1、第四章第四章預(yù)混氣體的著火理論預(yù)混氣體的著火理論研究的問題研究的問題n閉口系統(tǒng)著火理論 著火條件 著火溫度 著火界限 n開口系統(tǒng)著火理論n 鏈鎖著火機(jī)理n點(diǎn)燃理論著火方式著火方式 自燃著火自燃著火: :無外界熱源的條件下，預(yù)混氣體在一定溫度、壓力（濃度） 條件下，氧化反應(yīng)自動(dòng)加速到預(yù)混氣體整體發(fā)生爆炸狀態(tài)。點(diǎn)燃著火點(diǎn)燃著火指有外界熱源條件下，先使預(yù)混氣體的局部反應(yīng)速度急劇升高達(dá)到局部著火狀態(tài)，然后再通過火焰的傳播使周圍未燃的預(yù)混氣體實(shí)現(xiàn)著火。著火機(jī)理（機(jī)制）著火機(jī)理（機(jī)制）n熱（自燃）著火：熱（自燃）著火：由于預(yù)混氣體自身氧化反應(yīng)放出的熱量大于系統(tǒng)向周圍環(huán)境散失的熱量，使系統(tǒng)的熱量積累，引起系

2、統(tǒng)溫度不斷升高，促使反應(yīng)急劇加速達(dá)到爆炸狀態(tài)。n鏈鎖反應(yīng)（自燃）著火：鏈鎖反應(yīng)（自燃）著火：由于預(yù)混氣體自身的分枝鏈鎖反應(yīng)中活性中心增加的速率大于銷毀的速度，使系統(tǒng)活性中心積累，引起系統(tǒng)活性中心濃度不斷升高，促使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)急劇加速，達(dá)到爆炸狀態(tài)。影響燃料著火的因素影響燃料著火的因素n燃料性質(zhì)n燃料與氧化劑的比例n環(huán)境壓力與溫度n氣流速度n燃燒室尺寸化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素流體動(dòng)力學(xué)因素流體動(dòng)力學(xué)因素閉口系統(tǒng)著火理論閉口系統(tǒng)著火理論閉口系統(tǒng)的模型假設(shè)：（1）封閉的反應(yīng)容器、均相預(yù)混氣氧化反應(yīng)自動(dòng)加速至著火。著火容積V、容器表面積S；（2）反應(yīng)氣體溫度T、壓力P， 可燃?xì)怏w的體積濃度Cf、 氧化

3、劑氣體體積濃度Ca；初始?xì)怏w溫度T0、可燃 氣初始體積濃度Cf,0、氧化劑氣體初始體積濃度Ca,0； 反應(yīng)熱（發(fā)熱量）為Q。（3）由于冷卻散熱，容器壁溫維持T0，氣體與容器壁的換熱系數(shù) 保持不變。著火條件分析著火條件分析閉口系統(tǒng)預(yù)混氣體在單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)所放出的熱量為：baaffCCRTEQKQWQ)exp(0sfVVQVQddTCV000,)(TTVaSfVSTTaQs單位體積預(yù)混氣在單位時(shí)間內(nèi)所生成的燃燒產(chǎn)物向容器壁散熱量為：閉口系統(tǒng)的能量守恒方程：sfVQQTTVaSWQddTC00sfQQ QfQTATABTBT0Qs著火條件：dTdQdTdQsf及sfQQ 著火臨界條件：dTdQdTd

4、Qsf及Qf1QTATABTBT0Qs1TcCQs2A:下穩(wěn)定點(diǎn)B:上不穩(wěn)定點(diǎn)C:臨界著火點(diǎn)TC：臨界著火溫度影響著火條件因素分析(1)初始溫度對著火條件的影響)()(00TTVaSVSTTaQsQss2Qss3BCTcQTQfQs1ABTATBT01T02T03010) 1TT A:下穩(wěn)定點(diǎn)， 不滿足著火條件B:上不穩(wěn)定點(diǎn) 不屬于熱自燃著火范疇該條件下不能自燃著火影響著火條件因素分析BCTcQTQfQss2Qss3Qs1ABTATBT01T02T03020)2TT C:不穩(wěn)定點(diǎn) 著火臨界點(diǎn) sfQQ dTdQdTdQsf及著火臨界條件： 影響著火條件因素分析Qs1BCTcQTQfQss2Qs

5、s3ABTATBT01T02T03030) 3TT 總會(huì)達(dá)到自燃著火。但是：其所對應(yīng)的初始條件并非自燃著火的臨界條件。sfQQ QTTcCT0Qs1ABTATBQs2Qs3321VaSVaSVaS 冷卻散熱強(qiáng)度對著火條件的影響Qf影響著火條件因素分析(2)()(00TTVaSVSTTaQs1VaS不能發(fā)生自燃著火著火條件破壞，QTT0Qs1CTCCf1 Cf2 Cf3 系統(tǒng)中預(yù)混氣的壓力(或濃度)對著火條件的影響Qf3Qf1Qf2影響著火條件因素分析(3)baaffCCRTEQKQWQ)exp(0濃度越大，著火溫度降低，有利于著火T01T03著火溫度的分析baaffCCRTEQKQWQ)exp

6、(0VSTTaQs)(0baafCCCsCfCCCQKTTVSRTEQQ00)()/()exp(VSRTERTECCQKdTdQdTdQCCbaafCSCf)exp(20由臨界著火條件：著火溫度的分析ERTRETc04112由于0TE 14ERT按冪級數(shù)展開ERTTTCCc200ERTTTTCCCC200工程上通常以測量的臨界壁面溫度工程上通常以測量的臨界壁面溫度Toc代替著火溫度代替著火溫度Tc Tc是化學(xué)動(dòng)力因素與流體動(dòng)力因素的函數(shù)，并非單純?yōu)槿剂衔锢砘瘜W(xué)性質(zhì)是化學(xué)動(dòng)力因素與流體動(dòng)力因素的函數(shù)，并非單純?yōu)槿剂衔锢砘瘜W(xué)性質(zhì)002CCTTTERC著火界限定義：一定實(shí)驗(yàn)條件下，預(yù)混氣體能夠發(fā)生著

7、火的這種燃料濃度范圍，稱為該燃料的著火界限。CfiCfifRTPxRTPCibaafCCRTEkWexp0cbCaaCfncRTExxRTpkWexp.0cbCaaCfncRTExxRTpkWexp.0對一個(gè)雙分子二級反應(yīng)1exp.0432CbCaaCfCCRTExxQkTSREVpVSWQRTEC21exp.0432CbCaaCfCCRTExxQkTSREVp有確定的函數(shù)關(guān)系。、定時(shí)，燃料性質(zhì)和散熱強(qiáng)度一境散熱強(qiáng)度取決于燃料性質(zhì)與向環(huán)、著火溫度向環(huán)境散熱強(qiáng)度；與燃料性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)ccbCaaCfPTpTVSxxkEQCC.0,非著非著火區(qū)火區(qū)著火區(qū)著火區(qū)TcPc預(yù)混氣預(yù)混氣TcPc關(guān)系曲線關(guān)

8、系曲線constVaSVaS1Tc1Pc1著火區(qū)域VS1111CcCcPTPTxf1xf2pc=constTc 0100%著火區(qū)著火區(qū)非著火區(qū)非著火區(qū)自燃溫度與混氣成分自燃溫度與混氣成分的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線xf1xf2Tc=constpc 0100%著火區(qū)著火區(qū)非著火區(qū)非著火區(qū)臨界壓力與混氣成分臨界壓力與混氣成分的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線TcminPcminVaSVaSpc=constTc 0100%多組分可燃?xì)怏w的著火界限多組分可燃?xì)怏w的著火界限n組可燃?xì)怏w和氧化劑著火濃度下限著火濃度下限n各組成著火濃度下限：L1，L2.Lnn每種可燃?xì)怏w占總可燃?xì)怏w濃度V1%, V2% .Vn%n理.查特列法則

9、n種復(fù)雜可燃?xì)怏w的著火濃度下限為LmnnmLVLVLVL 2211100n組可燃?xì)怏w和氧化劑著火濃度上限著火濃度上限n各組成著火濃度上限：U1，U2.Unn每種可燃?xì)怏w占總可燃?xì)怏w濃度V1,V2%.Vn%n理.查特列法則n種復(fù)雜可燃?xì)怏w的著火濃度上限為UmnnmUVUVUVU 2211100影響著火濃度范圍的因素1）溫度2）壓力3）富氧程度4）點(diǎn)火源能量5）可燃?xì)怏w的性質(zhì)6）惰性雜質(zhì)和散熱影響著火濃度范圍的因素1）溫度)25(10825425tLLLt)25(10825425tUUUt) 1(lg6 .200PUUp2）壓力扎彼泰基斯實(shí)驗(yàn)： xXULT,，xXULP,影響不大，影響著火濃度范圍

10、的因素)321. 1%(lg7020%2oUUo3）富氧程度4）點(diǎn)火源能量XL，顯著影響不大，富氧程度UX，接觸時(shí)間，熱表面積點(diǎn)火源溫度影響著火濃度范圍的因素6）惰性雜質(zhì)和散熱CO2，著火界限變窄N2，對上限有影響，下限影響不大。散熱強(qiáng)度增大，著火界限變窄5）可燃?xì)怏w的性質(zhì)可燃?xì)夥N類不同，著火界限不同空氣中燃燒：H2 下限：4.0，上限75.0 CO下限：12.5，上限74.0無量綱參數(shù)（1）燃燒完全系數(shù)1110001CCCCC1)(001完全燃燒的發(fā)熱量實(shí)際的燃燒發(fā)熱量qCCCqERT（2）無量綱溫度開口系統(tǒng)著火理論開口系統(tǒng)著火理論（3）無量綱時(shí)間21單位體積內(nèi)燃燒發(fā)熱量熱量單位體積內(nèi)燃燒產(chǎn)

11、物吸00002)(qRCECqCTTCppmVAmAVvL/1021kmVk0（4）無量綱內(nèi)部換熱率2開口系統(tǒng)著火理論開口系統(tǒng)著火理論采用均勻攪拌絕熱燃燒模型。同時(shí)假設(shè)：（1）進(jìn)入燃燒室的氣體溫度為T0，燃料濃度為C0。（2）由于湍流作用，燃燒室內(nèi)反應(yīng)氣體的溫度場和濃度場處處均勻。（3）燃燒是在絕熱條件下進(jìn)行的。（4）流動(dòng)及反應(yīng)過程是穩(wěn)定的，即有關(guān)參數(shù)不隨時(shí)間而變化。（5）燃燒室容積V，燃燒反應(yīng)是一級反應(yīng)，即反應(yīng)速度W正比于燃料氣的濃度C。T、C、VT0、C0mT、C m均勻攪拌絕熱燃燒模型均勻攪拌絕熱燃燒模型能量平衡方程能量平衡方程 00TTmcCeVQkpRTE質(zhì)量平衡方程質(zhì)量平衡方程 0

12、0ERTmVCk eCC穩(wěn)定燃燒條件穩(wěn)定燃燒條件1exp1exp1exp00kmVCCC110001111CCCCCCC1exp111CCmeVCkRTE00由質(zhì)量守恒：穩(wěn)定燃燒條件穩(wěn)定燃燒條件1exp11100002)(qRCECqCTTCpp2 2 020 2 0 2 04433667711臨臨界界著著火火溫溫度度初初始始溫溫度度55臨臨界界熄熄火火溫溫度度2121著火臨界條件著火臨界條件燃燒室的燃燒室的 - 圖圖影響燃燒室高溫穩(wěn)定工作點(diǎn)的因素影響燃燒室高溫穩(wěn)定工作點(diǎn)的因素n無量綱初溫0 對著火和熄火的影響n無量綱時(shí)間n燃料的發(fā)熱量qn煙氣循環(huán)倍率 n向外散熱的影響2 2 020 2 0

13、2 04433667711臨臨界界著著火火溫溫度度初初始始溫溫度度55臨臨界界熄熄火火溫溫度度有利于著火著火臨界條件著火臨界條件燃燒室的燃燒室的 - 圖圖0DF12311無量綱時(shí)間對發(fā)熱率線的影響無量綱時(shí)間對發(fā)熱率線的影響123為常數(shù)為常數(shù)，0q 11exp11122 21FDqq1q2q30q3q2q1為常數(shù)為常數(shù)，0燃料發(fā)熱量對換熱率的影響燃料發(fā)熱量對換熱率的影響002qRCECpA12a1a2a3a3a2a1為常數(shù)為常數(shù)，qA煙氣循環(huán)倍率煙氣循環(huán)倍率a對吸熱率的影響對吸熱率的影響021KK4K2K1K30K4K3K2K1輻射換熱系數(shù)對著火的影響輻射換熱系數(shù)對著火的影響PTC(oC)460

14、 500 5408040高界限高界限低界限低界限PTC(oC)300 400 50041235著著火火區(qū)區(qū)H2+O2的著火半島的著火半島乙烷空氣的著火界限乙烷空氣的著火界限鏈鎖著火理論實(shí)質(zhì)：反應(yīng)初始階段活化中心的濃度急劇增長。H21）H2M*HHHHHHHHHHHHHHH2）H 3H2O2 2H2O3H鏈鎖反應(yīng)的鏈分枝速度鏈鎖反應(yīng)的鏈分枝速度 W1fC鏈鎖反應(yīng)的鏈中斷速度鏈鎖反應(yīng)的鏈中斷速度 W2gC鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間變化的情形等溫條件下lW1W2, 使活性中心濃度增加直至著火狀態(tài)。f gf =gf gW等溫鏈鎖反應(yīng)速度曲線等溫鏈鎖反應(yīng)速度曲線 W1W2，系統(tǒng)處于著火的臨界狀態(tài)，即鏈鎖著火的臨

15、界條件。 W1W2,活性中心濃度不斷減少，始終達(dá)不到著火狀態(tài)。鏈鎖反應(yīng)的穩(wěn)定條件鏈鎖反應(yīng)雜質(zhì)）壁面鏈的中斷鏈的分枝和反應(yīng)鏈的形成(),(:,:54321*MRMRPMRMRMRRMKkKKKMRCkddC1MRCCk2) 1(MRCCk3RCk4RCk50 穩(wěn)態(tài)假定臨界著火條件下活性中心的增殖倍率：MMCCkkkCk25431C發(fā)生鏈鎖著火發(fā)生鏈鎖著火C不發(fā)生著火不發(fā)生著火鏈鎖著火界限鏈鎖著火界限第第3界限熱界限界限熱界限第第2界限高界限界限高界限第第1界限低界限界限低界限dnba（著火半島）（著火半島）c氫氧混合氣鏈鎖著火半島現(xiàn)象氫氧混合氣鏈鎖著火半島現(xiàn)象PcbPcam著火區(qū)著火區(qū)非著火區(qū)非

16、著火區(qū)a以下：以下：活性中心的增殖速度銷毀的速度PcdPcTc 400 500 600 700d-b:活性中心的增殖速度銷毀速度 f、g 隨壓力變化曲線1）ppa fg 不能自燃2) papg 可自燃3) ppb f0dT/dt0 d2T/dt20)()(00TTCCCQCVi0000RTEneCkW00020expRTECEQkCRTnVi假設(shè)著火過程接近于絕熱過程：00WCCii著火感應(yīng)期：QCTTCCVci)(00ERTTTC200QCERTCCVi200對于烴類燃料，反應(yīng)級數(shù)近似等于2constEQkTCRRTEpVi0030200exp00020expRTECEQkCRTnVi)(0

17、0QEpTfi、ETp00iQi點(diǎn)燃理論點(diǎn)燃理論n點(diǎn)燃的過程： 點(diǎn)燃局部局部火焰火焰?zhèn)鞑タ臻g火焰n點(diǎn)燃方法 電火花點(diǎn)火 電弧點(diǎn)火 熾熱表面點(diǎn)火 小火焰點(diǎn)火 Tw1時(shí)，Tx0wdxdT0wdxdT0wdxdT熱表面點(diǎn)火臨界條件Tw1Tw2Tw3T01T01T01222 Tw2時(shí)， Tw3時(shí)，點(diǎn)燃的臨界條件穩(wěn)態(tài)點(diǎn)燃理論采用一維導(dǎo)熱模型熱表面邊界層微元層dx熱平衡方程0)(dxdTFdxdxdTTdxdFdxTQWF0)(22TQWdxTd0, 0WWdxdTTTx0,;TTx wTTdTTWQdxdT02TdxxT0熱表面點(diǎn)火邊界層溫度場Tw邊界條件：穩(wěn)態(tài)點(diǎn)燃理論 002TTdTTWQWTTw w

18、TTdTTWQdxdTq020TTqW導(dǎo)熱量：對流換熱量：qq 邊界層內(nèi)導(dǎo)熱和對流換熱量相等：穩(wěn)態(tài)點(diǎn)燃理論假設(shè)零級反應(yīng)且 ，所以： )exp(0RTECkTWn預(yù)混氣的化學(xué)反應(yīng)速度：wwTTT)(022)(exp1)()(0WWWTTwRTTTEERTTWdTTWw1ERTTWdTTWWWTTW20)(lNu 002TTdTTWQWTTw結(jié)合：及穩(wěn)態(tài)點(diǎn)燃理論穩(wěn)態(tài)點(diǎn)燃理論202)(2TTERTTWQNlWWWu說明：其他條件不變時(shí)，點(diǎn)火表面尺寸增大，臨界點(diǎn)燃溫度將下降可得熾熱物體點(diǎn)燃具體條件：WTllTQE0,討論：220)()(2WWWRTTWTTEQl對靜止預(yù)混氣 ：熱表面點(diǎn)火成功的最低溫度取決于三個(gè)因素：（1）熱表面的特征尺寸：（2）混合氣性質(zhì)：（3）混合氣的初始環(huán)境條件：穩(wěn)態(tài)點(diǎn)燃理論穩(wěn)態(tài)點(diǎn)燃理論220)()(2WWWRTTWTTEQl電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論 電火花的作用熱作用和電離作用熱作用：電火花為一種高溫?zé)嵩?，它使靠近它的局部混合氣溫度升高，達(dá)到著火臨界工況被點(diǎn)燃，再依靠火焰?zhèn)鞑ナ拐麄€(gè)容器內(nèi)混合氣著火燃燒。也就是對預(yù)混氣進(jìn)行局部加熱作用。電離作用：混合氣的著火是由于靠近火花部分的氣體被電離形成活性中心，提供了進(jìn)行鏈鎖反應(yīng)的條件，由于鏈鎖反應(yīng)的