燃烧理论第三讲着火理论

1、第三章第三章燃气的着火理论燃气的着火理论燃气的着火燃气的着火p燃气的燃烧可分为两个阶段，第一阶段为着火阶段，燃气和氧化剂进行着缓慢的氧化反应，反应所释放的热量只是提高可燃混合物的温度和累积活化中心，第二阶段为着火后的燃烧阶段(或称为爆炸)，反应进行得很快，并发出强烈的光和热，形成火焰。p任何可燃气体在与氧接触，都要发生氧化反应。如果氧化反应过程发生的热量等于散失的热量，或者活化中心浓度增加的数量正好补偿其销毁的数量，这个氧化反应过程就会很缓慢，我们把这个过程称为稳定的氧化反应过程。如果氧化反应过程生成的热量大于散失的热量，或者活化中心增加的数量大于其销毁的数量，这个过程就称为不稳定的氧化反应过

2、程。由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应而引起燃烧的一瞬间，称为着火。p着火可能是由于氧化反应逐渐积累热能，或活化中心浓度不断积累，从而自行加速反应，最后导致燃烧。这种着火称为自燃着火。如果着火是因为热能的积累造成的，属于热力着火，如果是由于活化中心的积累造成的，则属于支链着火。p着火也可能通过外加热源，使得局部地区的可燃混合物完成着火，然后以一定速度向其他地区扩展导致全部可燃混合物燃烧，这种着火方式称为强迫着火或点火。一、支链着火一、支链着火p在支链反应中，当活化中心增加的数量不仅能抵偿链的断裂同时又能抵偿反应物浓度减少时，活化中心数量将不断增加，引起反应自动加速从而使反应由稳定的氧化反应

3、转变为不稳定的氧化反应的过程，称为支链着火。在一定温度下，单位时间内活化中心浓度的改变为其中w0活化中心的形成速率，即单位时间内所形成的原始活化中心的浓度wf、f链反应速率及速率常数wg、g链中断速率及速率常数gfcwwwwddcgf00gcwgfcwf初始条件为=0，c=0，解得令=(f-g)为实际支链反应速率常数，则用a表示每个活化中心所构成的最后生成物的分子数，则产物的形成速率为由上式可以看出：1.当0时，支链反应速率大于链中断速率，反应会自动加速引起着火爆炸。假设支链反应在经过感应期后的反应速率为wres ，则gfefgwc1010ewc10efwfcwf10efawfacw00ln1

4、ln1awwfawwresresresresresefaww可近似认为根据感应期与压力温度的关系，可得说明，在支链反应中，实际的支链反应常数与压力温度有关，且在支链着火之前，反应速率与温度的关系符合阿雷尼乌斯定律的规律，所以当压力和温度增加时，亦随之增加。2.当=0时说明，当=0时，在反应物浓度不变的条件下，其反应速率与时间为线性关系，最后亦会着火爆炸。3.当0时，当时反应速率趋向一个极限值1resRTEnaep0faww 0fawwnp支链反应过程中反应速率与时间的关系n支链着火前的感应期：当0时，链反应将自动加速导致链着火，但在初期化学反应的总量很小，反应速率处于无法察觉的状态，我们把反应

5、速率由零增加到可以觉察到的一定速率值时所需的时间称之为感应期。p支链着火的界限n支链反应速率与压力的关系：支链着火有两个压力极限。在一定温度条件下，当压力低于某一个极限值时，分子运动的自由行程较长，活化中心扩散到壁面的速度大，增加了其销毁的可能性，会失去支链着火的能力，该压力极限值称为支链着火的压力下限；当压力超过某一极限值时，增加了活化中心与其他惰性气体分子碰撞的机会，而大量在气相中销毁，失去支链着火的能力，该压力极限值称为支链着火的压力上限。氢氧化合时反应速率与压力的关系n只有当压力处于下限和上限之间时，支链反应的活化中心的增加速度才会超过其销毁速度，反应才会自动加速，引起燃烧和爆炸。n支

6、链着火的压力下限受下列因素影响1.与容器尺寸有关，当容器尺寸增大时，活化中心扩散到壁面销毁的可能性减少，会降低压力下限。2.掺入惰性气体，在一定程度上使活化中心扩散到壁面销毁的可能性减少，也会降低压力下限，这时的压力下限可以看做是反应物的分压力。3.与壁面材料有关，材料的不同对于销毁活化中心的能力是不同的n支链着火的压力上限主要与惰性气体的掺入有关p支链着火与温度的关系：爆炸下限与温度关系不大。爆炸上限随着温度的升高而升高，这是因为活化中心的形成速率随温度的升高而增加，而其销毁的速率与温度无关，所以爆炸区域随温度升高而增大，形成一个类似半岛的形状，称之为着火半岛。氢气与氧气的反应还有第三爆炸极

7、限，这可能是在更高压力下壁面上断链比较少，而经碰撞重新产生链传递的机会更多了。氢氧混合物的爆炸极限二、热力着火二、热力着火p一般工程上遇到的着火是由于系统中热量的积聚，氧化反应过程生成的热量大于散失的热量，使温度急剧上升而引起的。这种着火称为热力着火。p分析燃气与空气发生化学反应时的热平衡现象，可以了解热力着火的条件。单位时间内容器中由于化学反应产生的热量为 在着火以前，由于温度T不高，反应速度很小，可以认为反应物浓度没有变化，为了使问题简化，此处不考虑由于温度升高而使活化中心增加对化学反应速度产生的影响 。EabRT10ABQWHVk eC C HV式中 w化学反应速率； H燃气的热值； k

8、0常数； V容器的体积。ERT1QAep单位时间内燃气与空气的混合物通过容器向外散失的热量为：由于容器中温度变化不大，可以近似地认为是常数 p散热量与温度的关系，在图上是一根直线M，散热线M的斜率取决于散热条件，它与横坐标的交点是容器内壁温度T0。20-QF T T式中 由混合物向内 壁的散热系数； F容器的表面积： T混合物的温度； T0容器内壁温度。20QB TT可燃混合物的热力着火过程 两种平衡状态的分析p当温度T0较低时，散热线M和发热曲线L有两个交点：l和2。 p首先分析交点1的情况。假设温度偶然降低，则由化学反应发生的热量将大于散失的热量，温度将回升到原处。假设温度偶尔升高，则散热

9、量将大于发热量，使温度又降回到原处。因此交点1是稳定的平衡点。在该点混合物的温度很低，化学反应速度也很慢，是缓慢的氧化状态。 p 交点2的情况则不同。假设由于偶然的原因使温度下降一些，则由化学反应发生的热量就小于散失的热最，温度将不断下降，最后回到点1。假设温度偶尔升高，则发热量大于散热量，温度将不断升高，反应会不断加速。可见任何温度的微小波动都会使反应离开平衡状态，因而交点2实际上是不稳定的平衡状态。p温度从T0升高时不可能越过点1到达点2。pi点是稳定状态的极限位置，若容器内壁温度再升高，则发热量总是大于散热量，化学反应就从稳定的、缓慢的氧化反应转变成为不稳定、激烈的燃烧。i点称为着火点，

10、相应于该点的温度Ti称为着火温度或自燃温度。p着火点与系统所处的热力状况有关，即使同一种燃气，着火温度也不是一个物理常数。p可燃混合物从开始到温度达到着火点所经历的时间i，称为热力着火感应期。在此期间系统主要进行热量的积聚，化学反应所占比重很小。p用升高压力的办法也能达到着火的目的。如果散热条件不变，升高压力将使反应物浓度增加，因而使化学反应速度加快。如图，发热曲线L将向左上方移动。到L位置时，出现一个切点，就是着火点i。当压力继续升高时，产热就永远大于散热(见L)。p着火点是一个极限状态，超过这个状态便有热量积聚，使稳定的氧化反应转为不稳定的氧化反应。着火点与系统所处的热力状况有关，即使同一

11、种燃气，着火温度也不是一个物理常数。p当可燃混合物的发热曲线L不变时，如果散热加强，直线M斜率将增大，着火点温度将升高。 压力升高时可燃混合物的热力着火过程 着火点与散热条件的关系p着火点是发热曲线与散热曲线的相切点，符合以下关系：p将发热和散热方程代入以上联立方程式，合并以上两式解二次方程就可得到相当于切点i的着火温度（式中根号前只取负号，因为取正号时所得着火温度将在10000K以上，实际上是不可能达到的。 ）p展开成级数，将其大于二次方的各项略去(误差不超过l100)可得可燃混合物着火的条件。 1212ddddQQQQTT04112iRTETTRE200iRTTTE20iRTTE着火温度和

12、可燃混合物组成的关系(a)氢和CO (b)碳氢化合物1H2 2CO 3CH4 4C2H6 5C3H8 6C4H10三、燃气的点火三、燃气的点火p当一微小热源放入可燃混合物中时，则贴近热源周围的一层混合物被迅速加热，使可燃混合物逐步着火燃烧。这种现象称为强制点火，简称点火。点火热源可以是：灼热固体颗粒、电热线圈、电火花、小火焰等。p强制点火要求点火源处的火焰能够传至整个容积，因此着火的条件不仅与点火源的性质有关，而且还与火焰的传播条件有关。p现从热力角度分析局部点火过程。有一热金属颗粒放入可燃混合物中，其附近的温度分布示于图中，当发生放热反应时，温度梯度较小，因而从表面传向介质的热流也较小。当颗

13、粒温度升高到某一临界值Tis时，表面传向介质的热流等于零。如果颗粒表面温度稍高于Tis则反应加快，而大部分则流向周围介质。温度临界值Tis就是强制点火的点火温度。 灼热颗粒附近温度分布a在非可燃介质中 b在可燃介质中p点火成功时，在灼热颗粒表面形成一火焰层，其厚度为f。可由该火焰层的热平衡求得。p火焰层单位时间内的传导热量Q1p层内的化学反应放热量Q2 p按热量平衡，Q1=Q2式中 f火焰层厚度； A火焰层面积； 导热系数； Tf火焰温度； T0混合物起始温度； H混合物的燃烧热； W火焰层中燃烧反应速度。f01fTTQA2fQH W Af02fTTH W热球或热捧点火热球或热捧点火p将石英或

14、铂球投射入可燃混合物中，当球体的温度Tw大于临界值Tis时，即发生点燃现象。在球体周围厚度为的薄层中，温度由Tw直线下降至外部气体介质温度T0。假设热量主要靠热传导散失，则点燃的条件是p当Tw=Tis时，上式为等号。此式表明，反应层中的温度梯度是支配点燃可能性的一个重要因素。 22W044rHWrTT2s024iir H WTTNu小火焰点火小火焰点火p点燃可燃混合物所需的能量可由点火火焰供给。这时，引发点火的可能性取决于以下特性参数：可燃混合物组成、点火火焰与混合物之间的接触时间、火焰的尺寸和温度，以及混合强烈程度等。p为简化分析，设有一无限长的扁平点火火焰，当作一维火焰进行分析。将扁平火焰

15、放入无限大的充满可燃混合物的容器中。p存在两种情况。第一种情况是，当扁平火焰的厚度小于某一临界尺寸时，温度场不断衰减，最终使点火火焰熄灭。第二种情况是，火焰厚度大于临界尺寸，混合物的放热反应能够扭转温度场衰减的趋向，并能使火焰传播。实验表明，扁平点火火焰的临界厚度是火焰稳定传播时焰面厚度的两倍。 ff222,ccyrr12f0cTTrH W电火花点火电火花点火p把两个电极放在可燃混合物中，通高压电打出火花释放出一定能量，使可燃混合物点着，称为电火花点火。由于产生火花时局部的气体分子被强烈激励，并发生离子化，所以点火过程的机理十分复杂。p用电火花进行点火时，先是由电火花加热可燃混合物而使之局部着

16、火，形成初始的火焰中心，随后初始火焰中心向未着火的混合物传播，使其燃烧。初始火焰中心能否形成，将取决于电极间隙内的混合物中燃气的浓度、压力、初始温度、流动状态、混合物的性质以及电火花提供的能量等。p产生火花的方法通常有电容放电和感应放电两种。电容放电时，释放能量可由下式表示 212ECU式中 C电容器的电容； U产生火花前施加于电容器的电压。 电火花点火电火花点火p最小点火能 当电极间隙内的可燃混合物的浓度、温度和压力一定时，若要形成初始火焰中心。放电能量必须有一最小极值。能量低于此极值时不能形成初始火焰中心。这个必要的最小放电能量就是最小点火能Emin。火花产生后便形成一高温可燃混合气的小球，如果火焰球过小，则温度梯度过陡，内核的反应析热率不足以抵偿预热外层未燃气体的热损失率。这时，热