燃烧热爆炸极限的近似计算之四

1、第四章 可燃气体燃烧与爆炸 主要内容主要内容第一节第一节 层流预混燃烧火焰传播层流预混燃烧火焰传播第二节第二节 湍流燃烧与扩散燃烧湍流燃烧与扩散燃烧第三节第三节 可燃气体爆炸可燃气体爆炸第四节第四节 爆炸极限理论及计算爆炸极限理论及计算第五节第五节 爆轰爆轰第六节第六节 气体爆炸预防气体爆炸预防第一节 层流预混燃烧火焰传播 火焰传播火焰传播当一个炽热物体或电火花将可燃气体某一局部点燃当一个炽热物体或电火花将可燃气体某一局部点燃着火时，将形成一个着火时，将形成一个薄层火焰面薄层火焰面，火焰面产生的热，火焰面产生的热量将加热临近层的可燃混合气体，使其温度升高至量将加热临近层的可燃混合气体，使其温度

2、升高至着火燃烧。这样一层一层地着火燃烧，把燃烧温度着火燃烧。这样一层一层地着火燃烧，把燃烧温度逐渐扩展到整个可燃混合气，这种现象即为火焰传逐渐扩展到整个可燃混合气，这种现象即为火焰传播。播。第一节 层流预混燃烧火焰传播第一节 层流预混燃烧火焰传播燃烧产物可燃混合气火焰传播方向火焰前锋第一节 层流预混燃烧火焰传播 扩散燃烧与预混燃烧扩散燃烧与预混燃烧燃烧时间包括：混合时间和反应时间燃烧时间包括：混合时间和反应时间扩散燃烧扩散燃烧：扩散混合时间大大超过化学反应时间的：扩散混合时间大大超过化学反应时间的燃烧。燃烧速度取决液体动力学的扩散因素；燃烧。燃烧速度取决液体动力学的扩散因素；动力燃烧动力燃烧：

3、扩散混合时间大大小于化学反应时间。：扩散混合时间大大小于化学反应时间。燃烧速度取决于化学反应动力学因素。也称为预混燃烧速度取决于化学反应动力学因素。也称为预混燃烧燃烧第一节 层流预混燃烧火焰传播 传播机理传播机理缓燃：热传导、分子扩散，速度低，稳定缓燃：热传导、分子扩散，速度低，稳定爆震：激波的压缩，速度很快，稳定爆震：激波的压缩，速度很快，稳定一维稳定流动模型一维稳定流动模型其它假设其它假设燃烧区燃烧区, p uhT, PPPPPp uhT根据假设，其连续方程：根据假设，其连续方程：PPuuconst忽略粘性力和体积力，动量方程为：忽略粘性力和体积力，动量方程为：22PPPpupuconst

4、忽略粘性力、体积力及热交换，能量方程为：忽略粘性力、体积力及热交换，能量方程为：2222PPuuhhconst状态方程：状态方程：pRTPPPPpR TpR T当比热容不变时，热量方程：当比热容不变时，热量方程：*PpPPPhhcTThhcTT将上式代入能量方程，得：将上式代入能量方程，得：22*22 PPPPPuuc Thc T式中，式中，*PPhhhQQ为单位质量可燃混合气的反应热为单位质量可燃混合气的反应热得：得：2222PPPPuuc TQc T由连续方程，有由连续方程，有PPuuconstm则则22222PPuum2222 PPPmmuu上式即为瑞利方程，上式即为瑞利方程， 在图上是

5、一直线，在图上是一直线，斜率为斜率为-m2，此直线为瑞利线。在给定的初态，此直线为瑞利线。在给定的初态p和和情况下，过程终态情况下，过程终态pP和和P间应满足的关系。间应满足的关系。22PPmmpp代入动量方程，得代入动量方程，得2222211 PPPPppmuu1p再由热量方程和瑞利方程，有再由热量方程和瑞利方程，有22221121111 =2111 =P2PPPPPPPPPmhhc Tc TQmP由状态方程，得由状态方程，得PPPpTRpTR比热比比热比PPVPccccR则则1PcR代入，有代入，有1112PPPPPPppccQPPRR11112PPPPppPPQ上式即为休汞纽方程（雨果尼

6、特方程），休汞纽曲上式即为休汞纽方程（雨果尼特方程），休汞纽曲线。在给定的初态线。在给定的初态p、和反应热和反应热Q情况下，过程情况下，过程终态终态pP和和P间的关系。间的关系。PpC休汞纽曲线休汞纽曲线1Pp1ADEGHFB瑞利曲线瑞利曲线 上上C-J点点下下C-J点点第一节 层流预混燃烧火焰传播 火焰焰锋结构火焰焰锋结构燃烧区燃烧区LS新鲜混新鲜混合气合气已燃已燃气体气体预热区预热区稳定的平面火焰前锋稳定的平面火焰前锋燃烧区燃烧区LS新鲜混新鲜混合气合气已燃已燃气体气体预热区预热区PCTCfT0TT0CC 1Tfx 2CfxWooaa 3Wfx Activation Center第一节 层

7、流预混燃烧火焰传播 火焰传播速度火焰传播速度火焰前沿：已燃区和未燃区的明显分界线，薄薄的火焰前沿：已燃区和未燃区的明显分界线，薄薄的化学反应发光区。化学反应发光区。火焰位移速度：火焰前沿在未燃混合气中相对于静火焰位移速度：火焰前沿在未燃混合气中相对于静止坐标系的前进速度，其法向指向未燃气体。止坐标系的前进速度，其法向指向未燃气体。dnudtCTiTmTx层流火焰传播速度层流火焰传播速度分析：分析：其主要思想为：若其主要思想为：若区导出的热量能使未燃混合气温区导出的热量能使未燃混合气温度上升至着火温度度上升至着火温度Ti，则火焰就能保持温度的传播。，则火焰就能保持温度的传播。假定反应区内温度为线

8、性分布，即：假定反应区内温度为线性分布，即：miCTTdTdx因此热平衡方程为：因此热平衡方程为：miPiCTTGcTTFK因为：因为：LGFuFSmiLPiCTTS cTTK故：故：mimiLPCiCiK TTTTSacTTTT即：即：式中式中 ，称为导温系数，称为导温系数PKac又因为又因为sCLCLsfSSW代入上式，得代入上式，得misLisTTWSaTTf由此可见，层流火焰传播速度由此可见，层流火焰传播速度SL与导温系数与导温系数a及化学及化学速度速度Ws的平方根成正比。的平方根成正比。又因为又因为mERTnnsossWKf ePKac所以所以21mERTnnmioLpiK TT K

9、feScTT根据根据 有有p1222nnnLSpp n为反应级数，对于二级反应，火焰传播速度为反应级数，对于二级反应，火焰传播速度与压力无关。大多数碳氢化合物与氧的反应级数接与压力无关。大多数碳氢化合物与氧的反应级数接近于近于2，火焰传播速度与压力关系不大。，火焰传播速度与压力关系不大。第一节 层流预混燃烧火焰传播 影响火焰传播速度的因素影响火焰传播速度的因素燃料燃料/ /氧化剂比值氧化剂比值燃料结构的影响燃料结构的影响压力的影响压力的影响火焰温度的影响火焰温度的影响惰性添加剂的影响惰性添加剂的影响活性添加剂的影响活性添加剂的影响燃料氧化剂比的影响燃料氧化剂比的影响0 20 40 60 80

10、1002802402001601208040燃料的体积分数燃料的体积分数/u0 /cm.s-1H2/airCO/O20 2 4 6 8 10 12605040302010空气中燃料的体积分数空气中燃料的体积分数/u0 /cm.s-1C2H4CO/O2CS2C2H6C6H6碳原子数的影响碳原子数的影响1 2 3 4 5 6 74321碳原子数碳原子数u0 /丙烷的丙烷的u0max烷属烃烷属烃烯属烃烯属烃炔属烃炔属烃压力的影响压力的影响0 10 1000.30.20.1-0.1u0 /=p0.5n-1中的中的n值值-0.2-0.30u0 /cm.s-1混合气体初始温度的影响混合气体初始温度的影响0

11、 100u0 /cm.s-1空气中燃料的体积分数空气中燃料的体积分数/Ts增加增加火焰温度的影响火焰温度的影响 P105惰性添加剂的影响惰性添加剂的影响 P105活性添加剂的影响活性添加剂的影响 P106第二节 湍流燃烧与扩散燃烧 按燃烧物质的流态，燃烧可分为按燃烧物质的流态，燃烧可分为层流燃烧层流燃烧湍流燃烧湍流燃烧 湍流燃烧的特点湍流燃烧的特点火焰长度显著缩短火焰长度显著缩短发光区厚度较厚发光区厚度较厚火焰面有抖动火焰面有抖动火焰轮廓较模糊火焰轮廓较模糊有明显噪声有明显噪声第二节 湍流燃烧与扩散燃烧 湍流燃烧特点产生的原因湍流燃烧特点产生的原因湍流可能使火焰面弯曲，增大了反应面积，而且在湍

12、流可能使火焰面弯曲，增大了反应面积，而且在弯曲的火焰面的法向仍保持层流火焰速度；弯曲的火焰面的法向仍保持层流火焰速度；湍流可能增加热量和活性物质的运输速率，增大了湍流可能增加热量和活性物质的运输速率，增大了垂直于火焰面的燃烧速度；垂直于火焰面的燃烧速度；湍流可以快速地混合已燃气和未燃新鲜可燃气，使湍流可以快速地混合已燃气和未燃新鲜可燃气，使火焰在本质上成为均匀混合反应物，从而缩短混合火焰在本质上成为均匀混合反应物，从而缩短混合时间时间湍流燃烧由湍流的流动性质和化学反应动力学因素湍流燃烧由湍流的流动性质和化学反应动力学因素共同起作用，其中流动的作用更大。共同起作用，其中流动的作用更大。第二节 湍

13、流燃烧与扩散燃烧 扩散燃烧扩散燃烧化学动力燃烧：进程由燃料的氧化动力过程决定化学动力燃烧：进程由燃料的氧化动力过程决定扩散燃烧：进程由燃料与空气的扩散过程决定，不扩散燃烧：进程由燃料与空气的扩散过程决定，不存在火焰传播。存在火焰传播。 按燃料与空气分别供入的方式按燃料与空气分别供入的方式自由射流扩散火焰自由射流扩散火焰同轴流扩散火焰同轴流扩散火焰逆向喷流扩散火焰逆向喷流扩散火焰第三节 可燃气体爆炸 预混气体爆炸温度计算预混气体爆炸温度计算依据燃烧热计算爆炸温度；依据燃烧热计算爆炸温度；依据能量守恒计算爆炸温度，见前面燃烧温度计算依据能量守恒计算爆炸温度，见前面燃烧温度计算 举例：计算乙醚与空气

14、混合物爆炸温度举例：计算乙醚与空气混合物爆炸温度41022222622.64522.6C H OONCOH ON第三节 可燃气体爆炸 爆炸压力的计算爆炸压力的计算状态方程状态方程举例举例22211 1n TppnT第三节 可燃气体爆炸 爆炸时的升压速度爆炸时的升压速度21ppvt0 40 80 120 1608642时间时间/ms压力压力/105MPa第三节 可燃气体爆炸 爆炸威力指数爆炸威力指数爆炸时对设备的破坏程度不仅与最大爆炸压力有关，爆炸时对设备的破坏程度不仅与最大爆炸压力有关，而且与升压速度有关。而且与升压速度有关。爆炸威力指数最大爆炸压力爆炸威力指数最大爆炸压力平均升压速度平均升压

15、速度 爆炸总能量爆炸总能量VEQ V第三节 可燃气体爆炸 爆炸参数测定实验爆炸参数测定实验设备设备爆炸室：体积为爆炸室：体积为1m1m3 3的圆柱形容器，高度：直径的圆柱形容器，高度：直径1 1：1 1容器：体积为容器：体积为5L5L，用空气加压至，用空气加压至2MPa2MPa喷管：内径为喷管：内径为19mm19mm的半圆形管，管上有孔，孔径的半圆形管，管上有孔，孔径4 46mm6mm电子电火器：电流电子电火器：电流300VA300VA，输出电压，输出电压15KV15KV，电火花间，电火花间距距3 35mm5mm，位于试验装置的几何中心。，位于试验装置的几何中心。第三节 可燃气体爆炸 爆炸参数

16、测定实验爆炸参数测定实验测试参数测试参数爆炸压力爆炸压力P Pm m：某一浓度的最大爆炸压力：某一浓度的最大爆炸压力爆炸最大压力爆炸最大压力P Pmaxmax：大浓度范围内的最大爆炸压力：大浓度范围内的最大爆炸压力升压速度升压速度(d(dp p/d/dt t) )m m：某一浓度的升压速度：某一浓度的升压速度最大升压速度最大升压速度(d(dp p/d/dt t) )maxmax：大浓度范围内的最大升压：大浓度范围内的最大升压速度速度爆炸指数爆炸指数K Km m：最大爆炸指数最大爆炸指数K Kmaxmax：1 3mmKdp dtV1 3maxmaxKdp dtV第三节 可燃气体爆炸 爆炸参数测定

17、实验爆炸参数测定实验实验方法实验方法静态可燃气爆炸实验静态可燃气爆炸实验 在爆炸室预制一定浓度的可燃气与空气的混合物，确保混在爆炸室预制一定浓度的可燃气与空气的混合物，确保混合均匀且处于静态，打开压力记录仪，启动点火源，测得合均匀且处于静态，打开压力记录仪，启动点火源，测得P Pm m和和(d(dp p/d/dt t) )m m 。动态可燃气爆炸实验动态可燃气爆炸实验 在爆炸室预制一定浓度的可燃混合气，用空气加压在爆炸室预制一定浓度的可燃混合气，用空气加压5L5L容器容器至至2MPa2MPa，开启容器阀门，打开压力记录仪，在某一点燃延，开启容器阀门，打开压力记录仪，在某一点燃延迟条件下，点燃扰

18、动可燃混合气，测得迟条件下，点燃扰动可燃混合气，测得P Pm m和和(d(dp p/d/dt t) )m m 第四节 爆炸极限理论及计算 爆炸极限理论爆炸极限理论爆炸下限：能使可燃混合气火焰蔓延的最低浓度；爆炸下限：能使可燃混合气火焰蔓延的最低浓度；爆炸上限：能使火焰蔓延的最高浓度。爆炸上限：能使火焰蔓延的最高浓度。波面上的反应：波面上的反应：当给予反应物当给予反应物A+BA+B活化能活化能E E时，它们成为活化状态，时，它们成为活化状态，变为生成物变为生成物C+DC+D，并放出能量，并放出能量W W，则反应热，则反应热Q=W-EQ=W-E基本反应浓度基本反应浓度n n，则单位体积放出能量，则

19、单位体积放出能量nWnW；放出的能；放出的能量作为新反应的活化能，量作为新反应的活化能，为活化概率，则第二批为活化概率，则第二批单位体积内得到活化的分子数为单位体积内得到活化的分子数为nW/EnW/E，放出的能，放出的能量为量为nWnW2 2/E/EABCDQ第四节 爆炸极限理论及计算 爆炸极限理论爆炸极限理论则前后两批分子反应放出的能量比则前后两批分子反应放出的能量比当当1 1时，放热越来越少，反应中断；时，放热越来越少，反应中断；当当1 1时，放热均衡，反应持续，判断条件；时，放热均衡，反应持续，判断条件；当当1 1时，放热越来越多，活化分子越来越多，形时，放热越来越多，活化分子越来越多，

20、形成爆炸。成爆炸。21/WQnWEEnWE第四节 爆炸极限理论及计算 当当1 1，即，即 设爆炸超限为设爆炸超限为L LLELLEL，并与，并与成正比，有成正比，有 则则 爆炸下限与燃烧热近似成反比。爆炸下限与燃烧热近似成反比。11QELELKL11LELQKLE1LELQKLELELLQconst第四节 爆炸极限理论及计算 爆炸极限的近似计算之一爆炸极限的近似计算之一氧原子数氧原子数 例：写出乙烷在空气中的爆炸上限和下限例：写出乙烷在空气中的爆炸上限和下限1004.76114004.764LELUELxNxN262222746C HOCOH O第四节 爆炸极限理论及计算 爆炸极限的近似计算之

21、二爆炸极限的近似计算之二完全反应浓度完全反应浓度 例：写出甲烷在空气中的爆炸上限和下限例：写出甲烷在空气中的爆炸上限和下限422222CHOCOH O000.554.8LELUELxxxx第四节 爆炸极限理论及计算 爆炸下限的近似计算之三爆炸下限的近似计算之三燃烧热燃烧热 爆炸极限的近似计算之四爆炸极限的近似计算之四多种可燃混合气多种可燃混合气体体1122xQx Qconst1212100LELorUELiixpppNNNP、N分别表示各组分体积百分数和爆炸极限分别表示各组分体积百分数和爆炸极限第四节 爆炸极限理论及计算 含惰性气体混合可燃气爆炸极限计算步骤含惰性气体混合可燃气爆炸极限计算步骤

22、气体分组气体分组计算惰燃比计算惰燃比查表求各组的爆炸极限查表求各组的爆炸极限用莱用莱夏公式计算总爆炸极限夏公式计算总爆炸极限第四节 爆炸极限理论及计算 含惰性气体混合可燃气爆炸极限计算举例含惰性气体混合可燃气爆炸极限计算举例P114P114三元系爆炸极限图三元系爆炸极限图FSI%F%S%I80806040208060402020406080第四节 爆炸极限理论及计算 爆炸极限的影响因素爆炸极限的影响因素初始温度初始温度初始压力初始压力惰性介质惰性介质容器容器点火能源点火能源第四节 爆炸极限理论及计算 爆炸极限测定爆炸极限测定空气中可燃气体爆炸极限测定方法空气中可燃气体爆炸极限测定方法GB/T 12474-GB/T 12474-20082008第五节 爆轰 爆轰的发生爆轰的发生装有混合气的长管中，从一端点燃，形成燃烧波装有混合气的长管中，从一端点燃，形成燃烧波（正常的火焰传播）；（正常的火焰传播）；温度升高，体积膨胀，压缩未燃混合气，产生压缩温度升高，体积膨胀，压缩未燃混合气，产生压缩波，向未燃混合气传播；波，向未燃混合气传播；不断产生，