闭口系统热自然理论1

1、第三篇第三篇 燃烧基本原理燃烧基本原理 2、燃烧过程燃烧过程 燃烧过程是一个复杂的燃烧过程是一个复杂的物理扩散过程物理扩散过程和和化学反应过程化学反应过程的的综合过程综合过程。1、燃烧现象燃烧现象可燃分子与氧化剂分子可燃分子与氧化剂分子相互接触相互接触时，在时，在一一定温度、浓度和压力定温度、浓度和压力等条件下发生的剧烈反应，放出一定的等条件下发生的剧烈反应，放出一定的光和热光和热.基本概念基本概念反应时间反应时间 1 ：混合所需要的时间，主要受到扩散因素的影：混合所需要的时间，主要受到扩散因素的影响响。2 ：混合后的可燃混合物为达到开始燃烧反应的：混合后的可燃混合物为达到开始燃烧反应的 条条

2、件件（温度）（温度）所需要的加热时间。所需要的加热时间。 3 ：完成化学反应所需要的时间，主要受到化学：完成化学反应所需要的时间，主要受到化学反应动力因素的影响。反应动力因素的影响。 ：燃烧过程所需要的总的反应时间。：燃烧过程所需要的总的反应时间。= 1 +2 +3 根据根据 1与与2 、3这两类因素的影响，可将燃烧过程划分为三类：这两类因素的影响，可将燃烧过程划分为三类：（1）动力燃烧：）动力燃烧： 即即 1 2 +3 ，如预混气体的燃烧，如预混气体的燃烧（2）扩散燃烧：即）扩散燃烧：即 1 2 +3 ，即燃烧主要是受到混合的影响，如边混合边，即燃烧主要是受到混合的影响，如边混合边燃烧。燃烧

3、。（3）中间燃烧：介于上述二者之间。）中间燃烧：介于上述二者之间。 燃烧基本类型燃烧基本类型 根据流（气）体的流动性能可划分为：根据流（气）体的流动性能可划分为：（1）层流燃烧：燃烧室中的煤气和空气均为层流流动。）层流燃烧：燃烧室中的煤气和空气均为层流流动。（2）紊流燃烧：燃烧室中的煤气和空气均为紊流流动。）紊流燃烧：燃烧室中的煤气和空气均为紊流流动。（3）过渡燃烧：介于上述二者之间的流动。）过渡燃烧：介于上述二者之间的流动。 按可燃物与氧化剂的物态划分为：按可燃物与氧化剂的物态划分为：（1）同相燃烧：燃料与氧化剂的物态相同，又称均相燃烧。）同相燃烧：燃料与氧化剂的物态相同，又称均相燃烧。（1

4、）异相燃烧：燃料与氧化剂的物态不同，又称非均相燃烧。）异相燃烧：燃料与氧化剂的物态不同，又称非均相燃烧。建筑环境与设备工程专业建筑环境与设备工程专业主讲：陈德敏主讲：陈德敏第九章第九章 预混可燃气的着火与熄火预混可燃气的着火与熄火 9-1闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论内容提要及大纲要求内容提要及大纲要求 概述概述 掌握不同着火方式的特点掌握不同着火方式的特点 闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论 重点掌握闭口系统热自燃理论的基本思想重点掌握闭口系统热自燃理论的基本思想 分析热自燃着火临界条件分析热自燃着火临界条件 影响热自燃着火临界条件的因素影响热自燃着火临界条件的因素 点火过程点火过程

5、 点火过程点火过程 点火过程影响因素点火过程影响因素概概 述述 一、必要性一、必要性 1、燃烧设备、燃烧设备 2、消防与爆炸、消防与爆炸迅速而可靠的点燃迅速而可靠的点燃火焰稳定火焰稳定防止着火防止着火熄熄 火火概概 述述 着火：着火： 在短时间内预混可燃气体从在短时间内预混可燃气体从较低的化学反应速较低的化学反应速率率迅速达到迅速达到较高化学反应速率较高化学反应速率的过程的过程 熄火熄火 从稳定强烈的放热反应向无化学反应的过渡过从稳定强烈的放热反应向无化学反应的过渡过程。程。概概 述述 二、着火方式二、着火方式 1、自燃：、自燃：可燃物在可燃物在无外部火源无外部火源作用，因作用，因受热受热或自

6、身发热并蓄热而发生燃烧的现或自身发热并蓄热而发生燃烧的现象象。 热自燃热自燃:整个空间均匀加热整个空间均匀加热,T ,达某一温度着火达某一温度着火. 化学自燃化学自燃(链锁自燃链锁自燃):化学反应产热化学反应产热,T 2、点燃、点燃(引燃引燃): 可燃物可燃物局部局部受高温热源加受高温热源加热热,T 发生燃烧的现象发生燃烧的现象概 述 着火方式的区别与联系着火方式的区别与联系 链锁自燃与热自燃均为整个空间的着火过程链锁自燃与热自燃均为整个空间的着火过程，链锁自燃基于链锁反应机理，热自燃基于热活链锁自燃基于链锁反应机理，热自燃基于热活化机理，但前者也有热的作用，后者也有活性化机理，但前者也有热的

7、作用，后者也有活性中间产物的作用。中间产物的作用。 热自燃与点燃的区别在于整体加热与局部加热，热自燃与点燃的区别在于整体加热与局部加热，有无外界火源。着火机理均基于热活化有无外界火源。着火机理均基于热活化。闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论 基本思想基本思想： 当反应系统与周围介质间当反应系统与周围介质间热平衡被破坏热平衡被破坏时就发时就发生生着火着火。 着火、熄火的本质：着火、熄火的本质： 利于着火的因素利于着火的因素：反应：反应放热放热（放热量与放热速率）（放热量与放热速率） 不利于着火的因素不利于着火的因素：散热散热 反应放热曲线与系统向环境散热曲线相切，为反应放热曲线与系统向环境散热

8、曲线相切，为着火着火临界条件临界条件。闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论 反应放热量反应放热量=系统散热量是临界条件？系统散热量是临界条件？闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论热自燃着火临界条件、影响因素分析热自燃着火临界条件、影响因素分析假设条件：假设条件：体积为体积为V,表面积为表面积为S,壁温壁温=T0=环境环境=预混可燃气的温度预混可燃气的温度 气体瞬时温度为气体瞬时温度为T,预混可燃气体预混可燃气体温度、浓度化学反应速率处处相等温度、浓度化学反应速率处处相等 忽略器壁的辐射换热，容器与环忽略器壁的辐射换热，容器与环境存在对流换热境存在对流换热, 且且 不变不变着火前后物质浓度变化很

9、小着火前后物质浓度变化很小VSTo=C（常数）T、C T=T()C=C() 热收入热收入：化学反应放热热支出热支出：器壁导热+热力学能增量闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论 简化后方程简化后方程 （1） 常物性条件下：常物性条件下： 认为自燃的瞬间即达到稳定状态认为自燃的瞬间即达到稳定状态，故，故 ，简化为：，简化为： （3）(2) rTT22p c0T22rT热力学能增量热力学能增量热损失热损失生成热生成热rTrr1Tcpr反应速度是温度的反应速度是温度的指数函数指数函数，此方程求解困难。，此方程求解困难。 等式左边等式左边为散热量，稳定的均匀散热为：为散热量，稳定的均匀散热为： （直线）

10、（直线） 式中：式中： 换热系数换热系数 T容器内混气瞬时温度容器内混气瞬时温度 Q2系统的散热量系统的散热量 2022QTTSrTS闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论 等式右边等式右边为为反应产生的热量反应产生的热量(温度变量的形式温度变量的形式)： 对于一定的预混可燃气体，式中对于一定的预混可燃气体，式中q、V、k0、n、E均为均为定值。即定值。即C相当于初始浓度：相当于初始浓度： （曲线）（曲线）1RTEn0QeCqVkVWqRTEAQexp1闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论TQT02T01T0312B闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论作图求解作图求解满足热平衡的温度，并分析满足

11、热平衡的温度，并分析Q2Q1闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论1 点点1之前，之前，Q1Q2 ，系统被，系统被加热，温度逐渐升高；加热，温度逐渐升高； 点点1处处Q1=Q2，过程稳定下来；过程稳定下来； 点点1后，后， Q2Q1 ，系统受，系统受到冷却重新回到到冷却重新回到1点点 点点1处温度不高，不能自动处温度不高，不能自动加速到自然着火。加速到自然着火。例：处于例：处于储存期的燃料。储存期的燃料。反应放热量与系统散热量之间发生平衡不是热自反应放热量与系统散热量之间发生平衡不是热自燃着火的燃着火的充分条件充分条件低温稳定点T01QTQ1Q2T1 T1闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论 2

12、点，点，Q1=Q2， 1-2之间之间Q2Q1，1点过点过渡到渡到2点必须有外界热量点必须有外界热量加入加入 当过程稍向左，系统被当过程稍向左，系统被冷却到冷却到1点点 稍向右，系统能着火稍向右，系统能着火12Q2Q1 Q2T01T02QT高温不稳定点T2 T2T2直线与曲线有直线与曲线有一个交点和两个交点一个交点和两个交点均不能发生自燃均不能发生自燃闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论 B点处点处Q1=Q2; B点左边，点左边， Q1Q2 ; B点右边，点右边， Q1Q2 ; B点为热自然着火发生点为热自然着火发生的临界点，称为的临界点，称为着火着火点点，TB称为着火温度称为着火温度。Q2Q1

13、 Q2Q2T01T02T03 TBQT2B着火临界条件：着火临界条件： Q1=Q2；BBTTTTdTdQdTdQ21三、影响着火的主要因素三、影响着火的主要因素 1、压力、压力 压力压力 如果其它参数为常数，自燃温度求解曲如果其它参数为常数，自燃温度求解曲线线TQT01CP2P1P2P1闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论QTQ2Q1Q1Q1P提高系统的压力，或者浓度，将有利于发生自然着火；例如：柴油机气缸内预混可燃气高例如：柴油机气缸内预混可燃气高压下自然着火。压下自然着火。To着火区着火区不着火不着火ToPPTB B ，在温度相同的情况下反应物浓度增加反应速度增加，反应放热在温度相同的情况

14、下反应物浓度增加反应速度增加，反应放热Q放放，放热曲线向左移放热曲线向左移PTB B ，降低压力的实质是降低了反应速度，必须提高起始温度，反应才能自行降低压力的实质是降低了反应速度，必须提高起始温度，反应才能自行加速到着火，加速到着火，低压增加了着火的难度。低压增加了着火的难度。对应一定的自燃温度，有一个最低对应一定的自燃温度，有一个最低的压力使自燃能够实现，这个压力的压力使自燃能够实现，这个压力低限为自燃的临界压力。低限为自燃的临界压力。闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论 2、初始温度、初始温度 始温度为始温度为 时时， Q1Q2 这种工况下，尽管可这种工况下，尽管可以发生自燃着火，但以发

15、生自燃着火，但所对应初始条件却并所对应初始条件却并非自然着火的临界条非自然着火的临界条件。件。Q2Q1 Q2Q2T01T02T03 TBQTT03Q203T初始温度的增加有利于自燃着火的发生初始温度的增加有利于自燃着火的发生B当当To=C时，时，P与与X的关系的关系 1o、当P Pmin时，不能着火 2o、当P Pmin时，有一个着火浓度范围 3o、当P 时，X下，X上 To=C 着火区着火区P P Pmin X下下 X上上 X 3、容器尺寸、容器尺寸T （V/S）= r着火区着火区VSVSVSVS1o、（、（ ）TB图图 2o、（、（ ）TB关系：关系：（ ） TB B （ ） TB B 闭

16、口系统热自然理论闭口系统热自然理论QTQ1 Q2T01改变散热条件改变散热条件Q2Q24、换热状况加强系统的散热，即增大 ，将使原有自然着火条件被破坏。例如：易燃、易爆物品仓库加强通例如：易燃、易爆物品仓库加强通风风S5、浓度（在一定压力）、浓度（在一定压力）着火浓度范围TTminT 0 X下 X佳 X上P=常数XA当当TTminmin时，任何浓度下均不能着火，时，任何浓度下均不能着火，而而Tminmin对应的浓度称为最佳浓度。对应的浓度称为最佳浓度。 当当T Tminmin时，着火浓度有一个范围。时，着火浓度有一个范围。当当T 时，着火浓度范围增加。时，着火浓度范围增加。 着火浓度范围TTm

17、inT 0 X下 X佳 X上P=常数XA混合可燃气的浓度界限混合可燃气的浓度界限 ,%1002211lPlPl Pi各气体的体积百分数各气体的体积百分数 li各气体的浓度界限各气体的浓度界限影响临界着火条件因素：影响临界着火条件因素：化学动力学因素化学动力学因素：燃料性质、混气成分、环境温度：燃料性质、混气成分、环境温度流体力学因素流体力学因素：气流速度、燃烧室结构尺寸：气流速度、燃烧室结构尺寸闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论 总结总结 着火方式着火方式 着火方式区别与联系着火方式区别与联系 闭口系统热自然理论闭口系统热自然理论 着火临界条件着火临界条件 影响闭口系统热自然着火临界条件的因

18、素影响闭口系统热自然着火临界条件的因素 四、燃烧室中的着火与熄灭四、燃烧室中的着火与熄灭 燃烧室特点燃烧室特点： .；排出气体成份基本不变室内温度基本不变；燃料与氧化剂连续供入一定的空间；均相可燃混合物着火燃烧的热平衡均相可燃混合物着火燃烧的热平衡 根据燃烧室特点提出简化模型根据燃烧室特点提出简化模型 着火过程和燃烧过程均为绝热过程绝热过程 反应反应放出的热量全部转化为燃烧产物的热量放出的热量全部转化为燃烧产物的热量 燃烧室内温度、浓度、压力等参数的平均值与出口参数是相同的 设初始温度T0；初始浓度为C0；燃烧产物温度T；没有燃尽的可燃混合物浓度为C，可燃混合物在燃烧室内停留的时间为 ；完成燃

19、烧反应所需时间为12（一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡（一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡 TOCOCT11、定义无因次参数、定义无因次参数 1o、燃烧完全系数、燃烧完全系数1CCCCCooo2o、无因次温度、无因次温度RTE3o、无因次时间、无因次时间 1 可燃混合物在燃烧室内停留时间可燃混合物在燃烧室内停留时间 2 完成燃烧反应所需要的时间完成燃烧反应所需要的时间1212（一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡（一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡 2、发热曲线及散热曲线、发热曲线及散热曲线 1o、发热方程、发热方程 qCekqCekqCRTEkAqCCqWQooO122011111e

20、xp.0）（从量纲可以看出）（从化学反应上来理解）（设为一级反应）（从消耗量上来理解）（一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡（一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡 即即:CCqeCqo1211）（1112e1111 2e2o、散热方程：、散热方程： 全部的反应放热使燃烧产物热量的增加为全部的反应放热使燃烧产物热量的增加为）（）（BTTcQop12 得：得：CCqo1）（opTTc1=（一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡（一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡 )(2oopRECqc 3o、当燃烧稳定时，有QQCCCoo1212（热平衡反映了热量状况）（反映了燃烧状况，总的是相等的） （一）、均

21、相可燃混合物着火燃烧的热平衡（一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡 1 012 0 543211点：低温稳定点点：低温稳定点2点：高温不稳定点点：高温不稳定点3点：着火温度点：着火温度4点：熄灭点点：熄灭点5点：高温稳定点（燃烧工作点）点：高温稳定点（燃烧工作点） （一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡（一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡 3、临界条件（、临界条件（3点与点与4点）点） 12121112211eCpqCERoo（）（一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡（一）、均相可燃混合物着火燃烧的热平衡 (二二)影响燃烧状况的因素影响燃烧状况的因素 1o、 o的影响的影响 o 有利于着火及

22、有利于着火及稳定燃烧，即混合稳定燃烧，即混合可燃气体预热温度可燃气体预热温度越高，则着火越容越高，则着火越容易，燃烧越稳定。易，燃烧越稳定。燃烧完全系数大。燃烧完全系数大。 2o、q的影响的影响 q2 ，有利于，有利于着火，并使过程着火，并使过程稳定在较高水平。稳定在较高水平。(二二)影响燃烧状况的因素影响燃烧状况的因素（化学反应时间）（停留时间）2112的影响的影响 12 1 燃烧过程的稳定水平提高有利燃烧（化学反应时间缩短），燃烧（停留时间加长）有利，2112c=c=30(二二)影响燃烧状况的因素影响燃烧状况的因素(二二)影响燃烧状况的因素影响燃烧状况的因素4o、循环炉气的影响：可燃混合物

23、量循环气体量o，有利于稳定燃烧(二二)影响燃烧状况的因素影响燃烧状况的因素(二二)影响燃烧状况的因素影响燃烧状况的因素非绝热条件下的散热曲线， 散热曲线将不再是直线，当辐射传热系数 增加时，着火越困难，过程稳定的水平也越低。(二二)影响燃烧状况的因素影响燃烧状况的因素（三）、扩散燃烧的稳定状态（三）、扩散燃烧的稳定状态（纯扩散：即（纯扩散：即 混混 化化+ 热热）1、模型、模型 平均燃烧完全系数平均燃烧完全系数其中：其中：C0为初始浓度，为初始浓度，Ck燃烧室内混合物平均浓度燃烧室内混合物平均浓度Q散化热0+= 0oKoCCC 2、反应速度：、反应速度： 1o、燃烧室内燃烧反应速度、燃烧室内燃烧反应速度WCCOK1 2o