燃烧理论5着火的理论基础

5着火的理论基础研究不同着火方式的着火机理。着火过程及方式链反应速度链反应的发展过程着火的热自燃理论着火的链式反应理论强迫着火强迫着火过程常用点火方法电火花点火链反应的延迟期着火方式与机理着火温度热自燃过程分析着火温度求解谢苗诺夫公式热自燃界限热自燃的延迟期点火的可燃界限主要任务着火理论基础着火概念、方式和机理，谢苗诺夫热自燃理论，链式反应理论，烃类—空气混合着火特性，强迫着火的两种理论，着火界限谢苗诺夫热自燃理论链式反应理论知识要点知识重点知识难点燃烧与火焰三个阶段：混合，加热着火，燃烧反应燃烧的分类：按照燃气和空气混合情况气体燃烧为均相燃烧预混气体及半预混燃烧一次空气系数α1半预混0α11，半无焰燃烧全预混α1≥1，无焰燃烧扩散燃烧α1=0按照流速划分：层流火焰，湍流火焰按照燃料和氧化剂属性均相与非均相燃烧TurbulentNonpremixedFlames燃烧过程两个阶段：着火阶段、燃烧阶段着火的定义着火过程是一种典型的受化学动力学控制的燃烧现象。着火：燃料与氧化剂分子混合后，从开始发生化学反应，反应加速，温度升高达到激烈的燃烧反应之前的一段过程。5.1着火过程及方式一、着火的方式与机理自然界中燃料的着火方式自燃着火（自燃）强迫着火（点燃或点火）预混可燃气体由于自身温度的升高而导致化学反应速率自行加速引起的着火称为自然——整体加热。预混可燃气体由于外界能量的加入，如电火花等点火源点致使预混可燃气体化学反应速度急剧加快引起的着火——局部加热。自燃和点燃过程统称之为着火过程。影响着火的因素燃料性质燃料与氧化剂的比例环境压力及温度气流速度燃烧室尺寸等等。化学动力学因素（本章分析的重点）流体力学因素（燃烧阶段）自燃着火机理主要包括两种热自燃机理——反应物温度不断升高，反应加快，直到着火，可用阿累尼乌斯定律和质量作用定律解释。链锁自燃机理——活性中心增值数大于销毁，反应不断加快，分支链反应和直链反应。一般来说，在高温下，热自燃是着火的主要原因，而在低温时则支链反应是着火的主要原因。但实际燃烧过程中，不可能是纯粹的热自燃或链锁自燃存在，事实上，它们是同时存在而且是相互促进的。二．着火的两大特征着火温度：在该温度下，取决于导热性能的初始散失热量等于同样时间内因化学反应转化而形成的热量。热着火理论指出着火温度不是物质的一个专门性质，事实上它表示在正常化学过程中(可燃物和氧化剂之间的反应过程)放热的反作用的结果。着火延迟期：着火前的物理准备过程。5.2着火的热自燃理论一.热自燃过程分析放热和散热过程着火是反应放热因素和散热因素相互作用的结果。放热散热：着火成功；放热散热：着火失败。着火热理论的发展范特—荷夫(Vant‘Hoff)提出基本思想，认为，当反应系统与周围介质间热平衡破坏时就发生着火。利—恰及利耶(Le—chatelier)明确提出了着火的临界条件：反应放热曲线与系统向环境散热的散热曲线相切。谢苗诺夫（Semonov）完成了数学上的描述。谢苗诺夫的可燃混合气热自燃理论有一体积为V(m3)的容器，其中充满有化学均匀可燃气体混合物，其分反应物浓度为C(mol/m3)，容器的壁温为T0(K)，容器内的可燃气体混合物正以速度w(mol/m3s)在进行反应，化学反应后所放出的热量，一部份加热了气体混合物，使反应系统的温度提高，另一部份则通过容器壁而传给周围环境。目标：求出放热速率q1、散热速率q2的数学表达式，做出q1、q2随温度T的变化曲线，然后分析容器内的放热和散热与温度T的关系，分析热自燃过程。容器V内各处的混合物浓度及温度都相同。在反应过程中，容器V内各处的反应速度都相同。容器的壁温T0及外界环境的温度，在反应过程中保持不变，而决定传热强度的温度差就是壁温和混合物之间的温压。在着火温度附近，由于反应所引起的可燃气体混合物浓度的改变是略而不计的。假设数学模型wQVq1w式中：——混合气的化学反应速率，(mol/m3s)——混合气的反应热，即生成每摩尔生成物所放出的热量，（kJ/mol)——容器的体积，(m3)QV反应放热速率（1）据化学动力学知识：RTECkkCwvexp0其中，v为可燃混合气总体反应的反应级数。（2）(2)代入(1)，容器内可燃混合气化学反应的放热速率q1为：容器壁的散热速率q2为：10expvEqwQVkCVQRT20qSTT（3）式中——放热系数；——容器表面积；——可燃混合气温度（是变量）；——容器壁温，假设=常数。（4）ST0T自燃过程中，反应物浓度、反应温度、反应速度和反应时间的关系可用下图表示：TwCtiti称为着火感应期，着火延迟期或着火诱导期一般情况下，放热率q1曲线和散热率q2曲线有两个交点,A点和C点。A点稳定。当外界有微小扰动时，如T↗，则q2q1，散热放热，T↘，回到A点;当T↘，q2q1,散热放热，T↗，回到A点。C点不稳定。轻微扰动将使B点失去平衡。A点温度低，称为熄灭状态。图中B点为着火临界点Tb为着火温度T0为自燃温度T0~Tb之间的时间为着火感应期影响着火的因素增加放热量q1增加燃料浓度增加燃料压力增加燃料发热量增加燃料活性放热率曲线左移，在相同温度下，燃料放热量增加，着火温度降低，着火温度降低，着火提前。环境温度T0环境温度升高，相当于散热曲线右移，散热率曲线与放热率曲线的交点C降低，着火温度降低，着火提前。比表面积和散热系数燃料粒径的大小燃烧区周围的散热条件燃料的比表面积越大，相当于散热面积越大，散热率增加，燃料着火条件变差，着火温度上升，着火推迟；散热系数越大，散热率越大，燃料着火条件变差，着火温度上升，着火推迟。二、着火温度求解由课本图5－3看出，着火临界点B：（1）反应的放热速率与向环境介质的散热率相等；（2）放热率与散热率对温度的导数值相等。着火临界条件的数学描述：12BBTTqq12BBTTdqdqdTdT（放热速率与散热率相等）（放热率与散热率对温度的导数值相等）TB对应的自燃温度为T0，解得TB：ERTRETB04112化简得：得到着火的条件：物理意义：可燃混合气的温度如比容器壁过热时，即时，将发生热自燃；反之，如时，则不会引起热自燃。着火温度是不是物性参数？自燃温度是不是物性参数?结论：自燃温度T0显然与混合气的浓度（或压力）、反应级数v、活化能E和散热情况（αS）有关。可燃混合气的活性很强（即值小），则具有较低的自燃温度；散热条件加强时（即值增大），则自燃温度升高；可燃混合气的压力升高时，将使自燃温度降低。200BRTTTE200BBRTTTTE20BRTTE20BRTTE问题的提出已知混合气的初温和散热条件，如何预估着火时混合气的临界压力（或浓度）？问题的解决（谢苗诺夫公式）三、谢苗诺夫公式对做近似处理：02expBBEEVQkCSRTRT00201EvRTVQkCEeeRTSTB≈T0——热自燃条件的表达式12/00logvPABTTP取代C系统的散热条件(α、S、V)和混合气的化学性能参数(E、Q、k0、v)已知，则根据上式有：若给定CT0；若给定T0着火时混合气的临界浓度值C。00201EvRTVQkCEeeRTS气体压力和自燃温度的关系式，也即为谢苗诺夫公式，或称为热自燃界限方程：谢苗诺夫公式的应用价值对高温范围的着火规律而言，该公式在定性方面的解释相当合理的，在定量方面仍有一定的参考价值，可作为半经验公式来估算着火条件。可用着火的临界条件来确定活化能。四、热自燃界限热自燃温度与压力的关系P↗：T0↘易热自燃P↘：T0↗不易热自燃应用：内燃机在高原地区，航空发动机在高空时着火性能不好。热自燃界限图热自燃温度与混合气组分的关系无论是均相气体燃料还是固体燃料，当周围介质温度T0达到一定值后，即出现热自燃着火，其临界自燃条件前已分析，此时的周围介质温度即为自燃温度。但试验亦表明，在一定的炉内压力下，可燃混合物的浓度变化时，其自燃温度也不相同。着火浓度界限（P=定植）着火浓度界限（T0=定值）着火的可燃界限：P=定值，得出着火温度与混合气成分的关系；T0=定值，得出临界压力与混合气成分的关系。只有x1～x2的浓度范围内混合气才可能着火。x2——浓限（富油）；x1——稀限(贫油)。当压力（或温度）下降时，则可燃界限缩小，当压力（或温度）下降到某一值时，则可燃界限缩小成一点，当压力（或温度）再继续下降，则任何混合气成分都不能着火。几种可燃气体的着火范围名称着火温度℃可燃物着火的浓度范围着火范围相应的过量空气系数低限%高限%高限%低限%氢(H2)一氧化碳(CO)5716094.012.474.273.82.940.184甲烷(CH4)乙烷(C2H6)6324724.62.914.6142.172.00.610.37丙烯(C3H6)乙炔(C2H2)5043052.082.510.6801.960.35硫化氢(H2S)氨(NH3)2906514.315.545.526.6高炉煤气焦炉煤气700~800650~75046606830.0发生炉煤气生活用煤气天然煤气700~800560~75053020.75.34.573.731.013.5着火的临界压力与容器尺寸的关系结论：增大容器的尺寸，可以降低着火临界压力。应用：高原地区不宜用小尺寸的燃烧室。0aPCNVVRT00201EvRTVQkCEeeRTS01200exp1vvvvaVQkPEeEaSNRTRTT0及其余参数不变PD=定值定值vVPS球形容器，ν＝1容器体积对热自燃着火过程的影响五、热自燃的延迟期由T0自动升高到着火温度TB需要一定的时间，这段着火前的自动加热时间称为热自燃感应期或着火延迟期。着火过程中的温度变化曲线系统的热平衡工况概念dtdTCVqq21曲线Ⅰ：初温低于T0的工况。最后稳定于A工况，温度逐渐趋近于TB，不能自燃；曲线Ⅱ：初温恰好等于T0的临界状况。以着火温度TB为极限，着火延迟期是无限长的。曲线Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ：初温高于T0的工况。在系统温度达到TB之前，虽然q1-q2＞0，dT/dt＞0,但是因为d2T/dt2＜0，温度变化是减速缓慢升高的，即曲线上凸。在T=TB时,q1-q2=0，d2T/dt2=0，曲线出现拐点。经过拐点以后，q1-q2＞0，而且增大很快，故d2T/dt2＞0，温度加速上升，曲线上凹。我们规定这个拐点出现的时间（温度达到τig）为着火延迟期。概念绝热工况下的着火延迟期：结论：着火延迟期随混合气压力和自燃温度的升高而缩短因此，在燃烧室内提高混合气的压力和温度都会缩短燃烧自燃的着火延迟期，从而有利于混合气的着火。0ln1lnigEvPARTt5.3着火的链式反应理论一、链反应速度链反应速度：001nnWn0——单位时间单位体积内链引发的主要反应的数目α——使得链的传播能连续进行的数学概率β＝1－α——这一基元过程中终断了的链的概率。链的平均长度：110nW1讨论：α＝0，γ=1：不是链引起的，而是一个简单反应；0α1，γ＞1：是链引发的，链的长度和反应速度是固定的，这样的链称稳定链；α＝1：链的长度和反应速度是无限大的，与主反应的数目无关。（直链反应）α1：链的分支，引起爆炸。δ——链分支系数100nnW【链分支的情况下，上述三个关系式不适用，也就是对α1将得到与某一个固定的链长相对应的反应速度，但为负值，毫无物理意义。在这种情况下涉及到链中断的概率，即在第一关系式中应该用β-δ代替β】着火条件：或01二、链反应的发展过程活性中心浓度的变化速度：0dnnnndttt活化中心浓度的变化速度链引发中心的形成速度因链的分支而形成活性中心的速度因链中断造