燃烧学-3.着火理论基础

1、研究不同着火方式的着火机理。研究不同着火方式的着火机理。着火过程及方式着火过程及方式链反应速度链反应速度链反应的发展过程链反应的发展过程着火的热自燃理论着火的热自燃理论着火的链式反应理论着火的链式反应理论强迫着火强迫着火强迫着火过程强迫着火过程常用点火方法常用点火方法电火花点火电火花点火链反应的延迟期链反应的延迟期烃类空气混合物着火（自燃）特性烃类空气混合物着火（自燃）特性着火方式与机理着火方式与机理着火温度着火温度热自燃过程分析热自燃过程分析着火温度求解着火温度求解谢苗诺夫公式谢苗诺夫公式热自燃界限热自燃界限热自燃的延迟期热自燃的延迟期点火的可燃界限点火的可燃界限 着火概念、方式和机理，谢苗

2、诺夫热自燃理论，着火概念、方式和机理，谢苗诺夫热自燃理论，链式反应理论，烃类链式反应理论，烃类空气混合着火特性，强迫着火空气混合着火特性，强迫着火的两种理论，着火界限的两种理论，着火界限 谢苗诺夫热自燃理论谢苗诺夫热自燃理论 链式反应理论链式反应理论 ：燃料与氧化剂分子混合后，从开始发生化学反：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。一段过程。 把一定体积的混合气预热到某一温度把一定体积的混合气预热到某一温度,在该在该温度下，混合气的反应速率即自动加速，温度下，混合气的反应速率即自动加速，急剧

3、增大直到着火。急剧增大直到着火。 可燃混合气内的某一处用点火热源点着相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。混合气的其余部分。 。和和统称之为统称之为n 影响着火的因素影响着火的因素n 燃料性质燃料性质n 燃料与氧化剂的比例燃料与氧化剂的比例n 环境压力及温度环境压力及温度n 气流速度气流速度n 燃烧室尺寸等等。燃烧室尺寸等等。 化学动力学因素（本章分析的重点）化学动力学因素（本章分析的重点）流体力学因素（燃烧阶段）流体力学因素（燃烧阶段）反应物温度不断升高，反应加反应物温度不断升高，反应加 快，直到着火，

4、可用阿累尼乌斯定律和质量作快，直到着火，可用阿累尼乌斯定律和质量作 用定律解释。用定律解释。活性中心迅速活性中心迅速 增值，反应不断加快，直到着火。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，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。事实上，它们是同时存在而且是相互促进的。 一般来说，在一般来说，在高温高温下，下，热自燃热自燃是着火的主要原因，而在是着火的主要原因，而在低低温温时则时则支链反应支链反应是着火的主要原因。是着火的主要原因。n ：在该温度下，取决于导热性能：在该温度下，取决于导热性能的初始散失热

5、量等于同样时间内因化学反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应转化而形成的热量(Vanthoff)。热着火理。热着火理论指出着火温度不是物质的一个专门性质，论指出着火温度不是物质的一个专门性质，事实上它表示在正常化学过程中事实上它表示在正常化学过程中(可燃物和可燃物和氧化剂之间的反应过程氧化剂之间的反应过程)放热的反作用的结放热的反作用的结果。果。n ：着火前的物理准备过程。：着火前的物理准备过程。（着火前的自动加热时间）（着火前的自动加热时间） n 放热和散热过程放热和散热过程 着火是反应放热因素和散热因素相互着火是反应放热因素和散热因素相互作用的结果。作用的结果。 放热放

6、热散热：着火成功；散热：着火成功； 放热放热 q1 ， 散热放热，T ，回到A点; 当T ，q2 q1 , 散热放热， T ，回到A点。 n A点温度低，称为熄灭状态。n 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： q q1 1始终大于始终大于q q2 2，一定能引起可燃混合气的着火。所以，一定能引起可燃混合气的着火。所以，这种工况是不稳定的。这种工况是不稳定的。q1与q2 相离：nB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

7、 T0Tb之间的时间为着火感应期q1与q2 相切：放热率曲线左移，在相同放热率曲线左移，在相同温度下，燃料放热量增加，温度下，燃料放热量增加，着火温度降低，着火温度着火温度降低，着火温度降低，着火提前。降低，着火提前。10expvnEqw QVk nVQRT环境温度升高，相当于散热曲线右移，散热率环境温度升高，相当于散热曲线右移，散热率曲线与放热率曲线的交点曲线与放热率曲线的交点 C降低，着火温度降降低，着火温度降低，着火提前。低，着火提前。燃料的比表面积越大，相当于散热面积越大，散热率增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；散加，燃料着

8、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。度上升，着火推迟。20qS TT自燃温度自燃温度T0显然与混合气的浓度（或压力）、反显然与混合气的浓度（或压力）、反应级数应级数v、活化能、活化能E和散热情况（和散热情况（aS）有关。可燃混合气）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。气的压力升

9、高时，将使自燃温度降低。10expvnEqw QVk nVQRT20qS TT着火临界点着火临界点B：（1）反应的放热速率与向环境介质的散热率相等；）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。）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：着火临界条件的数学描述： 12BBTTqq12BBTTdqdqdTdT（放热速率与散热率相等） （放热率与散热率对温度的导数值相等） TB对应的自燃温度为对应的自燃温度为T0，解得，解得TB：ERTRETB04112200BRTTTE200BBRTTTTE20BRTTE20BRTTE对对 做近似处理：做近似处

10、理：02expBBEEVQk naSRTRT00201EvRTVQk n EeeRT aSTBT0 200BRTTTEn 问题的解决问题的解决（谢苗诺夫公式谢苗诺夫公式 ）1 2 /00logvPABTTP取代取代n系统的散热条件系统的散热条件(a、S、V)和混合气的化学性能参和混合气的化学性能参数数(E、Q、k0、v)已知，则根据上式有：已知，则根据上式有：若给定若给定n T0 ；若给定若给定T0 着火时混合气的着火时混合气的00201EvRTVQk n EeeRT aS气体压力和自燃温度的关系式，也即为气体压力和自燃温度的关系式，也即为，或称为，或称为：内燃机在高原地区，：内燃机在高原地区

11、，航空发动机在高空时着火航空发动机在高空时着火性能不好。性能不好。热自燃界限图热自燃界限图1 200logvPABTT着火浓度界限（着火浓度界限（P =定植）定植）n 只有只有x1 1x2 2的浓度范围内混合气才可能着火。的浓度范围内混合气才可能着火。 n x2 2浓限（富油）；浓限（富油）； x1 1稀限稀限( (贫油贫油) )。着火浓度界限（着火浓度界限（T0 =定植）定植）：P=定值，得出着火温度与混合气定值，得出着火温度与混合气成分的关系；成分的关系；T0 =定值，得出定值，得出 临界压力与混合气成临界压力与混合气成分的关系。分的关系。名称着火温度可燃物着火的浓度范围着火范围相应的过量

12、空气系数低限 %高限 %高限 %低限 %氢 (H2)一氧化碳 (CO)5716094.012.474.273.82.940.184甲烷 (CH4)乙烷 (C2H6)6324724.62.914.6142.172.00.610.37丙烯 (C3H6)乙炔 (C2H2)5043052.082.510.6801.960.35硫化氢 (H2S)氨 (NH3)2906514.315.545.526.6高炉煤气焦炉煤气70080065075046606830.0发生炉煤气生活用煤气天然煤气70080056075053020.75.34.573.731.013.519010PnT00201EvRTVQk n

13、 EeeRT aS19020010exp1vvveVQk P EEaSRTRTT0 0及其余参数不变及其余参数不变 PD=定值 定值vVPS球形容器，球形容器，1 1dtdTCVqq21：初温低于T0的工况。：初温恰好等于T0的临界状况。：初温高于T0的工况。系统热平衡状态dtdTCVqq21：初温低于：初温低于T0的工况。最后稳定于的工况。最后稳定于A工况，温度工况，温度逐渐趋近于逐渐趋近于TA，不能自燃；，不能自燃；：初温恰好等于：初温恰好等于T0的临界状况。以着火温度的临界状况。以着火温度TB为为极限，着火延迟期是无限长的。极限，着火延迟期是无限长的。：初温高于：初温高于T0的工况。在系

14、统温度达到的工况。在系统温度达到TB之前，虽然之前，虽然dT/dt0 , 但但 是因为是因为d2T/dt2 0，温度变，温度变化是减速缓慢化是减速缓慢 升升 高的，即曲线上凸。在高的，即曲线上凸。在T= TB时时, dT/dt 减为最小值，减为最小值， d2T/dt2 =0，曲线出现拐点。经过拐点以，曲线出现拐点。经过拐点以后，后， dT/dt增大很快，故增大很快，故 d2T/dt2 0，温度加速上升，温度加速上升，曲线上凹。我们规定这个曲线上凹。我们规定这个拐点出现的时间（温度达到拐点出现的时间（温度达到TB）为着火延迟期）为着火延迟期。绝热工况下的着火延迟期：绝热工况下的着火延迟期：着火延

15、迟期随混合气压力和自燃温度的升：着火延迟期随混合气压力和自燃温度的升高而缩短。因此，在燃烧室内提高混合气的压力高而缩短。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。利于混合气的着火。 0ln1 lnigEvPART 0dcvccd= + 0()dcvfg cd,fg令 ： f 为链进展的动力学系数 g 为链中断的动力学系数 （f 、g分别与温度，活化能以及其他因素有关）3.3 3.3 着火的链式反应理论着火的链式反应理论0()dcvfg cd0dcvcdRTEveP/C其中：其中： （链的继续概率）（链的

16、继续概率） 用用Lagrange法积分得：法积分得： 0(1)vce cv0) 0() 0(0(1)vce cv0)0()0(链式着火的条件链式着火的条件： crwwcrw着火临界遏制速度值着火临界遏制速度值如果假设经过一段时间（诱导期或习惯上叫着火延如果假设经过一段时间（诱导期或习惯上叫着火延迟期）反应速度达到临界值，迟期）反应速度达到临界值， 则：则：常数crweAi常数i/vE RTiPe常数/E RTivep常数 谢苗诺夫从理论上推导出的谢苗诺夫从理论上推导出的2/1cTivCep)(21RECC常数， 由于所有活性中心在 时间内都参加反应，链的支化反应总速度为：0(1)vcwe ：烃

17、类混合物着火存在二个着火：烃类混合物着火存在二个着火(自动着火）区域，自动着火）区域， 在这二区域之间，着火是不可能的。在这二区域之间，着火是不可能的。 n 烃类混合物的着火极限值烃类混合物的着火极限值 n 对于一定压力，混合物在对于一定压力，混合物在290 300范围内，可能着火，随着温范围内，可能着火，随着温 度升高，着火停止度升高，着火停止 ，直到，直到490以以 上又会着火。上又会着火。n 每一个组成对应有一个临界压力，每一个组成对应有一个临界压力， 在该压力下在该压力下 ，着火温度突然下降，着火温度突然下降 近近200。n 随着组成含量的减少，临界压力随着组成含量的减少，临界压力 升

18、高。升高。烷一空气混合物着火极限值烷一空气混合物着火极限值在在t-pt-p座标下石蜡烃着火座标下石蜡烃着火( (自动着火自动着火) )的范的范围围多级着火的多级着火的P-T P-T 关系关系 其中其中 1、2、3 分别代表冷焰、兰焰和热焰分别代表冷焰、兰焰和热焰 冷焰着火延迟期：冷焰着火延迟期： 热焰着火延迟期：热焰着火延迟期： 和压力、温度的关系比较复杂和压力、温度的关系比较复杂 211i/1vE RTiApe32i2i321i ：在均相混合物中不可能形成着火级的最优条件，：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。因而着火延迟大于非均相的情况。工程上的燃料着火的方式通常为工程上的燃料着火的方式通常为，即，即。热理论（热机理）热理论（热机理） 较高压力较高压力电理论电理论 (链锁机理）链锁机理） 低压力低压力 实验表明，以上两种机理并不矛盾，而是同实验表明，以上两种机理并不矛盾，而是同时存在的。时存在的。 (a)(b) 研究电火花点火的电极研究电火花点火的电极 (a) (a) 无法兰的电极无法兰的电极