第3章着火和灭火理论.

第三章着火和灭火理论着火:是指直观中的混合物反应自动加速，并自动升温以至引起空间某个局部最终在某个时间有火焰出现的过程。可燃物的着火方式，一般分为下列几类：化学自燃热自燃点燃（或称强迫着火）第一节着火分类和着火条件自燃：可燃物在无外部火源作用下，因受热或自身发热并蓄热而发生的燃烧的现象。点燃引燃：可燃物局部受到火花、炽热物体等高温热源的强加热作用而着火，然后依靠燃烧波传播到真个可燃烧中。T0--环境温度；h--对流换热系数；p--预混气压力；d--容器直径；u∞--环境气流速度0),,,,(0udPhTf：着火条件的函数表达式TWs反应速度着火过程三、着火条件如果在一定的初始条件下，系统将不能在整个时间区段保持低温水平的缓慢反应态，而将出现一个剧烈的加速的过度过程，使系统在某个瞬间达到高温反应态，即达到燃烧态，那么这个初始条件就是着火条件。着火理论1.基本思想：某一反应体系在初始条件下，进行缓慢的氧化还原反应，反应产生的热量，同时向环境散热，当产生的热量大于散热时，体系的温度升高，化学反应速度加快，产生更多的热量，反应体系的温度进一步升高，直至着火燃烧。第二节谢苗诺夫自燃理论物理模型其中：容器体积：V容器表面积：S环境温度：T0对流换热系数：h容器内部装入预混燃气，气体温度、浓度均匀rTT00a点工况：TTa时，qgql，温度升高到TA;TTa时，qgql，温度降低到TA;结论：a点是稳定点，属于化学反应速度很小的缓慢氧化状态。b点工况：TTb时，qgql，温度降低到TA;TTb时，qgql，温度持续升高，将发生着火;结论：b点是不稳定点，是不可能达到的。Tc点工况：TTc时，qgql，温度升高到TC;TTc时，qgql，温度自动升高，系统反应加速，将发生着火;结论：c点是不稳定点，是能达到的。T0继续升高，二线分离3.理论分析化学反应速率热生成速率散热速率系统升温速率RTEbBaAeCCQVkq/01)(02TTSqRTEbBaAeCCkw/0dtdTCVqq21CVqqdtdT21tTT01TaT03TBT022qTT01ACBT02T03TTaTBTcT01T02T031qq21qq放热和散热曲线相切于B点——自燃的临界状态TB——自燃温度（自燃点）T02——自燃临界环境温度Ta,cr着火的临界条件：2条曲线相切于B点21qqdTdqdTdq2100TTSeCCQVKBRTEBABSeRTECCQVKBRTEBBA20ERTTTBB202式相除，有ERTRERETB04122ERTTETRERTRERETB2002202022122℃～约为2010,200ERTTTTB200200ERTRTEABRTKQVCCeSE00TTSeCCQVKBRTEBAB，代入将ERTTTB2000002001TERTTERTT热自燃的条件,10200RTEBAeSRTECCQVK常数不是可燃物的固有物理因素）热力学因素；流体力学BTTfSVCEQkfT,();,,,(000放热速率的影响因素发热量：包括氧化反应热、分解反应热、聚合反应热、生物发酵热、吸附热等，发热量越大，越容易发生自燃，发热量越小，则发生自燃所需要的蓄热条件越苛刻（即保温条件好或散热条件差），越不容易着火。温度：一个自燃体系若在常温下经一段时间即可自燃，则可燃物在该散热条件下的自燃点低于常温。若自燃体系在常温下经历无限长时间也不自燃，则从热着火理论上说明该可燃物在该散热条件下的最低自燃点高于常温。若提高温度，化学反应速率加速，放热速率增加，因而体系也可能发生自燃。催化物质：催化物质可以降低反应的活化能，能加快反应速率。（当然自燃点较高的物质添加少量的低自燃点的物质也认为是一种催化物质）比表面积：在散热条件相同的情况下，某种物质发生反应的比表面积越大，则与空气中氧气的接触面积越大，反应速率越快，越容易发生自燃。新旧程度：氧化反应的物质，一般情况下，其表面必须是没有完全被氧化的，即新鲜的才能自燃。压力：体系所处的压力越大，也即参加反应的反应物密度越大，单位体积产生的热量越多，体系越易积累能量，发生自燃。所以，压力越大，自燃点越低。散热速率的影响因素导热作用：可燃体系导热系数越小，则散热速率越小，体系越容易产生中心蓄热，促进反应物的进行而导致自燃。对流换热作用：从可燃体系内部经导热达到体系表面的热流由空气对流换热带走。空气的流动对可燃体系起着散热作用，通风不良的场所容易蓄热自燃。堆积方式：大量堆积的粉末或叠加的薄片有利于蓄热，其中心部位近似处于绝热状态，因而很容易自燃。评价堆积方式的参数是比表面积/体积比，此值越大，散热能量越强，自燃点越高。改变体系自燃状态的方法①改变散热条件②增加放热Tq2q增加PTq1q2q降低α二、谢苗诺夫自燃理论的应用着火感应期着火极限浓度极限压力极限温度极限着火感应期的直观意义：混合气由开始化学反应到燃烧出现所经历的时间。热理论中的着火感应期：当混合气系统已经达到着火条件的情况下，由初始状态达到温度骤升的瞬间所需的时间。1.着火感应期（也称为着火延迟时间、诱导期）定义：体系的温度从T0自发升高到TB所需的时间0ffBCCW000()VCffBCTTCCH0/000RTEboxafeCCkW00/000()oVBERTabfoxCTTHkCCeTqgq1lqT01CT02T032lq3lqtTT01T02T03TC020300/000()oVBERTabfoxCTTHkCCe2.爆炸极限爆炸浓度极限如：甲烷/空气：5～15%爆炸压力极限如：甲烷/空气：小于0.065MPa，不爆炸爆炸温度极限如：甲烷/空气：小于690℃，不爆炸临界点C是混合物从稳定状态过渡到爆炸反应状态的标志（2）由放热速率方程及散热速率方程可得（1）（2）式（1）（3）（6）将其代入式（3），整理可得或——谢苗诺夫方程自燃点（℃）物资名称0.1MPa0.15MPa0.20MPa0.25MPa0.30MPa0.40MPa汽油蒸汽480350310290280250存在爆炸的浓度极限温度升高，浓度极限范围增大，反之减小。温度下降至某一值，系统失去爆炸性———存在爆炸的温度极限存在爆炸的浓度极限压力升高，浓度极限范围增大，反之减小。压力下降至某一值，系统失去爆炸性——存在爆炸的压力极限煤堆的自燃三、谢苗诺夫自燃理论的局限性固体可燃物的自燃氢/氧体系的着火“半岛”烃类气体燃烧的“冷焰”现象卤代烷的高效灭火性能T0着火Pc3.3弗兰克－卡门涅茨基热自燃理论谢苗诺夫热自燃理论适用范围：适用于气体混合物，可以认为体系内部温度均一；对于比渥数Bi较小的堆积固体物质，也可认为物体内部温度大致相等。不适用于比渥数Bi大的固体。弗兰克－卡门涅茨基热自燃理论适用于比渥数Bi大的固体（物质内部温度分布的不均匀性）以体系最终是否能得到稳态温度分布作为自燃着火的判断准则稳态分析方法自燃准则参数δ自燃临界准则参数δcr（a）谢苗诺夫模型（b）F-K模型T△TmaxTayxT△TmaxTayx自热体系温度分布模型F-K自燃理论的基本出发点：简化假设：1.理论分析当体系不具备自燃条件时，得到稳态温度分布方程式中为反应体系放热速率为便于分析，引入无因次温度θ和无因次距离x1，y1，z1：x1=x/x0，y1=y/y0，z1=z/z0x0，y0，z0是体系的特征尺寸，分别定义为体系在x，y，z轴方向上的长度0'''222222KQzTyTxT'''Q)/exp(0'''RTECKHQnAnc2()/(/)aaTTRTE-r+r0Ta温度距离T代入上式得：式中：边界条件：在边界面z1＝f1（x1，y1）上θ＝0；在最高温度处：10yRTEnAOnceKRTExCKHzzxyyxx/2020212200212200212)()(12()()()[1]()[1]()/(/)/aaaaaaaaaaaaTTTTTTEEEERTTTRTTRTTERTRTEERTRTeeeeeeee)exp()()(212200212200212zzxyyxx2/02anERTcnAOaHKCExeKRT10x10z讨论：1）方程的解完全受x0/y0，x0/z0和δ控制2）当物体的形状确定后，其解，即稳态温度分布仅取决于δ的值。3）δ表征物体内部化学放热和通过边界向外传热的相对大小。4）当δ大于某一临界值δcr时，方程无解，即物体内部不能得到稳态温度分布，就会自燃。5）δcr仅取决于体系的外形6）当达到δcr时，与体系有关的参数均为自燃的临界参数，此时的环境温度称为临界环境温度Tacr，体系的尺寸为自燃的临界尺寸x0c7）当δδcr，体系不自燃;δδcr，体系自燃;δ=δcr，自燃的临界状态2/02anERTcnAOaHKCExeKRTcraRTEcracnAOnccreKRTExCKH,/2,20)exp()()(212200212200212zzxyyxx2.δcr的求解如果物质以无限大平板，无限长圆柱体、球体和立方体等简单形状堆积，则内部导热均可归纳为一维导热形式，则相应的稳态导热方程式为:β＝0，对厚度为2x0的平板；β＝1，对半径为x0的无限长圆柱；β＝2，对半径为x0的球体；β＝3.28，对边长为2x0的立方体。0'''22KQdxdTxdxTd自燃临界准则参数δcr的求解以无限大平板为例解方程,得边界条件:x1=1θ＝0;x1=－1时θ＝00212edxdbaeaeaxx/11/11ln21,011baeaeaxx/11/11ln21,011应用边界条件式（3-30）、（3-31）分别得和两式相减并整理得：baaa111111ln211baaa111111ln2112)/111/111(ln21aaa从图中可以看出，存在一个δ的最大值0.88当δ大于此最大值时，a无解，相应地稳态导热方程也无解因此，此最大值即是所要求的自燃临界准则参数δcr，图中δcr≈0.88。3.03.13.23.33.43.53.60.8750.8760.8780.8790.8800.877图3-7δ随a的变化关系δcr取决于体系的几何形状，自燃的判据为：对无限大平板，δcr＝0.88；对无限长圆柱体，δcr＝2；对球体，δcr＝3.32；对立方体，δcr＝2.52。当体系δδcr的时，不能获得稳态的温度分布，体系自燃着火。体系能否获得稳态的温度分布取决于δ值3理论应用δcr为常数：x0c增加，Ta,cr减小；x0c减小，Ta,cr增加。因此，可以用小试样，在高温下进行自燃试验，可以节约成本，减少试验时间。并推导出试样在常温下的自燃情况。cranAOncoccracrRTEKRCKHExT,22,)ln()ln(craRTEcracnAOnccreKRTExCKH,/2,20成线性关系与1)/ln(20,2a,crCcracrTxT)/ln(20,2CcracrxT1a,crT2981y298K)/298ln(y0202crCCxx自燃的临界尺寸时从而求得例题3-1：经实验得到立方堆活性炭的数据如下。由