第5章 着火与熄火过程

着火的热自燃理论
一、着火条件
着火、熄火条件的分析方法：
非稳态分析法
着火是一个非稳态过程，考察 过程随时间变化，确定着火条件 着火前系统处于稳定状态，如 果达到着火条件，则这种稳定态就 不可能存在，在数学上表现为方程 的解不存在。
稳态分析法
着火的热自燃理论
二、非稳态分析法
分析对象：闭口系统 分析理论：热自燃理论 热自燃理论： （范特－霍夫、利－恰及利耶、谢苗诺夫）

着火机理
热自燃机理：当预混可燃气体受到外部热源加热，混合 气体温度升高到一定值后，化学反应放热量大于散热量， 系统由于热量的积累又促使混气温度继续升高，反应速 率和放热速率加大，这种相互促进作用的结果，导致着 火
化学自燃机理：如果在可燃混气中存在链载体，且链载 体产生速率大于链载体销毁速率时，即使在常温条件下， 反应速率也可以自动加快而达到着火。这类着火通常不 需要由外界给予热量
第5章 着火与熄火过程
要求：掌握不同着火方式的特点及影响着 火、熄火的因素与规律，理解热自燃理论、 强迫着火理论及熄火理论。
概述

燃烧装置的基本要求：

迅速、可靠地点火 稳定的燃烧

防火、防爆

着火
从无化学反应向稳定强烈的放热反应的过渡过程。

熄火
从稳定强烈的放热反应向无化学反应的过渡过程。
概述

着火条件
δC的计算： 以平板容器为例
d 2 e d 2
d 0 0, d 1, 0
边界条件：
三、稳态分析法

弗朗克－卡门涅茨基稳 态分析法

着火条件 δC的计算：
,

a 2 cosh 2 2 cosh ln ln 2 cosh a 2 cosh 2 e z e z 双曲余弦 ch( z ) 2
相对于指数中的T0，其 影响很小，可视为常数 压力、温度下降时，感应期增大。
二、非稳态分析法

托特斯理论
简化谢苗诺夫的着火条件，得到更严格的着火感 应期解。
EV n Q K s 0 s exp( E / RT ) 1 2 ART
EV wsQs 1 2 RT A
二、非稳态分析法
流体力学因素：气流速度、燃烧室结构尺寸
着火的热自燃理论
一、着火条件
在一定的初始条件（闭口系统）或边界条件（开口系统） 下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统在某个瞬间或空 间的某部分达到高温反应态（即燃烧态），那么实现这个过 渡的初始条件或边界条件为“着火条件”。着火条件不是一 个简单的初温条件，而是化学动力参数和流体力学参数的综 合函数。 闭口系统：
在着火感应期内，反应物的浓度：0 y0
0 yB
i 0 ( y0 yB ) / W0
W0 k0 ( 0 y0 ) n e E / RT0
y 0 y B TB T0 y 0 0 Tm T0
TB T0 Q y0 y B y0 (TB T0 ) Tm T0 CV
基本思想： 当反应系统与周围介质间热平衡被破坏时就发生着火。 着火临界条件： 反应放热曲线与系统向环境散热曲线相切。
二、非稳态分析法
分析模型：
在密闭容器中储存 着具有一定初始温度的 可燃混合气，在进行化 谢苗诺夫提出了一种简化 学反应的同时，也通过 容器向外界散热。 的热理论，他认为容器内混气
结果是在容器内形成了温度梯度和浓度梯度，即在容器中心， 只随时间变化。 混气的温度较高、浓度较低；在器壁附近，混气的浓度较高、 温度较低。 计算单位容积 内的放热速率 温度分布 浓度分布 导热微分方程 扩散微分方程
概述

着火方式
自发着火：一定体积的可燃混气加热到某一温度，在 该温度下，可燃混合气体所释放的热量大于散热量， 反应能自行持续下去，而不需要外部再提供热量，或 者可燃混气中含有初始的链载体，且链载体产生的速 率大于销毁的速度，使反应能自行持续下去，这种现 象称为自发着火
强迫着火：又称点火。在可燃混气内某处，用外部能源 点着一层混合气体，而后火焰燃烧波就自动传播到混气 的其余部分，因此强迫着火就是火焰的局部引发及相继 的火焰传播
谢苗诺夫方程
二、非稳态分析法
热自燃的浓度界限：
p0 1 AR3 E ln 2 ln 2 T0 2 EVQK 0 y0 2 RT0
二、非稳态分析法
着火感应期i ：
当混气由初始状态达 到温度急速上升所经历的 时间。
dT 0 CV q1 q 2 dt
二、非稳态分析法
着火感应期i ：
TB T0 50 T0
TB T0
二、非稳态分析法
热自燃特性：
TB T0 0 p0 / RT0 A n 2 K 0 ( 0 yi ) exp( E / RTB )Q( E / RTB ) V
VE n QK 0 ( p0 y i / RT0 ) exp( E / RT0 ) 1 2 ART0

托特斯理论
引入两个时间量： 热松驰时间
化学反应时间
CV V r A C
ws
二、非稳态分析法

托特斯理论
无化学反应时的能量方程：
dT V CV A(T T ) dt
设t＝0时T=T1，积分：
At T T T1 T exp V C V
Z E 考虑浓度变化 T T m 2 RT
二、非稳态分析法

弗朗克－卡门涅茨基理论
2 C 1 RT V i 1 e wsQs E
E ln i const . RT ln i (1 n) ln p
二、非稳态分析法
的温度和浓度是均匀的，它们
二、非稳态分析法
简化：
（1）容器体积为V，表面积为A，内 部充满了温度为 T0 ，浓度为 0 的可 燃混气。 （2）开始时，混气的温度与外界环境温度一样为 T0 ，反应过 程中，混气的温度为T，并且随时间而变化。这时容器内的温 度和浓度仍是均匀的。
（3）外界和容器壁之间有对流换热，对流换热系数为 ，它 不随温度变化。
CV V r A

二、非稳态分析法

托特斯理论
设t＝τr时
T T
T1 T
e
即：当受热为ΔT=T-T∞的气体，由于器壁的散热而 使温度ΔT下降e倍所需的时间。
二、非稳态分析法

托特斯理论
用化学反应时间τc来归并化学动力参数：
c

kos e
着火温度：
T0 E E TB 1 4R 2R 2R E
T0 E E TB 1 4R 2R 2R E
2 2 0 2
TB E 2 R E 2 R (1 2 RT0 / E 2 R T / E ) T0 RT / E
2 0
若：E＝167 kJ / mol, T0=1000K, 则：
三、稳态分析法

弗朗克－卡门涅茨基稳态分析法

着火条件
cosh

d d
2
0
1 / 2
C
C 0.88
三、稳态分析法

弗朗克－卡门涅茨基稳态分析法
E T T 2 RT
x y z ; ; L L L
三、稳态分析法

弗朗克－卡门涅茨基稳态分析法

着火条件
,
不同的参数δ会形成不同的温度θ分布，而着火意 味着由可能存在的稳态到不可能存在的稳态的过渡。 存在某一临界值δc时，使θ的解成为某个具有临界性质 的特解时，只要δ稍做变化，就使系统的稳态解过渡到 不能具有稳态解。
c const.
三、稳态分析法

弗朗克－卡门涅茨基稳态分析法

着火条件
δC的计算：
d 2 e d 2
平板容器 柱形容器
e

d m d e d 2
2
m=1
球形容器
m=2
三、稳态分析法

弗朗克－卡门涅茨基稳态分析法
f (T0 , , P0 , d , u ) 0 f ( xi , T0 , , P0 , d , u ) 0
开口系统：
着火的热自燃理论
一、着火条件
分析着火、熄火的基本出发点：
利于着火的因素：反应放热（放热量与放热速率）
不利于着火的因素：散热
着火、熄火就是反应放热因素与散热因素 相互作用的结果。如果在某一系统中反应放热 占优势，则着火容易发生（或熄火不易发生）， 反之，则着火不易，熄火容易。
概述

着火方式的区别与联系
链锁（化学）自燃与热自燃均为整个空间的着火过 程，链锁自燃基于链锁反应机理，热自燃基于热活 化机理，但前者也有热的作用，后者也有活性中间 产物的作用。

热自燃与点燃的区别在于整体加热与局部加热，着 火机理均基于热活化。

概述

影响着火与熄火的因素
化学动力学因素：燃料性质、混气成分、环境温度
A n K 0 ( 0 yi ) exp( E / RTB )Q (TB T0 ) V K ( y ) n exp( E / RT )Q( E / RT 2 ) A 0 0 i B B V
TB T0 RT / E
2 B
二、非稳态分析法
二、非稳态分析法
热平衡方程：
dT V 0 C v VQW A(T T0 ) dt