南京工业大学燃烧与爆炸理论第四章-预混气体的着火理论课件

第四章预混气体的着火理论

第四章预混气体的着火理论1概述所谓着火，是指系统中的可燃预混气因某种原因引起自动升温，反应自动加速，最后出现火焰的过程。火焰是着火的重要标志。概述所谓着火，是指系统中的可燃预混气因某种原因引起自动升温，2第一节谢苗诺夫热自燃理论

一、概述

任何充满预混气的体系中，一方面体系中的预混气会因缓慢氧化而放出热量，使体系温度升高；同时体系又会通过器壁向外散热，使体系温度下降。第一节谢苗诺夫热自燃理论一、概述3热自燃理论

着火是反应放热因素与散热因素相互作用的结果。如果反应放热占优势，体系就会出现热量积累，温度升高，反应加速，发生自燃；相反，如果散热因素占优势，体系温度下降，不能自燃。

热自燃理论着火是反应放热因素与散热因素相互作用的结果。4南京工业大学燃烧与爆炸理论第四章--预混气体的着火理论PPT课件5热自燃理论系统的能量方程热自燃理论系统的能量方程6南京工业大学燃烧与爆炸理论第四章--预混气体的着火理论PPT课件7二、热自燃着火条件

着火临界条件的数学表达式

二、热自燃着火条件着火临界条件的数学表达式8三、热着火理论中的着火感应期

在热着火理论中，着火感应期的定义是：当混气系统已达着火条件的情况下，由初始状态达到温度开始骤升的瞬间所需的时间。

三、热着火理论中的着火感应期在热着火理论中，着火感应期的定9图4-3不同初温时的散热曲线图4-4不同初温时的着火感应期

图4-3不同初温时的散热曲线10影响着火感应期的因素

系统环境温度越高，其着火感应期越短；大的混气发热量和高的混气反应速度都会使着火感应期变短；高的着火点以及高的反应活化能都会使着火感应期变长。影响着火感应期的因素系统环境温度越高，其着火感应期越短；11第二节链锁自燃理论

一、链锁自燃自燃之所以会产生主要由于在感应期内分子热运动的结果，使热量不断积累，活化分子不断增加以致造成反应的自行加速。这一理论可以阐明可燃混合气自燃过程中不少现象。

第二节链锁自燃理论一、链锁自燃12一、链锁自燃

但是，也有不少现象与实验结果，热自燃理论是无法解释，例如氢和空气温合气的着火浓度界限的实验结果正好与热自燃理论对双分子反应的分析结果相反。

一、链锁自燃但是，也有不少现象与实验结果，热自燃理论是无法13图4-5氢与空气的可燃混合气的压力极限

图4-5氢与空气的可燃混合气的压力极限14一、链锁自燃在低压下一些可燃混合气如H2+O2、OO+O2和CH4+O2等，其着火的临界压力与温度的关系曲线也不像热自燃理论所提出的那样单调地下降，而是呈S形，有着二个或二个以上的着火界跟，出现了所谓“着火半岛”的现象。

一、链锁自燃在低压下一些可燃混合气如H2+O2、OO+O2和15图4-6着火半岛现象（碳氢化合物与空气的混合气的着火界限）

图4-6着火半岛现象（碳氢化合物与空气的混合气的着火界限）16一、链锁自燃这些情况都说明着火并非在所有情况下都是由于放热的积累而引起的。实际上，大多数碳氢化合物燃料的燃烧过程都是极复杂的链锁反应，真正简单的双分子反应却是不多。

一、链锁自燃这些情况都说明着火并非在所有情况下都是由于放热的17一、链锁自燃链锁自燃理论认为，使反应自行加速并不一定要依靠热量积累，可以通过链锁的分枝，迅速增殖活化中心来促使反应不断加速直至爆燃着火。

一、链锁自燃链锁自燃理论认为，使反应自行加速并不一定要依靠热181．链锁分枝反应的发展条件

简单反应的反应速度随时间的进展由于反应物浓度的不断消耗而逐渐减小；但在某些复杂的反应中，反应速度却随着生成物浓度的增加而自行加速。这类反应称为自动催化反应，链锁反应就属于这种更为广义的自动催化反应。

1．链锁分枝反应的发展条件简单反应的反应速度随时间的进展由191．链锁分枝反应的发展条件链锁反应的速度受到中间某些不稳定产物浓度的影响；在某种外加能量使反应产生活化中心以后，链的传播就不断地进行下去，活化中心的数目因分枝而不断增多，反应速度就急剧加快，直到最后形成爆炸。

1．链锁分枝反应的发展条件链锁反应的速度受到中间某些不稳定产201．链锁分枝反应的发展条件在链锁反应过程中，不但有导致活化中心形成的反应，也有使活化中心消灭和链锁中断的反应，所以链锁反应的速度是否能得以增长以致爆炸，还得取决于这两者之间的关系。1．链锁分枝反应的发展条件在链锁反应过程中，不但有导致活化中21活化中心形成的速度

活化中心形成的速度22初始条件求解，得

初始条件23整个分枝链锁反应的速度

图4-7分枝链锁反应速度在等温下随时间的变化规律

整个分枝链锁反应的速度图4-7分枝链锁反应速度在等温下随242.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化

在低温时，由于链的分枝速度很缓慢，而链的中断速度却很快，，则。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化在低温时，由252.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化当时间趋于无限长时，活化中心浓度和反应速度都将趋于一个定值，即当2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化当时间趋于无限262.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化随着温度的增高，链的分枝速度不断增加而中断速度却几乎没有改变，值就逐渐增大，且成为正值，并随着温度升高愈大愈大。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化随着温度的增高272.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化这时，活化中心浓度和反应速度却随着时间而急剧地增长。当时间趋于无限长时，两者都趋向于无限大，故反应就会由于活化中心不断积累而自行加速产生所谓“链锁自燃”现象。

2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化这时，活化中心282.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化因为W1值很小，故感应期内反应很缓慢，甚至观察不出；而后由于活化中心迅速增殖导致速度猛烈地增长形成爆燃；当然在活化中心不断积累，反应自行加速的同时还伴随着自行加热。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化因为W1值很小29图4-7分枝链锁反应速度在等温下随时间的变化规律

图4-7分枝链锁反应速度在等温下随时间的变化规律302.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化当温度增加到某一数值时，却好使链的分枝速度等于其中断速度，即或，则此时活化中心浓度和反应速度均以直线规律随时间增长。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化当温度增加到某312.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化在这种情况下，反应是不会引起自燃的。若稍微提高一些温度而使，则反应就会因活化中心的不断积累而致产生爆燃；但若温度稍低一些，则会因，使反应速度趋于一极限值而达到一稳态反应。所以这一情况正好代表由稳态向自行加速的非稳态过渡的临界条件。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化在这种情况下，322.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化以（或）称为“链锁着火条件”，而相当于的混合气温度则称为“链锁自燃温度”。此时()的临界压力和温度就是链锁自燃的爆燃界限。对于氢氧混合气来说，链锁自燃温度T＝550℃。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化以33图4-8不同值下分枝链锁反应的发展

图4-8不同值下分枝链锁反应的发展342.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化链锁自燃(或称链锁着火)现象在实验中可以观察到，例如在低压、等温下氢与氧可以无需反应放热而可由链锁反应的自行加速产生自燃，这就是所谓“冷焰”现象。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化链锁自燃(或称35二、感应期的确定

根据链锁反应的性质，在反应开始时速度很低，过了一段时间后，速度才开始上升到可被察觉出的程度。所谓感应期就是指反应速度由几乎为零增大到可以察觉到的一定数值时所需的时间。二、感应期的确定根据链锁反应的性质，在反应开始时速度很低，36感应期

当时因在感应期内较大，故，同时可认为，则上式就可写成或感应期当时37感应期事实上，在一定组成、温度和压力下几乎为定值，它受外界的影响变化很小，所以或感应期事实上，在一定组成、温度和压力下几乎为定值38感应期这一结论已为实验所证实。如对一般可燃混合气着火而言，就有

感应期这一结论已为实验所证实。如对一般可燃混合气着火而言，就39三、着火半岛现象

着火半岛的存在可以看作为链锁反应产生的明证。在压力很低时，由于气体很稀薄，分子向四周的扩散速度很高，而且是压力越低，扩散越快。若此时容器的体积较小且压力又低，则活化中心向器壁的扩散就变得十分容易，因而就大大增加了与壁面碰撞失去活化的机会，这样就提高了链锁中断的速度，而且压力越低，中断速度越大。

三、着火半岛现象着火半岛的存在可以看作为链锁反应产生的明证40三、着火半岛现象故当压力降低到某一数值时，就有可能使中断速度大于分枝速度，那时就出现了链锁自燃的低界限。若提高容器内混合气的压力，则由于分于浓度的增大，减少了活化中心与器壁的碰撞机会，则此时链锁的中断就主要发生在气相内部活化中心的相撞中。三、着火半岛现象故当压力降低到某一数值时，就有可能使中断速度41三、着火半岛现象因此，随着压力的提高，这种机会越来越多，链的中断速度亦就越来越大，因而当压力增大到某一数值时，又会遇到分枝速度与中断速度相等的临界情况，这时就出现链锁自燃的着火高界限。三、着火半岛现象因此，随着压力的提高，这种机会越来越多，链的42三、着火半岛现象越过着火高界限后，若再继续提高压力，就会出现第三个爆燃界限，高于该界限后会再一次引起爆燃。第三界限的存在完全可用热力着火理论来解释。三、着火半岛现象越过着火高界限后，若再继续提高压力，就会出现43三、着火半岛现象因随着压力的增高，反应放热的现象越来越显著，由于反应放热使热量积累而引起反应自动加速的作用越来越重要。达到第三爆燃界限时，由于反应放热大于散热而引起的升温和加速已居支配地位，此时的爆燃就纯粹是一种热力爆燃，完全遵循热自燃理论的规律。三、着火半岛现象因随着压力的增高，反应放热的现象越来越显著，44三、着火半岛现象通过对碳氢化合物和氧（空气）的着火测定实验，发现它们在着火临界压力—温度图上有好几个界限。三、着火半岛现象通过对