變化著火孕育時間與溫度、壓力之間關(guān)系著火孕育時間與溫度、壓力之間關(guān)系西安交通大學能源與動力工程學院35假設容器壁對環(huán)境沒有散熱損失，則可燃物質(zhì)燃燒產(chǎn)

21、生的熱全部用于系統(tǒng)升溫，因此溫度與濃度之間存在著如下關(guān)系：00000ccmTTCCTTC0000ccmTTCCCTT即：200cRTTTE0mQTTC代入2000cRT C CCCQETm燃料全部燃燒后燃燒產(chǎn)物的溫度。西安交通大學能源與動力工程學院360,cic oCCw將上式代入002221000000,00EnRTiEc oRTnoRT C CRT C CRT C CeQEQEkQEk C e得：兩邊取對數(shù)：2100001lnlnniRT C CEQEkR T在壓力和混合氣成分保持不變的條件下，可以認為21000lnnRT C CAQEk常數(shù)01lniEAR T西安交通大學能源與動力工程學

22、院37代入式將000RTpXC 2100001lnlnniRT C CEQEkR T得2112100000110000001lnln(1)lnln()()nnninnRT C XpRT C XEEnpQEkRTR TQEkRTRT在溫度和混合氣成分不變時可以認為21001000ln()nnRT C XEBQEkRTRT常數(shù)ln(1)lninpBn大量的熱自燃的實驗證明，著火孕育期和溫度的關(guān)系確實可以整理成lni和1/T0的直線關(guān)系。西安交通大學能源與動力工程學院38氣流中自燃的著火延氣流中自燃的著火延遲和溫度的關(guān)系遲和溫度的關(guān)系預混合氣：空氣燃預混合氣：空氣燃料料(Calor gas)n同樣，

23、同樣，lni與與lnp也是直線關(guān)系。也是直線關(guān)系。西安交通大學能源與動力工程學院39(a) 煤油； (b) Calor gas； (c)乙炔； (d)甲烷著火延遲與壓力的關(guān)系 某些燃料與空氣反應的活化能某些燃料與空氣反應的活化能西安交通大學能源與動力工程學院40燃料E(kJ/mol)燃料E(kJ/mol)乙炔129.58正庚烷252.89笨197.30氫239.26一氧化碳336.05煤油191.28環(huán)己烷 193.90甲烷121.22乙烷204.82甲醇172.63乙醇176.40異辛烷145.43 c1環(huán)己烷已修改注意：注意：著火溫度范圍內(nèi)求得的活化能一般不同于火焰?zhèn)鞑ブ饻囟确秶鷥?nèi)求得的

24、活化能一般不同于火焰?zhèn)鞑?即燃即燃燒燒)條件下所得到的活化能。條件下所得到的活化能。3.3 3.3 鏈式自燃理論鏈式自燃理論一、鏈式自燃與熱自燃西安交通大學能源與動力工程學院41著火的熱自燃理論認為熱自燃發(fā)生是由于在感應期內(nèi)化學反應的結(jié)果使熱量不斷積累，從而導致反應速度的自動加速。熱自燃理論可以解釋很多著火現(xiàn)象。如圖所示的一氧化碳著火濃度界限的實驗結(jié)果從一個方面說明了熱自燃理論的正確性。CO著火界限n但是也有很多現(xiàn)象和實驗結(jié)果，用熱自燃理論是無法解釋的。有一些可燃混合氣在低壓下，其著火的臨界壓力與溫度的關(guān)系曲線也不像熱自燃理論所論述的那樣，即單調(diào)地下降且只有一個著火界限，而是著火界限呈半島形，

25、且有2個或3個，甚至更多的著火界限。西安交通大學能源與動力工程學院42H2+O2的著火界限西安交通大學能源與動力工程學院43CH4+O2的著火界限 乙烷+空氣的著火界限三個著火界限有些反應在高壓區(qū)有多個著火界限出現(xiàn)。這些實驗結(jié)果表明，著火并非在所有情況下都是由于放熱的積累引起的。鏈式自燃理論有可能解釋其中的一部分現(xiàn)象。二、鏈式自燃條件二、鏈式自燃條件n鏈式自燃理論認為，使反應自動加速并不一定需要熱量積累，而可以通過鏈的不斷分枝來迅速增加鏈載體的數(shù)量，從而導致反應自動地加速直至著火。西安交通大學能源與動力工程學院44如：氫和氧的鏈式反應中，反應機理：熱運動生成氫原子熱運動生成氫原子分子碰撞分子碰

26、撞形成的形成的 鏈分枝的結(jié)果鏈分枝的結(jié)果1個氫原子反應生成3個新的氫原子222323HHOH OH22HMHM鏈載體銷毀過程鏈載體銷毀過程銷毀速度與氫原子濃度成正比銷毀速度與氫原子濃度成正比西安交通大學能源與動力工程學院45123dnwwwdtw1熱的作用而生成鏈載體的速度；w2由鏈分枝造成的鏈載體凈增加速度；w3鏈載體的銷毀速度；n鏈載體的瞬時濃度；g鏈載體銷毀速度系數(shù)；f鏈載體凈增加速度系數(shù)。鏈載體隨時間的變化為2wfn3wgn西安交通大學能源與動力工程學院461dnwfngndtfg令1dnwndt初始條件為：0,0,tnttnn積分得1(1)twnen以最終產(chǎn)物表示的反應速度為西安交通

27、大學能源與動力工程學院471(1)tafwwafnea為一個鏈載體參加反應后生成最終產(chǎn)物的分子數(shù)，在上述氫和氧反應例子中，消耗1個氫原子將生成3個新的氫原子和2個水分子，所以a值為2。對于不分枝鏈式反應，對于不分枝鏈式反應，f0，g。t 11limlim(1)gtttwwnegg鏈載體濃度為定值，所以不分支鏈式反應 不會發(fā)生著火。n在低溫下，分枝鏈式反應速度很慢，而鏈中斷反應速度卻很快，因此0。西安交通大學能源與動力工程學院48t 11limlim(1)tttwwne 110limlim(1)tttafwafwwew 表明這種情況下的反應是穩(wěn)定的，不會發(fā)展成著火。西安交通大學能源與動力工程學院

28、49分枝鏈式反應過程當當溫度溫度T 時時 ，f ，g不變，不變， 0，n、w隨隨t指數(shù)指數(shù)增大。增大。由于由于w1很小很小，當當ti，鏈載體增殖，鏈載體增殖著火。這著火。這種著火方式稱為種著火方式稱為鏈式自燃鏈式自燃，不不穩(wěn)定。穩(wěn)定。反應物耗反應物耗盡盡 ，w fg在某個溫度下，可使=0，即鏈載體增殖速度與銷毀速度達到平衡，f=g。則有：西安交通大學能源與動力工程學院5011limlim(1)twnewt11limlim(1)tafwweafwt反應速度w隨時間t直線增加，但由于w1很小，所以在這種情況下，直到反應物耗盡也不會著火。西安交通大學能源與動力工程學院510，著火，著火，反應反應不不

29、穩(wěn)定。穩(wěn)定。0，反應穩(wěn)定，反應穩(wěn)定，反應速度趨于定值。反應速度趨于定值。=0，為，為由穩(wěn)定狀態(tài)由穩(wěn)定狀態(tài)向自行加速的非穩(wěn)定向自行加速的非穩(wěn)定狀態(tài)過渡狀態(tài)過渡的的臨界條件臨界條件。稱稱=0的條件為的條件為鏈式自鏈式自燃條件燃條件，相應的溫度，相應的溫度為鏈式自燃溫度。為鏈式自燃溫度。分枝鏈式反應速度隨時間的變化規(guī)律三、鏈式自燃孕育時間三、鏈式自燃孕育時間n定義：從反應開始到反應速度明顯加快的瞬間所需要的時間i。西安交通大學能源與動力工程學院521(1)iafwwe此時的反應速度為：在感應期內(nèi)較大，則e i 1，f，則有1iwawe西安交通大學能源與動力工程學院53兩邊取對數(shù)，整理得11lntiw

30、awi 常數(shù)常數(shù) 時，感應期i 3.4 3.4 強迫點燃理論強迫點燃理論一、強迫點燃與熱自燃西安交通大學能源與動力工程學院54熱自燃熱自燃強迫點燃強迫點燃條件條件 Q1=Q2， Tw=T， 過程過程 自發(fā)整個空間，可燃混合自發(fā)整個空間，可燃混合物物WC很慢很慢放熱放熱升溫升溫多放熱多放熱再升溫：積蓄再升溫：積蓄達到著火達到著火強制，局部強制，局部整個空間，整個空間，用高溫物體置于可燃混合用高溫物體置于可燃混合 物中物中 ，溫差，溫差熱傳遞熱傳遞 ， 邊界層內(nèi)加熱邊界層內(nèi)加熱著火溫度著火溫度 著火著火 原理上原理上 均是化學反應急劇加速的結(jié)果均是化學反應急劇加速的結(jié)果 外界溫度外界溫度 有一定限

31、制有一定限制無要求無要求12dQdQdTdT0dTdx熱自燃與強迫點燃對比熱自燃與強迫點燃對比n強迫點燃的參數(shù)：點燃溫度、點燃孕育時間、點燃濃度界限和點火源尺寸。n影響因素：可燃物質(zhì)的化學性質(zhì)、濃度、溫度、壓力、點燃方法、點火能和可燃物質(zhì)的流動性質(zhì)等。西安交通大學能源與動力工程學院55二、強迫點燃方式二、強迫點燃方式n熾熱物體點燃點燃靜止的或低速流動的可燃物質(zhì)。n電火花點燃點燃低速流動的易燃的氣體燃料，如汽油發(fā)動機中預混合氣內(nèi)的電火花點火。n火焰點燃點火能量大，在工業(yè)上應用廣泛。西安交通大學能源與動力工程學院56三、熾熱物體點燃理論三、熾熱物體點燃理論西安交通大學能源與動力工程學院57把一熾熱

32、物體放在靜止的氣體中，且TwT0，熾熱物體與周圍氣體的換熱情況有以下幾種：氣體為不可燃氣體的溫度氣體為不可燃氣體的溫度分布（不含化學反應）分布（不含化學反應）氣體為可燃氣體的實際溫氣體為可燃氣體的實際溫度分布（含化學反應）度分布（含化學反應）化學反應放熱化學反應放熱1.物體表面溫度Tw較低，如Tw=Tw1時，若氣體為可燃氣體，則可燃氣體只有微弱的化學反應，產(chǎn)生少量熱量，使溫度分布發(fā)生了變形，如右圖虛線所示。此時物體表面 溫 度 梯 度 為 負 值 ， 即(dT/dx)w0。西安交通大學能源與動力工程學院58氣體為不可燃氣體的溫度氣體為不可燃氣體的溫度分布（不含化學反應）分布（不含化學反應）氣體

33、為可燃氣體的實際溫氣體為可燃氣體的實際溫度分布（含化學反應）度分布（含化學反應）化學反應放熱化學反應放熱2.若Tw升高，則可燃氣體化學反 應 速 度 w ， 放 熱 量 ，(dT/dx)w ，陰影區(qū)域擴大，總可以找到這樣的一個溫度Tw2，使熾熱物體表面與氣體沒有熱量交換，在壁面處 (dT/dx)w=0，邊界層處放熱=散熱。Tw2臨界溫度，稱為強迫點燃溫度。點燃點燃臨界臨界條件條件西安交通大學能源與動力工程學院59氣體為不可燃氣體的溫度氣體為不可燃氣體的溫度分布（不含化學反應）分布（不含化學反應）氣體為可燃氣體的實際溫氣體為可燃氣體的實際溫度分布（含化學反應）度分布（含化學反應）化學反應放熱化學

34、反應放熱3.若Tw進一步升高，如Tw=Tw3時，反應速度進一步加快，放熱散熱，由于熱量積累，反應會自動地加速到著火。此時火焰溫度比壁溫高得多，如右圖虛線所示。壁面處溫度梯度將出現(xiàn)正值，即(dT/dx)w0。球形球形熾熱物體點燃條件熾熱物體點燃條件的求解：的求解：西安交通大學能源與動力工程學院60在球體附近的邊界層內(nèi)距壁面x處取一微元可燃氣體，微元氣體厚度為dx。設微元體與x軸垂直的兩個表面積均為ds。導入熱量導入熱量1dTqdsdx 導出熱量導出熱量 222dTd Tqdx dsdxdx 反應產(chǎn)熱反應產(chǎn)熱 3qQwdxds導熱系數(shù)；Q反應熱；w反應速度。西安交通大學能源與動力工程學院61由由能

35、量守恒能量守恒有有: q1-q2+q3=022()0dTdTdsdx dsQwdxdsdxdxd Tdx 220TdxwdQ0EnRTwk C e代入0220EnRTQkdCxeTd整理得：整理得：西安交通大學能源與動力工程學院62設球體附近化學反應的邊界層厚度為，其邊界上的溫度為T。由于很小，所以可近似的認為Tw=T。邊界層向外散失熱量為400()()wqTTTTT從邊界上導出的熱量為5()dTqdx 對流換熱系數(shù)西安交通大學能源與動力工程學院63由邊界上的熱量平衡有45qq0()()wdTTTdx即邊界條件0 x wTT()0wdTdxxTT()dTdTdxdx， 令dTydx，則有0En

36、RTQk CdyyedT 西安交通大學能源與動力工程學院64邊界條件變?yōu)? x wTT0y xTT()dTydx，積分有：()00dTEnTdxRTTQk CydyedT T0T2()wEnRTQk CdTedTdx 取負號是因為()0dTdx0EnRTQk CdyyedT 對西安交通大學能源與動力工程學院650()()wdTTTdxT0T2()wEnRTQk CdTedTdx dNu因為Tw-T00，所以根號前負號消掉。T00T()2wEnwRTNu TTQk CedTd先求解TTwERTedT在邊界層內(nèi)1wwTTT21111wwwwwwTTTTTTTTT 所以有2111111()1wwww

37、wwwwwwwTTTTTTTTTTTTTTTT西安交通大學能源與動力工程學院6622()1()wwwwwwTTE TTEEER TTRTRTRTeeee22()()21wwwwwwwwE TTE TTEEETTRTRTRTRTwRTTTRTedTeedTeeE積分有2()2002()1wwwE TTEnRTRTwwQk C RTNuTTeedE2wwRTTTE20021()1wEnRTwwQk C RTNuTTedEe熾熱物體點燃的具體條件西安交通大學能源與動力工程學院67熾熱球形物體放在靜止的可燃氣體中時，Nu=2，則Tw溫度下能點燃的最小圓球直徑d為：2020()21wERTwnwTTEe

38、deQk C RTe其他條件不變時，隨著其他條件不變時，隨著d，臨界點燃溫度臨界點燃溫度，可燃氣體，可燃氣體容易被點燃。容易被點燃。點燃溫度Tw與熱球直徑d的關(guān)系(在煤氣中點燃)強迫點燃的強迫點燃的點火孕育期點火孕育期n定義：當點火源與可燃氣體接觸后到出現(xiàn)火焰的一段時間。與點燃溫度有關(guān)。西安交通大學能源與動力工程學院68點火溫度與點火孕育期的關(guān)系(混合氣：汽油和氧氣)欲縮短點火孕育期就欲縮短點火孕育期就必須提高熾熱物體的必須提高熾熱物體的溫度。溫度。3.5 3.5 燃燒熱工況燃燒熱工況n燃燒熱工況問題：討論氣流（燃料與助燃氣體的混合物）的溫度在某一系統(tǒng)中如何變化的問題。n一般情況下，溫度與燃燒

39、反應速度這兩個因素是相互促進的。燃燒加強以后使溫度升高，溫度升高以后更使燃燒加強。但是有時條件不利的話，也可能使這兩個因素相互促退。西安交通大學能源與動力工程學院69一、零元系統(tǒng)的燃燒熱工況一、零元系統(tǒng)的燃燒熱工況西安交通大學能源與動力工程學院70 假設某一空間例如是一個爐膛，內(nèi)部的氣體假設某一空間例如是一個爐膛，內(nèi)部的氣體極強烈地摻混以至爐內(nèi)溫度極強烈地摻混以至爐內(nèi)溫度 T、濃度、濃度 C 等物等物理參數(shù)非常均勻理參數(shù)非常均勻 進口進口 體積流量：體積流量：qV 氣流溫度：氣流溫度：T0 燃料或氧的濃度：燃料或氧的濃度：C0 體積：體積：V 溫度：溫度：T 濃度：濃度：C 出口出口 溫度：溫

40、度：T 濃度：濃度：C 零元系統(tǒng)零元系統(tǒng)：也也稱為稱為“強烈攪強烈攪拌的模型拌的模型”。西安交通大學能源與動力工程學院71系統(tǒng)產(chǎn)熱情況系統(tǒng)產(chǎn)熱情況n爐膛容積中的產(chǎn)熱率：爐膛容積中的產(chǎn)熱率： n按氣流可燃成分的消耗率計算：按氣流可燃成分的消耗率計算： 10exp()EQk CVQRT10()VQqCC QvvvqVk)RTE(QCq)RTE(-Vk-C)Q(CCQq-C)Q(C)RTE(-VkCQQ1exp1exp11exp10000001消去C有：Q燃料與空氣混合物的發(fā)熱量；氣流的密度；西安交通大學能源與動力工程學院720q1 0C0Qq1T單位產(chǎn)熱量q1與溫度T的關(guān)系如如把產(chǎn)熱率分攤給每把產(chǎn)

41、熱率分攤給每1m3流過爐膛的的氣流過爐膛的的氣體，則得單位產(chǎn)熱量體，則得單位產(chǎn)熱量：01100exp()1vC QQqEqRTk停留時間0 = /VV q010 0010C:exp()1,1 1/:QETqRTkqCQ系統(tǒng)散熱情況系統(tǒng)散熱情況氣流所帶走的散熱量：氣流所帶走的散熱量：西安交通大學能源與動力工程學院73Cp比熱容。220()pVQqc TTq20()VpQqcTT單位散熱量q2與溫度 T 的關(guān)系如果如果T0，q2直線就平行向右移動直線就平行向右移動。每每1m3氣體的單位散熱量氣體的單位散熱量 ：零元系統(tǒng)的熱工況零元系統(tǒng)的熱工況西安交通大學能源與動力工程學院74 q2 C q1 q2

42、 q2 A C B A q T 0 零元系統(tǒng)燃燒的熱工況1. 如果產(chǎn)熱和散熱曲線處于q1與q2I位置，一個交點A，氣流熄火。2. 如果產(chǎn)熱和散熱曲線處于q1與q2III位置，一個交點C ，氣流正常燃燒。3. 如果產(chǎn)熱和散熱曲線處于q1與q2II位置，三個交點，氣流可能熄火，也可能正常燃燒。零元系統(tǒng)的熱工況零元系統(tǒng)的熱工況西安交通大學能源與動力工程學院75a) 交點A，穩(wěn)定點。氣流熄火。b) 交點C，穩(wěn)定點，氣流正常燃燒。c) 交點B，不穩(wěn)定點。如果溫度脈動向低溫方向，則交點移動到A點，發(fā)生熄火；如果溫度脈動向高溫方向，則交點移動到B點，正常燃燒。 q2 C q1 q2 q2 A C B A q

43、 T 0 零元系統(tǒng)燃燒的熱工況各種因素對零元系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響 西安交通大學能源與動力工程學院76q0 0C0Qq1Tq2n停留時間 0增加，q1上移，熄火的可能性減小，燃燒穩(wěn)定性改善。0 = /VV qq0 QC0Qq1Tq2n發(fā)熱量增加時, q1在縱坐標方向成比例地放大, 可使燃燒穩(wěn)定性改善。各種因素對零元系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響 西安交通大學能源與動力工程學院77q0 0C0Qq1(E減小)Tq2q0 0C0Qk0Tq2n當燃料的活化能E減小的時候，q1曲線向上移動。n當燃料的頻率因子k0增加的時候，其效果與停留時間0增加是一樣的，q1曲線向上移動。n這兩個物理量的變化表明，提高燃料化學反

44、應的活性，可以使燃燒的穩(wěn)定性改善。 西安交通大學能源與動力工程學院78q0 T0C0Qq1Tq2n氣流的初溫T0升高時，q2線平行向右移動，燃燒穩(wěn)定性改善。各種因素對零元系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響 n當分析實際的燃燒室的時候，燃燒室的壁面不是絕熱的，需要把火焰對燃燒室壁面的輻射散熱考慮進去，則散熱率為：西安交通大學能源與動力工程學院7984220400()4.9 10/()plyxVVpQqc TTS TqqTc TTV 其中4.910-8 l Syx為決定燃燒室結(jié)構(gòu)的系數(shù)；燃燒室壁面的污垢系數(shù)；Syx有效輻射受熱面積；l燃燒室系統(tǒng)黑度。西安交通大學能源與動力工程學院80n當Syx，或 ，或l ，則

45、導熱系數(shù) ，從而散熱增強，q2曲線向左移動，燃燒的穩(wěn)定性下降；n其它條件不變，燃燒室容積V，單位流量氣流的散熱量，燃燒的穩(wěn)定性提高；n其它條件不變，停留時間0 ，產(chǎn)熱（q1Iq1IIq1III），散熱也（q2Iq2IIq2III），則q1與q2交點的移動有多種情況，如圖所示。如果產(chǎn)熱上升幅度更大，燃燒穩(wěn)定性增加；如果散熱的上升幅度更大，則燃燒的穩(wěn)定性下降。4020()pTqc TTVq0 C0QTqI2qII2qIII2qI1qII1qIII1CAB西安交通大學能源與動力工程學院81對于存在煙氣回流的情況，由于系統(tǒng)流動和化學反應工況的整體不變，所以停留時間和產(chǎn)熱量不變。根據(jù)熱平衡的原理，煙氣回流實際上相當于把排煙