燃烧学－3.着火的理论基础

null第三章着火的理论基础第三章着火的理论基础研究不同着火方式的着火机理着火过程及方式链反应速度链反应的发展过程着火的热自燃理论着火的链式反应理论强迫着火强迫着火过程常用点火方法电火花点火链反应的延迟期烃类－空气混合物着火自燃特性着火方式与机理着火温度热自燃过程分析着火温度求解谢苗诺夫公式热自燃界限热自燃的延迟期点火的可燃界限null着火概念方式和机理谢苗诺夫热自燃理论链式反应理论烃类空气混合着火特性强迫着火的两种理论着火界限谢苗诺夫热自燃理论链式反应理论null燃烧过程两个阶段着火阶段燃烧阶段着火的定义着火过程是一种典型的受化学动力学控制的燃烧现象着火燃料与氧化剂分子混合后从开始发生化学反应反应加速温度升高达到激烈的燃烧反应之前的一段过程31着火过程及方式31着火过程及方式一着火的方式与机理自然界中燃料的着火方式自燃着火自燃强迫着火点燃或点火把一定体积的混合气预热到某一温度在该温度下混合气的反应速率即自动加速急剧增大直到着火整体加热可燃混合气内的某一处用点火热源点着相邻一层混合气尔后燃烧波自动的传播到混合气的其余部分局部加热自燃和点燃过程统称之为着火过程SpontaneousignitionSelf–ignitionautoignitionForcedignitionSparkignitionLocalinitiationofaflamethatwillpropagatenull影响着火的因素燃料性质燃料与氧化剂的比例环境压力及温度气流速度燃烧室尺寸等等化学动力学因素本章分析的重点流体力学因素燃烧阶段自燃着火机理主要包括两种自燃着火机理主要包括两种热自燃机理反应物温度不断升高反应加快直到着火可用阿累尼乌斯定律和质量作用定律解释链锁自燃机理链的分支使得活性中心迅速增值反应不断加快直到着火实际燃烧过程中不可能是纯粹的热自燃或链锁自燃存在事实上它们是同时存在而且是相互促进的一般来说在高温下热自燃是着火的主要原因而在低温时则支链反应是着火的主要原因ThermalSpontaneousIgnitionChainSpontaneousIgnitionnull二．着火的两大特征着火温度在该温度下取决于导热性能的初始散失热量等于同样时间内因化学反应转化而形成的热量Vanthoff热着火理论指出着火温度不是物质的一个专门性质事实上它 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示在正常化学过程中可燃物和氧化剂之间的反应过程放热的反作用的结果着火延迟期着火前的物理准备过程着火前的自动加热时间IgnitionTempertureIgnitionDelayPeriod32着火的热自燃理论32着火的热自燃理论一热自燃过程分析放热和散热过程着火是反应放热因素和散热因素相互

作用的结果放热散热着火成功放热散热着火失败null着火热理论的发展范特荷夫VantHoff提出基本思想认为当反应系统与周围介质间热平衡破坏时就发生着火利恰及利耶Lechatelier明确提出了着火的临界条件反应放热曲线与系统向环境散热的散热曲线相切谢苗诺夫Semonov完成了数学上的描述null谢苗诺夫的可燃混合气热自燃理论有一体积为Vm3的容器其中充满有化学均匀可燃气体混合物其分子浓度为n1m3容器的壁温为T0K容器内的可燃气体混合物正以速度wn1m3s在进行反应化学反应后所放出的热量一部分加热了气体混合物使反应系统的温度提高另一部分则通过容器壁而传给周围环境目标求出放热速率q1散热速率q2的数学表达式做出q1q2随温度T的变化曲线然后分析容器内的放热和散热与温度T的关系分析热自燃过程null容器V内各处的混合物浓度及温度都相同在反应过程中容器V内各处的反应速度都相同容器的壁温T0及外界环境的温度在反应过程中保持不变而决定传热强度的温度差就是壁温和混合物之间的温差在着火温度附近由于反应所引起的可燃气体混合物浓度的改变是略而不计的假设研究过程随时间的变化即非稳态分析方法TheNonstationarySolutionTheNonstationaryTheorydealswiththethermalbalanceofthewholereactionvesselandassumesthetemperaturetobethesameatallpointsnull数学模型Theamountofheatevolvedoverthewholevolumeperunittimebythechemicalreactionnull2代入1容器内可燃混合气化学反应的放热速率q1为3q2TheamountofheatcarriedawayfromthewallHeattransfercoefficientnullnull第一种工况q1与q2相交于两点第二种工况q1曲线与q2直线不相交也不相切第三种工况是q1与q2相切null一般情况下放热率q1曲线和散热率q2曲线有两个交点A点和C点A点稳定当外界有微小扰动时如T↗则q2q1散热放热T↘回到A点当T↘q2q1散热放热T↗回到A点A点温度低称为熄灭状态C点不稳定轻微扰动将使C点失去平衡C点以下熄灭C点以上着火q1与q2相交nullq1始终大于q2一定能引起可燃混合气的着火所以这种工况是不稳定的q1与q2相离nullB点是临界状态也是不稳定的只要环境介质温度略高于T0则q1和q2就没有交点了必然导致反应混合气的着火图中B点为着火临界点Tb为着火温度T0为自燃温度T0Tb之间的时间为

着火感应期q1与q2相切null影响着火的因素增加放热量q1增加燃料浓度增加燃料压力增加燃料发热量增加燃料活性放热率曲线左移在相同温度下燃料放热量增加着火温度降低着火温度降低着火提前null环境温度T0环境温度升高相当于散热曲线右移散热率曲线与放热率曲线的交点C降低着火温度降低着火提前null比表面积和散热系数燃料粒径的大小燃烧区周围的散热条件燃料的比表面积越大相当于散热面积越大散热率增加燃料着火条件变差着火温度上升着火推迟散热系数越大散热率越大燃料着火条件变差着火温度上升着火推迟null结论自燃温度T0显然与混合气的浓度或压力反应级数v活化能E和散热情况aS有关可燃混合气的活性很强即值小则具有较低的自燃温度散热条件加强时即值增大则自燃温度升高可燃混合气的压力升高时将使自燃温度降低自燃温度T0二着火温度求解二着火温度求解着火临界点B1反应的放热速率与向环境介质的散热率相等2放热率与散热率对温度的导数值相等着火临界条件的数学描述TB对应的自燃温度为T0解得TBnull化简得得到着火的条件物理意义可燃混合气的温度如比容器壁过热时即时将发生热自燃反之如时则不会引起热自燃三谢苗诺夫公式三谢苗诺夫公式问题的提出已知混合气的初温和散热条件如何预估着火时混合气的临界压力或浓度热自燃条件的表达式问题的解决谢苗诺夫公式nullP取代n系统的散热条件aSV和混合气的化学性能参数EQk0v已知则根据上式有若给定nT0若给定T0着火时混合气的临界浓度值n气体压力和自燃温度的关系式也即为谢苗诺夫公式或称为热自燃界限方程null谢苗诺夫公式的应用价值对高温范围的着火规律而言该公式在定性方面的解释相当合理的在定量方面仍有一定的参考价值可作为半经验公式来估算着火条件可用着火的临界条件来确定活化能四热自燃界限四热自燃界限热自燃温度与压力的关系P↗T0↘易热自燃P↘T0↗不易热自燃应用内燃机在高原地区航空发动机在高空时着火性能不好热自燃界限图热自燃温度与混合气组分的关系热自燃温度与混合气组分的关系无论是均相气体燃料还是固体燃料当周围介质温度T0达到一定值后即出现热自燃着火其临界自燃条件前已分析此时的周围介质温度即为自燃温度但试验亦表明在一定的炉内压力下可燃混合物的浓度变化时其自燃温度也不相同null着火浓度界限P定植只有xA1～xA2的浓度范围内混合气才可能着火xA2浓限富油xA1稀限贫油null着火浓度界限T0定植null着火的可燃界限P定值得出着火温度与混合气成分的关系T0定值得出临界压力与混合气成分的关系当压力或温度下降时则可燃界限缩小当压力或温度下降到某一值时则可燃界限缩小成一点当压力或温度再继续下降则任何混合气成分都不能着火几种可

燃气体的着火范围几种可燃气体的着火范围着火的临界压力与容器尺寸的关系着火的临界压力与容器尺寸的关系结论增大容器的尺寸可以降低着火临界压力应用高原地区不宜用小尺寸的燃烧室T0及其余参数不变PD定值定值球形容器ν＝1null容器体积对热自燃着火过程的影响五热自燃的延迟期τig五热自燃的延迟期τig由T0自动升高到着火温度TB需要一定的时间这段着火前的自动加热时间称为热自燃感应期或着火延迟期曲线Ⅰ初温低于T0的工况曲线Ⅱ初温恰好等于T0的临界状况曲线ⅢⅣⅤ初温高于T0的工况null曲线Ⅰ初温低于T0的工况最后稳定于A工况温度逐渐趋近于TA不能自燃曲线Ⅱ初温恰好等于T0的临界状况以着火温度TB为极限着火延迟期是无限长的曲线ⅢⅣⅤ初温高于T0的工况在系统温度达到TB之前虽然dTdt＞0但是因为d2Tdt2＜0温度变化是减速缓慢升高的即曲线上凸在TTB时dTdt减为最小值d2Tdt20曲线出现拐点经过拐点以后dTdt增大很快故d2Tdt2＞0温度加速上升曲线上凹我们规定这个拐点出现的时间温度达到TB为着火延迟期null绝热工况下的着火延迟期结论着火延迟期随混合气压力和自燃温度初温的升高而缩短因此在燃烧室内提高混合气的压力和温度都会缩短燃烧自燃的着火延迟期从而有利于混合气的着火null作业3-1作图分析自燃温度T0跟哪些因素有关3-2由着火的热自燃界限图分析着火浓度界限与可燃混合物压力温度及器壁散热条件体积之间的关系P622333着火的链式反应理论33着火的链式反应理论一链反应速度链反应速度n0单位时间单位体积内链引发的主要反应的数目α使得链的传播能连续进行的数学概率β＝1－α这一基元过程中终断了的链的概率链的平均长度ChainSpontaneousIgnitionnull讨论α＝0γ1不是链引起的而是一个简单反应0α1γ＞1是链引发的链的长度和反应速度是固定的这样的链称稳定链α＝1链的长度和反应速度是无限大的与主反应的数目无关直链反应α1链的分支引起爆炸δ链分支系数链分支的情况下上述三个关系式不适用也就是对α1将得到与某一个固定的链长相对应的反应速度但为负值毫无物理意义在这种情况下涉及到链中断的概率即在第一关系式中应该用β-δ代替β着火条件或二链反应的发展过程二链反应的发展过程活性中心浓度的变化速度活化中心浓度的变化速度令f为链进展的动力学系数g为链中断的动力学系数fg分别与温度活化能以及其他因素有关null用Lagrange法积分得nullf－g＝φ在低温时由于链的分枝速度很缓慢而链的中断速度却很快fg则φ0最终将得到一个稳态反应随着温度的增高链的分枝速度不断增加而中断速度却几乎没有改变当温度增加到某一数值时刚好使

链的分枝速度等于其中断速度即fg或φ0则此时活化中心浓度和反应速度均以直线规律随时间增长反应是不会引起自燃的温度继续增加链的分枝速度大于其中断速度即fg或φ0活化中心浓度迅速增大引起自燃null当链反应进行是具有较高的活性中心初始浓度且为c0时链支化反应总速度三链自燃的延迟期三链自燃的延迟期链式着火的条件着火临界遏制速度值谢苗诺夫从理论上推导出的链自燃着火延迟期四烃类空气混合物着火自燃特性四烃类空气混合物着火自燃特性1图3-7中戊烷空气混合物着火极限值的特点是什么2解释图3-8中T-P座标上石蜡烃着火自动着火的过程冷焰兰焰热焰的概念与在着火过程中的产生时间与条件3完全着火延迟期包括哪几部分时间延迟null结论烃类混合物着火存在二个着火自动着火区域在这二区域之间着火是不可能的烃类混合物的着火极限值对于一定压力混合物在290℃～300℃范围内可能着火随着温度升高着火停止直到490℃以上又会着火每一个组成对应有一个临界压力在该压力下着火温度突然下降近200℃随着组成含量的减少临界压力升高分析烷一空气混合物着火极限值null在A-1-2线以上自动着火具有连续单级的特点在曲线2-1-B-C-D范围自动着火为多级的即通过一连串不同的化学阶段着火在1-3-C-B围成的范围不发生链-热自动着火而认为有冷焰存在空气－烃类混合物多级着火过程null高温下单级着火点状着火低温下多级着火容积着火多级着火包括了一连串的火焰冷焰兰焰热焰在每一种火焰中完成了原始烃类的某一化学转化在冷焰中一般形成甲醛在兰焰中形成CO而在热焰中生成最终产物null空气－烃类混合物多级着火延迟期的计算其中123分别代表冷焰兰焰和热焰冷焰着火延迟期热焰着火延迟期和压力温度的关系比较复杂null多级着火中冷焰兰焰热焰产生时间和条件产生时间先冷焰再兰焰最后出现热焰产生条件为产生冷焰混合物的浓度剂量要很高对于兰焰则混合物的浓度略高于化学计量比例而热焰的最优发展条件是按化学计量值得出在均相混合物中不可能形成着火级的最优条件因而着火延迟大于非均相的情况34强迫着火点燃34强迫着火点燃工程上的燃料着火的方式通常为强迫着火即点燃一强迫着火过程概念用炽热的高温物体使混合气的一小部分着火形成局部的火焰核心然后这个火焰核心再把邻近的混合气点燃这样逐层依次地引起火焰的传播从而使整个混合气燃烧起来ForcedIgnitionnull强迫着火和自燃着火的区别强迫着火是局部加热自燃着火是整体加热点火温度一般要比自燃温度高得多点燃过程要比自燃过程复杂得多二常用点火方法二常用点火方法电火花或电弧点火工程上常用用于流速较低易燃的混合气中如一般的汽油发动机炽热物体点火常用金属板柱丝或球作为电阻

通以电流使其炽热亦有用热辐射加热耐火砖或陶瓷棒等形成各种炽热物体在可燃混合气中进行点火火焰点火常用于锅炉燃气轮机燃烧室中的点火最大优点就在于具有较大的点火能量基本原理使混合气的局部受到外来的热作用而使之着火燃烧SparkIgnition三炽热物体点火三炽热物体点火null对于不可燃气体当有炽热物体靠近时只带来边界处温升没有燃烧放热带来的温升对于可燃气体当有炽热物体靠近时既有温差带来的温升又有燃烧带来的温升靠近壁面处TwT反应快放热多∆T高远离壁面处传热少温升小温度低燃烧反应慢温升小四电火花点火四电火花点火两种理论热理论热机理较高压力电理论链锁机理低压力实验表明以上两种机理并不矛盾而是同时存在的Thesparkisreplacedbyapointheatsourcewhichreleasesaquantityofheatnull电火花点火的特点能量不大但瞬间在小范围内产生高温null电火花点火方法将两电极之间的空隙所产生的电火花或电弧作为外加热源使附近可燃混合物温度升高和活性分子浓度增加而点燃ab研究电火花点火的电极a无法兰的电极b有法兰的电极圆形玻璃法兰nulldq淬熄距离QuenchingdistanceEmin临界点火能最小点火能minimumignitionenergy电火花点火原理Emin和dq主要与混合气的物理化学性质压力速度和温度有关而与电极几何形状及材料的关系较少Emin和dq表征不同混合气的着火性能nullddq任何点火能量也无法使混合气着火ddq随d的增加点火能E不断减少开始减少很快然后变慢达到最小值以后进一步增加d又会使其增加EEmin对任何电极距离混合物均不能着火只有E-d曲线以上才有可能着火随电极法兰直径的增加着火区域缩小null试验得出Emin＝Kdq2Emin和dq随过量空气系数而变化接近化学计量比组成的混合气最小点火能和淬熄距离为最小随碳氢化合物分子量的增加着火区域及最小点火能量的极限值均向燃料较浓一侧偏移最小点火能与混合气气流流速有关五点火的可燃界限五点火的可燃界限混合比对最小点火能的影响点火存在着一定的浓度界限和压力极限混合气的组成为或接近化学计量比时Emin最小混合气变得较稀或较浓Emin开始缓慢增加然后陡然升高混合气存在一浓度界限x1和x2只有浓度在x1～x2范围内才可能着火小于x1或大于x2即非常稀或非常浓时在任何Emin下也无法着火null着火过程及方式链反应速度链反应的发展过程着火的热自燃理论着火的链式反应理论强迫着火强迫着火过程常用点火方法电火花点火链反应的延迟期着火方式与机理着火温度热自燃过程分析着火温度求解谢苗诺夫公式热自燃界限热自燃的延迟期点火的可燃界限