燃燒理論5著火的理論基礎(chǔ)

1、研究不同著火方式的著火機理。研究不同著火方式的著火機理。著火過程及方式著火過程及方式鏈反應(yīng)速度鏈反應(yīng)速度鏈反應(yīng)的發(fā)展過程鏈反應(yīng)的發(fā)展過程著火的熱自燃理論著火的熱自燃理論著火的鏈式反應(yīng)理論著火的鏈式反應(yīng)理論強迫著火強迫著火強迫著火過程強迫著火過程常用點火方法常用點火方法電火花點火電火花點火鏈反應(yīng)的延遲期鏈反應(yīng)的延遲期著火方式與機理著火方式與機理著火溫度著火溫度熱自燃過程分析熱自燃過程分析著火溫度求解著火溫度求解謝苗諾夫公式謝苗諾夫公式熱自燃界限熱自燃界限熱自燃的延遲期熱自燃的延遲期點火的可燃界限點火的可燃界限主要任務(wù)主要任務(wù)著火理論著火理論基礎(chǔ)基礎(chǔ) 著火概念、方式和機理，謝苗諾夫熱自燃理論，著火

2、概念、方式和機理，謝苗諾夫熱自燃理論，鏈式反應(yīng)理論，烴類鏈式反應(yīng)理論，烴類空氣混合著火特性，強迫著火空氣混合著火特性，強迫著火的兩種理論，著火界限的兩種理論，著火界限 謝苗諾夫熱自燃理論謝苗諾夫熱自燃理論 鏈式反應(yīng)理論鏈式反應(yīng)理論 知識要點知識要點知識重點知識重點知識難點知識難點按照燃氣和空氣混合情況按照燃氣和空氣混合情況Turbulent Nonpremixed Flames：燃料與氧化劑分子混合后，從開始發(fā)生化學(xué)反：燃料與氧化劑分子混合后，從開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)加速，溫度升高達到激烈的燃燒反應(yīng)之前的應(yīng)，反應(yīng)加速，溫度升高達到激烈的燃燒反應(yīng)之前的一段過程。一段過程。一、著火的方式與機理n自

3、然界中燃料的著火方式自然界中燃料的著火方式 預(yù)混可燃氣體由于自身溫度的升高而導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)預(yù)混可燃氣體由于自身溫度的升高而導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率自行加速引起的著火稱為自然速率自行加速引起的著火稱為自然 預(yù)混可燃氣體由于外界能量的加入，如電火花等點預(yù)混可燃氣體由于外界能量的加入，如電火花等點火源點致使預(yù)混可燃氣體化學(xué)反應(yīng)速度急劇加快引火源點致使預(yù)混可燃氣體化學(xué)反應(yīng)速度急劇加快引起的著火起的著火。和和統(tǒng)稱之為統(tǒng)稱之為n影響著火的因素影響著火的因素n 燃料性質(zhì)燃料性質(zhì)n 燃料與氧化劑的比例燃料與氧化劑的比例n 環(huán)境壓力及溫度環(huán)境壓力及溫度n 氣流速度氣流速度n 燃燒室尺寸等等。燃燒室尺寸等等。 化學(xué)動力學(xué)因

4、素（本章分析的重點）化學(xué)動力學(xué)因素（本章分析的重點）流體力學(xué)因素（燃燒階段）流體力學(xué)因素（燃燒階段）自燃著火機理主要包括兩種自燃著火機理主要包括兩種反應(yīng)物溫度不斷升高，反應(yīng)加反應(yīng)物溫度不斷升高，反應(yīng)加 快，直到著火，可用阿累尼烏斯定律和質(zhì)量作快，直到著火，可用阿累尼烏斯定律和質(zhì)量作 用定律解釋。用定律解釋?；钚灾行脑鲋禂?shù)大于銷毀，活性中心增值數(shù)大于銷毀， 反應(yīng)不斷加快，分支鏈反應(yīng)和直鏈反應(yīng)。反應(yīng)不斷加快，分支鏈反應(yīng)和直鏈反應(yīng)。 一般來說，在一般來說，在高溫高溫下，下，熱自燃熱自燃是著火的主要原因，而在是著火的主要原因，而在低低溫溫時則時則支鏈反應(yīng)支鏈反應(yīng)是著火的主要原因。但實際燃燒過程中，是著

5、火的主要原因。但實際燃燒過程中，不可能是純粹的熱自燃或鏈鎖自燃存在，事實上，它們是不可能是純粹的熱自燃或鏈鎖自燃存在，事實上，它們是同時存在而且是相互促進的。同時存在而且是相互促進的。 二著火的兩大特征n ：在該溫度下，取決于導(dǎo)熱性能：在該溫度下，取決于導(dǎo)熱性能的初始散失熱量等于同樣時間內(nèi)因化學(xué)反的初始散失熱量等于同樣時間內(nèi)因化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化而形成的熱量。熱著火理論指出著應(yīng)轉(zhuǎn)化而形成的熱量。熱著火理論指出著火溫度不是物質(zhì)的一個專門性質(zhì)，事實上火溫度不是物質(zhì)的一個專門性質(zhì)，事實上它表示在正?；瘜W(xué)過程中它表示在正常化學(xué)過程中(可燃物和氧化劑可燃物和氧化劑之間的反應(yīng)過程之間的反應(yīng)過程)放熱的反作用的結(jié)果

6、。放熱的反作用的結(jié)果。n ：著火前的物理準備過程。：著火前的物理準備過程。 一.熱自燃過程分析n 放熱和散熱過程放熱和散熱過程 著火是反應(yīng)放熱因素和散熱因素相互著火是反應(yīng)放熱因素和散熱因素相互作用的結(jié)果。作用的結(jié)果。 放熱放熱散熱：著火成功；散熱：著火成功； 放熱放熱 q1 ， 散熱放熱，T ，回到A點; 當T ，q2 q1 , 散熱 1將得到與某一個固定的鏈長相對應(yīng)的反應(yīng)速度，但為負值，毫無物理意義。在這種情況下涉及到鏈中斷的概率，即在第一關(guān)系式中應(yīng)該用-代替】著火條件：著火條件：或01活性中心濃度的變化速度活性中心濃度的變化速度 ：0dnnnndttt= + 0()dnnfg ndt,fg

7、tt令 ： f 為鏈進展的動力學(xué)系數(shù) g 為鏈中斷的動力學(xué)系數(shù) （f 、g分別與溫度，活化能以及其他因素有關(guān)）0()dnnfg ndtnnddnt0RTEmeP/ 常數(shù)其中：其中： （鏈的繼續(xù)概率）（鏈的繼續(xù)概率） 用用Lagrange法積分得：法積分得： 0(1)nne tnn0) 0() 0(分支鏈鎖反應(yīng)速度隨時間的變化做出圖來是什么分支鏈鎖反應(yīng)速度隨時間的變化做出圖來是什么樣的呢？樣的呢？等溫時分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時間的變化規(guī)律n在低溫時，由于鏈的分枝速度很緩慢，而鏈的中斷速在低溫時，由于鏈的分枝速度很緩慢，而鏈的中斷速度卻很快，度卻很快，fg，則，則g或或0 ，活化中心濃度迅速增大，引起

8、自燃。，活化中心濃度迅速增大，引起自燃。 當鏈反應(yīng)進行是具有較高的活性中心初始當鏈反應(yīng)進行是具有較高的活性中心初始濃度濃度 ，且為，且為c0時，鏈支化反應(yīng)總速度：時，鏈支化反應(yīng)總速度： ttt000)(necnnw1tetttecnnw)(00tAew )(00tcnA若 ：記為：鏈式著火的條件鏈式著火的條件： crww crw著火臨界遏制速度值著火臨界遏制速度值如果假設(shè)經(jīng)過一段時間（誘導(dǎo)期或習(xí)慣上叫著火延如果假設(shè)經(jīng)過一段時間（誘導(dǎo)期或習(xí)慣上叫著火延遲期、孕育期）反應(yīng)速度達到臨界值，遲期、孕育期）反應(yīng)速度達到臨界值， 則：則：常數(shù)crweAit常數(shù)it常數(shù)iRTEmePt/RTEmiep/常數(shù)

9、t 謝苗諾夫從理論上推導(dǎo)出的謝苗諾夫從理論上推導(dǎo)出的3/1102TcmiepCt)(21RECC常數(shù)，5.4 強迫著火（點燃）工程上的燃料著火的方式通常為工程上的燃料著火的方式通常為，即，即。 n概念概念 用熾熱的高溫物體使混合氣的一小部分著火，用熾熱的高溫物體使混合氣的一小部分著火，形成局部的火焰核心；然后這個火焰核心再把鄰近形成局部的火焰核心；然后這個火焰核心再把鄰近的混合氣點燃。這樣逐層依次地引起火焰的傳播從的混合氣點燃。這樣逐層依次地引起火焰的傳播從而使整個混合氣燃燒起來。而使整個混合氣燃燒起來。 常用金屬板、柱、絲或球作為電阻，通以電流使常用金屬板、柱、絲或球作為電阻，通以電流使其熾

10、熱；亦有用熱輻射加熱耐火磚或陶瓷棒等形成各其熾熱；亦有用熱輻射加熱耐火磚或陶瓷棒等形成各種熾熱物體在可燃混合氣中進行點火。種熾熱物體在可燃混合氣中進行點火。 工程上常用，工程上常用，用于流速較低、易燃的混合氣中，用于流速較低、易燃的混合氣中，如一般的汽油發(fā)動機。如一般的汽油發(fā)動機。 常用于鍋爐、燃氣輪機燃燒室中的點火。最大優(yōu)常用于鍋爐、燃氣輪機燃燒室中的點火。最大優(yōu)點就在于具有較大的點火能量。點就在于具有較大的點火能量。三. 熾熱物體點火n對于不可燃氣體，當有熾熱物體靠近時，只帶來對于不可燃氣體，當有熾熱物體靠近時，只帶來邊界處溫升，沒有燃燒放熱帶來的溫升；邊界處溫升，沒有燃燒放熱帶來的溫升；

11、n對于可燃氣體，當有熾熱物體靠近時，既有溫差對于可燃氣體，當有熾熱物體靠近時，既有溫差帶來的溫升，又有燃燒帶來的溫升；帶來的溫升，又有燃燒帶來的溫升；n靠近壁面處，靠近壁面處，Tw = T，反應(yīng)快，放熱多，反應(yīng)快，放熱多，T高；高；n 遠離壁面處：遠離壁面處：n傳熱少，溫升小；傳熱少，溫升?。籲 溫度低，燃燒反應(yīng)慢，溫升小。溫度低，燃燒反應(yīng)慢，溫升小。熾熱物體點燃模型熾熱物體點燃模型對熾熱物體點燃可燃混合物的機理可采用零值邊界梯度對熾熱物體點燃可燃混合物的機理可采用零值邊界梯度物理模型進行說明。物理模型進行說明。假設(shè)將一溫度恒定的熾熱物體放入可燃混合物中，混合假設(shè)將一溫度恒定的熾熱物體放入可燃

12、混合物中，混合物的溫度為物的溫度為T0，當熾熱物體的溫度分別為，當熾熱物體的溫度分別為T1、T2、T3時，則經(jīng)時，則經(jīng)過熱傳導(dǎo)后，在可燃混合物與熾熱物體接觸的邊界層內(nèi)將出現(xiàn)過熱傳導(dǎo)后，在可燃混合物與熾熱物體接觸的邊界層內(nèi)將出現(xiàn)所示的溫度分布。所示的溫度分布。 強迫點燃過程中邊界層內(nèi)的溫度分布 a）T1Tqr 圖(a)中，T1Tqr，可燃混合物除了向周圍介質(zhì)傳熱外，還有多余的熱量用于進一步提高自身的溫度，最后導(dǎo)致著火。物體表面邊界層內(nèi)混合物的溫度梯度0dxdT0dxdT因此，可以把熾熱物體表面邊界層內(nèi)混合物的溫度梯度 作為熾熱物體點燃的臨界條件。 0dxdT 根據(jù)上述點燃臨界條件，可以計算出熾熱

13、物體點燃時的臨界溫度，即強燃溫度Tqr。當物體表面溫度高于Tqr，則該物體能夠點燃可燃混合物，使其著火。強燃溫度物體表面上的邊界層 以平板形狀的熾熱物體為例，討論強燃溫度Tqr的計算。 如圖所示為一熾熱平板，平板的表面溫度為 Tqr ，平板對其表面上氣體邊界層加熱，形成一條溫度邊界曲線，對距平板表面為x、厚度為dx的一層微元氣體進行平衡分析。 設(shè)該微元氣體的表面積為A，導(dǎo)熱系數(shù)為，進口溫度為T，則導(dǎo)入熱量為： AdxdTq1導(dǎo)出熱量為： AdxdxdxdTTdq2即 AdxdxTddxdTq222可燃微元氣體在溫度T時化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為： AdxQCRTEkrnexp0微元氣體熱平衡為： 0

14、exp021AdxQCRTEkqqrn即 0exp022dxAQCRTEkAdxdxTddxdTAdxdTrn整理得 0exp022rnQCRTEkdxTd上式乘上dT再進行積分可得： 0exp022dTRTEkQCdTdxTdrn由于 2222dxdTdxdTddxdTdTdxTd則有 0exp202dTRTEQCkdxdTrn（5-a）假定邊界層內(nèi)氣體濃度均勻分布，則邊界層內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速度便取決于阿累尼烏斯因子 。 右圖表示阿累尼烏斯因子隨溫度變化的曲線。該曲線開始時上升緩慢，以后越來越陡，反應(yīng)速度變化很大。為了簡化，認為邊界層內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)全部集中發(fā)生在RTEexp壁面附近的高溫區(qū)，即從溫度

15、Tqr至 之間的那一層內(nèi)，并且假定這一層內(nèi)的反應(yīng)速度都等于溫度為Tqr時的速度值，在上圖中，即以折線0-1-2-3代替 曲線0-3。ERTTqrqr2RTEexp圖5-a k-T曲線的簡化 對于簡化層，壁面處溫度為Tqr且 ，而在外層點1的平面上，溫度為 且 。由于假定在點1的外面已沒有化學(xué)反應(yīng)，且點1的溫度接近于表面溫度Tqr ，所以點1平面向外散熱近似地可由下式表示： 0dxdTERTTqrqr21dxdTdxdT021TTKdxdTqr由傳熱學(xué)可知，努謝爾特準則數(shù)為 LKNu2則 021TTLNuTTKdxdTqrqr（5-b） 對式（5-a）從Tqr到 進行積分得 ERTTqrqr2E

16、RTTTrnqrqrqrdTRTEQCkdxdT20exp2021即 qrqrqrTERTTrndTRTEQCkdxdT20exp2021把式（5-b）代入上式，得 qrqrqrTERTTrnqrdTRTEQCkTTLNu20exp20202所以 dTRTETTQCkLNuqrqrqrTERTTqrrn2exp2200（5-c） 從圖5-a可知，定積分 為線段2-3下面的面積，因而等于 ，代入式（5-c）得： qrqrqrTERTTdTRTE2expqrqrRTEERTexp2qrqrqrrnuRTETTTERQCkLNexp22020（5-d） 由式（5-d）可以解出強燃溫度Tqr ，解出的

17、強燃溫度一般都在1000以上，比自燃著火溫度高數(shù)百度。式（5-d）中的決定性尺寸L對于平板而言是指平板與其它物體之間的距離，對于其它形狀的物體也可導(dǎo)出類似的方程式以求解強燃溫度Tqr 。 1）熾熱平板的長度；2）對流換熱Nu數(shù)；3）氣流的壓力；4）氣流的導(dǎo)熱系數(shù)；5）燃料的活化能；6）燃料的發(fā)熱量；對強迫點燃難易程度的影響。22020exp2KRTETTTERQCkLNqrqrqrrnu L，Tqr Nu（氣流速度（氣流速度上升，K2，散熱增大），Tqr P（C）, Tqr 、E，Tqrn兩種理論兩種理論熱理論（熱機理）熱理論（熱機理） 較高壓力較高壓力電理論電理論 (鏈鎖機理）鏈鎖機理） 低

18、壓力低壓力 實驗表明，以上兩種機理并不矛盾，而是同實驗表明，以上兩種機理并不矛盾，而是同時存在的。時存在的。 電火花點燃可大體上分為兩個階段:（一）高溫的電火花使局部可燃混合物著火，形成初始火焰中心，（二）初始火焰向新鮮可燃混合物傳播。 如果C1是電容器的電容，V1和V2分別表示產(chǎn)生火花前后電容器的電壓，則放電的能量為 2221121VVCEc對于給定組成的可燃混合氣，只有當放電的能量足夠大時，由電火花形成的火焰才能開始向外傳播，可燃混合氣才能被點燃，點燃可燃混合氣所需的能量稱為點火能Ec。電火花點火后在空間產(chǎn)生的溫電火花點火后在空間產(chǎn)生的溫度分布與變化度分布與變化(a)(b) 研究電火花點火

19、的電極研究電火花點火的電極 (a) (a) 無法蘭的電極無法蘭的電極 (b)(b)有法蘭的電極有法蘭的電極 圓形玻璃法蘭圓形玻璃法蘭d dq q淬熄距離淬熄距離（Quenching distance) Emin臨界點火能臨界點火能 （最小點火能最小點火能 ）點火能隨電極距離的變化關(guān)系點火能隨電極距離的變化關(guān)系 (a) 最小點火能和熄火距離最小點火能和熄火距離 （b）電極法蘭直徑的影響）電極法蘭直徑的影響 ddq ：隨：隨d的增加，點火能的增加，點火能E不斷減少，開始減少很不斷減少，開始減少很快，然后變慢，達到最小值以后，進一步增加快，然后變慢，達到最小值以后，進一步增加d又會使又會使其增加；其

20、增加；nEEmin：對任何電極距離，混合物均不能著火；：對任何電極距離，混合物均不能著火；n只有只有E -d曲線以上才有可能著火；曲線以上才有可能著火；n隨電極法蘭直徑的增加，著火區(qū)域縮?。浑S電極法蘭直徑的增加，著火區(qū)域縮小； E Eminmin和和d dq q主要與混合氣的物理化學(xué)性質(zhì)、壓力、速度主要與混合氣的物理化學(xué)性質(zhì)、壓力、速度和溫度有關(guān)，而與電極幾何形狀及材料的關(guān)系較少。和溫度有關(guān)，而與電極幾何形狀及材料的關(guān)系較少。E Eminmin和和d dq q表征不同混合氣的著火性能。表征不同混合氣的著火性能。最小點能和淬熄距離隨過量空氣系數(shù)的變化關(guān)系最小點能和淬熄距離隨過量空氣系數(shù)的變化關(guān)系

21、1-1-甲烷甲烷 2-2-乙烷乙烷 3-3-丙烷丙烷 4-4-庚烷庚烷一些常見的可燃氣體混合物的最小點火能ECmin與熄火距離dq。室溫和大氣壓力下，化學(xué)計量比混合物的熄火距離和最小點火能 ECmin xf關(guān)系 ECmin與燃料空氣比xf（以燃料在可燃混合物中的體積百分比表示）的關(guān)系。注：* 估計值 * 分別以氬、氦代替空氣中的氮 電火花點火模型 以靜止混合氣中電火花點火為例來討論如何計算最小點火能。 假定火花加熱區(qū)是球形；電極間距離足夠大（大于或等于球形火花直徑），反應(yīng)為二級反應(yīng)；球形火花的溫度為絕熱火焰溫度Tm；從球心到球邊上的溫度是均勻一致的；環(huán)境溫度為T0，在點火成功的時刻，在火焰厚度

22、內(nèi)形成由溫度Tm變到T0的穩(wěn)定溫度分布，如圖所示。 點燃一旦成功，便形成穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑?。在傳播開始的瞬間必然滿足如下關(guān)系：化學(xué)反應(yīng)放熱等于火球表面導(dǎo)走的熱量，min2min203min4exp34rrmrdrdTrRTEQCkr（5-1） 上式中右邊的溫度梯度可近似簡化為下式： 0minTTdrdTmrr（5-2） 其中是火焰前鋒面寬度，若進一步假設(shè)火焰厚度與最小火球半徑成正比關(guān)系，即min1rA（5-3） 其中A1為比例系數(shù)，將式（5-2）、（5-3）代入式（5-1）得 212010minexp3mrmRTECQkATTr（5-4） 假設(shè)電火花點燃混合氣時，火花附近的混合氣成分接近化學(xué)當量比

23、，則有 prmCQTT0把上式代入式（5-4），則 21201minexp3CCkARTErpm（5-5） 最小火球用電火花點燃所需的電火花能量為03min134minTTCrkEmpc 式中k1是修正系數(shù)。把式（3-5）代入點燃最小火球的電火花能量ECmin的式子中，得mmcRTETTAE23exp02min（5-6） 要使可燃混合物順利著火，應(yīng):提高混合物的溫度、壓力，盡可能選擇比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)較低的混合物；盡量使混合物各組分接近化學(xué)計量比。如果混合氣體流動為湍流，則應(yīng)降低湍流強度。電極之間的距離接近熄火距離sq時，上述諸因素之間也存在一定的關(guān)系，有些影響可能是相互矛盾的，在具體應(yīng)用時應(yīng)慎

24、重考慮。mmcRTETTAE23exp02min03min134minTTCrkEmpc五、火焰點燃火焰點燃主要用于著火比較困難的燃料（如低發(fā)熱量的煤氣、重油、煤粉等）。通常采用多級點火方式。 火焰點燃的物理模型可抽象為熱射流點燃。如圖所示。設(shè)由直徑為d0的圓管中射出一股高溫燃燒產(chǎn)物，其溫度為Tm，速度為um。而周圍的環(huán)境為可燃混合物，它的溫度、速度分別為T0和u0，它們之間的溫度比T0/Tm1?；鹧纥c燃的物理模型 其中xi稱為著火距離， xp稱為傳播火焰位置。 實驗表明，著火距離xi 及傳播火焰位置xp 與點燃火焰的溫度Tm 、火焰點火器的安裝位置、可燃混合物的性質(zhì)、空氣系數(shù)、溫度以及速度都有很大關(guān)系。 初始火焰與傳播火焰示意圖 xi與xp與Tm的關(guān)系 混合比對最小點火能的影響混合比對最小點火能的影響 點火存在著一定的點火存在著一定的濃度界限濃度界限和和壓力極限壓力極限。n混合氣的組成為（或接近）化學(xué)計混合氣的組成為（或接近）化學(xué)計 量比時，量比時， 最?。蛔钚。籲混合氣變得較稀