火災動力學PPT完整全套教學課件

1火災動力學熱力學基礎常識2019春提綱理想氣體定律熱函數(shù)熱力學過程功、內(nèi)能、比熱、焓值揮發(fā)過程與克-克定律2理想氣體理想氣體就是展示某些理論特征的氣體；具體說來…在所有條件下滿足氣體定律；在冷卻時不會冷凝成液體；V-T或P-T關系成簡單的直線；在實際世界，沒有完全滿足這一定義的氣體；我們通常假設理想氣體的存在，是未來簡化計算。對大部分火災來說，理想氣體定理可以提供足夠精度的估算需要。理想氣體定律P

V=n

R

TUniversalGasConstantVolumeNo.ofmolesTemperaturePressureR=0.0821atmL/molKR=8.314kPaL/molKR=0.0821atmL

molKRecall:1atm=101.3kPa(101.3kPa)(1atm)=8.31kPaLmolK1mol=22.4L@STP標準工況

(STP)化學界使用0℃

(273K,32

F)，

100

kPa

(14.504

psi,0.986

atm,

1bar)作標況非正式使用25℃

(298K)，

100

kPa(14.504

psi,0.986

atm,

1bar)作標況美國國家標準局NIST使用20℃，

101.325

kPa(14.696

psi,1atm)作標況天然氣輸運領域使用

15.00

℃，101.325kPa作標況例題如果一種未知名氣體的質(zhì)量密度是1.23g/L@

STP.計算其摩爾密度/分子量.理想氣體定律的變化理想氣體定律=波意爾定律+查爾斯定律單位體積的理想氣體，在常溫和常壓下，包含相同（摩爾）數(shù)量的分子。熱力學過程等容過程：Isometric-ConstantVolume等壓過程：Isobaric–ConstantPressure等溫過程：Isothermal–ConstantTemperature絕熱過程：Adiabatic–Noheatloss,q=0等容過程，意味著不對外做功，所以內(nèi)能的變化就是溫度的變化，就是蓄熱能力的變化。 Recall

and Thus下標v意味著等容變化。等容過程isometric等壓過程，isobaric從能量守恒和基本定義入手積分并求導下標

p意味著等壓過程。求解qp焓值，Enthalpy由于

U,P和

V都是狀態(tài)函數(shù)，U+PV也是狀態(tài)函數(shù)；該狀態(tài)函數(shù)就稱作焓值enthalpy,HH=U+PV因此等壓條件下的傳熱變化是焓差

qp=H2–H1=ΔH在等壓過程系統(tǒng)中，從系統(tǒng)的吸熱和放熱等于焓值的變化。比熱用來表達物質(zhì)蓄熱能力的參數(shù)是熱容（heatcapacity）。單位質(zhì)量的熱容，稱作比熱（specificheat）由于溫度變化導致的吸熱能力之變化，稱作熱容。定義關系式是：注意，這需要保證物質(zhì)沒有相變。發(fā)生相變，溫度不變，則熱熔無限。比熱與密度關系等容過程（爆炸）定容比熱定容下，內(nèi)能的變化是傳熱造成的結(jié)果導致因為體積恒定，所以

dW=0or舉例如果一封閉空間的溫度是2400K，如果該空間的初始溫度是300K，請問該空間的最大壓力是多少？等壓過程（燃燒）定義常壓下的熱容量由于常壓下焓值不變結(jié)果導致焓值變化就是熱容與溫差之積或克勞修斯-克拉佩龍方程對于相變過程，蒸汽壓是溫度的函數(shù)。Example05如果正己烷（n-Hexane）

液體在STP(20℃&1atm)。計算其揮發(fā)的蒸汽壓。AppleandHexaneVaporpressure@STP20Methanol,toxicblindEthanol,alcoholdrinkHexane,flammable&toxic拉奧定理Raoult’srule對理想氣體的混合物，總壓是分壓之和，分壓之比等于摩爾數(shù)之比。or基于摩爾數(shù)或質(zhì)量的分析道爾頓分壓定理Dalton’slawofadditivepressuresAmagat’slawofadditivevolumes拉奧定理Raoult’slaw總結(jié)本節(jié)我們回顧了理想氣體定律做功、能量、比熱焓值；等溫、等容、等壓過程等容過程（爆炸）等壓過程（燃燒）揮發(fā)過程（可逆等溫過程）24流體力學基礎常識2019火災動力學提綱流體的概念流動的類型粘性系數(shù)表面張力壓力分布液體泄漏流體這個概念Figure

1

固體、液體、氣體的分子結(jié)構(gòu)之比較什么是流體？流體，是與固體相對應的一種物體形態(tài)，是液體和氣體的總稱.由大量的、不斷地作熱運動而且無固定平衡位置的分子構(gòu)成的，它的基本特征是沒有一定的形狀并且具有流動性。包括：Liquids,gases,andplasmas流體靜力學研究處于平衡狀態(tài)的液體，常見概念包括：密度、壓力、浮力等；流體動力學研究處于運動狀態(tài)的流體，常見概念包括湍流，能量，渦量等；什么是流體力學？應用于不管是靜態(tài)還是動態(tài)的液體或氣體的應用力學統(tǒng)稱為流體力學。Fluidmechanics=fluidstatics+fluidkinematics流體力學=靜力學+運動學Fluiddynamics=fluidmechanics+heattransfer流體動力學=流體力學+傳熱學Firedynamics=thermodynamics+fluiddynamics+heattransfer+Combustion火災動力學=熱力學+流體力學+傳熱學+燃燒學帕斯卡定律密封液體所受到的壓力會無損地傳遞到整個容器的各個角落。例如擠牙膏這個動作，就是帕斯卡定律的最好說明。千斤頂，是帕斯卡定律的另一個說明。密度液體的密度

,定義成單位容積的質(zhì)量，受到溫度和壓力的影響。

=mass/volume=m/V

單位通常是kg/m3典型密度

水

=1000kg/m3;空氣

=1.23kg/m3

。在一個大氣壓下粘性()粘性是液體內(nèi)部粘性的表達；代表內(nèi)部的摩擦程度；流動液體的內(nèi)部阻力來源于分子之間的粘性和動量交換。流體的粘性依賴于溫度：對液體，溫度增加，粘性降低；對氣體，溫度增加，粘性增加；粘性對于動能的耗散過程非常重要。粘性系數(shù)Viscosity粘性是描述流體黏性大小的物理量，也稱黏度，黏滯系數(shù)，動力黏度。粘性可認為是導致能量損失的，產(chǎn)生液體流動阻力的內(nèi)部摩擦阻力。在牛頓黏性定律中，當流體的流動為層流時，則在層與層之間所作用的黏性力f分別與液體中定向運動的速度梯度du/dz及流動方向切向面積A成正比的關系，其比例系數(shù)η稱為黏度或黏性系數(shù)，Units:N.s/m2orkg/m/sTypicalvalues:Water=1.14x10-3kg/m/s;Air=1.78x10-5kg/m/s湍流牛頓粘性公式-viscosity(coeff.ofviscosity)固定非滑動平板

fixedno-slipplate

在某一點的粘性力是粘性的線性關系液體表面舉例，海水中風吹流動-kinematicviscosity運動粘性非牛頓流體（泡沫）非牛頓流體牛頓流體(線性關系)非牛頓流體（非線性關系）

在本課中，我們只考慮牛頓流體。非牛頓流體包括瀝青、泡沫、血液、乳化劑、油漆等經(jīng)典的非牛頓流體實驗通常情況下，液體的粘性隨著溫度的增加而降低，即加溫改善流動性；氣體的粘性隨著溫度的額增加而升高，即燃燒趨層流。不同流體的粘性系數(shù)偉大藝術(shù)家的觀察力流體的耗散過程與能譜表面張力液體表面任意二相鄰部分之間垂直于它們的單位長度分界線相互作用的拉力。表面張力的形成同處在液體表面薄層內(nèi)的分子的特殊受力狀態(tài)密切相關。表面張力的存在形成了一系列日常生活中可以觀察到的特殊現(xiàn)象。例如：截面非常小的細管內(nèi)的毛細現(xiàn)象、肥皂泡現(xiàn)象、液體與固體之間的浸潤與非浸潤現(xiàn)象等。改性水的添加劑特征減少粘性

增加粘性

目的增加流動性降低流動性名稱Wettingagent浸潤水Thickeningagent粘稠水水的粘性Thinner稀水Thicker厚水表面張力-+表面積+-覆蓋范圍+-流動阻力-+A類燃料的滲透率+-吸熱能力-+混合地點阻力小，遠處混合阻力大，泵浦出口混合液滴動力學小液滴，全淹沒大液滴，局部穿透黏著力分散黏著火場運用對陰燃、地下煤火有效Moppingupsmolderingfire/finalcleanup最初運用，希望水柱的穿透力Initialattackandpretreatmentoffuel連續(xù)性方程管內(nèi)流體，流入等于流出；相當于質(zhì)量守恒定律ρA1v1Δt=ρA2v2ΔtA1v1=A2v2伯努利方程伯努利方程或定理P1

+ρgy1+1/2ρv12=P2+ρgy2+1/2ρv22下標指代液體流線中的亮點靜止時

(v1=v2=0）得到狀態(tài)方程；這僅適用于理想流體靜壓力分布方程在均勻密度場中的垂直壓力分布于密度成正比。小孔泄漏應用伯努利定理，我們可以得到小孔射流的公式如下：泄漏因子或形狀因子Cd泄漏因子是流體狀態(tài)和小孔直徑的流動條件的結(jié)果經(jīng)驗準則包括：銳角的小孔，或高雷諾數(shù)流動（大于30000）直接選用0.61.這意味著液體的流動與小孔的尺寸無關，達到充分湍流的狀態(tài)。對于完全圓形處理的小孔，泄漏因子趨近與1.0；對容器上設計的短管輸出（直徑比不小于3），泄漏因子大約是0.81.如果不知道其他條件，或存在不確定性，使用1.0的最大量取得保守的估計。源頭模型氣體的泄漏液體的泄漏某廠生成的空氣柜，因外力撞擊而產(chǎn)生一個小孔發(fā)生漏氣。小孔面積是19.6cm2因空氣柜中的氣體由此發(fā)生大氣泄漏。一直空氣柜中的壓力是2.5x105Pa（2.5atm），絕熱指數(shù)是

，求空氣泄漏的最大質(zhì)量流量。解答：首先判斷空氣泄漏的臨界壓力是大氣壓是1.0x105Pa，小于臨界壓力，則空氣泄漏的最大質(zhì)量流量是例題：氣體泄漏下午1點，工程的操作人員注意到輸送苯液體的壓力表讀數(shù)降低了，于是立即把壓力提升到690Pa。下午2:30，操作人員發(fā)現(xiàn)管道上有一個直徑為6.35毫米的小孔，并立即修復。估算流程的苯量。苯的密度按照879.4kg/m3來計算。（Crowl,pp115）解答：下午1點觀察到的壓力降低是泄漏開始的標志。假設小孔泄漏一直發(fā)生在1pm到2:30pm.之間，總共90分鐘。則小孔的面積是：假設小孔是圓滑的，取孔流系數(shù)0.61，則所以苯的總泄漏量是：例題：液體泄漏2023/9/17青島原油泄漏大爆炸

November22,20132:30am發(fā)生泄漏3:00am泄漏被檢測，并報告1103:15am管線停止運行10:25am下水道爆炸12:40pm火災被控制大氣層逆反現(xiàn)象霧霾現(xiàn)象的根源總結(jié)本節(jié)回顧了基本概念理解液體的基本概念；研究流體的兩種辦法；流體特征：密度、比重、比重力和粘性認識非牛頓力學；認識表面張力和水的物性改變對滅火的影響；53火災動力學火災基礎：傳熱學基礎2019Vantablack的視覺效果為何研究傳熱？熱量總是從高溫向低溫傳遞。（熱力學第二定律）受熱煙氣會上升，產(chǎn)生煙氣的運動，帶來火檢和報警的難題；受熱煙氣會加熱結(jié)構(gòu)材料，帶來不同程度的熱傷害。受熱后的材料會發(fā)生變形、坍塌和結(jié)構(gòu)破壞?；饒龅妮椛鋸姸葲Q定安全區(qū)，需要進行防火間距的設計。目標解釋溫度與熱平衡之間的關系；解釋熱傳遞的三種形式：導熱、對流和輻射。在簡單系統(tǒng)中計算導熱、對流和輻射的公式估算。解釋三種換熱方式對評估火場風險的作用?？措娪癗ationalGeography拍攝的《偉大工程巡禮青藏鐵路》，可以加深你對熱傳遞三種方式的理解。傳熱過程熱量流動的科學稱作傳熱學傳熱三種方式：導熱、對流和輻射熱流傳遞是基于溫度差（熱勢）熱平衡如果等吻，兩物體達到熱平衡；在自然界，熱量總是從熱到冷物體進行流動，直到達到熱平衡。熱傳導熱傳導是通過直接接觸的方式來傳熱。高密度的材料，如銅和鋁是熱的良導體。不能傳熱的物質(zhì)稱作絕熱體或不良導體；不良導體（如塑料），升溫慢。導熱方便面塑料泡沫是通過添加空氣增加其絕熱能力。通常，固體比流體導熱性好，流體比氣體導熱性好。導熱物質(zhì)的導熱能力取決于材料的結(jié)構(gòu)，而不是材料本身。例如，固體玻璃是良導體；但固體玻璃做成的纖維材料，可以是絕熱材料，因為其中包含了空氣。導熱性物質(zhì)的導熱能力（導熱性）用于描述物質(zhì)導熱的能力影響導熱過程的變量導熱方程：傅里葉截面面積(m2)長度(m)導熱系數(shù)(watts/moC)熱流通量(watts)溫度差(oC)導熱性與物質(zhì)的密度正相關例題01在2010年的上海教師公寓大火中，肇事者是聚氨酯泡沫（充當保溫材料）。這是一種很好的保溫材料，卻不是一種阻燃材料?，F(xiàn)有一段聚氨酯墻0.10米厚，用于給建筑保溫。當內(nèi)外的溫度分別是30C和10C時，什么是這種情況下的熱通量?如果把這堵墻從聚氨酯換成混凝土，會發(fā)生那些變化？解答：例題01解答：聚氨酯泡沫的熱導性是k=0.034W/m.K，混凝土的導熱性是K=0.8~1.4W/m.K，取k=1.1W/m.K。聚氨酯泡沫:水泥板：

從這個例子可以看出，保溫墻的效果依賴于導熱性和厚度。復合墻體（多層材料）例題02對流對流是通過液體或氣體的流動來傳熱.氣相對流通常發(fā)生在氣體受熱膨脹后上升時；對流出現(xiàn)時因為熱氣體上升，冷氣體下降；由于密度差，液體中也會出現(xiàn)對流，如污染物排放。對流如果液體或氣體流動是由于密度差或溫度差，這種對流稱作自然對流freeconvection.如果液體或氣體的流動是由于泵浦或風機造成，這種對流稱作強迫對流forcedconvection.對流對流依賴于速度（傳質(zhì)現(xiàn)象）；運動增加對流傳熱的效率。對流換熱效果對流依賴于表面積；對流產(chǎn)生速度，速度帶來傳質(zhì)如果表面積增加，傳熱率增加；傳熱效果取決于面積和速度因此，如果添加肋片，會增加對流換熱的效果，如計算機的CPU散熱片。強制對流自然對流和強制對流都能夠增加換熱效率，提高傳熱效果。對流換熱的牛頓定律

Newton’slawofcooling接觸面積(m2)對流換熱系數(shù)(watts/m2oC)熱流通量(watts)溫度差(oC)熱流密度（HeatFlux，ThermalFlux），也稱熱通量，一般用q表示，定義為：單位時間內(nèi)，通過物體單位橫截面積上的熱量。按照國際單位制，時間為s，面積為㎡，熱量取單位為焦耳（J），相應地熱流密度單位為J/(㎡·s)。赤日炎炎似火燒墻壁羽流和換熱火焰吸附；火焰拉伸；湍流增加混合與換熱；例題03如果一束熱空氣流在800C沖擊到20℃的墻上，該流體的熱通量是多少？解答：對于空氣中的浮力流動，換熱系數(shù)是5~10輻射換熱關鍵問題，陽光如何到達地球？非接觸式換熱輻射輻射是通過電磁波的形式進行的傳熱；熱輻射是由于溫度差，通過電磁波（包括可見光波段）的換熱現(xiàn)象。物體的溫度越高，熱輻射的能量越多。全球變暖與熱輻射理論輻射熱我們看不見熱輻射，是因為熱輻射主要出現(xiàn)在紅外波段infraredwavelengths，人眼看不見。在一定的溫升下，物體開始發(fā)出不同的顏色光（glow）輻射光譜室溫下的物質(zhì)不會發(fā)光。環(huán)境溫度20°C不會發(fā)出可見光。只有加熱才會發(fā)出可見光，或出現(xiàn)glow。在600°C物體發(fā)出暗紅色（dullred），如電磁爐中的燃燒器。輻射熱溫度越高，熱輻射的波長越短，能量越大，如陽光；在1,000℃，火焰顏色是黃色-橘黃色，到達1,500℃之后，變成白色；

白熾燈的燈絲溫度可以到達2,600°C，所以看上去是白光。使用白熾燈泡，你可以看到燈絲從低溫到高溫的轉(zhuǎn)變過程；可見光譜Stefan-Boltzmannformula

表面面積(m2)Stefan-Boltzmann

常數(shù)5.67x10-8watts/m2K4)輻射熱通量

(watts)環(huán)境溫度

(K)熱輻射率Emissivity火災的熱輻射如果距離足夠遠(L>4R)，火源可以被當做是點源，可以使用下面的簡單公式來計算。例題：點源輻射一個1米高的木塊堆火焰發(fā)出25kW的能量。如果輻射分量是35%，那么1米之外的熱輻射通量是多少？有限輻射源的形狀因子熱通量的效果熱通量水平癥狀1.4太陽的熱輻射水平。30分鐘或之下會導致潛在的陽光病。2.5火場滅火時的常見熱輻射接觸水平。長期接觸會導致皮膚受傷。4.530秒鐘接觸后，人類皮膚開始冒泡，產(chǎn)生二級燒傷。6.418秒鐘接觸，人類皮膚開始冒泡，產(chǎn)生二級燒傷。10.43秒鐘接觸，人類皮膚開始疼痛，9秒接觸產(chǎn)生皮膚冒泡和二級燒傷。12.5在這一輻射強度下，木材的揮發(fā)物可以被點燃。16人類皮膚經(jīng)歷快速疼痛，5秒鐘開始冒泡并產(chǎn)生二級燒傷。20轟燃開始時，地面所有燃料被點燃的熱通量水平。29在長期接觸是，木材自動熱點燃。525秒鐘之后，纖維板自發(fā)點燃。80消防隊員的保護性服裝測試裝置的熱通量水平。170轟燃后火災可以測量到最大熱通量水平。廣島原子彈爆炸的輻射傷害思考題如果室內(nèi)的溫度恒定，例如12個月都保持在26C，在相同的保暖條件（衣服條件）下，你會在冬天感到冷，夏天感到熱，為什么？類似的問題，為什么燃燒的蠟燭在夏天比冬天讓人感到更熱？上述兩個問題都不是心理學問題，不能從心理角度來入手。92火災動力學燃燒化學：反應方程2018學習目標本節(jié)讓學生掌握不同火焰的形式層流/湍流火焰預混/擴散火焰配平燃燒方程什么是火焰?火焰是在聲速下進行的局部燃燒區(qū)的自維持的蔓延過程?；鹧嬉欢ㄊ蔷植康?，只占很小的一片區(qū)域，而不是整個空間進行的均勻反應區(qū)。離散進行的燃燒波以低于聲速的速度蔓延，稱作燃爆deflagration；如果燃燒波以超音速運動，就是震爆detonation燃爆與震爆的傳播機理是截然不同的。層流火焰預混火焰例如本生燈火焰火焰移動非常緩慢機械產(chǎn)生層流條件擴散火焰例如蠟燭火焰在燃料蒸汽與空氣之間存在的反應區(qū)湍流火焰預混火焰快速反應放熱高能量密度促進火焰蔓延化學計量比控制有安全問題擴散火焰如迪塞爾引擎（柴油馬達）混合過程主導的燃燒效率成問題燃燒模式與火焰類型燃燒發(fā)生在下面兩張模式：預混火焰Premixedflames擴散火焰Diffusion(non-premixed)flames燃燒也可以發(fā)生在無火焰的模式（無焰燃燒，Glowing）；層流與湍流火焰：從物理過程來說是相似的，湍流火焰理論是基于內(nèi)在的層流結(jié)構(gòu)模型進行開發(fā)的。預混火焰特點燃燒前充分混合，氣相反應；火焰?zhèn)鞑ニ俣却笾滦∮诿棵霐?shù)米；可以認為是常壓燃燒過程；反應相當迅速。舉例：點火點火引擎（汽油馬達）99層流預混火焰在發(fā)生燃燒之前，燃料與氧化劑在分子水平早已充分混合。AirFuel層流火焰結(jié)構(gòu)層流預混火焰的結(jié)構(gòu)產(chǎn)物密度通常比反應物密度小，所以根據(jù)連續(xù)性，燃燒產(chǎn)物的速度要大于反應物的速度。對于典型的碳氫燃料火焰，常壓下，密度比大約是7。擴散火焰不同氣相反應物分布注入反應器，邊燃燒邊混合；混合過程決定燃燒熱釋率反應區(qū)位于氧化劑與燃料區(qū)之間舉例:柴油機DieselEngine102擴散火焰最初，反應物是分離的，反應僅僅發(fā)生在燃料和氧化劑的接觸面上（發(fā)生混合和反應的面）嚴格說來，擴散是指那些化學成分的分子擴散。在湍流擴散火焰中，湍流對流在宏觀層面混合燃料與空氣，分子擴散在微觀層面混合，這樣化學反應才能夠發(fā)生。OrangeBlueFullrangeoff

throughoutreactionzone《天工開物》中的制墨過程微重力火焰燃燒化學化學的分支主要概念控制方程熱化學ThermalChemistry燃燒熱、生成熱Heatofcombustion赫斯定律Hess’slawofconstantheatsummation化學反應動力學Kinetics熱釋率Rateofheatrelease阿倫尼烏斯定律Arrhenius’law化學平衡Equilibrium燃燒產(chǎn)物的生成Compositionofcombustionproducts最小吉布斯自由能定律MinimizationofGibbsfreeenergy化學機理反應物燃料:Hydro-CarbonButane(C4H10)丁烷氧化劑:DryAir(D.A)21%O279%N21molO2→3.76molN2

產(chǎn)物

CO2H2ON2丁烷燃燒C4H10+O2→CO2+H2O通過質(zhì)量守恒平衡方程式：C4H10+6.5O2→4CO2+5H2O理想化學燃燒反應化學計量方程根據(jù)質(zhì)量(分子數(shù))守恒常用概念化學計量氧氣系數(shù)化學計量比系數(shù)化學計量燃料空氣質(zhì)量比化學當量比EquivalenceRatio化學當量比（Equivalenceratio）通常定義成實際的燃氣比與計量比下的燃氣比之比。當量比評估某一實際反應與計量比反應的相似度。當量比區(qū)分兩種火焰或反應欠燃反應和過燃反應富氧反應和欠氧反應對于判斷燃燒產(chǎn)物的內(nèi)容，當量比非常重要。不完全燃燒反應例題03：不完全燃燒方程按照下列條件，配平丙烷在空氣中的燃燒：按照化學計量比（完全反應）；丙烷的分子（體積）濃度是5%（富燃料反應）；燃氣空氣比是0.03（貧燃料反應）；化學計量比反應富燃反應

貧燃反應如果燃氣惰氣比是0.03

第二個例子：庚烷配平下列燃燒反應庚烷在氧氣中的化學計量比反應：庚烷在空氣中的化學計量比反應：庚烷在低燃限LFL（）的燃燒反應：由于

，這意味著空氣燃料比是(1-1.1%)/1.1%=89.9，其中氧氣燃氣比是89.9*0.2095=18.8。所以我們配平方程如下：化學/燃燒之父安圖瓦·羅朗·拉瓦錫（Antoine-LaurentLavoisier，1743～1794）加力燃燒與煙黑生成119火災動力學燃燒化學之熱釋率2019提綱引入新概念生成熱燃燒熱熱釋率基于氧氣的量熱計原理生成熱標準生成熱被定義成一摩爾物質(zhì)在標準狀況（298.15Kor25℃，一個大氣壓）下從其組成原子生成到當前狀態(tài)所發(fā)生的焓值變化，其符號是ΔHfO。生成熱是基本物性參數(shù)，與反應過程無關。生成熱標況：P=1atm和T=298K-上標0代表標準參考狀態(tài)生成熱是一種與化學組成密切相關的物性。元素的生成熱在其標況下的生成熱被定義為零。其他物質(zhì)的生成熱需要通過簡單的放熱反應來測定或計算。舉例：典型的生成熱舉例：生成熱燃燒熱固體或液體的燃燒熱通常用一種稱作氧彈量熱計的裝置來測量。基本定義：1摩爾物質(zhì)在燃燒過程中的放熱，通過反應物與生成物之間的能量差來計算在純氧中燃燒1摩爾甲烷釋放出890.3kJ的熱能。Example:海斯定律Hess’sLaw

CombustionofCH4Route1:完全反應，產(chǎn)物

CO2Route2:部分反應，中間產(chǎn)物是

CO反應過程中的焓值變化與系統(tǒng)的初始和終了狀態(tài)有關，與路程途徑無關。不同路徑，相同放熱。Differentpathways,sameheat!典型的燃燒熱與測量裝置（氧彈量熱計）氧彈

量熱計這一裝置在固定體積下點火燃燒，燃燒生成的熱量通過周圍的水浴來吸收。由于水的吸熱能力大，所以水浴的升溫很?。ㄒ灾劣谒〉纳嵘?，可以忽略不計），而水浴的溫度測量可以很均勻準確，所以測量的結(jié)果是相當可靠的。燃燒熱如果把燃燒產(chǎn)物回復到原始狀態(tài)（溫度），特別是把水蒸氣冷凝成水（即包括汽化熱），得到的熱值成為高熱值(higherheatingvalue，HHV)(或者

grosscalorificvalue

毛熱值，GHV(grossheatingvalue)，毛熱值，grossenergy

毛能量，

upperheatingvalue熱值上限)。如果讓燃燒產(chǎn)物保留在氣態(tài)，得到的熱值成為低熱值LHV(lowheatingvalue)。同樣的燃燒反應，產(chǎn)物水是液態(tài)還是氣態(tài)會導致不同的燃燒熱。所以燃燒熱是一種過程參數(shù)，而生成熱是狀態(tài)參數(shù)或物性參數(shù)。如果產(chǎn)物是液態(tài)水，燃燒熱被稱作高值燃燒熱（HVHC）對應的氣態(tài)水，燃燒熱被稱作低值燃燒熱（LVHC）。對于作為工業(yè)過程的鍋爐燃燒，通常使用低值燃燒熱進行計算，因為水蒸汽一旦液化，就會溶解CO2和SO2，形成酸性液體，對煙道帶來很大的腐蝕性。所以工業(yè)過程避免燃燒產(chǎn)物水的液化，因此只能計算利用低值燃燒熱?；馂念I域，用低值燃燒熱（LVHC）兩者之差對火災來說，意義不大。水汽狀態(tài)的影響熱釋率熱釋率HeatReleaseRate(,HRR,orburningrate)是火場中火源釋放的能量速率。

熱釋率相當于驅(qū)動火災或煙氣發(fā)生的動力引擎，因此是最重要的參數(shù)。

確定熱釋率HRR是火災災害分析的最重要的一步和起點。火災之所以可怕，就是因為存在一個正向反饋的機制，熱量造成更多的熱量。是燃燒率或質(zhì)量損失率

burningormasslossrate(kg/sec)

是有效燃燒熱(kJ/kg)量熱計Calorimetry量熱學是指測量化學反應熱火物理變化熱的科學。量熱學的主要工具是量熱計；量熱學Calorimetry來源于拉丁詞匯

calor，意思是熱量，metry意思是測量。蘇格蘭醫(yī)生和科學愛好者JosephBlack第一次意識到熱量與溫度的差異，因此是量熱計技術(shù)的奠基人。133基于氧量測量的量熱計盡管在化學反應中，燃料是主要的能源載體，氧化劑在燃料的釋熱過程中發(fā)揮決定性作用。Burgessandwheeler首先注意到在低燃限附近，一摩爾燃料的燃燒熱幾乎是恒定的。Thornton證實了氧氣與燃燒熱之間的固定關系。Huggett發(fā)現(xiàn)這個規(guī)律適用于幾乎所有的固體燃料?，F(xiàn)在被稱作氧量放熱律，這一規(guī)律經(jīng)常被用于各種理論和實驗，來簡化總能量的估算過程。典型氧量量熱計擴散火焰的燃燒平臺示意圖Aschematicdiagramofthecombustionrigsforthediffusionflameexperiments家具量熱計(17)室內(nèi)量熱計錐形量熱計2004年，在美國馬里蘭州Beltsville建立的ATF火災實驗室，擁有一臺大規(guī)模的量熱器。假設煙道的質(zhì)量流率（主要是燃燒產(chǎn)物，并被卷吸的空氣所稀釋）是10kg/s，而煙道中的氧量探頭給出其中的氧氣濃度是17%，請估算煙氣罩下的燃料釋熱率。簡單練習題量熱計工作機理Solution:首先，我們需要把體積（分子）濃度轉(zhuǎn)化為質(zhì)量濃度。由于煙氣早已被稀釋，我們可以用空氣的分子量來近似煙氣的分子量，氧氣的質(zhì)量濃度換算如下：然后，我們就可以運用氧量放熱律來估算放熱率了。計算燃燒熱總結(jié)本節(jié)引入了熱化學的基本概念：生成熱燃燒熱氧量量熱計熱釋率142火災動力學燃燒化學之火焰溫度2019阿波羅一號大火1967年1月27日，美國阿波羅一號：格里索姆（VrgilI."Gus"Grissom）、懷特（EdwardH.White）和察菲（RogerChaffee）高壓氧艙的危害美國權(quán)威醫(yī)療機構(gòu)梅奧診所（MayoClinic）給出了目前有確切證據(jù)支持的可以采用高壓氧療法的疾病，如下：減壓病；動脈空氣栓塞；一氧化碳中毒；因糖尿病等造成的難以愈合的傷口；擠壓傷；壞疽；皮膚、骨骼組織感染性壞死；輻射傷；燒傷；嚴重貧血。為什么要研究火焰溫度？深刻理解在燃燒過程中的氧氣放熱作用；深刻理解在燃燒過程中的氮氣惰化作用；深刻理解溫度對臨界行為的閾值指導作用；通過火焰溫度理解燃燒過程的門檻，進而理解滅火、防火、防爆的臨界條件。146提綱計算火焰溫度所需要的基本概念；計算火焰溫度的三種方法；介紹數(shù)值工具:GasEQ火場的常見溫度絕熱火焰溫度絕熱火焰溫度是常壓下（大氣中失火總是發(fā)生在常壓下）一個燃燒反應所能夠達到的最大可能的溫度不完全燃燒有可能降低反應溫度；絕熱火焰溫度是實際火場問的有效估計，因為化學反應速度大大快于傳熱或做功的時間尺度；最常見的是常壓（大氣壓力下）的絕熱火焰溫度；從慨念上看很簡單，但計算溫度相當復雜，因為計算溫度所需要的物性本身就是溫度的函數(shù)，所以不可避免地需要差值來迭代求解。148148絕熱的假設反應和燃燒過程沒有熱損失；完全反應，沒有中間產(chǎn)物；允許計算絕熱火焰溫度

(AFT)Q=0Hreact=Hprod對火焰溫度的錯誤概念火場中火焰溫度是均勻的；火災都是紅色火焰，所以代表了恒定的火焰溫度；預混火焰和擴散火焰看上去相似，意味著火焰溫度相近；有顏色的火焰一定比無顏色的火焰溫度高或低；計算火焰溫度的難度熱物性依賴于溫度；需要迭代過程保證精確結(jié)果；存在可逆的（平衡的）反應過程；湍流（混合）和輻射在火焰溫度上發(fā)揮作用，也就是說，真實的火焰不是絕熱的?；鹧鏈囟葘τ诶斫馀R界燃燒現(xiàn)象，如點火和滅火，至關重要。焓值插值法建立反應方程猜測2個溫度分別計算每一個溫度下的焓值從兩個焓值插值，獲得能量守恒下的火焰溫度。舉例在298K，一個標準大氣壓下，甲烷在空氣中燃燒。請問，完全燃燒的絕熱火焰溫度是多少？解答：配平反應CH4+2(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+7.52N2計算反應物的焓值假設溫度T=1000K假設溫度T=2000K假設溫度T=3000K通過差值計算溫度平均比熱法該方法利用在1000K時的熱物性參數(shù)，其背后的隱含假設是，火焰溫度應對在1700K左右，環(huán)境溫度通常是300K，所以反應發(fā)生的平均溫度才可以是1000K。這樣高溫下熱物性的非線性趨勢被完全忽視了。假設火焰溫度絕熱

這里

是在環(huán)境溫度與火焰溫度的平均溫度下的平均摩爾熱容。常見氣體在1000K下的熱容（比熱）Combustionproducts(J/mol.K)Carbonmonoxide(CO)33.2Carondioxide(CO2)54.3Water(vapor)(H2O)41.2Nitrogen(N2)32.7Oxygen(O2)34.9Helium(He)20.8通常，我們用1000K的平均比熱

為代表，這意味著我們假設火焰溫度是大約1700K（因為環(huán)境永遠是300K）舉例：平均比熱法或集總熱容法（1/2）計算丙烷在空氣中的火焰溫度首先建立化學反應方程如下：然后，計算總熱容CombustionproductsNumberofmolesinproductsIndividualthermalcapacity(J/mol.K)TotalthermalcapacityCarbonmonoxide(CO)333.2162.9Water(vapor)(H2O)441.2164.8Nitrogen(N2)18.832.7614.8單位摩爾丙烷的總熱容是942.5J/K注意，這是一個近似的結(jié)果，這是因為：每一種氣體的熱容量是溫度的函數(shù)。假設中間平均溫度是1000K，所以用1000K的參數(shù)來代表；系統(tǒng)不是絕對絕熱的過程，存在輻射熱損失，減少火焰溫度，讓火焰溫度降低。在高溫下，燃燒產(chǎn)物會發(fā)生分解（可逆反應）。這種分解反應是吸熱過程，因此會降低火焰溫度。這種分解的效果在1700C（約2000K）以上時更明顯。舉例：平均比熱法或集總熱容法（2/2）第二例計算乙烷的絕熱火焰溫度C2H6inair。化學計量比濃度下混合：在低燃限LFL的火焰溫度。燃燒熱集總比熱絕熱火焰溫度低燃限LFL的溫度b.在低燃限LFL的火焰溫度(J/mol.K)CO254.3H2O41.2N232.7N234.9另類解法：利用空氣的熱物性（因為LFL的燃氣濃度總是很小，可以忽略不計）這意味著1摩爾燃料需要32.3摩爾空氣，或6.79摩爾氧氣?；旌衔锏幕鹧鏈囟纫环N燃料混合物含有80%的甲烷和20%的丙烷，請問其低燃限的火焰溫度是多少？勒夏特列定理：混合物的比熱容：低燃限的火焰溫度：正規(guī)的解法當量空氣法(1/2)所有燃燒反應都是在空氣中發(fā)生，空氣對溫度存在非線性.利用空氣的非線性，把其他氣體都當作當量空氣來處理，把所有的非線性都當作是空氣造成的。對一摩爾燃料，傳熱平衡建立如下：這是一個一元二次方程，求解如下：為了保證公式系數(shù)的足夠有效數(shù)字，擬合公式用1000K作基準，所以公式最后需要乘以1000來還原溫度結(jié)果。當量空氣法(2/2)燃燒產(chǎn)物的蓄熱能力單位空氣的蓄熱能力對應蓄熱能力的溫度舉例：當量空氣法Methane(CH4)isburnedinairataconstantpressurewith298Kand1atm.Determinetheadiabaticflametemperatureforthisconditionassumingcompletecombustion.BalanceChemicalEquation CH4+2(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+7.52N2Applyingenergybalanceandtheadiabaticassumption,wehave

Nowsolvetheairenergyequationdirectly,wehave三種方法之比較欠燃料/富氧燃燒富燃料/欠氧燃燒火焰溫度的數(shù)值計算方法StanjanGasEQCanteraChemkin166化學當量比火焰167空氣中的燃燒火災中的典型溫度典型火焰場合火焰溫度范圍理論上的極端（不可逆，化學當量比，無惰氣）~6000K真實火焰可以達到的最高溫度（可逆，化學當量比，無惰氣）~3000K在空氣中發(fā)生的化學當量比燃燒~2400K火焰被惰化，接近熄滅時的溫度~1800K低燃限處發(fā)生點火的溫度~1600K火場可測量的溫度范圍900~1000℃大型油池火焰的最高溫度1100~1200℃蠟燭火焰尖端的溫度320~550℃?zhèn)}庫儲存架火災溫度870℃室內(nèi)火災，天頂層煙氣溫度>600℃室內(nèi)火災，可以達到的峰值溫度1200℃室內(nèi)火災，轟燃后溫度900~1000℃真實火焰的絕熱假設真實火焰為什么達不到絕熱火焰溫度？燃燒產(chǎn)物會分解高溫帶來輻射熱損失如何增加火焰溫度？預熱燃料去除氮氣增加氧氣預熱燃料提高火焰溫度總結(jié)火焰溫度是能量守恒的平衡點；基于完全燃燒反應的絕熱火焰溫度是可以估算的。氧氣控制燃燒過程的能量釋放，而氮氣則主導決定火焰溫度。估算方法與數(shù)值預報的結(jié)果近似，顯示火焰溫度計算的魯棒性robustness，尤其是欠燃（富氧）燃燒。172火災動力學燃燒化學之反應動力學2019摩爾定律戈登摩爾（1929~）1965年提出“摩爾定律”，1968年創(chuàng)辦Intel公司，1987年將CEO的位置交給安迪·葛洛夫。蠟燭火焰的解剖反應率燃燒是一種反應

，因此反應動力學的原則適用于：反應速率正比于反應物濃度；反應速率正比于催化劑濃度；催化劑是在反應中增加反應速率卻不會消耗的物質(zhì)；催化劑的面積越大，意味著反應率越大；高溫有利于加速反應；176176基本化學反應率方程阿累尼烏斯因為發(fā)現(xiàn)了反應率依賴于溫度的關系而獲得諾貝爾化學獎k=rateconstantA=frequencyfactorforcollisionsEa=activationEnergy(J/mol)R=Gasconstant(8.3145J/Kmol)T=TemperatureinKelvin(19February1859–2October1927)

SvanteArrhenius阿累尼烏斯公式Arrheniusequation燃燒與放熱、吸熱反應Heatofcomb.Fuel@InitialstateFlame@AFTProducts@FinalstateEnergyabsorbingEnergyreleasing求解活化能Ea斜率是-Ea/R；截距是lnA;從斜率可以獲得活化能。如果ln(k)對溫度倒數(shù)的關系是線性的，斜率是

-2.19x104。請問反應的活化能是多少?Slope=-Ea/R-2.19x104K=-Ea/8.3145J/KmolEa=1.82x105J/mol=182kJ/mol例題：活化能例題：反應常數(shù)k如果在298K時,k=3.55x10-2/sec且Eais49.7kJ/mol，請問在350K時的反應常數(shù)是多少?ln(3.55X10-2)–lnk2=(49.7x103/8.3145)[1/350–1/298]-3.33822-lnk2=-2.9802lnk2=-0.35802k2=e-0.35802k2=0.699sec-1披薩故事[1]Leenson,I.A.,TheArrheniusLawandStorageofFoodinaFreezer,JournalofChemicalEducation,Vo.76,No.4,April1999.pp504-505儲存溫度儲存時間冷藏0C一天冷凍-6C一周冷凍-12C兩周冷凍-18C9個月一家位于俄國的披薩店，刊登了一份披薩的保鮮時間，被當?shù)氐姆磻獎恿W家看出了問題。這份保鮮記錄給出了關于披薩保鮮的4個時間，由于2點可畫一直線，3點可確認一直線，那么第四點是否位于該直線上，就是一個反應動力學問題。以下是在不同時間下的保鮮記錄：假設這是披薩的腐敗過程（生物細菌分解作用）符合常規(guī)的化學動力學規(guī)律，也就是阿累尼烏斯方程（Arrheniusequation），我們需要回答下列問題：上述數(shù)字存在哪些不一致的的地方？這種產(chǎn)品如果需要保鮮4個月，其冷藏溫度應當是多少？準備數(shù)據(jù)time(days)1714275ln(time)0.001.952.645.62Temperature(0C)0-6-12-18Temperature(K)2732672612551000/T3.663.753.833.92or

所以第一部分的答案是，在-12的儲藏溫度下，保鮮時間是或者說t=40.4天。第二部分的答案是，在四個月(122天)時，，或T=258K=-15。也就是說，當儲藏溫度保持在-15時，可以讓披薩保鮮4個月。上述所有數(shù)據(jù)點在圖中得到展示。主要火災的失火原因SourcePercentofAccidentsElectrical23Smoking18Friction10OverheatedMaterials8HotSurfaces7BurnerFlames7…Cutting,Welding,Mech.Sparks6…StaticSparks1AllOther20散熱的作用NikolaySemyonov(1896~1986)

最低熱燃溫度

Minimalauto-ignitiontemperatureMaterialVariationAutoignitionTemperaturePentaneinair1.50%3.75%7.65%1018°F936°F889°FBenzeneIronflaskQuartzflask1252°F1060°FCarbondisulfide200mlflask1000mlflask10000mlflask248°F230°F205°FT0,1>T0,2>T0,3熱燃溫度導致熱點火的最低環(huán)境溫度（被稱作最低熱自燃溫度，Auto-IgnitionTemperature）是在一個加熱環(huán)境中，沒有點火源的場合，定義可燃蒸汽的點火危害的重要概念。這提供了存儲該燃料的最大許可環(huán)境溫度。例如，天津港大爆炸與當天的環(huán)境溫度有關。常見的AIT列在下表中。這些數(shù)據(jù)是通過開杯測試裝置獲得，最小的體積是2000立方厘米，允許的點火時間是數(shù)分鐘。對于點火臨界條件的判斷，通常認為火焰的出現(xiàn)就是點火的判據(jù)。熱燃溫度依賴于：蒸汽的濃度；接觸的材料封閉的尺寸；伴隨著緩慢的氧化過程，熱量也會生成，如果不能及時耗散，有時會導致熱點火；低揮發(fā)分的液體容易氧化，如LinsendOil；高揮發(fā)分的液體的揮發(fā)過程散熱，因此不會氧化；如果出現(xiàn)火焰，則是自燃spontaneouscombustion，如浸油的抹布，垃圾堆火災等；自發(fā)氧化壓力致點火火活塞是一種點火裝置，早在1850年代，英國探險家注意到東南亞的國家存在火活塞，用于點火。RudolphDiesel從中獲取靈感，發(fā)明了正壓點火裝置，迪塞爾馬達。狄塞爾循環(huán)（壓力點火）主動點火Pilotignition發(fā)生熱失控之后，放熱曲線不會無限增加，這時候燃料供應的限制開始控制放熱過程，導致放熱曲線回頭落下，與散熱直線的交點，就是另一個平衡點。在該點，溫度降低導致放熱大于散熱，所以回到該點。溫度增加導致散熱大于放熱，所以也回到該點。這一點就是穩(wěn)定的有焰（flaming）燃燒。最小點火能基本定義：“在預期的測試條件下，可燃混合物中某一點發(fā)生的導致從該點向外無限傳播火焰的熱能釋放最低值”（NFPA68）大部分可燃物具有在常規(guī)空氣中的最小點火能的范圍時0.1到0.3mJ。在純氧中的最小點火能至少比空氣中的參數(shù)低一個數(shù)量級。沒有氮氣作為吸熱材料，純氧中的放熱反應所需要的門檻可以輕易邁過，因此降低了最小點火能的要求。隨著壓力的增加，最小點火能也降低，這一點可以從能量守恒的觀點來理解。對于點火過程而已，環(huán)境壓力的作用相當于做功，等價于能量輸入。最小點火能關于最小點火能的常識對最小點火能的認識，存在下列的經(jīng)驗性規(guī)則：對大多數(shù)可燃混合物而言，典型的最小點火能不低于0.10mJ，通常使用0.25mJ作防爆水平。特殊的燃料，如氫氣，會有一個較低的數(shù)值。對空氣中的可燃氣體，最低的最小點火（LMIE）能通常發(fā)生在化學當量比濃度附近（不一定嚴格要求化學當量比），不管是燃料濃度增加或減少，都會導致最小點火能MIE偏離最低的最小點火能（LMIE）。(Britton)對大部分可燃的粉塵，典型的MIE值是10mJ，盡管根據(jù)粉塵的類型、粒子尺寸的不同，存在很大的能量范圍。隨著環(huán)境溫度的增加，MIE降低。隨著環(huán)境壓力的增加，MIE降低。隨著環(huán)境惰氣濃度的增加，點火困難程度增加，MIE增加。人體感受到的靜電放電水平的能量大約是20mJ，比MIE高2個數(shù)量級。常見最小點火能，mJ最大實驗安全距離

(17December1778

–29May1829)總結(jié)能量釋放率是阿累尼烏斯定理所控制的；點火的能量守恒可以用謝苗諾夫的理論來說明；臨界火焰溫度對于決定反應的狀態(tài)非常重要。199火災動力學氣體安全之可燃性實驗2019克林電廠大爆炸,2010年代日期省份事件受傷死亡類型201510月10日安徽蕪湖發(fā)生液化氣罐爆炸17飯店20176月5日山東山東金譽石化爆炸910工業(yè)20177月2日貴州貴州黔西南州天然氣輸氣管爆炸358工業(yè)20169月19日江蘇無錫民宅煤氣泄漏爆炸55民居20156月12日遼寧葫蘆島一居民樓液化氣爆炸114民居20158月7日遼寧大連一居民樓液化氣爆炸64民居201510月2日遼寧丹東居民樓燃氣爆炸致54民居201610月4日黑龍江哈爾濱小區(qū)燃氣爆炸24民居20175月6日山西原平市一宿舍發(fā)生天然氣使用不當中毒事件14民居20171月11日上海上海一四層樓房天然氣爆炸4民居燃氣安全性重大事故承德管道煤氣泄漏爆炸2017年2月17日上午11點18分，河北承德市區(qū)盛華廣場武烈路與新華路交叉口附近發(fā)生爆炸，途徑爆炸點的一輛公交車和出租車車窗被震碎，2名錢庫KTV員工受傷，已送往醫(yī)院治療。2017年7月21日杭州商鋪爆炸事件7月21日上午8:30許，西湖區(qū)三墩鎮(zhèn)古墩路1185號商鋪發(fā)生爆燃。事故共涉及3個店鋪，分別是桐廬野魚館、臺州名小吃、瓦罐湯。過火面積為樓上樓下200平方，爆燃造成經(jīng)過現(xiàn)場的公交車、出租車、私家車、電瓶車等不同程度受損和人員傷亡。提綱回顧氣體可燃性的實驗研究如何利用可燃性圖？如何計算多燃料混合物的可燃限？戴維的開創(chuàng)性研究英國皇家化學會主席戴維使用的方法仍然沿用至今；戴維死于神秘的氣體中毒（笑氣）缺點：火焰蔓延的方向性經(jīng)典的可燃性測量方法BOM裝置ASTME681化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標準試驗方法化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標準試驗方法(GB/T21844-2008)ASTME2079-1化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標準試驗方法(GB/T21844-2008)

2023/9/17測試結(jié)果其他測試方法Goethals,etal.,JHM,1999溫度對可燃性圖的影響如何使用可燃性圖？如何利用可燃性圖？216惰性氣體的

標準可燃性圖溫度的影響LEL,%影響可燃性的要素：惰氣、溫度、點火能壓力對可燃性的影響InitialPressure,Atm.NaturalGas,volume%NaturalGasInAirat28oC可燃性的經(jīng)驗公式Jones’rule220瓊斯定理/勞埃德定理LFL=A*CstC,H,Ocompounds 0.537Amines 0.692Chlorides 0.609Dichlorides 0.716Bromides 1.147Sulfur-containingcompounds0.577更多的擬合關系Ignitionhandbook(Babrauskas,page110)混合物的可燃性勒夏特列定理LeChatelier’srule主要的假設一套熱系統(tǒng)是二元并簡單累加（additive）的。在點火的臨界條件下，火焰結(jié)構(gòu)是相似的，因此臨界絕熱火焰溫度是常數(shù)；定臨界絕熱火焰溫度CAFT意味著能量項可以簡單累加（additive）；氧氣在反應中發(fā)揮相同的放熱作用；223舉例：勒夏特列定理計算含有84%甲烷，10乙烷和6%丙烷的混合物的低燃限是多少？

(Drysdale’sbook,p107)224例題2speciesnameconcentrationLFL(%)UFL(%)COCarbonmonoxide27.312.574H2Hydrogen12.44.075CH4Methane0.7515N2Nitrogen53.4CO2Carbondioxide6.2Reference:Dressler’sbook:page52下列混合物的可燃限是多少？225經(jīng)典方法Step1:把氣體配成燃氣-惰氣組27.3%CO+6.2%CO2=33.5%12.4%H2+53.4%N2=65.8%0.7%CH4=0.7%Step2:對每組氣體求取可燃限Step3:把每組氣體當作燃氣，使用LeChatelier’sruleRatioLFLUFL10.2177024.3237630.0515總結(jié)可燃性是理解點火、爆炸與滅火的重要概念；在200多年的實驗研究之后，BOM垂直管蔓延實驗取得主導地位，然而爆炸球的測試方法一直在進步。后者避免避免損失效果更好；勒夏特列公式是估算氣體可燃性的好方法，但是對處理惰氣的作用效果不好。227火災動力學氣體安全：熱平衡法2019提綱熱平衡法可以用來

展示可燃限的物理含義；計算混合物的可燃限特征；稀釋劑的作用；推導和驗證可燃限的經(jīng)驗性擬合公式；CAFTArN2O2CO2Air1300K0.6550.9911.0461.5781.01600K0.6420.9921.0461.6031.01850K0.6320.9921.0461.6151.0MWRatio0.6240.9711.1101.5261.0可燃氣體的熱指紋臨界火焰溫度富養(yǎng)燃燒欠氧燃燒一套熱力系統(tǒng)是二元的（吸熱和放熱），可以疊加的；在預期的臨界火焰附近，火焰結(jié)構(gòu)是相似的，因此臨界絕熱火焰溫度CAFT大體維持穩(wěn)定。由于CAFT保持不變，空氣的基準焓值差（火焰溫度到環(huán)境溫度）可以當做基準來對其他成分進行當量校訂；QD=1.7，意味著二氧化碳在臨界火焰的吸熱能力是空氣的1.7倍。由于混合過程并不改變臨界絕熱火焰溫度，這些溫度項可以簡單累加，可以在不同燃料直接進行累加。在臨界條件下，基于氧氣的釋熱率依然適用。這一經(jīng)驗性的定律把低燃限和高燃限的臨界狀況整合成一套熱力系統(tǒng)。理論一定依賴某種假設熱平衡法Energybalanceattheflammabilitylimits.Heatingandquenchingpotentials.熱平衡法圖示的混合物能量平衡LFLUFL能量平衡熱指紋可燃性234能量的累加Finalsolution:Additiverules:

WrongRight235什么是可燃性？Graphicalrepresentationofflammabilitylimits燃料的混合物Fuel

EthylAcetate5.00.6350.02200.11509.788110.8437

Ethanol3.00.2080.04300.19006.358011.8914

Toluene9.00.1570.01400.068012.978817.3465Mixture5.2121.0000.02060.114410.261311.1020

LeChatelier'sRule0.02070.1133

Relativeerror(%)-0.6791.021

236HQR=1定義極限值237FuelCH420.1520.0530.15012.27615.07230.144N2

0.798

0.992CO2

0.050

1.750Mixture0.3041.0000.3530.4412.74515.0724.582稀釋劑的作用溫度的依賴性240優(yōu)點與缺點優(yōu)點對燃料混合物，與勒夏特列定理等價兼容；簡單計算，填表操作；可以擴展到惰性氣體，相互轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)性的方法，可以擴展。局限性依賴輸入數(shù)據(jù)的精度，避免不同平臺的測試結(jié)果一起比較；需要假設火焰的結(jié)果是相似的；無法微調(diào)結(jié)果，不能改進精度，只能用于估算。與LCR之間的等價性推廣到混合物的擬合式GasesorflammableliquidsCombustibleliquids經(jīng)驗性擬合式CorrelationforLFLCorrelationforEHPHanley(1998)Hshieh(1999)n/aSuzuki(1994)n/aSpakowski(Santamariaetal.1998)Current基于能量的擬合式基于氧氣的擬合式Sources

OriginalcorrelationCorrelationforEHPJones/Lloyd/Zabetakis(1965)Britton(2002,2003)Pintar(1999)Hilado(1975)(CHOcompoundsonly)Monakhov(1985)Beyler(2003)(Donaldsonetal.(2006)currentLFLCorrelations瓊斯定理推論247OriginalcorrelationCorrelationsforQHRZabetakisPintarMonakhov(<7.5)Monakhov(>7.5)Donaldsonetal.Beyler()Correlation#1Correlation#2基于氧氣的擬合式高燃限的擬合公式4種方法的比較FuelXiCOHc(MJ/mol)LFLUFLQFHOEthylAcetate0.6355.002.06080.0220.1159.8010.85Ethanol0.2083.001.23550.0330.1906.3511.89Toluene0.1579.003.73390.0120.07117.2511.06Mixture

5.212.1518

10.2511.10LFL

0.02090.02100.02070.0206UFL

0.11080.12780.11330.1144

Oxygen-basedcorrelation(OBC)Energy-basedcorrelation(EBC)LeChatelier'sRule(LCR)Thermalbalancemethod(TBM)

并聯(lián)燃阻法（通用勒夏特列定理）

低燃限LFL高燃限UFL燃料惰氣一種可燃的混合物有下列成分：醋酸乙脂EthylAcetate(63.5%),乙醇Ethanol(20.8%)和

甲苯Toluene(15.7%)，請估算它們的可燃限范圍。例題：多燃氣混合FuelxiC_OH_cLFLUFLQ_FH_OEthylAcetate0.6355.0002.0610.0220.1159.87010.865Ethanol0.2083.0001.2360.0330.1906.39411.899Toluene0.1579.0003.7340.0120.07117.36711.078Mixture

5.2032.148

10.30711.102LFL

0.020810.020900.020760.02064UFL

0.139630.139790.113460.11448

OBCEBCLCRTBM基于氧氣（化學）的OBC基于燃燒熱（物理）的EBC基于熱平衡法的TBM基于勒夏特列定理的LCR已知一燃料（甲烷）與氮氣的混合物的惰氣燃氣比，可用四種方法計算其混合物的低燃限（LFL）如下。請繼續(xù)計算另外兩種可能性，并填表。例題：單燃氣稀釋問題Fuel,Methane(%)Diluent,N2(%)ROBCEBCTBMLCR100005.24%5.41%5.0%5.0%80200.256.46%6.67%6.25%6.25%50501.09.95%10.26%10.00%10.00%20804.021.65%22.22%24.96%25.00%一種氣體混合物包括15.2%的甲烷、79.8%的氮氣和5%的二氧化碳。請問，該混合物的可燃限是多少？例題：單燃氣多惰氣稀釋問題FuelxiCOH_CLFLUFLQF

HO

HFCH40.15220.80230.0530.1512.27615.07230.144N20.798

0.992

CO20.050

1.75

Mixture1.0000.3530.4412.74515.0724.582熱平衡法通用勒夏特列定理各種方法的誤差比較LCRTBMEBCOBCLFL1.695%1.694%7.6%10.2%UFL7.362%7.325%37.2%40.2%255使用日本人的數(shù)據(jù)，9種燃料，87套組合，驗證的誤差如下：Kondo,S.,Takizawa,K.,Takahashi,A.,Tokuhashi,K.,Sekiya,A.,Astudyofflammabilitylimitsoffuelmixtures,JournalofHazardousmaterials,155(2008)440-448.

Alistof9representativefuelsareusedforflammablemixture:Methane，Propane,Ehtylene,Propylene,Dimethylether,Methylformate,1,1-Difluoroethane,Ammonia,Carbonmonoxide總結(jié)可燃限的估算是基于加熱與冷卻之間的平衡狀態(tài)；熱平衡理論等價于勒夏特列定理，但有處理惰氣的優(yōu)勢；基于熱平衡的經(jīng)驗公式可以作為所有擬合公式的基礎框架，滿足大部分需求；熱平衡理論是基于填表操作，可以用EXCELSpreadsheet來完成。257火災動力學氣體安全之可燃性圖2019本節(jié)目標介紹引入四種可燃性圖引入三套概念：可點性、可爆性與可燃性可燃性圖的重要臨界點可燃性圖的推廣應用標準可燃性圖標準可燃性圖燃爆三角形圖標準圖燃料與氧氣作坐標軸有利于復雜惰氣復雜燃料的場合有利于展示可點性與可爆性稀釋可燃性圖稀釋圖稀釋可燃性圖2023/9/17

如何推導？惰性點控制方程邊界線HydrogenMethaneEthyleneCarbonmonoxideEthanePropene理論與實驗的差距HQR可燃圖（1/2）基于燃料的可點性圖基于氧量的可爆性圖HQR可燃圖（2/2）基于燃料/氧量的可燃性圖三元可燃性圖五點法繪制三