第3章 著火理論

1、1第三章第三章 著火理論著火理論 3.1 著火基本概念3.2 熱自燃理論3.3 鏈鎖自燃理論3.4 強(qiáng)迫點(diǎn)燃理論3.5 燃燒熱工況燃燒過程是發(fā)光放熱的化學(xué)反應(yīng)過程，存在兩個最燃燒過程是發(fā)光放熱的化學(xué)反應(yīng)過程，存在兩個最基本的階段：著火階段、著火后燃燒階段?；镜碾A段：著火階段、著火后燃燒階段。反應(yīng)的引發(fā)反應(yīng)的引發(fā)劇烈反應(yīng)的劇烈反應(yīng)的加速過程加速過程燃燒階段燃燒階段著火階段（孕育期）著火階段（孕育期）第一節(jié)第一節(jié) 著火的基本概念著火的基本概念著火：著火：燃料和氧化劑混合后，由無化學(xué)反應(yīng)、緩慢的燃料和氧化劑混合后，由無化學(xué)反應(yīng)、緩慢的化學(xué)反應(yīng)向穩(wěn)定的強(qiáng)烈放熱狀態(tài)的過渡過程，最終在化學(xué)反應(yīng)向穩(wěn)定的強(qiáng)

2、烈放熱狀態(tài)的過渡過程，最終在某個瞬間在空間中某個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：預(yù)混可燃物的預(yù)混可燃物的化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)速度速度從低速狀態(tài)從低速狀態(tài)在短時(shí)間內(nèi)加速到極高速的在短時(shí)間內(nèi)加速到極高速的過程過程。熱著火熱著火鏈?zhǔn)街疰準(zhǔn)街鹄纾豪纾喝剂系男再|(zhì)；燃料的性質(zhì)；燃料與氧化劑的混合比燃料與氧化劑的混合比例；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(jī)理二、著火方式與機(jī)理n熱著火：熱著火：可燃混合物由于本身氧化反應(yīng)放熱大于散熱，或可燃混合物由于

3、本身氧化反應(yīng)放熱大于散熱，或由于外部熱源加熱，溫度不斷升高導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)不斷由于外部熱源加熱，溫度不斷升高導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)不斷自動自動加速，積累更多能量最終導(dǎo)致著火。加速，積累更多能量最終導(dǎo)致著火。大多數(shù)氣體燃料大多數(shù)氣體燃料著火特性符合熱著火的特征。著火特性符合熱著火的特征。分為：分為：n鏈?zhǔn)街穑烘準(zhǔn)街穑河捎谀撤N原因，可燃混合物中存在活化中心，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(shí)，活化中心產(chǎn)生速率大于銷毀速率時(shí)，在在分支分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的作鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的作用下，用下，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速度不斷加速，最終導(dǎo)致著火。導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速度不斷加速，最終導(dǎo)致著火。 某些低壓下著火實(shí)驗(yàn)（

4、如某些低壓下著火實(shí)驗(yàn)（如 H2+O2，CO+O2的著火）和低的著火）和低溫下的溫下的“冷焰冷焰”現(xiàn)象符合鏈?zhǔn)街鸬奶卣鳌，F(xiàn)象符合鏈?zhǔn)街鸬奶卣?。熱自燃熱自燃?qiáng)迫點(diǎn)燃強(qiáng)迫點(diǎn)燃n熱著火過程與鏈?zhǔn)街疬^程區(qū)別熱著火過程與鏈?zhǔn)街疬^程區(qū)別: :n熱著火過程：熱著火過程：溫度升高引發(fā)的，將使得系統(tǒng)中整溫度升高引發(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(dǎo)致燃燒反應(yīng)自動加速。指數(shù)規(guī)律增加。導(dǎo)致燃燒反應(yīng)自動加速。 鏈?zhǔn)街疬^程：鏈?zhǔn)街疬^程：主要是活化中心局部增加并加速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

5、以鏈?zhǔn)椒敝骋鸬?，由于活化中心會被銷毀，所以鏈?zhǔn)街鹜ǔ＞窒拊诨罨行牡姆敝乘俾蚀笥阡N毀速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，而不引起整個系統(tǒng)的溫度大幅度增加，率的區(qū)域，而不引起整個系統(tǒng)的溫度大幅度增加，形成形成“冷焰冷焰”。但是，如果活化中心能夠在整個。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。形成爆炸。相同點(diǎn)相同點(diǎn)不同點(diǎn)不同點(diǎn)都是在初始的較低的化學(xué)反應(yīng)都是在初始的較低的化學(xué)反應(yīng)速速率率下，利用某種方式，積聚下，利用某種方式，積聚某種可以使得化學(xué)反應(yīng)加速的某種可以使得化學(xué)反應(yīng)加速的因素（如溫度因素

6、（如溫度或或總的活性分子總的活性分子數(shù)），從而使得數(shù)），從而使得化學(xué)反應(yīng)速化學(xué)反應(yīng)速率率實(shí)現(xiàn)自動加速實(shí)現(xiàn)自動加速，最終形成，最終形成火火焰焰著火的微觀機(jī)理不同。著火的微觀機(jī)理不同。熱著火通常比鏈?zhǔn)街疬^熱著火通常比鏈?zhǔn)街疬^程強(qiáng)烈得多。程強(qiáng)烈得多。著火的外部條件也有所不著火的外部條件也有所不同。同。熱著火過程與鏈?zhǔn)街疬^程的對比熱著火過程與鏈?zhǔn)街疬^程的對比n需要指出的是，上述著火方式的分類不能十分準(zhǔn)需要指出的是，上述著火方式的分類不能十分準(zhǔn)確地反應(yīng)它們之間的聯(lián)系和差別。實(shí)際燃燒過程確地反應(yīng)它們之間的聯(lián)系和差別。實(shí)際燃燒過程中不可能有單純的熱著火或單純的鏈?zhǔn)街鸬那橹胁豢赡苡袉渭兊臒嶂鸹騿渭?/p>

7、的鏈?zhǔn)街鸬那闆r，而往往是況，而往往是同時(shí)存在，相互促進(jìn)同時(shí)存在，相互促進(jìn)。n一般來說，在高溫下，熱著火占主要地位；而在一般來說，在高溫下，熱著火占主要地位；而在低溫下，鏈?zhǔn)街鹫贾饕匚?。低溫下，鏈?zhǔn)街鹫贾饕匚?。一個完善的燃燒過程應(yīng)是：及時(shí)著火，穩(wěn)定燃燒，充分燃盡一個完善的燃燒過程應(yīng)是：及時(shí)著火，穩(wěn)定燃燒，充分燃盡 三、著火條件的數(shù)學(xué)描述著火條件應(yīng)具備兩個基本的效果：著火條件應(yīng)具備兩個基本的效果：（1）能夠使得系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)速）能夠使得系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)速率率自動地、持續(xù)自動地、持續(xù)地加速地加速。（2）實(shí)際的）實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)速化學(xué)反應(yīng)速率率不會趨于無窮大，而不會趨于無窮大，而最最終終會會到達(dá)

8、某個到達(dá)某個較高的較高的有限數(shù)值有限數(shù)值，且且在這個有限的在這個有限的化學(xué)反應(yīng)速化學(xué)反應(yīng)速率率的數(shù)值下，系統(tǒng)在空間中存在劇烈的數(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。發(fā)光發(fā)熱（也就是燃燒）的現(xiàn)象。第二節(jié) 熱自燃理論一、熱自燃條件一、熱自燃條件以以封閉容器封閉容器內(nèi)可燃物質(zhì)的著火過程為例，來分析熱自燃問題內(nèi)可燃物質(zhì)的著火過程為例，來分析熱自燃問題。熱自燃簡化模型熱自燃簡化模型為使問題簡化，作如下假設(shè)：為使問題簡化，作如下假設(shè)：只有熱反應(yīng)，不存在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；只有熱反應(yīng)，不存在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；容器的體積容器的體積V和表面積和表面積A為定值；為定值；容器內(nèi)的參數(shù)（如溫度濃度等）處處相同；容器

9、內(nèi)的參數(shù)（如溫度濃度等）處處相同；反應(yīng)開始時(shí)，系統(tǒng)溫度和容器壁溫與環(huán)境溫反應(yīng)開始時(shí)，系統(tǒng)溫度和容器壁溫與環(huán)境溫度度T0相同；相同；在在反應(yīng)反應(yīng)過程中，過程中，系統(tǒng)的溫度、容器壁溫與可系統(tǒng)的溫度、容器壁溫與可燃物質(zhì)溫度相同，均為燃物質(zhì)溫度相同，均為T；容器與環(huán)境之間僅存在對流換熱，容器與環(huán)境之間僅存在對流換熱，為定值為定值；可燃物質(zhì)的反應(yīng)熱可燃物質(zhì)的反應(yīng)熱Q為定值為定值；1. 在整個著火過程中，可燃物質(zhì)濃度變化很小，在整個著火過程中，可燃物質(zhì)濃度變化很小，視作不變視作不變。一、熱自燃條件單位時(shí)間內(nèi)容器內(nèi)可燃物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的放熱量單位時(shí)間內(nèi)容器內(nèi)可燃物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的放熱量Qf：fQwQVQ每摩爾每摩爾

10、可燃物質(zhì)可燃物質(zhì)反應(yīng)放出的反應(yīng)放出的熱熱量量；w化學(xué)反應(yīng)速化學(xué)反應(yīng)速率率；c可燃物濃度可燃物濃度； n 可燃物質(zhì)總體的反應(yīng)級數(shù)；可燃物質(zhì)總體的反應(yīng)級數(shù)；E可燃物質(zhì)反應(yīng)的活化能；可燃物質(zhì)反應(yīng)的活化能；k0頻率因子。頻率因子。0EnnRTwkck ecf0EnRTQVQk c e單位時(shí)間內(nèi)容器壁對環(huán)境的散熱量單位時(shí)間內(nèi)容器壁對環(huán)境的散熱量Qs為為：s0()FQA TT單位時(shí)間內(nèi)容器內(nèi)積累的熱量單位時(shí)間內(nèi)容器內(nèi)積累的熱量QL為為：LVdTQc Vdt由能量守恒定律：由能量守恒定律：LfsQQQ00()EnRTVFdTc VVQk c eA TTdtcV單位體積內(nèi)可燃物質(zhì)的定容比熱單位體積內(nèi)可燃物質(zhì)的

11、定容比熱QTACBT01T02T03TC產(chǎn)熱：產(chǎn)熱：散熱：散熱：0()sFQA TTf0EnRTQVQk c e不同初始溫度下不同初始溫度下Qf、Qs的變化曲線的變化曲線兩個交點(diǎn)：兩個交點(diǎn)：A點(diǎn)，穩(wěn)定，熄火，反應(yīng)不會自動加速而著火點(diǎn)，穩(wěn)定，熄火，反應(yīng)不會自動加速而著火;B點(diǎn)，不穩(wěn)定，燃燒點(diǎn)，不穩(wěn)定，燃燒 or 熄滅。熄滅。一個交點(diǎn)：一個交點(diǎn)：Qf Qs ，一個切點(diǎn)；，一個切點(diǎn)；切點(diǎn)切點(diǎn)C不穩(wěn)定，有波動不穩(wěn)定，有波動要么回到要么回到C點(diǎn)，要么著火；點(diǎn)，要么著火；C點(diǎn)點(diǎn)熱自燃點(diǎn)熱自燃點(diǎn) ；TC熱自燃溫度（著火溫度）。熱自燃溫度（著火溫度）。無交點(diǎn)：無交點(diǎn)： QfQs，系統(tǒng)內(nèi)能量積累，可燃物溫度不斷

12、提高，系統(tǒng)內(nèi)能量積累，可燃物溫度不斷提高著火。著火。自燃的充分必要條件：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。fs|CCT TT TQQsf|CCT TT TdQdQdTdT數(shù)學(xué)描述：數(shù)學(xué)描述：二、熱自燃溫度由由0F0CERTnCVQk c eA TT0F2CERTnCEVQk c eART將上兩式作比得：將上兩式作比得：200CCRTTTEfs|CCT TT TQQsf|CCT TT TdQdQdTdT解方程得解方程得：04112CRTETRE正根號是無正根號是無意義意義：04112CRTETRE謝苗諾夫公式謝苗諾夫公式0300 1000TK80 400/EkJ mol8

13、.314 /RJ mol041RTE 所以：將所以：將展開，忽略高次項(xiàng)，014RTE2000411 22RTRTRTEEE 2000411 22RTRTRTEEE 04112CRTETRE200CRTTTE200CCRTTTTE 若E=167.2kJ/mol，T0=1000K，則0050CTTT0CTT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。三、影響熱自燃的因素對流換熱系數(shù)對流換熱系數(shù) ： ，散熱，散熱直線直線Qs的斜率的斜率， Qs直線將直線將以橫軸上以橫軸上T0點(diǎn)為軸心向右轉(zhuǎn)點(diǎn)為軸心向右轉(zhuǎn)動，與動，與Qf相切，自燃。相切，自燃。散熱面積散熱面積AF： AF ，與減

14、小，與減小對流換熱系數(shù)效果相同。對流換熱系數(shù)效果相同?？扇嘉餄舛瓤扇嘉餄舛萩：c p ，產(chǎn)熱，產(chǎn)熱曲線曲線Qf向左上方移動，與散向左上方移動，與散熱直線熱直線Qs相切，自燃。相切，自燃。QTT0Tc123 1 2 3QTT0Tcp1p2p3p1 p2 p3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名稱分子式分子式著火溫度著火溫度/氫氫H H2 2530530590590一氧化碳一氧化碳COCO654654658658甲烷甲烷CHCH4 4658658750750乙烷乙烷C C2 2H H6 6520520630630乙烯乙烯

15、C C2 2H H4 4542542547547乙炔乙炔C C2 2H H2 2406406480480苯苯C C6 6H H6 6580580740740航空汽油航空汽油390390685685原油原油360360367367重油重油336336煤油煤油250250609609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種類種類著火溫度著火溫度/ /木柴木柴250250350350泥炭泥炭225225280280褐煤褐煤200200350350200200400400300300500500無煙煤無煙煤600600700700焦炭焦炭700700碳黑碳黑560560600600高揮發(fā)

16、分煙煤低揮發(fā)分n烷、烯、炔的著火溫度是烷烴最高（為飽和烴，所以活烷、烯、炔的著火溫度是烷烴最高（為飽和烴，所以活性低），炔烴最低（三價(jià)鍵不飽和烴，活性最強(qiáng)）。性低），炔烴最低（三價(jià)鍵不飽和烴，活性最強(qiáng)）。n液體燃料著火溫度一般液體燃料著火溫度一般小于小于氣體燃料著火溫度。氣體燃料著火溫度。注注意，這里說的著火溫度是意，這里說的著火溫度是熱熱自燃自燃的著火溫度。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)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(yù)熱分很少，所以著火溫度最高。褐煤煤場、油爐空氣預(yù)熱器上積的油、制粉系統(tǒng)的積粉等等，

17、在通風(fēng)不良（散熱器上積的油、制粉系統(tǒng)的積粉等等，在通風(fēng)不良（散熱Q2很小時(shí)），經(jīng)相當(dāng)長時(shí)間孕育，可燃物濃度達(dá)到著火很小時(shí)），經(jīng)相當(dāng)長時(shí)間孕育，可燃物濃度達(dá)到著火限時(shí)，在低于室溫的情況下，也會自燃著火。限時(shí)，在低于室溫的情況下，也會自燃著火。n特別強(qiáng)調(diào)特別強(qiáng)調(diào): TC不是不是一個物理常數(shù)，它是隨著著火條件一個物理常數(shù)，它是隨著著火條件變化而變化的，散熱條件增強(qiáng)，則著火溫變化而變化的，散熱條件增強(qiáng)，則著火溫度上升。度上升。三、熱自燃界限20foxF222CERTCCCpEVQk x xeAR TRT20fox34F1CERTCCVQk Ex x peA R TPC-TC之間的關(guān)系之間的關(guān)系：pC，

18、則，則TC，混合氣體易發(fā)生自燃?；旌蠚怏w易發(fā)生自燃。由由得到熱自燃條件：得到熱自燃條件：或或02CERTnFCEVQk c eARTsf|CCT TT TdQdQdTdTpcxRToxoxpcxRTFF1、熱自燃溫度和壓力的關(guān)系、熱自燃溫度和壓力的關(guān)系2、自燃、自燃溫度和燃料與氧化劑的混合比溫度和燃料與氧化劑的混合比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(dāng)當(dāng)P或或T下降到下降到某一值時(shí)，著火某一值時(shí)，著火界限下降成一點(diǎn)。界限下降成一點(diǎn)。當(dāng)當(dāng)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。著火區(qū)著火區(qū)pcx1x2Tc=定值定值自燃溫度與混合

19、氣成分關(guān)系著火區(qū)著火區(qū)Tcx1x2Pc=定值定值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，并非所有混合下，并非所有混合氣成分都能著火，而是有一定的摩爾分?jǐn)?shù)范圍。氣成分都能著火，而是有一定的摩爾分?jǐn)?shù)范圍。超過這一范圍，混合氣就不能著火。如在超過這一范圍，混合氣就不能著火。如在T0-x關(guān)關(guān)系曲線系曲線圖和圖和pC-x關(guān)系曲線關(guān)系曲線圖中，只有在圖中，只有在x1-x2的濃的濃度范圍內(nèi)混合氣才可能著火。度范圍內(nèi)混合氣才可能著火。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(即含燃料量少的即含燃料量少的)為下限為下限(或貧燃料或貧燃料)。 20f

20、341CERToxCFCVQk Ex x peA R T保持其他參數(shù)不變，則有2CFVpA常數(shù)對直徑d的球形容器，則有32/6FVdAd2Cp d 常數(shù)d ，則則pC ，從而提高可，從而提高可燃物質(zhì)的著火性能。燃物質(zhì)的著火性能。3、自燃、自燃和和容器的比表面積容器的比表面積四、熱自燃孕育期n熱自燃熱自燃孕育孕育期期即為即為著火延遲期。著火延遲期。n直觀意義直觀意義：指可燃物質(zhì)由指可燃物質(zhì)由可以可以反應(yīng)到燃燒出現(xiàn)反應(yīng)到燃燒出現(xiàn)的一段時(shí)間。的一段時(shí)間。n定義定義：在可燃物質(zhì)已達(dá)到著火的條件下，由初：在可燃物質(zhì)已達(dá)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(shí)間。始狀態(tài)到溫度驟升的瞬間所需的時(shí)間

21、。n系統(tǒng)積累的溫度全部用于提高預(yù)混可燃?xì)獾臏叵到y(tǒng)積累的溫度全部用于提高預(yù)混可燃?xì)獾臏囟龋憾龋簐0foxF0()ERTdTC VQVk cx x eA TTdt熱自燃著火發(fā)生過程中溫度隨時(shí)間的變化曲線熱自燃著火發(fā)生過程中溫度隨時(shí)間的變化曲線t12345TCT一、鏈一、鏈鎖鎖自燃與熱自燃自燃與熱自燃著火的熱自燃理論認(rèn)為熱自燃發(fā)生是由于在孕育期內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果使熱量不斷積累，從而導(dǎo)致反應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果從一個方面說明了熱自燃理論的正確性。CO著火界限第三節(jié) 鏈鎖自燃理論n但是也有很多現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是也有很多現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用

22、熱自燃理論是無法解釋的。有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，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，界限，而是著火界限呈半島形，且有且有2個或個或3個，甚至更多的著火個，甚至更多的著火界限。界限。H2+O2的著火界限CH4+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(yīng)在高壓區(qū)有多個著火界限出現(xiàn)。這些實(shí)驗(yàn)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?zhǔn)阶匀祭碚撚锌赡芙忉?/p>

23、其中的一部分現(xiàn)象。二、鏈鎖自燃條件n鏈?zhǔn)阶匀祭碚撜J(rèn)為，使反應(yīng)自動加速并不一定需要熱量鏈?zhǔn)阶匀祭碚撜J(rèn)為，使反應(yīng)自動加速并不一定需要熱量積累，而可以通過鏈的不斷積累，而可以通過鏈的不斷分支分支來迅速增加鏈載體的數(shù)來迅速增加鏈載體的數(shù)量，從而導(dǎo)致反應(yīng)自動地加速直至著火。量，從而導(dǎo)致反應(yīng)自動地加速直至著火。如：氫和氧的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，反應(yīng)機(jī)理：熱運(yùn)動生成氫原子熱運(yùn)動生成氫原子分子碰撞分子碰撞形成的形成的 鏈分支的結(jié)果鏈分支的結(jié)果1個氫原子反應(yīng)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123dcwwwdtn鏈載體的

24、瞬時(shí)濃度鏈載體的瞬時(shí)濃度；w1熱的作用而生成鏈載體的速度熱的作用而生成鏈載體的速度；w2由鏈由鏈分支分支造成的鏈載體凈增加速度造成的鏈載體凈增加速度；w3鏈載體的銷毀速度鏈載體的銷毀速度；g鏈載體銷毀速度系數(shù)；鏈載體銷毀速度系數(shù)；f鏈載體凈增加速度系數(shù)。鏈載體凈增加速度系數(shù)。鏈載體隨時(shí)間的變化為鏈載體隨時(shí)間的變化為2wfc3wgc1dcwfcgcdtfg令1dcwcdt初始條件為：0,0,tctt cc積分得1(1)twce 以最終產(chǎn)物表示的反應(yīng)速度為以最終產(chǎn)物表示的反應(yīng)速度為1(1)tafwwafcea為一個鏈載體參加反應(yīng)后生成最終產(chǎn)物的分子數(shù)，在上述氫和氧反應(yīng)例子中，消耗1個氫原子將生成3

25、個新的氫原子和2個水分子，所以a值為2。對于不對于不分支分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，f0，g。t 11limlim(1)gtttwwcegg鏈載體濃度為定值，所以不分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 不會發(fā)生著火。 在低溫下，在低溫下，分支分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度很慢，而鏈中斷反應(yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度很慢，而鏈中斷反應(yīng)速度卻很快，因此速度卻很快，因此0。t 11limlim(1)tttwwce 110limlim(1)tttafwafwwew 表明這種情況下的反應(yīng)是穩(wěn)定的，不會發(fā)展成著火。分支分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程當(dāng)當(dāng)溫度溫度T 時(shí)時(shí) ，f ，g不變，不變， 0，c、w隨隨t指數(shù)指數(shù)增大。增大。由于由于w1很小很小，當(dāng)當(dāng)ti，鏈

26、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?zhǔn)阶匀兼準(zhǔn)阶匀?，不不穩(wěn)定。穩(wěn)定。反應(yīng)物耗反應(yīng)物耗盡盡 ，w fg1(1)twce1(1)tafwwafce在某個溫度下，可使在某個溫度下，可使=0，即，即鏈載體增殖速度與銷毀速鏈載體增殖速度與銷毀速度達(dá)到平衡，度達(dá)到平衡，f=g。則有：。則有：1100limlim(1)twcewt1100limlim(1)tafwweafwt反應(yīng)速度反應(yīng)速度w隨時(shí)間隨時(shí)間t直線增加，但由于直線增加，但由于w1很小，所以很小，所以在這種情況下，直到反應(yīng)物耗盡也不會著火。在這種情況下，直到反應(yīng)物耗盡也不會著火。0，著火，著火，反應(yīng)反應(yīng)不不穩(wěn)定。穩(wěn)定

27、。0，反應(yīng)穩(wěn)定，反，反應(yīng)穩(wěn)定，反應(yīng)速度趨于定值。應(yīng)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)定狀向自行加速的非穩(wěn)定狀態(tài)過渡態(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?zhǔn)阶匀兼準(zhǔn)阶匀紬l件條件，相應(yīng)的溫度為鏈，相應(yīng)的溫度為鏈?zhǔn)阶匀紲囟取Ｊ阶匀紲囟?。分支分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度隨時(shí)間的變化規(guī)律鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度隨時(shí)間的變化規(guī)律三、鏈?zhǔn)阶匀荚杏龝r(shí)間 定義定義：從反應(yīng)開始到反應(yīng)速從反應(yīng)開始到反應(yīng)速率率明顯加快的瞬間所需要明顯加快的瞬間所需要的時(shí)間的時(shí)間i。1(1)iafwwe此時(shí)的反應(yīng)速度為：在孕育期內(nèi)較大，則e i 1，f，則有1iwawe兩邊取對數(shù)，整理得11lntiwawi 常數(shù)

28、常數(shù) 時(shí)，孕育期i 第四節(jié) 強(qiáng)迫點(diǎn)燃理論一、強(qiáng)迫點(diǎn)燃與熱自燃一、強(qiáng)迫點(diǎn)燃與熱自燃熱自燃與強(qiáng)迫點(diǎn)燃對比熱自燃與強(qiáng)迫點(diǎn)燃對比自燃強(qiáng)燃條件 Qf=Qs， T=Tqr， 過程 自發(fā)整個空間，可燃混 合物WC很慢放熱 升溫多放熱再升 溫：積蓄達(dá)到著火 強(qiáng)制，局部整個空間， 用高溫物體置于可燃混合 物中 ，溫差熱傳遞 ， 邊界層內(nèi)加熱著火溫度 著火 原理上 均是化學(xué)反應(yīng)急劇加速的結(jié)果 外界溫度 有一定限制 無要求fsdQdQdTdT0dTdx 強(qiáng)迫點(diǎn)燃的參數(shù)：強(qiáng)迫點(diǎn)燃的參數(shù)：點(diǎn)燃溫度、點(diǎn)燃孕育時(shí)間點(diǎn)燃溫度、點(diǎn)燃孕育時(shí)間、點(diǎn)燃濃度界限點(diǎn)燃濃度界限和和點(diǎn)點(diǎn)火源尺寸火源尺寸。 影響因素：影響因素：可燃物質(zhì)的化學(xué)

29、性質(zhì)、濃度、溫度可燃物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)、濃度、溫度、壓力壓力、點(diǎn)點(diǎn)燃方法、點(diǎn)火能和可燃物質(zhì)的流動性質(zhì)等燃方法、點(diǎn)火能和可燃物質(zhì)的流動性質(zhì)等。二、強(qiáng)迫點(diǎn)燃方法 熾熱物體點(diǎn)燃熾熱物體點(diǎn)燃點(diǎn)燃靜止的或低速流動的可燃點(diǎn)燃靜止的或低速流動的可燃物質(zhì)物質(zhì)。 電火花點(diǎn)燃電火花點(diǎn)燃點(diǎn)燃低速流動的易燃的氣體燃料點(diǎn)燃低速流動的易燃的氣體燃料，如如汽油發(fā)動機(jī)中預(yù)混合氣內(nèi)的電火花點(diǎn)火汽油發(fā)動機(jī)中預(yù)混合氣內(nèi)的電火花點(diǎn)火。 火焰點(diǎn)燃火焰點(diǎn)燃點(diǎn)火能量大，在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。點(diǎn)火能量大，在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。三、熾熱物體點(diǎn)燃理論把一熾熱物體放在靜止的氣體中，且把一熾熱物體放在靜止的氣體中，且TwT0，熾熱物體，熾熱物體與周圍氣體的換熱

30、情況與周圍氣體的換熱情況有以下幾種：有以下幾種：氣體為不可燃?xì)怏w的溫度氣體為不可燃?xì)怏w的溫度分布（不含化學(xué)反應(yīng)）分布（不含化學(xué)反應(yīng)）氣體為可燃?xì)怏w的實(shí)際溫氣體為可燃?xì)怏w的實(shí)際溫度分布（含化學(xué)反應(yīng)）度分布（含化學(xué)反應(yīng)）化學(xué)反應(yīng)放熱化學(xué)反應(yīng)放熱1.物體表面溫度Tw較低，如Tw=Tw1時(shí)，若氣體為可燃?xì)怏w，則可燃?xì)怏w只有微弱的化學(xué)反應(yīng)，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(shí)物體表面 溫 度 梯 度 為 負(fù) 值 ， 即(dT/dx)w0。氣體為不可燃?xì)怏w的溫度氣體為不可燃?xì)怏w的溫度分布（不含化學(xué)反應(yīng)）分布（不含化學(xué)反應(yīng)）氣體為可燃?xì)怏w的實(shí)際溫氣體為可燃?xì)怏w的實(shí)際溫度分布（含化學(xué)反應(yīng)）

31、度分布（含化學(xué)反應(yīng)）化學(xué)反應(yīng)放熱化學(xué)反應(yīng)放熱2.若Tw升高，則可燃?xì)怏w化學(xué)反 應(yīng) 速 度 w ， 放 熱 量 ，(dT/dx)w ，陰影區(qū)域擴(kuò)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(qiáng)迫點(diǎn)燃溫度。點(diǎn)燃點(diǎn)燃臨界臨界條件條件氣體為不可燃?xì)怏w的溫度氣體為不可燃?xì)怏w的溫度分布（不含化學(xué)反應(yīng)）分布（不含化學(xué)反應(yīng)）氣體為可燃?xì)怏w的實(shí)際溫氣體為可燃?xì)怏w的實(shí)際溫度分布（含化學(xué)反應(yīng)）度分布（含化學(xué)反應(yīng)）化學(xué)反應(yīng)放熱化學(xué)反應(yīng)放熱3.若Tw進(jìn)一步升高，如Tw=Tw3時(shí)，反應(yīng)速度進(jìn)一步加快，放熱散熱，由于熱量積累，反

32、應(yīng)會自動地加速到著火。此時(shí)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。dAsdAsdAsdAs22)sssdTdTd TdAdx dAQwdxdAdxdxdx 022d TQwdx 0202 EnRTd TQk c edx00EnRTwk c e代入123QQQ 0由能量守恒有：整理得：第五節(jié) 燃燒熱工況n 燃燒熱工況問題：討論氣流（燃料與助燃?xì)怏w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，溫度與燃燒反應(yīng)速度這兩個因素是相互促進(jìn)的。燃燒加強(qiáng)以后使溫度升高，溫度升高以后更使燃燒加強(qiáng)。但是有時(shí)條件不利的話，也可能使這兩個因素相互促退。一、零

33、元系統(tǒng)的燃燒熱工況 假設(shè)某一空間例如是一個爐膛，內(nèi)部的氣體假設(shè)某一空間例如是一個爐膛，內(nèi)部的氣體極強(qiáng)烈地?fù)交煲灾翣t內(nèi)溫度極強(qiáng)烈地?fù)交煲灾翣t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(jìn)口進(jìn)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：溫度：T 濃度：濃度：C 零元系統(tǒng)零元系統(tǒng)：也也稱為稱為“強(qiáng)烈攪強(qiáng)烈攪拌的模型拌的模型”。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(jì)算：按氣流可燃成分的消耗率計(jì)算： 10ERTQk

34、cVQe10()VQqcc Q00010001111e1eeERTEE-VVRTRTV(c -c)QcQ(c -c)Qc QcQQqqk Vk Vk Vq消去c有：Q燃料與空氣混合物的發(fā)熱量；氣流的密度；單位產(chǎn)熱量q1與溫度T的關(guān)系如如把產(chǎn)熱率分?jǐn)偨o每把產(chǎn)熱率分?jǐn)偨o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：01100e1EVRTc QQqqk停留時(shí)間0 = VVq010 0010:exp()1,11:cQETqRTkqcQ0q1 0c0Qq1T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：cp預(yù)混可燃?xì)獾亩▔罕葻崛荨?20()pVQqc TTq20()Vp

35、QqcTT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a) 交點(diǎn)A，穩(wěn)定點(diǎn)。氣流 熄火。b) 交點(diǎn)C，穩(wěn)定點(diǎn)，氣流 正常燃燒。c) 交點(diǎn)B，不穩(wěn)定點(diǎn)。如 果溫度脈動向低溫方 向， 則交點(diǎn)移動到A 點(diǎn)，發(fā)生熄火；如果溫 度脈動向高溫方向，則 交點(diǎn)移動到B點(diǎn)，正常 燃燒。1. 如果產(chǎn)熱和散熱曲線處于 q1 與q2I位置，一個交點(diǎn) 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(diǎn) 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(diǎn)，氣

36、流可能熄火，也可 能正常燃燒。零元系統(tǒng)的熱工況各種因素對零元系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響各種因素對零元系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響 n停留時(shí)間 0增加，q1上移，熄火的可能性減小，燃燒穩(wěn)定性改善。n發(fā)熱量Q增加時(shí), q1在縱坐標(biāo)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)定性的影響各種因素對零元系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響 n 當(dāng)燃料的活化能E減小的時(shí)候，q1曲線向上移動。n 當(dāng)燃料的頻率因子k0增加的時(shí)候，其效果與停留時(shí)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(xué)反應(yīng)的活性，可以 使燃燒的穩(wěn)定性改善。n氣流的初溫T0升高時(shí)，q2線平行向右移動，燃燒穩(wěn)定性改善。各

37、種因素對開口系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響各種因素對開口系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響 另外：另外：當(dāng)分析實(shí)際的燃燒室的時(shí)候，燃燒室的壁面不是絕當(dāng)分析實(shí)際的燃燒室的時(shí)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(jìn)去，則熱的，需要把火焰對燃燒室壁面的輻射散熱考慮進(jìn)去，則散熱率為散熱率為：842201400()4.9 10/ ()pSyxVVpQqc TTA TqqTc TTV 其中4.910-8 1 ASyx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)；ASyx有效輻射受熱面積；1 燃燒室系統(tǒng)黑度。當(dāng)當(dāng)ASyx，或或 ，或或1 ，則系數(shù)則系數(shù) ，從而散熱增強(qiáng)，從而散熱增強(qiáng)，q2曲線向左移曲線向左移動，燃燒的穩(wěn)定性下降動，燃燒的穩(wěn)定性下降；其它條件不變，其它條件不變，燃燒室容積燃燒室容積V，單單位流量氣流的散熱量位流量氣流的散熱量，燃燒的穩(wěn)，燃燒的穩(wěn)定性定性提高；提高；其它條件不變，其它條件不變，停留時(shí)間停留時(shí)間0 ，產(chǎn)產(chǎn)熱熱（q1Iq1IIq1III），散熱），散熱也也（q2Iq2IIq2III），則），則q1與與q2交點(diǎn)交點(diǎn)的移動有多種情況，如圖所示。如的移動有多種情況，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，增加；如果散熱的上升幅度更大，則燃燒的穩(wěn)定性下降。則燃燒的穩(wěn)定性下降。4020()pTqc