燃烧学 教学课件 ppt 作者 陈长坤 第4章 着火与灭火理论

燃烧学主编4.1　着火与灭火的基本概念4.2　谢苗诺夫热自燃理论4.3　强迫着火4.4　开口系统的着火和灭火分析4.5　链锁反应自燃理论4.6　链锁理论的灭火分析第4章着火与灭火理论4.1　着火与灭火的基本概念(1)着火。(2)热自燃。(3)链锁自燃。(4)强迫着火(点燃或称引燃)。(5)灭火。(6)着火条件。(1)着火。燃烧反应的一个重要的外部标志，指预混气自动反应加速并自动升温，以致引起空间某部分或某瞬间有火焰出现的过程，即由空间的这一部分到那一部分，或由时间的某瞬间到另一瞬间化学反应的作用在数量上有跃变的现象。影响着火的因素包括化学动力学因素和流体力学因素。(2)热自燃。在可燃混合物的着火过程中，主要依靠热量的不断积累而自行升温，最终达到剧烈的反应速度的自燃。(3)链锁自燃。可燃混合物的着火过程，主要依靠链锁分支不断积累自由基(活化分子)，最终达到剧烈的反应速度的自燃。(4)强迫着火(点燃或称引燃)。可燃物局部受高温热源(电热线圈、电火花、炽热质点、点火火焰等)加热而着火、燃烧，然后依靠燃烧波传播到整个可燃混合物中。简言之：火焰的局部引发及其相继的传播。(5)灭火。由于散热、做功等因素将能量或自由基从燃烧区域移走，使反应不能自持，由燃烧态向低温缓慢氧化态过渡，使燃烧中断。(6)着火条件。如果在一定的初始条件(闭口系统)或边界条件(开口系统)之下，系统将不能在整个时间区段内或空间区段内保持低温水平的缓慢反应态，而会出现一个剧烈加速的过渡过程，使整个系统在某个瞬间或空间某部分达到高温反应态(即燃烧态)，实现这个过渡过程的初始条件或边界条件便称为“着火条件”。对于给定的可燃混合气体，在闭口系统条件下，其着火条件可表示为：（4-1）在开口系统条件下，着火的临界边界条件经常用着火距离xi表示，这时着火条件可表示为：（4-2）4.2　谢苗诺夫热自燃理论4.2.1　热自燃理论的基本出发点4.2.2　谢苗诺夫(Simonov)热自燃理论分析法4.2.3　着火感应期4.2.4　着火界限4.2.5　谢苗诺夫自燃理论的适用性4.2.1　热自燃理论的基本出发点任何反应体系中的可燃混合气体，一方面进行着放热的氧化反应，反应的放热使预混气温度升高，温度的升高又会促进反应加速，因而化学反应的放热速度和放热量是促进着火的有利因素。另一方面，体系又会向环境散热，使体系温度下降，因此散热是阻碍着火的不利因素。4.2.2　谢苗诺夫(Simonov)热自燃理论分析法(1)初始的混合气体温度和容器壁温T0相同，在反应过程中，容器壁温T0及外界环境温度始终保持不变，而混合气体的瞬时温度为T，容器壁温与混合气温度相同。(2)容器内各点的温度、浓度和化学反应速度相同。(3)混合气体与容器壁之间有对流换热，表面传热系数为h，它不随温度的改变而变化。(4)在着火温度附近，由于反应所引起的可燃混合气的浓度变化忽略不计。4.2.2　谢苗诺夫(Simonov)热自燃理论分析法单位时间内化学反应释放的热量qr为：（4-3）单位时间内容器壁的散热量ql为：(4-4)系统化学反应在产生热量的同时通过容器壁散失热量，总的能量守恒方程为：(4-5)图4 - 1　与随温度变化曲线4.2.2　谢苗诺夫(Simonov)热自燃理论分析法4.2.2　谢苗诺夫(Simonov)热自燃理论分析法(1)当散热强度(hS)较大，如图4 - 2中的ql1，qr与ql1曲线交于点a和点b。(2)当散热强度(hS)较小，如图4 - 2中的ql3，qr与ql3曲线相离。(3)当散热曲线为ql2，qr与ql2曲线相切。4.2.2　谢苗诺夫(Simonov)热自燃理论分析法根据以上分析，谢苗诺夫给出了热力着火临界条件的数学表达式：(4-6) (4-7) (4-8) (4-9) (4-10)4.2.2　谢苗诺夫(Simonov)热自燃理论分析法4.2.2　谢苗诺夫(Simonov)热自燃理论分析法(4-11) (4-12) (4-13) (4-14) (4-15)4.2.3　着火感应期图4 - 3　与随外界温度变化曲线(不同环境温度)4.2.3　着火感应期4.2.4　着火界限(4-16) (4-17) (4-18) (4-19) (4-20)4.2.4　着火界限(4-21) (4-22) (4-23) (4-24) (4-25)4.2.4　着火界限图4 - 5　着火界限4.2.4　着火界限4.2.4　着火界限图4 - 7　自燃温度与混合气体成分关系4.2.4　着火界限4.2.5　谢苗诺夫自燃理论的适用性图4 - 9　自动加热体系内的温度分布示意图a)谢苗诺夫模型　b)弗兰克-卡门涅茨基模型4.3　强迫着火4.3.1　炽热物体点燃理论——零值边界梯度法4.3.2　热平板点燃理论4.3.3　电火花点燃4.3.1　炽热物体点燃理论——零值边界梯度法图4 - 10　炽热体边界层内温度分布示意图4.3.1　炽热物体点燃理论——零值边界梯度法炽热体附近可燃物的温度梯度等于零时是点火成功的临界条件，其数学表达式为：（4-26）4.3.2　热平板点燃理论图4 - 11　炽热平板点燃过程示意图4.3.2　热平板点燃理论(4-27) (4-28) (4-29) (4-30) (4-31)4.3.2　热平板点燃理论(4-32) (4-33) (4-34) (4-35) (4-36)4.3.3　电火花点燃1.电火花点燃过程2.Williams点火熄火准则3.最小点火能与电极熄火距离4.电火花点燃简化分析1.电火花点燃过程电火花点燃是工程中应用最普遍的一种点燃方式。电火花点燃过程大体可以分为两个阶段：①电火花加热混合气体使局部混合气体着火，形成初始火焰中心；②初始火焰中心向未燃混合气体传播，通过导热和对流作用使整个混合气体燃烧。电容电火花的放电能量为：(4-37)2.Williams点火熄火准则准则1：当可燃气体中加入足够多的能量，使得和稳定传播的层流火焰一样厚的一层气体的温度升高到绝热火焰温度，才能点燃。准则2：板形区域内化学反应的热释放速率必须近似平衡于通过热传导方式从这个区域散热的速率。3.最小点火能与电极熄火距离实验表明，当电极间可燃混合气体的混气比、温度、压力一定时，电极放电能量有一最小值Emin，只有当放电量E＞Emin才能点燃可燃混合气体，这个最小放电能量称为最小点火能Emin。图4 - 12　点燃最小能量与电极熄火距离3.最小点火能与电极熄火距离4.电火花点燃简化分析1)电火花加热区是球形，球形火花的最高温度是混合气体的理论燃烧温度Tm，从球心到球壁上温度分布均匀。2)电极间距足够大，忽略电极的熄火作用。3)反应为二级反应。4)电火花点燃混合气体完全是热的作用。4.电火花点燃简化分析4.电火花点燃简化分析(4-38) (4-39) (4-40) (4-41) (4-42)4.电火花点燃简化分析(4-43) (4-44) (4-45) (4-46) (4-47) （4-48）图4 - 14　初温对最小点火能量的影响4.电火花点燃简化分析4.电火花点燃简化分析4.4　开口系统的着火和灭火分析4.4.1　简单开口系统模型4.4.2　简单开口系统的热量平衡和质量平衡4.4.3　简单系统的放热与散热曲线及灭火分析4.4.1　简单开口系统模型(1)混合气体的进口温度和质量分数分别为T0和f0。(2)容器中发生反应的混合气体的温度T和质量分数f分布均匀。(3)容器出口排出的燃烧产物的温度和浓度也是T和f。(4)开口系统的质量流量为G。(5)容器壁是绝热的。(6)反应为一级反应。4.4.1　简单开口系统模型图4 - 16　简单开口系统模型4.4.2　简单开口系统的热量平衡和质量平衡(4-49) (4-50) (4-51) (4-52) (4-53) （4-54）4.4.2　简单开口系统的热量平衡和质量平衡(4-55) (4-56) (4-57) (4-58) (4-59) 4.4.3　简单系统的放热与散热曲线及灭火分析图4 - 17　混气浓度变化时的放热曲线和散热曲线4.4.3　简单系统的放热与散热曲线及灭火分析图4 - 18　系统散热条件对系统灭火的影响4.4.3　简单系统的放热与散热曲线及灭火分析4.4.3　简单系统的放热与散热曲线及灭火分析(4-60) (4-61) (4-62)4.4.3　简单系统的放热与散热曲线及灭火分析综上分析可知，为使已着火的系统灭火，可采取以下措施：(1)降低系统氧或可燃气含量。(2)降低系统环境温度，使其低于灭火条件相对应的环境温度。(3)改善系统的散热条件，使其超过灭火的临界散热条件，使系统产生热量尽快散发出去。4.5　链锁反应自燃理论4.5.1　链锁反应着火条件4.5.2　链锁反应着火极限4.5　链锁反应自燃理论图4 - 20　1.8%乙烷和空气的着火界限4.5.1　链锁反应着火条件1.着火条件2.着火感应期1.着火条件图4 - 21　不同φ值链锁反应速度随时间的变化1.着火条件(4-63) (4-64) (4-65) (4-66) (4-67) 1.着火条件(4-68) (4-69) (4-70) 2.着火感应期(4-71) (4-72) （4-73）4.5.2　链锁反应着火极限图4 - 22　氢-氧化学计量混合物的爆炸极限4.6　链锁理论的灭火分析4.6.1　基于链锁理论的灭火措施4.6.2　热气溶胶的灭火机理4.6.1　基于链锁理论的灭火措施1.降低系统温度，以减慢链分支速度2.增大链的中断速度，提高自由基消毁速度1.降低系统温度，以减慢链分支速度在链传递过程中，由链分支产生自由基是一个分解过程，需要吸收能量，温度越低，链分支速度越小，产生自由基的数目越少。2.增大链的中断速度，提高自由基消毁速度(1)增加自由基固相销毁速度，可增加容器壁比表面积，以提供更多的表面积(器壁)，或在着火系统中加入惰性固体颗粒，如砂子、粉末灭火剂等，这些方式可增加自由基与器壁或固体颗粒表面的碰撞机会。(2)增加自由基气相销毁速度，可在着火系统中喷洒卤代烷等灭火剂，也可以促进链终止。(3)提高反应系统中的气体压力，在较高压力下，两个活性中心与第三者物体碰撞的机会增多，促进链终止。4.6.2　热气溶胶的灭火机理1.气相化学抑制灭火机理2.固相化学抑制灭火机理1.气相化学抑制灭火机理气溶胶灭火剂发生剂通过吸热反应以后，气溶胶固体微粒分解出来的K能够以两种形式存在，一是以蒸气形式存在，二是失去电子以阳离子的形式存在。2.固相化学抑制灭火机理气溶胶中的固体微粒是很微小的(10-9～10-6m)，它具有很大的比表面积和表面能，能够强烈地使自己表面能降低以达到一种相对稳定状态的趋势，属于典型的热力学不稳定体系。