火災動力學FD03c-火焰溫度

阿波羅一號大火1967年1月27日，美國阿波羅一號：格里索姆（VrgilI."Gus"Grissom）、懷特（EdwardH.White）和察菲（RogerChaffee）高壓氧艙的危害美國權威醫(yī)療機構梅奧診所（MayoClinic）給出了目前有確切證據(jù)支持的可以采用高壓氧療法的疾病，如下：減壓??；動脈空氣栓塞；一氧化碳中毒；因糖尿病等造成的難以愈合的傷口；擠壓傷；壞疽；皮膚、骨骼組織感染性壞死；輻射傷；燒傷；嚴重貧血。為什么要研究火焰溫度？深刻理解在燃燒過程中的氧氣放熱作用；深刻理解在燃燒過程中的氮氣惰化作用；深刻理解溫度對臨界行為的閾值指導作用；通過火焰溫度理解燃燒過程的門檻，進而理解滅火、防火、防爆的臨界條件。4提綱計算火焰溫度所需要的基本概念；計算火焰溫度的三種方法；介紹數(shù)值工具:GasEQ火場的常見溫度絕熱火焰溫度絕熱火焰溫度是常壓下（大氣中失火總是發(fā)生在常壓下）一個燃燒反應所能夠達到的最大可能的溫度不完全燃燒有可能降低反應溫度；絕熱火焰溫度是實際火場問的有效估計，因為化學反應速度大大快于傳熱或做功的時間尺度；最常見的是常壓（大氣壓力下）的絕熱火焰溫度；從慨念上看很簡單，但計算溫度相當復雜，因為計算溫度所需要的物性本身就是溫度的函數(shù)，所以不可避免地需要差值來迭代求解。66絕熱的假設反應和燃燒過程沒有熱損失；完全反應，沒有中間產(chǎn)物；允許計算絕熱火焰溫度

(AFT)Q=0Hreact=Hprod對火焰溫度的錯誤概念火場中火焰溫度是均勻的；火災都是紅色火焰，所以代表了恒定的火焰溫度；預混火焰和擴散火焰看上去相似，意味著火焰溫度相近；有顏色的火焰一定比無顏色的火焰溫度高或低；計算火焰溫度的難度熱物性依賴于溫度；需要迭代過程保證精確結果；存在可逆的（平衡的）反應過程；湍流（混合）和輻射在火焰溫度上發(fā)揮作用，也就是說，真實的火焰不是絕熱的?；鹧鏈囟葘τ诶斫馀R界燃燒現(xiàn)象，如點火和滅火，至關重要。焓值插值法建立反應方程猜測2個溫度分別計算每一個溫度下的焓值從兩個焓值插值，獲得能量守恒下的火焰溫度。舉例在298K，一個標準大氣壓下，甲烷在空氣中燃燒。請問，完全燃燒的絕熱火焰溫度是多少？解答：配平反應CH4+2(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+7.52N2計算反應物的焓值假設溫度T=1000K假設溫度T=2000K假設溫度T=3000K通過差值計算溫度平均比熱法該方法利用在1000K時的熱物性參數(shù)，其背后的隱含假設是，火焰溫度應對在1700K左右，環(huán)境溫度通常是300K，所以反應發(fā)生的平均溫度才可以是1000K。這樣高溫下熱物性的非線性趨勢被完全忽視了。假設火焰溫度絕熱

這里

是在環(huán)境溫度與火焰溫度的平均溫度下的平均摩爾熱容。常見氣體在1000K下的熱容（比熱）Combustionproducts(J/mol.K)Carbonmonoxide(CO)33.2Carondioxide(CO2)54.3Water(vapor)(H2O)41.2Nitrogen(N2)32.7Oxygen(O2)34.9Helium(He)20.8通常，我們用1000K的平均比熱

為代表，這意味著我們假設火焰溫度是大約1700K（因為環(huán)境永遠是300K）舉例：平均比熱法或集總熱容法（1/2）計算丙烷在空氣中的火焰溫度首先建立化學反應方程如下：然后，計算總熱容CombustionproductsNumberofmolesinproductsIndividualthermalcapacity(J/mol.K)TotalthermalcapacityCarbonmonoxide(CO)333.2162.9Water(vapor)(H2O)441.2164.8Nitrogen(N2)18.832.7614.8單位摩爾丙烷的總熱容是942.5J/K注意，這是一個近似的結果，這是因為：每一種氣體的熱容量是溫度的函數(shù)。假設中間平均溫度是1000K，所以用1000K的參數(shù)來代表；系統(tǒng)不是絕對絕熱的過程，存在輻射熱損失，減少火焰溫度，讓火焰溫度降低。在高溫下，燃燒產(chǎn)物會發(fā)生分解（可逆反應）。這種分解反應是吸熱過程，因此會降低火焰溫度。這種分解的效果在1700C（約2000K）以上時更明顯。舉例：平均比熱法或集總熱容法（2/2）第二例計算乙烷的絕熱火焰溫度C2H6inair?；瘜W計量比濃度下混合：在低燃限LFL的火焰溫度。燃燒熱集總比熱絕熱火焰溫度低燃限LFL的溫度b.在低燃限LFL的火焰溫度(J/mol.K)CO254.3H2O41.2N232.7N234.9另類解法：利用空氣的熱物性（因為LFL的燃氣濃度總是很小，可以忽略不計）這意味著1摩爾燃料需要32.3摩爾空氣，或6.79摩爾氧氣?；旌衔锏幕鹧鏈囟纫环N燃料混合物含有80%的甲烷和20%的丙烷，請問其低燃限的火焰溫度是多少？勒夏特列定理：混合物的比熱容：低燃限的火焰溫度：正規(guī)的解法當量空氣法(1/2)所有燃燒反應都是在空氣中發(fā)生，空氣對溫度存在非線性.利用空氣的非線性，把其他氣體都當作當量空氣來處理，把所有的非線性都當作是空氣造成的。對一摩爾燃料，傳熱平衡建立如下：這是一個一元二次方程，求解如下：為了保證公式系數(shù)的足夠有效數(shù)字，擬合公式用1000K作基準，所以公式最后需要乘以1000來還原溫度結果。當量空氣法(2/2)燃燒產(chǎn)物的蓄熱能力單位空氣的蓄熱能力對應蓄熱能力的溫度舉例：當量空氣法Methane(CH4)isburnedinairataconstantpressurewith298Kand1atm.Determinetheadiabaticflametemperatureforthisconditionassumingcompletecombustion.BalanceChemicalEquation CH4+2(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+7.52N2Applyingenergybalanceandtheadiabaticassumption,wehave

Nowsolvetheairenergyequationdirectly,wehave三種方法之比較欠燃料/富氧燃燒富燃料/欠氧燃燒火焰溫度的數(shù)值計算方法StanjanGasEQCanteraChemkin24化學當量比火焰25空氣中的燃燒火災中的典型溫度典型火焰場合火焰溫度范圍理論上的極端（不可逆，化學當量比，無惰氣）~6000K真實火焰可以達到的最高溫度（可逆，化學當量比，無惰氣）~3000K在空氣中發(fā)生的化學當量比燃燒~2400K火焰被惰化，接近熄滅時的溫度~1800K低燃限處發(fā)生點火的溫度~1600K火場可測量的溫度范圍900~1000℃大型油池火焰的最高溫度1100~1200℃蠟燭火焰尖端的溫度320~550℃?zhèn)}庫儲存架火災溫度870℃室內(nèi)火災，天頂層煙氣溫度>600℃室內(nèi)火災，可以達到的峰值溫度1200℃室內(nèi)火災，轟燃后溫度900~1000℃真實火焰的絕熱假設真實火焰為什么達不到絕熱火焰