第4章著火與滅火理論

1、燃燒學(xué) 主編4.1著火與滅火的基本概念4.2謝苗諾夫熱自燃理論4.3強(qiáng)迫著火4.4開(kāi)口系統(tǒng)的著火和滅火分析4.5鏈鎖反應(yīng)自燃理論4.6鏈鎖理論的滅火分析第4章 著火與滅火理論4.1著火與滅火的基本概念(1)著火。(2)熱自燃。(3)鏈鎖自燃。(4)強(qiáng)迫著火(點(diǎn)燃或稱(chēng)引燃)。(5)滅火。(6)著火條件。(1)著火。燃燒反應(yīng)的一個(gè)重要的外部標(biāo)志，指預(yù)混氣自動(dòng)反應(yīng)加速并自動(dòng)升溫，以致引起空間某部分或某瞬間有火焰出現(xiàn)的過(guò)程，即由空間的這一部分到那一部分，或由時(shí)間的某瞬間到另一瞬間化學(xué)反應(yīng)的作用在數(shù)量上有躍變的現(xiàn)象。影響著火的因素包括化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素和流體力學(xué)因素。(2)熱自燃。在可燃混合物的著火過(guò)程中，

2、主要依靠熱量的不斷積累而自行升溫，最終達(dá)到劇烈的反應(yīng)速度的自燃。(3)鏈鎖自燃?？扇蓟旌衔锏闹疬^(guò)程，主要依靠鏈鎖分支不斷積累自由基(活化分子)，最終達(dá)到劇烈的反應(yīng)速度的自燃。(4)強(qiáng)迫著火(點(diǎn)燃或稱(chēng)引燃)?？扇嘉锞植渴芨邷?zé)嵩?電熱線(xiàn)圈、電火花、熾熱質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)火火焰等)加熱而著火、燃燒，然后依靠燃燒波傳播到整個(gè)可燃混合物中。簡(jiǎn)言之：火焰的局部引發(fā)及其相繼的傳播。(5)滅火。由于散熱、做功等因素將能量或自由基從燃燒區(qū)域移走，使反應(yīng)不能自持，由燃燒態(tài)向低溫緩慢氧化態(tài)過(guò)渡，使燃燒中斷。(6)著火條件。如果在一定的初始條件(閉口系統(tǒng))或邊界條件(開(kāi)口系統(tǒng))之下，系統(tǒng)將不能在整個(gè)時(shí)間區(qū)段內(nèi)或空間區(qū)段內(nèi)保

3、持低溫水平的緩慢反應(yīng)態(tài)，而會(huì)出現(xiàn)一個(gè)劇烈加速的過(guò)渡過(guò)程，使整個(gè)系統(tǒng)在某個(gè)瞬間或空間某部分達(dá)到高溫反應(yīng)態(tài)(即燃燒態(tài))，實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)渡過(guò)程的初始條件或邊界條件便稱(chēng)為“著火條件”。對(duì)于給定的可燃混合氣體，在閉口系統(tǒng)條件下，其著火條件可表示為：（4-1）在開(kāi)口系統(tǒng)條件下，著火的臨界邊界條件經(jīng)常用著火距離xi表示，這時(shí)著火條件可表示為：（4-2）4.2謝苗諾夫熱自燃理論4.2.1熱自燃理論的基本出發(fā)點(diǎn)4.2.2謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法4.2.3著火感應(yīng)期4.2.4著火界限4.2.5謝苗諾夫自燃理論的適用性4.2.1熱自燃理論的基本出發(fā)點(diǎn)任何反應(yīng)體系中的可燃混合氣體，一方面進(jìn)行著放熱的氧化

4、反應(yīng)，反應(yīng)的放熱使預(yù)混氣溫度升高，溫度的升高又會(huì)促進(jìn)反應(yīng)加速，因而化學(xué)反應(yīng)的放熱速度和放熱量是促進(jìn)著火的有利因素。另一方面，體系又會(huì)向環(huán)境散熱，使體系溫度下降，因此散熱是阻礙著火的不利因素。4.2.2謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法(1)初始的混合氣體溫度和容器壁溫T0相同，在反應(yīng)過(guò)程中，容器壁溫T0及外界環(huán)境溫度始終保持不變，而混合氣體的瞬時(shí)溫度為T(mén)，容器壁溫與混合氣溫度相同。(2)容器內(nèi)各點(diǎn)的溫度、濃度和化學(xué)反應(yīng)速度相同。(3)混合氣體與容器壁之間有對(duì)流換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h，它不隨溫度的改變而變化。(4)在著火溫度附近，由于反應(yīng)所引起的可燃混合氣的濃度變化忽略不計(jì)。4.2.2謝

5、苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法單位時(shí)間內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量qr為：（4-3）單位時(shí)間內(nèi)容器壁的散熱量ql為：(4-4)系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)在產(chǎn)生熱量的同時(shí)通過(guò)容器壁散失熱量，總的能量守恒方程為：(4-5)圖4-1與隨溫度變化曲線(xiàn)4.2.2謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法4.2.2謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法(1)當(dāng)散熱強(qiáng)度(hS)較大，如圖4-2中的ql1，qr與ql1曲線(xiàn)交于點(diǎn)a和點(diǎn)b。(2)當(dāng)散熱強(qiáng)度(hS)較小，如圖4-2中的ql3，qr與ql3曲線(xiàn)相離。(3)當(dāng)散熱曲線(xiàn)為ql2，qr與ql2曲線(xiàn)相切。4.2.2謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法根據(jù)以上

6、分析，謝苗諾夫給出了熱力著火臨界條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式：(4-6)(4-7)(4-8)(4-9)(4-10)4.2.2謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法4.2.2謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法(4-11)(4-12)(4-13)(4-14)(4-15)4.2.3著火感應(yīng)期圖4-3與隨外界溫度變化曲線(xiàn)(不同環(huán)境溫度)4.2.3著火感應(yīng)期4.2.4著火界限(4-16)(4-17)(4-18)(4-19)(4-20)4.2.4著火界限(4-21)(4-22)(4-23)(4-24)(4-25)4.2.4著火界限圖4-5著火界限4.2.4著火界限4.2.4著火界限圖4-7自燃溫度與混合氣

7、體成分關(guān)系4.2.4著火界限4.2.5謝苗諾夫自燃理論的適用性圖4-9自動(dòng)加熱體系內(nèi)的溫度分布示意圖a)謝苗諾夫模型b)弗蘭克-卡門(mén)涅茨基模型4.3強(qiáng)迫著火4.3.1熾熱物體點(diǎn)燃理論零值邊界梯度法4.3.2熱平板點(diǎn)燃理論4.3.3電火花點(diǎn)燃4.3.1熾熱物體點(diǎn)燃理論零值邊界梯度法圖4-10熾熱體邊界層內(nèi)溫度分布示意圖4.3.1熾熱物體點(diǎn)燃理論零值邊界梯度法熾熱體附近可燃物的溫度梯度等于零時(shí)是點(diǎn)火成功的臨界條件，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（4-26）4.3.2熱平板點(diǎn)燃理論圖4-11熾熱平板點(diǎn)燃過(guò)程示意圖4.3.2熱平板點(diǎn)燃理論(4-27)(4-28)(4-29)(4-30)(4-31)4.3.2熱平板點(diǎn)

8、燃理論(4-32)(4-33)(4-34)(4-35)(4-36)4.3.3電火花點(diǎn)燃1.電火花點(diǎn)燃過(guò)程2. Williams點(diǎn)火熄火準(zhǔn)則3.最小點(diǎn)火能與電極熄火距離4.電火花點(diǎn)燃簡(jiǎn)化分析1.電火花點(diǎn)燃過(guò)程電火花點(diǎn)燃是工程中應(yīng)用最普遍的一種點(diǎn)燃方式。電火花點(diǎn)燃過(guò)程大體可以分為兩個(gè)階段：電火花加熱混合氣體使局部混合氣體著火，形成初始火焰中心；初始火焰中心向未燃混合氣體傳播，通過(guò)導(dǎo)熱和對(duì)流作用使整個(gè)混合氣體燃燒。電容電火花的放電能量為：(4-37)2. Williams點(diǎn)火熄火準(zhǔn)則準(zhǔn)則1：當(dāng)可燃?xì)怏w中加入足夠多的能量，使得和穩(wěn)定傳播的層流火焰一樣厚的一層氣體的溫度升高到絕熱火焰溫度，才能點(diǎn)燃。準(zhǔn)則

9、 2：板形區(qū)域內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的熱釋放速率必須近似平衡于通過(guò)熱傳導(dǎo)方式從這個(gè)區(qū)域散熱的速率。3.最小點(diǎn)火能與電極熄火距離實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電極間可燃混合氣體的混氣比、溫度、壓力一定時(shí)，電極放電能量有一最小值Emin，只有當(dāng)放電量EEmin才能點(diǎn)燃可燃混合氣體，這個(gè)最小放電能量稱(chēng)為最小點(diǎn)火能Emin。圖4-12點(diǎn)燃最小能量與電極熄火距離3.最小點(diǎn)火能與電極熄火距離4.電火花點(diǎn)燃簡(jiǎn)化分析1)電火花加熱區(qū)是球形，球形火花的最高溫度是混合氣體的理論燃燒溫度Tm，從球心到球壁上溫度分布均勻。2)電極間距足夠大，忽略電極的熄火作用。3)反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)。4)電火花點(diǎn)燃混合氣體完全是熱的作用。4.電火花點(diǎn)燃簡(jiǎn)化分析4.電

10、火花點(diǎn)燃簡(jiǎn)化分析(4-38)(4-39)(4-40)(4-41)(4-42)4.電火花點(diǎn)燃簡(jiǎn)化分析(4-43)(4-44)(4-45)(4-46)(4-47)（4-48）圖4-14初溫對(duì)最小點(diǎn)火能量的影響4.電火花點(diǎn)燃簡(jiǎn)化分析4.電火花點(diǎn)燃簡(jiǎn)化分析4.4開(kāi)口系統(tǒng)的著火和滅火分析4.4.1簡(jiǎn)單開(kāi)口系統(tǒng)模型4.4.2簡(jiǎn)單開(kāi)口系統(tǒng)的熱量平衡和質(zhì)量平衡4.4.3簡(jiǎn)單系統(tǒng)的放熱與散熱曲線(xiàn)及滅火分析4.4.1簡(jiǎn)單開(kāi)口系統(tǒng)模型(1)混合氣體的進(jìn)口溫度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為T(mén)0和f0。(2)容器中發(fā)生反應(yīng)的混合氣體的溫度T和質(zhì)量分?jǐn)?shù)f分布均勻。(3)容器出口排出的燃燒產(chǎn)物的溫度和濃度也是T和f。(4)開(kāi)口系統(tǒng)的質(zhì)量

11、流量為G。(5)容器壁是絕熱的。(6)反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。4.4.1簡(jiǎn)單開(kāi)口系統(tǒng)模型圖4-16簡(jiǎn)單開(kāi)口系統(tǒng)模型4.4.2簡(jiǎn)單開(kāi)口系統(tǒng)的熱量平衡和質(zhì)量平衡(4-49)(4-50)(4-51)(4-52)(4-53)（4-54）4.4.2簡(jiǎn)單開(kāi)口系統(tǒng)的熱量平衡和質(zhì)量平衡(4-55)(4-56)(4-57)(4-58)(4-59)4.4.3簡(jiǎn)單系統(tǒng)的放熱與散熱曲線(xiàn)及滅火分析圖4-17混氣濃度變化時(shí)的放熱曲線(xiàn)和散熱曲線(xiàn)4.4.3簡(jiǎn)單系統(tǒng)的放熱與散熱曲線(xiàn)及滅火分析圖4-18系統(tǒng)散熱條件對(duì)系統(tǒng)滅火的影響4.4.3簡(jiǎn)單系統(tǒng)的放熱與散熱曲線(xiàn)及滅火分析4.4.3簡(jiǎn)單系統(tǒng)的放熱與散熱曲線(xiàn)及滅火分析(4-60)(4-6

12、1)(4-62)4.4.3簡(jiǎn)單系統(tǒng)的放熱與散熱曲線(xiàn)及滅火分析綜上分析可知，為使已著火的系統(tǒng)滅火，可采取以下措施：(1)降低系統(tǒng)氧或可燃?xì)夂俊?2)降低系統(tǒng)環(huán)境溫度，使其低于滅火條件相對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度。(3)改善系統(tǒng)的散熱條件，使其超過(guò)滅火的臨界散熱條件，使系統(tǒng)產(chǎn)生熱量盡快散發(fā)出去。4.5鏈鎖反應(yīng)自燃理論4.5.1鏈鎖反應(yīng)著火條件4.5.2鏈鎖反應(yīng)著火極限4.5鏈鎖反應(yīng)自燃理論圖4-201.8%乙烷和空氣的著火界限4.5.1鏈鎖反應(yīng)著火條件1.著火條件2.著火感應(yīng)期1.著火條件圖4-21不同值鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化1.著火條件(4-63)(4-64)(4-65)(4-66)(4-67)1.著火

13、條件(4-68)(4-69) (4-70)2.著火感應(yīng)期(4-71)(4-72)（4-73）4.5.2鏈鎖反應(yīng)著火極限圖4-22氫-氧化學(xué)計(jì)量混合物的爆炸極限4.6鏈鎖理論的滅火分析4.6.1基于鏈鎖理論的滅火措施4.6.2熱氣溶膠的滅火機(jī)理4.6.1基于鏈鎖理論的滅火措施1.降低系統(tǒng)溫度，以減慢鏈分支速度2.增大鏈的中斷速度，提高自由基消毀速度1.降低系統(tǒng)溫度，以減慢鏈分支速度在鏈傳遞過(guò)程中，由鏈分支產(chǎn)生自由基是一個(gè)分解過(guò)程，需要吸收能量，溫度越低，鏈分支速度越小，產(chǎn)生自由基的數(shù)目越少。2.增大鏈的中斷速度，提高自由基消毀速度(1)增加自由基固相銷(xiāo)毀速度，可增加容器壁比表面積，以提供更多的表面積(器壁)，或在著火系統(tǒng)中加入惰性固體顆粒，如砂子、粉末滅火劑等，這些方式可增加自由基與器壁或固體顆粒表面的碰撞機(jī)會(huì)。(2)增加自由基氣相銷(xiāo)毀速度，可在著火系統(tǒng)中噴灑鹵代烷等滅火劑，也可以促進(jìn)鏈終止。(3)提高反應(yīng)系統(tǒng)中的氣體壓力，在較高壓力下，兩個(gè)活性中心與第三者物體碰撞的機(jī)會(huì)增多，促進(jìn)鏈終止