第三章著火理論

西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院1第三章著火理論3.1 著火的基本概念3.2 熱自燃理論3.3 鏈?zhǔn)阶匀祭碚?.4 強(qiáng)迫點(diǎn)燃理論3.5 燃燒熱工況西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院2燃燒過(guò)程是發(fā)光放熱的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，存在兩個(gè)最基本的階段：著火階段、著火后燃燒階段。反應(yīng)的引發(fā)劇烈反應(yīng)的加速過(guò)程燃燒階段著火階段（孕育期）西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院33.1著火的基本概念著火的定義：燃料和氧化劑混合后，由無(wú)化學(xué)反應(yīng)、緩慢的化學(xué)反應(yīng)向穩(wěn)定的強(qiáng)烈放熱狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程，最終在某個(gè)瞬間在空間中某個(gè)部分出現(xiàn)火焰。一、著火過(guò)程著火過(guò)程：是化學(xué)反應(yīng)的速度出現(xiàn)躍變的臨界過(guò)程，即化學(xué)反應(yīng)從低速狀態(tài)在短時(shí)間內(nèi)加速到極高速的狀態(tài)。熱著火鏈?zhǔn)街鹞靼步煌ù髮W(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院4例如：燃料的性質(zhì)；燃料與氧化劑的混合比例；環(huán)境的壓力與溫度；氣流的速度；燃燒室的尺寸；保溫情況等。二、著火方式與機(jī)理西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院5熱著火：可燃混合物由于本身氧化反應(yīng)放熱大于散熱，或由于外部熱源加熱，溫度不斷升高導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)不斷自動(dòng)加速，積累更多能量最終導(dǎo)致著火?！蠖鄶?shù)氣體燃料著火特性符合熱著火的特征。

分為：鏈?zhǔn)街穑河捎谀撤N原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中心產(chǎn)生速率大于銷(xiāo)毀速率時(shí)，在分枝鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的作用下，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速度不斷加速，最終導(dǎo)致著火?！承┑蛪合轮饘?shí)驗(yàn)（如H2+O2，CO+O2的著火）和低溫下的“冷焰”現(xiàn)象符合鏈?zhǔn)街鸬奶卣?。熱自燃?qiáng)迫點(diǎn)燃西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院6相同點(diǎn)不同點(diǎn)都是在初始的較低的化學(xué)反應(yīng)速度下，利用某種方式，積聚某種可以使得化學(xué)反應(yīng)加速的因素（如溫度、總的活性分子數(shù)），從而使得化學(xué)反應(yīng)速度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加速，最終形成火焰。著火的微觀(guān)機(jī)理不同。熱著火通常比鏈?zhǔn)街疬^(guò)程強(qiáng)烈得多。著火的外部條件也有所不同。熱著火過(guò)程與鏈?zhǔn)街疬^(guò)程的對(duì)比西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院7熱著火過(guò)程與鏈?zhǔn)街疬^(guò)程區(qū)別——熱著火通常比鏈?zhǔn)街疬^(guò)程強(qiáng)烈得多。熱著火過(guò)程：溫度升高引發(fā)的，將使得系統(tǒng)中整體的分子動(dòng)能增加，超過(guò)活化能的活化分子數(shù)按指數(shù)規(guī)律增加。導(dǎo)致

燃燒反應(yīng)自動(dòng)加速。鏈?zhǔn)街疬^(guò)程：主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的，由于活化中心會(huì)被銷(xiāo)毀，所以鏈?zhǔn)街鹜ǔ＞窒拊诨罨行牡姆敝乘俾蚀笥阡N(xiāo)毀速率的區(qū)域，而不引起整個(gè)系統(tǒng)的溫度大幅度增加，形成“冷焰”。但是，如果活化中心能夠在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)加速繁殖并引起系統(tǒng)能量的整體增加，就形成爆炸。一個(gè)完善的燃燒過(guò)程應(yīng)是：及時(shí)著火，穩(wěn)定燃燒，充分燃盡需要指出的是，上述著火方式的分類(lèi)不能十分準(zhǔn)確地反應(yīng)它們之間的聯(lián)系和差別。實(shí)際燃燒過(guò)程中不可能有單純的熱著火或單純的鏈?zhǔn)街鸬那闆r，而往往是同時(shí)存在的，且相互促進(jìn)。一般來(lái)說(shuō)，在高溫下，熱自燃是著火的主要原因，而在低溫下，鏈?zhǔn)阶匀紕t是著火的主要原因。而熱自燃與強(qiáng)迫點(diǎn)燃的差別只是整體加熱與局部加熱的不同。因此，重要的是掌握各種著火方式的實(shí)質(zhì)。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院8三、著火條件的數(shù)學(xué)描述西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院9著火條件應(yīng)具備兩個(gè)基本的效果：（1）能夠使得系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)速度自動(dòng)地、持續(xù)地加速，直到達(dá)到一個(gè)較高的化學(xué)反應(yīng)速度。（2）實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)的速度不會(huì)趨于無(wú)窮大，而最終會(huì)到達(dá)某個(gè)有限的數(shù)值，且在這個(gè)有限的化學(xué)反應(yīng)速度的數(shù)值下，系統(tǒng)在空間中存在劇烈發(fā)光發(fā)熱（也就是燃燒）的現(xiàn)象。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院10

著火是對(duì)系統(tǒng)的初態(tài)而言的，它的臨界性質(zhì)不能錯(cuò)誤地解釋為化學(xué)反應(yīng)速度隨溫度的變化有突躍的性質(zhì)。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院11著火過(guò)程的外部標(biāo)志溫度不是反應(yīng)進(jìn)行的溫度，而是系統(tǒng)的初始溫度。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院12著火條件不是一個(gè)簡(jiǎn)單的初始條件，而是化學(xué)動(dòng)力參數(shù)和傳熱學(xué)參數(shù)的綜合函數(shù)。如：對(duì)于一定種類(lèi)的可燃預(yù)混合氣而言，在閉口系統(tǒng)條件下，著火條件可由下列函數(shù)關(guān)系來(lái)表示：在開(kāi)口系統(tǒng)的情況下，著火的臨界邊界條件經(jīng)常用著火距離xi表示，這時(shí)其著火條件可以表示為如下的綜合函數(shù)關(guān)系式：T0—預(yù)混合氣的初溫；

α—對(duì)流換熱系數(shù)；p—預(yù)混合氣的壓力；

d—容器直徑；

u0—環(huán)境氣流速度。3.2熱自燃理論一、熱自燃條件以封閉容器內(nèi)可燃物質(zhì)的著火過(guò)程為例，來(lái)分析熱自燃問(wèn)題。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院13熱自燃簡(jiǎn)化模型為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，作如下假設(shè)：只有熱反應(yīng)，不存在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；容器的體積V和表面積F為定值；容器內(nèi)的參數(shù)（如溫度濃度等）處處相同；容器與環(huán)境之間僅存在對(duì)流換熱，α為定值；可燃物質(zhì)的反應(yīng)熱Q為定值；在整個(gè)著火過(guò)程中，可燃物質(zhì)濃度變化很小，視作不變；

反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，系統(tǒng)溫度和容器壁溫與環(huán)境溫度T0相同；反應(yīng)過(guò)程中，系統(tǒng)的溫度為T(mén)，容器壁溫與可燃物質(zhì)溫度相同，均為T(mén)。；一、熱自燃條件西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院14單位時(shí)間內(nèi)容器內(nèi)可燃物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的放熱量qf：w—化學(xué)反應(yīng)速度；Q—單位體積內(nèi)可燃物質(zhì)的反應(yīng)熱；V—容器的容積。[A]—可燃物質(zhì)總體反應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)；n—可燃物質(zhì)總反應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)；E—可燃物質(zhì)總體反應(yīng)的活化能；k0—頻率因子。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院15單位時(shí)間內(nèi)容器壁對(duì)環(huán)境的散熱量qs為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)容器內(nèi)積累的熱量qL為：由能量守恒定律：Cv—單位體積內(nèi)可燃物質(zhì)的定容比熱。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院16熱自燃中的熱量平衡關(guān)系環(huán)境溫度西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院17①兩個(gè)交點(diǎn)： A點(diǎn)，穩(wěn)定，但反應(yīng)不會(huì)自動(dòng)加速而著火; B點(diǎn)，不穩(wěn)定，脈動(dòng)→燃燒or熄滅。②無(wú)交點(diǎn)：qf＞qs，系統(tǒng)內(nèi)能量積累，可燃物溫度不斷提高→著火。③一個(gè)交點(diǎn)：qf≥qs，一個(gè)切點(diǎn)。切點(diǎn)C不穩(wěn)定，有波動(dòng)→要么回到C點(diǎn)，要么著火。

C點(diǎn)—熱自燃點(diǎn)；Tc—熱自燃溫度。影響熱自燃的因素：西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院18對(duì)流換熱系數(shù)：↓，散熱直線(xiàn)qs的斜率↓，

qs直線(xiàn)將以橫軸上T0點(diǎn)為軸心向右轉(zhuǎn)動(dòng)，與qf相切，自燃。散熱面積F：F↓，與減小對(duì)流換熱系數(shù)效果相同?？扇嘉餄舛萩：c∝p↑，放熱曲線(xiàn)qf向左上方移動(dòng)，與散熱直線(xiàn)qs相切，自燃。自燃的充分必要條件：西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院19不僅放熱量和散熱量要相等，而且兩者隨溫度的變化率也要相等。數(shù)學(xué)描述：二、熱自燃溫度西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院20由或?qū)⑸蟽墒阶鞅鹊茫何靼步煌ù髮W(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院21解方程得：（另一根舍去）——謝苗諾夫公式所以：將展開(kāi)，忽略高次項(xiàng)，西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院22∴若E=167.2kJ/mol，T0=1000K，則表明在著火的情況下，自燃溫度在數(shù)量上與給定的初始環(huán)境溫度相差不多。自燃溫度的影響因素西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院23自燃溫度TC是和外界條件，如環(huán)境溫度、容器形狀和尺寸以及散熱情況等有關(guān)的一個(gè)參數(shù)。例如，對(duì)某種可燃物質(zhì)，當(dāng)其壓力由p1提高到p2時(shí)，放熱曲線(xiàn)qf1向左上方移動(dòng)到qf2位置。壓力升高，反應(yīng)加速，自燃溫度變低，即TC1＜TC2，或T02＜T01。散熱條件減弱時(shí)(換熱系數(shù)α減小或容器表面積F減小)，散熱直線(xiàn)qs1移到qs2位置，自燃溫度降低，即TC2＜TC1，或T02＜T01。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院24表1某些氣體和液體燃料與空氣混合物在大氣壓力的著火溫度名稱(chēng)分子式著火溫度/℃氫H2530～590一氧化碳CO654～658甲烷CH4658～750乙烷C2H6520～630乙烯C2H4542～547乙炔C2H2406～480苯C6H6580～740航空汽油—390～685原油—360～367重油—336煤油—250～609表2一些固體燃料的著火溫度西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院25種類(lèi)著火溫度/℃木柴250～350泥炭225～280褐煤200～350200～400300～500無(wú)煙煤600～700焦炭700碳黑560～600西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院26烷、烯、炔的著火溫度是烷烴最高（為飽和烴，所以活性低），炔烴最低（三價(jià)鍵不飽和烴，活性最強(qiáng)）。液體燃料著火溫度一般小于氣體燃料著火溫度?！⒁猓@里說(shuō)的著火溫度是自燃的著火溫度。固體燃料中揮發(fā)分高的著火溫度低，無(wú)煙煤、焦炭揮發(fā)分很少，所以著火溫度最高。褐煤煤場(chǎng)、油爐空氣預(yù)熱器上積的油、制粉系統(tǒng)的積粉等等，在通風(fēng)不良（散熱Q2很小時(shí)），經(jīng)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間孕育，可燃物濃度達(dá)到著火限時(shí)，在低于室溫的情況下，也會(huì)自燃著火。著火溫度與燃料空氣混合物的濃度有關(guān)；通常用過(guò)量空氣系數(shù)α（實(shí)際空氣量/符合化學(xué)當(dāng)量比的空氣量）來(lái)表示三、熱自燃界限西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院27pc-Tc之間的關(guān)系：pc↑，則Tc↓，混合氣體易發(fā)生自燃。由得到熱自燃條件：或二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)速度自燃的臨界壓力西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院28兩邊取對(duì)數(shù)：——謝苗諾夫方程令由于謝苗諾夫方程的正確性西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院29ClO2分解的自燃界限H2+Cl2的自燃界限西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院30自燃溫度還和燃料與氧化劑的混合比相關(guān)。自燃溫度與混合氣成分關(guān)系臨界壓力與混合氣成分關(guān)系P或T↓，著火界限縮小。當(dāng)P或T下降到某一值時(shí)，著火界限下降成一點(diǎn)。當(dāng)P或T繼續(xù)↓，則任何混合氣成分都不能著火。這些關(guān)系表明在一定的P(或T)下，并非所有混合氣成分都能著火，而是有一定的摩爾分?jǐn)?shù)范圍。超過(guò)這一范圍，混合氣就不能著火。如在T0-x關(guān)系曲線(xiàn)圖和pc-x關(guān)系曲線(xiàn)圖中，只有在x1-x2的濃度范圍內(nèi)混合氣才可能著火。稱(chēng)x2(即含燃料量多的)為上限(或富燃料)，稱(chēng)x1(即含燃料量少的)為下限(或貧燃料)。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院31西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院32保持其他參數(shù)不變，則有對(duì)直徑d的球形容器，則有d↑

，則pc

↓，從而提高可燃物質(zhì)的著火性能。四、熱自燃孕育時(shí)間熱自燃孕育時(shí)間即為著火孕育期。直觀(guān)意義：指可燃物質(zhì)由可以反應(yīng)到燃燒出現(xiàn)的一段時(shí)間。定義：在可燃物質(zhì)已達(dá)到著火的條件下，由初始狀態(tài)到溫度驟升的瞬間所需的時(shí)間。定義式：西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院33C0—可燃物質(zhì)初始摩爾濃度；Cc—可燃物質(zhì)著火時(shí)的摩爾濃度；wc,0—以摩爾濃度表示的初始反應(yīng)速度。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院34曲線(xiàn)I，環(huán)境溫度T0=T01：qL>0，dT/dt＞0，所以溫度T隨時(shí)間t將不斷上升。又有d2T/dt2＜0，所以溫度曲線(xiàn)向下凹，T的變化是減速緩慢升高的，最后趨近于極限值TA。曲線(xiàn)Ⅱ，環(huán)境溫度T0=T02

：Tc以前，T變化情況與曲線(xiàn)I類(lèi)似。Tc以后，由于qL>0，dT/dt＞0，所以T將繼續(xù)單調(diào)上升。但又有d2T/dt2＞0，所以T曲線(xiàn)向上凹。因?yàn)檫@時(shí)已經(jīng)開(kāi)始燃燒，所以溫度的變化是增速升高的。當(dāng)T=Tc時(shí)，dqL/dt=0，溫度曲線(xiàn)出現(xiàn)拐點(diǎn)。曲線(xiàn)III，環(huán)境溫度升高到T0=T03

：由于初溫升高，著火孕育時(shí)間縮短。拐點(diǎn)—著火孕育時(shí)間著火過(guò)程中的溫度變化著火孕育時(shí)間與溫度、壓力之間關(guān)系西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院35假設(shè)容器壁對(duì)環(huán)境沒(méi)有散熱損失，則可燃物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱全部用于系統(tǒng)升溫，因此溫度與濃度之間存在著如下關(guān)系：即：代入∴Tm—燃料全部燃燒后燃燒產(chǎn)物的溫度。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院36將上式代入得：兩邊取對(duì)數(shù)：在壓力和混合氣成分保持不變的條件下，可以認(rèn)為西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院37代入式將得在溫度和混合氣成分不變時(shí)可以認(rèn)為大量的熱自燃的實(shí)驗(yàn)證明，著火孕育期和溫度的關(guān)系確實(shí)可以整理成lnτi和1/T0的直線(xiàn)關(guān)系。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院38氣流中自燃的著火延遲和溫度的關(guān)系預(yù)混合氣：空氣＋燃料(Calorgas)同樣，lnτi與lnp也是直線(xiàn)關(guān)系。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院39(a)煤油；(b)Calorgas；(c)乙炔；(d)甲烷著火延遲與壓力的關(guān)系

某些燃料與空氣反應(yīng)的活化能西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院40燃料E(kJ/mol)燃料E(kJ/mol)乙炔129.58正庚烷252.89笨197.30氫239.26一氧化碳336.05煤油191.28環(huán)己烷

193.90甲烷121.22乙烷204.82甲醇172.63乙醇176.40異辛烷145.43

[c1]環(huán)己烷已修改注意：著火溫度范圍內(nèi)求得的活化能一般不同于火焰?zhèn)鞑?即燃燒)條件下所得到的活化能。3.3鏈?zhǔn)阶匀祭碚撘?、鏈?zhǔn)阶匀寂c熱自燃西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院41著火的熱自燃理論認(rèn)為熱自燃發(fā)生是由于在感應(yīng)期內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果使熱量不斷積累，從而導(dǎo)致反應(yīng)速度的自動(dòng)加速。熱自燃理論可以解釋很多著火現(xiàn)象。如圖所示的一氧化碳著火濃度界限的實(shí)驗(yàn)結(jié)果從一個(gè)方面說(shuō)明了熱自燃理論的正確性。CO著火界限但是也有很多現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用熱自燃理論是無(wú)法解釋的。有一些可燃混合氣在低壓下，其著火的臨界壓力與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)也不像熱自燃理論所論述的那樣，即單調(diào)地下降且只有一個(gè)著火界限，而是著火界限呈半島形，且有2個(gè)或3個(gè)，甚至更多的著火界限。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院42H2+O2的著火界限西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院43CH4+O2的著火界限乙烷+空氣的著火界限三個(gè)著火界限有些反應(yīng)在高壓區(qū)有多個(gè)著火界限出現(xiàn)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，著火并非在所有情況下都是由于放熱的積累引起的。鏈?zhǔn)阶匀祭碚撚锌赡芙忉屍渲械囊徊糠脂F(xiàn)象。二、鏈?zhǔn)阶匀紬l件鏈?zhǔn)阶匀祭碚撜J(rèn)為，使反應(yīng)自動(dòng)加速并不一定需要熱量積累，而可以通過(guò)鏈的不斷分枝來(lái)迅速增加鏈載體的數(shù)量，從而導(dǎo)致反應(yīng)自動(dòng)地加速直至著火。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院44如：氫和氧的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，反應(yīng)機(jī)理：①熱運(yùn)動(dòng)生成氫原子——分子碰撞形成的

②鏈分枝的結(jié)果——1個(gè)氫原子反應(yīng)生成3個(gè)新的氫原子③鏈載體銷(xiāo)毀過(guò)程——銷(xiāo)毀速度與氫原子濃度成正比西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院45w1——熱的作用而生成鏈載體的速度；w2——由鏈分枝造成的鏈載體凈增加速度；w3——鏈載體的銷(xiāo)毀速度；n——鏈載體的瞬時(shí)濃度；g—鏈載體銷(xiāo)毀速度系數(shù)；f—鏈載體凈增加速度系數(shù)。鏈載體隨時(shí)間的變化為西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院46∴令初始條件為：積分得以最終產(chǎn)物表示的反應(yīng)速度為西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院47a為一個(gè)鏈載體參加反應(yīng)后生成最終產(chǎn)物的分子數(shù)，在上述氫和氧反應(yīng)例子中，消耗1個(gè)氫原子將生成3個(gè)新的氫原子和2個(gè)水分子，所以a值為2。對(duì)于不分枝鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，f＝0，φ＝－g。鏈載體濃度為定值，所以不分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

不會(huì)發(fā)生著火。在低溫下，分枝鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度很慢，而鏈中斷反應(yīng)速度卻很快，因此φ＜0。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院48表明這種情況下的反應(yīng)是穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)展成著火。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院49分枝鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程當(dāng)溫度T↑時(shí)

，f↑，g不變，φ↑→φ＞0，n、w隨t指數(shù)增大。由于w1很小，當(dāng)t<τi，反應(yīng)非常緩慢。當(dāng)t>τi，鏈載體增殖→著火。這種著火方式稱(chēng)為鏈?zhǔn)阶匀迹环€(wěn)定。反應(yīng)物耗盡，w↓

在某個(gè)溫度下，可使φ=0，即鏈載體增殖速度與銷(xiāo)毀速度達(dá)到平衡，f=g。則有：西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院50反應(yīng)速度w隨時(shí)間t直線(xiàn)增加，但由于w1很小，所以在這種情況下，直到反應(yīng)物耗盡也不會(huì)著火。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院51φ＞0，著火，反應(yīng)不穩(wěn)定。φ＜0，反應(yīng)穩(wěn)定，反應(yīng)速度趨于定值。φ=0，為由穩(wěn)定狀態(tài)向自行加速的非穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡的臨界條件。稱(chēng)φ=0的條件為鏈?zhǔn)阶匀紬l件，相應(yīng)的溫度為鏈?zhǔn)阶匀紲囟?。分枝鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度隨時(shí)間的變化規(guī)律三、鏈?zhǔn)阶匀荚杏龝r(shí)間定義：從反應(yīng)開(kāi)始到反應(yīng)速度明顯加快的瞬間所需要的時(shí)間τi。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院52此時(shí)的反應(yīng)速度為：在感應(yīng)期內(nèi)φ較大，則eφτi>>1，φ≈f，則有西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院53兩邊取對(duì)數(shù)，整理得常數(shù)∴φ↑時(shí)，感應(yīng)期τi↓3.4強(qiáng)迫點(diǎn)燃理論一、強(qiáng)迫點(diǎn)燃與熱自燃西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院54熱自燃強(qiáng)迫點(diǎn)燃條件

Q1=Q2，

Tw=Tδ，

過(guò)程自發(fā)整個(gè)空間，可燃混合物WC很慢→放熱→升溫→多放熱→再升溫：積蓄→達(dá)到著火強(qiáng)制，局部→整個(gè)空間，用高溫物體置于可燃混合物中，溫差→熱傳遞，邊界層內(nèi)加熱→著火溫度→著火原理上均是化學(xué)反應(yīng)急劇加速的結(jié)果外界溫度有一定限制無(wú)要求熱自燃與強(qiáng)迫點(diǎn)燃對(duì)比強(qiáng)迫點(diǎn)燃的參數(shù)：

點(diǎn)燃溫度、點(diǎn)燃孕育時(shí)間、點(diǎn)燃濃度界限和點(diǎn)火源尺寸。影響因素：

可燃物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)、濃度、溫度、壓力、點(diǎn)燃方法、點(diǎn)火能和可燃物質(zhì)的流動(dòng)性質(zhì)等。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院55二、強(qiáng)迫點(diǎn)燃方式熾熱物體點(diǎn)燃——點(diǎn)燃靜止的或低速流動(dòng)的可燃物質(zhì)。電火花點(diǎn)燃——點(diǎn)燃低速流動(dòng)的易燃的氣體燃料，如汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中預(yù)混合氣內(nèi)的電火花點(diǎn)火。火焰點(diǎn)燃——點(diǎn)火能量大，在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院56三、熾熱物體點(diǎn)燃理論西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院57把一熾熱物體放在靜止的氣體中，且Tw＞T0，熾熱物體與周?chē)鷼怏w的換熱情況有以下幾種：氣體為不可燃?xì)怏w的溫度分布（不含化學(xué)反應(yīng)）氣體為可燃?xì)怏w的實(shí)際溫度分布（含化學(xué)反應(yīng)）化學(xué)反應(yīng)放熱1.物體表面溫度Tw較低，如Tw=Tw1時(shí)，若氣體為可燃?xì)怏w，則可燃?xì)怏w只有微弱的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生少量熱量，使溫度分布發(fā)生了變形，如右圖虛線(xiàn)所示。此時(shí)物體表面溫度梯度為負(fù)值，即(dT/dx)w＜0。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院58氣體為不可燃?xì)怏w的溫度分布（不含化學(xué)反應(yīng)）氣體為可燃?xì)怏w的實(shí)際溫度分布（含化學(xué)反應(yīng)）化學(xué)反應(yīng)放熱2.若Tw升高，則可燃?xì)怏w化學(xué)反應(yīng)速度w↑，放熱量↑，(dT/dx)w↑，陰影區(qū)域擴(kuò)大，總可以找到這樣的一個(gè)溫度Tw2，使熾熱物體表面與氣體沒(méi)有熱量交換，在壁面處(dT/dx)w=0，邊界層處放熱=散熱。Tw2—臨界溫度，稱(chēng)為強(qiáng)迫點(diǎn)燃溫度。點(diǎn)燃臨界條件西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院59氣體為不可燃?xì)怏w的溫度分布（不含化學(xué)反應(yīng)）氣體為可燃?xì)怏w的實(shí)際溫度分布（含化學(xué)反應(yīng)）化學(xué)反應(yīng)放熱3.若Tw進(jìn)一步升高，如Tw=Tw3時(shí)，反應(yīng)速度進(jìn)一步加快，放熱>散熱，由于熱量積累，反應(yīng)會(huì)自動(dòng)地加速到著火。此時(shí)火焰溫度比壁溫高得多，如右圖虛線(xiàn)所示。壁面處溫度梯度將出現(xiàn)正值，即(dT/dx)w＞0。球形熾熱物體點(diǎn)燃條件的求解：西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院60在球體附近的邊界層內(nèi)距壁面x處取一微元可燃?xì)怏w，微元?dú)怏w厚度為dx。設(shè)微元體與x軸垂直的兩個(gè)表面積均為ds。導(dǎo)入熱量導(dǎo)出熱量

反應(yīng)產(chǎn)熱λ—導(dǎo)熱系數(shù)；Q—反應(yīng)熱；w—反應(yīng)速度。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院61由能量守恒有:q1-q2+q3=0代入整理得：∴西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院62設(shè)球體附近化學(xué)反應(yīng)的邊界層厚度為δ，其邊界上的溫度為T(mén)δ。由于δ很小，所以可近似的認(rèn)為T(mén)w=Tδ。邊界層向外散失熱量為T(mén)δ從邊界上導(dǎo)出的熱量為α—對(duì)流換熱系數(shù)西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院63由邊界上的熱量平衡有即邊界條件，，，，

令，則有西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院64邊界條件變?yōu)椋?，，，積分有：取負(fù)號(hào)是因?yàn)閷?duì)西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院65因?yàn)門(mén)w-T0>0，所以根號(hào)前負(fù)號(hào)消掉。先求解在邊界層內(nèi)所以有西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院66∴積分有∴熾熱物體點(diǎn)燃的具體條件西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院67熾熱球形物體放在靜止的可燃?xì)怏w中時(shí)，Nu=2，則Tw溫度下能點(diǎn)燃的最小圓球直徑d為：其他條件不變時(shí)，隨著d↑，臨界點(diǎn)燃溫度↓，可燃?xì)怏w容易被點(diǎn)燃。點(diǎn)燃溫度Tw與熱球直徑d的關(guān)系(在煤氣中點(diǎn)燃)強(qiáng)迫點(diǎn)燃的點(diǎn)火孕育期定義：當(dāng)點(diǎn)火源與可燃?xì)怏w接觸后到出現(xiàn)火焰的一段時(shí)間。與點(diǎn)燃溫度有關(guān)。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院68點(diǎn)火溫度與點(diǎn)火孕育期的關(guān)系(混合氣：汽油和氧氣)欲縮短點(diǎn)火孕育期就必須提高熾熱物體的溫度。3.5燃燒熱工況燃燒熱工況問(wèn)題：討論氣流（燃料與助燃?xì)怏w的混合物）的溫度在某一系統(tǒng)中如何變化的問(wèn)題。一般情況下，溫度與燃燒反應(yīng)速度這兩個(gè)因素是相互促進(jìn)的。燃燒加強(qiáng)以后使溫度升高，溫度升高以后更使燃燒加強(qiáng)。但是有時(shí)條件不利的話(huà)，也可能使這兩個(gè)因素相互促退。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院69一、零元系統(tǒng)的燃燒熱工況西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院70零元系統(tǒng)：也稱(chēng)為“強(qiáng)烈攪拌的模型”。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院71系統(tǒng)產(chǎn)熱情況爐膛容積中的產(chǎn)熱率：

按氣流可燃成分的消耗率計(jì)算：

消去C有：Q—燃料與空氣混合物的發(fā)熱量；—?dú)饬鞯拿芏?；西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院72單位產(chǎn)熱量q1與溫度T的關(guān)系如把產(chǎn)熱率分?jǐn)偨o每1m3流過(guò)爐膛的的氣體，則得單位產(chǎn)熱量：停留時(shí)間系統(tǒng)散熱情況氣流所帶走的散熱量：西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院73Cp—比熱容。單位散熱量q2與溫度T的關(guān)系如果T0↑，q2直線(xiàn)就平行向右移動(dòng)。每1m3氣體的單位散熱量：零元系統(tǒng)的熱工況西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院74零元系統(tǒng)燃燒的熱工況如果產(chǎn)熱和散熱曲線(xiàn)處于q1與q2I位置，一個(gè)交點(diǎn)A′，氣流熄火。如果產(chǎn)熱和散熱曲線(xiàn)處于q1與q2III位置，一個(gè)交點(diǎn)C′，氣流正常燃燒。如果產(chǎn)熱和散熱曲線(xiàn)處于q1與q2II位置，三個(gè)交點(diǎn)，氣流可能熄火，也可能正常燃燒。零元系統(tǒng)的熱工況西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院75交點(diǎn)A，穩(wěn)定點(diǎn)。氣流熄火。交點(diǎn)C，穩(wěn)定點(diǎn)，氣流正常燃燒。交點(diǎn)B，不穩(wěn)定點(diǎn)。如果溫度脈動(dòng)向低溫方向，則交點(diǎn)移動(dòng)到A點(diǎn)，發(fā)生熄火；如果溫度脈動(dòng)向高溫方向，則交點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，正常燃燒。零元系統(tǒng)燃燒的熱工況各種因素對(duì)零元系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院76停留時(shí)間0增加，q1上移，熄火的可能性減小，燃燒穩(wěn)定性改善。發(fā)熱量Ｑ增加時(shí),q1在縱坐標(biāo)方向成比例地放大,可使燃燒穩(wěn)定性改善。各種因素對(duì)零元系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院77當(dāng)燃料的活化能E減小的時(shí)候，q1曲線(xiàn)向上移動(dòng)。當(dāng)燃料的頻率因子k0增加的時(shí)候，其效果與停留時(shí)間τ0增加是一樣的，q1曲線(xiàn)向上移動(dòng)。這兩個(gè)物理量的變化表明，提高燃料化學(xué)反應(yīng)的活性，可以使燃燒的穩(wěn)定性改善。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院78氣流的初溫T0升高時(shí)，q2線(xiàn)平行向右移動(dòng)，燃燒穩(wěn)定性改善。各種因素對(duì)零元系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響當(dāng)分析實(shí)際的燃燒室的時(shí)候，燃燒室的壁面不是絕熱的，需要把火焰對(duì)燃燒室壁面的輻射散熱考慮進(jìn)去，則散熱率為：西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院79其中＝4.9×10-8

lζSyx為決定燃燒室結(jié)構(gòu)的系數(shù)；ζ－燃燒室壁面的污垢系數(shù)；Syx－有效輻射受熱面積；l－燃燒室系統(tǒng)黑度。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院80當(dāng)Syx↑，或ζ↑

，或l

↑

，則導(dǎo)熱系數(shù)

↑

，從而散熱增強(qiáng)，q2曲線(xiàn)向左移動(dòng)，燃燒的穩(wěn)定性下降；其它條件不變，燃燒室容積V↑，單位流量氣流的散熱量↓，燃燒的穩(wěn)定性提高；其它條件不變，停留時(shí)間τ0

↑，產(chǎn)熱↑（q1Iq1IIq1III），散熱也↑（q2Iq2IIq2III），則q1與q2交點(diǎn)的移動(dòng)有多種情況，如圖所示。如果產(chǎn)熱上升幅度更大，燃燒穩(wěn)定性增加；如果散熱的上升幅度更大，則燃燒的穩(wěn)定性下降。西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院81對(duì)于存在煙氣回流的情況，由于系統(tǒng)流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)工況的整體不變，所以停留時(shí)間和產(chǎn)熱量不變。根據(jù)熱平衡的原理，煙氣回流實(shí)際上相當(dāng)于把排煙損失中的部分熱量返回了進(jìn)口煙氣，減少了散熱量。qVqv,T0qv,T2V，T散熱產(chǎn)熱若以實(shí)際排煙溫度來(lái)計(jì)算散熱量，得到西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院82對(duì)比得：煙氣回流實(shí)際上相當(dāng)于抵消了部分的散熱，進(jìn)口溫度T0不變，而排煙溫度降低。與當(dāng)回流量qV↑，q2曲線(xiàn)在T軸上的節(jié)距不變，但斜率發(fā)生變化，q2曲線(xiàn)繞T0