南京工業(yè)大學燃燒與爆炸理論第四章-預混氣體的著火理論課件

第四章預混氣體的著火理論

第四章預混氣體的著火理論1概述所謂著火，是指系統(tǒng)中的可燃預混氣因某種原因引起自動升溫，反應自動加速，最后出現(xiàn)火焰的過程。火焰是著火的重要標志。概述所謂著火，是指系統(tǒng)中的可燃預混氣因某種原因引起自動升溫，2第一節(jié)謝苗諾夫熱自燃理論

一、概述

任何充滿預混氣的體系中，一方面體系中的預混氣會因緩慢氧化而放出熱量，使體系溫度升高；同時體系又會通過器壁向外散熱，使體系溫度下降。第一節(jié)謝苗諾夫熱自燃理論一、概述3熱自燃理論

著火是反應放熱因素與散熱因素相互作用的結果。如果反應放熱占優(yōu)勢，體系就會出現(xiàn)熱量積累，溫度升高，反應加速，發(fā)生自燃；相反，如果散熱因素占優(yōu)勢，體系溫度下降，不能自燃。

熱自燃理論著火是反應放熱因素與散熱因素相互作用的結果。4南京工業(yè)大學燃燒與爆炸理論第四章--預混氣體的著火理論PPT課件5熱自燃理論系統(tǒng)的能量方程熱自燃理論系統(tǒng)的能量方程6南京工業(yè)大學燃燒與爆炸理論第四章--預混氣體的著火理論PPT課件7二、熱自燃著火條件

著火臨界條件的數(shù)學表達式

二、熱自燃著火條件著火臨界條件的數(shù)學表達式8三、熱著火理論中的著火感應期

在熱著火理論中，著火感應期的定義是：當混氣系統(tǒng)已達著火條件的情況下，由初始狀態(tài)達到溫度開始驟升的瞬間所需的時間。

三、熱著火理論中的著火感應期在熱著火理論中，著火感應期的定9圖4-3不同初溫時的散熱曲線圖4-4不同初溫時的著火感應期

圖4-3不同初溫時的散熱曲線10影響著火感應期的因素

系統(tǒng)環(huán)境溫度越高，其著火感應期越短；大的混氣發(fā)熱量和高的混氣反應速度都會使著火感應期變短；高的著火點以及高的反應活化能都會使著火感應期變長。影響著火感應期的因素系統(tǒng)環(huán)境溫度越高，其著火感應期越短；11第二節(jié)鏈鎖自燃理論

一、鏈鎖自燃自燃之所以會產(chǎn)生主要由于在感應期內分子熱運動的結果，使熱量不斷積累，活化分子不斷增加以致造成反應的自行加速。這一理論可以闡明可燃混合氣自燃過程中不少現(xiàn)象。

第二節(jié)鏈鎖自燃理論一、鏈鎖自燃12一、鏈鎖自燃

但是，也有不少現(xiàn)象與實驗結果，熱自燃理論是無法解釋，例如氫和空氣溫合氣的著火濃度界限的實驗結果正好與熱自燃理論對雙分子反應的分析結果相反。

一、鏈鎖自燃但是，也有不少現(xiàn)象與實驗結果，熱自燃理論是無法13圖4-5氫與空氣的可燃混合氣的壓力極限

圖4-5氫與空氣的可燃混合氣的壓力極限14一、鏈鎖自燃在低壓下一些可燃混合氣如H2+O2、OO+O2和CH4+O2等，其著火的臨界壓力與溫度的關系曲線也不像熱自燃理論所提出的那樣單調地下降，而是呈S形，有著二個或二個以上的著火界跟，出現(xiàn)了所謂“著火半島”的現(xiàn)象。

一、鏈鎖自燃在低壓下一些可燃混合氣如H2+O2、OO+O2和15圖4-6著火半島現(xiàn)象（碳氫化合物與空氣的混合氣的著火界限）

圖4-6著火半島現(xiàn)象（碳氫化合物與空氣的混合氣的著火界限）16一、鏈鎖自燃這些情況都說明著火并非在所有情況下都是由于放熱的積累而引起的。實際上，大多數(shù)碳氫化合物燃料的燃燒過程都是極復雜的鏈鎖反應，真正簡單的雙分子反應卻是不多。

一、鏈鎖自燃這些情況都說明著火并非在所有情況下都是由于放熱的17一、鏈鎖自燃鏈鎖自燃理論認為，使反應自行加速并不一定要依靠熱量積累，可以通過鏈鎖的分枝，迅速增殖活化中心來促使反應不斷加速直至爆燃著火。

一、鏈鎖自燃鏈鎖自燃理論認為，使反應自行加速并不一定要依靠熱181．鏈鎖分枝反應的發(fā)展條件

簡單反應的反應速度隨時間的進展由于反應物濃度的不斷消耗而逐漸減??；但在某些復雜的反應中，反應速度卻隨著生成物濃度的增加而自行加速。這類反應稱為自動催化反應，鏈鎖反應就屬于這種更為廣義的自動催化反應。

1．鏈鎖分枝反應的發(fā)展條件簡單反應的反應速度隨時間的進展由191．鏈鎖分枝反應的發(fā)展條件鏈鎖反應的速度受到中間某些不穩(wěn)定產(chǎn)物濃度的影響；在某種外加能量使反應產(chǎn)生活化中心以后，鏈的傳播就不斷地進行下去，活化中心的數(shù)目因分枝而不斷增多，反應速度就急劇加快，直到最后形成爆炸。

1．鏈鎖分枝反應的發(fā)展條件鏈鎖反應的速度受到中間某些不穩(wěn)定產(chǎn)201．鏈鎖分枝反應的發(fā)展條件在鏈鎖反應過程中，不但有導致活化中心形成的反應，也有使活化中心消滅和鏈鎖中斷的反應，所以鏈鎖反應的速度是否能得以增長以致爆炸，還得取決于這兩者之間的關系。1．鏈鎖分枝反應的發(fā)展條件在鏈鎖反應過程中，不但有導致活化中21活化中心形成的速度

活化中心形成的速度22初始條件求解，得

初始條件23整個分枝鏈鎖反應的速度

圖4-7分枝鏈鎖反應速度在等溫下隨時間的變化規(guī)律

整個分枝鏈鎖反應的速度圖4-7分枝鏈鎖反應速度在等溫下隨242.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化

在低溫時，由于鏈的分枝速度很緩慢，而鏈的中斷速度卻很快，，則。2.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化在低溫時，由252.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化當時間趨于無限長時，活化中心濃度和反應速度都將趨于一個定值，即當2.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化當時間趨于無限262.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化隨著溫度的增高，鏈的分枝速度不斷增加而中斷速度卻幾乎沒有改變，值就逐漸增大，且成為正值，并隨著溫度升高愈大愈大。2.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化隨著溫度的增高272.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化這時，活化中心濃度和反應速度卻隨著時間而急劇地增長。當時間趨于無限長時，兩者都趨向于無限大，故反應就會由于活化中心不斷積累而自行加速產(chǎn)生所謂“鏈鎖自燃”現(xiàn)象。

2.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化這時，活化中心282.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化因為W1值很小，故感應期內反應很緩慢，甚至觀察不出；而后由于活化中心迅速增殖導致速度猛烈地增長形成爆燃；當然在活化中心不斷積累，反應自行加速的同時還伴隨著自行加熱。2.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化因為W1值很小29圖4-7分枝鏈鎖反應速度在等溫下隨時間的變化規(guī)律

圖4-7分枝鏈鎖反應速度在等溫下隨時間的變化規(guī)律302.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化當溫度增加到某一數(shù)值時，卻好使鏈的分枝速度等于其中斷速度，即或，則此時活化中心濃度和反應速度均以直線規(guī)律隨時間增長。2.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化當溫度增加到某312.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化在這種情況下，反應是不會引起自燃的。若稍微提高一些溫度而使，則反應就會因活化中心的不斷積累而致產(chǎn)生爆燃；但若溫度稍低一些，則會因，使反應速度趨于一極限值而達到一穩(wěn)態(tài)反應。所以這一情況正好代表由穩(wěn)態(tài)向自行加速的非穩(wěn)態(tài)過渡的臨界條件。2.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化在這種情況下，322.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化以（或）稱為“鏈鎖著火條件”，而相當于的混合氣溫度則稱為“鏈鎖自燃溫度”。此時()的臨界壓力和溫度就是鏈鎖自燃的爆燃界限。對于氫氧混合氣來說，鏈鎖自燃溫度T＝550℃。2.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化以33圖4-8不同值下分枝鏈鎖反應的發(fā)展

圖4-8不同值下分枝鏈鎖反應的發(fā)展342.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化鏈鎖自燃(或稱鏈鎖著火)現(xiàn)象在實驗中可以觀察到，例如在低壓、等溫下氫與氧可以無需反應放熱而可由鏈鎖反應的自行加速產(chǎn)生自燃，這就是所謂“冷焰”現(xiàn)象。2.不同溫度時，分枝鏈鎖反應速度隨時間的變化鏈鎖自燃(或稱35二、感應期的確定

根據(jù)鏈鎖反應的性質，在反應開始時速度很低，過了一段時間后，速度才開始上升到可被察覺出的程度。所謂感應期就是指反應速度由幾乎為零增大到可以察覺到的一定數(shù)值時所需的時間。二、感應期的確定根據(jù)鏈鎖反應的性質，在反應開始時速度很低，36感應期

當時因在感應期內較大，故，同時可認為，則上式就可寫成或感應期當時37感應期事實上，在一定組成、溫度和壓力下幾乎為定值，它受外界的影響變化很小，所以或感應期事實上，在一定組成、溫度和壓力下幾乎為定值38感應期這一結論已為實驗所證實。如對一般可燃混合氣著火而言，就有

感應期這一結論已為實驗所證實。如對一般可燃混合氣著火而言，就39三、著火半島現(xiàn)象

著火半島的存在可以看作為鏈鎖反應產(chǎn)生的明證。在壓力很低時，由于氣體很稀薄，分子向四周的擴散速度很高，而且是壓力越低，擴散越快。若此時容器的體積較小且壓力又低，則活化中心向器壁的擴散就變得十分容易，因而就大大增加了與壁面碰撞失去活化的機會，這樣就提高了鏈鎖中斷的速度，而且壓力越低，中斷速度越大。

三、著火半島現(xiàn)象著火半島的存在可以看作為鏈鎖反應產(chǎn)生的明證40三、著火半島現(xiàn)象故當壓力降低到某一數(shù)值時，就有可能使中斷速度大于分枝速度，那時就出現(xiàn)了鏈鎖自燃的低界限。若提高容器內混合氣的壓力，則由于分于濃度的增大，減少了活化中心與器壁的碰撞機會，則此時鏈鎖的中斷就主要發(fā)生在氣相內部活化中心的相撞中。三、著火半島現(xiàn)象故當壓力降低到某一數(shù)值時，就有可能使中斷速度41三、著火半島現(xiàn)象因此，隨著壓力的提高，這種機會越來越多，鏈的中斷速度亦就越來越大，因而當壓力增大到某一數(shù)值時，又會遇到分枝速度與中斷速度相等的臨界情況，這時就出現(xiàn)鏈鎖自燃的著火高界限。三、著火半島現(xiàn)象因此，隨著壓力的提高，這種機會越來越多，鏈的42三、著火半島現(xiàn)象越過著火高界限后，若再繼續(xù)提高壓力，就會出現(xiàn)第三個爆燃界限，高于該界限后會再一次引起爆燃。第三界限的存在完全可用熱力著火理論來解釋。三、著火半島現(xiàn)象越過著火高界限后，若再繼續(xù)提高壓力，就會出現(xiàn)43三、著火半島現(xiàn)象因隨著壓力的增高，反應放熱的現(xiàn)象越來越顯著，由于反應放熱使熱量積累而引起反應自動加速的作用越來越重要。達到第三爆燃界限時，由于反應放熱大于散熱而引起的升溫和加速已居支配地位，此時的爆燃就純粹是一種熱力爆燃，完全遵循熱自燃理論的規(guī)律。三、著火半島現(xiàn)象因隨著壓力的增高，反應放熱的現(xiàn)象越來越顯著，44三、著火半島現(xiàn)象通過對碳氫化合物和氧（空氣）的著火測定實驗，發(fā)現(xiàn)它們在著火臨界壓力—溫度圖上有好幾個界限。三、著火半島現(xiàn)象通過對