《消防燃烧学》第9章 着火过程

着火
x1
自燃点 （℃）
750 740 730 720 710 700 690 0
x2
• 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 100% xA
5
10
15
20
22
甲烷（%）
（3） Pc 与xA关系（ Tc不变）： Pc
（1）热自燃：可燃物因被预先均匀加热而产生的着火；
（2）化学自燃：可燃物在常温下因自身的化学反应所产生的热量 造成的着火。 点燃：由于从外部能源（如电热线圈、电火花、炽热质点、点火 火焰等）得到了能量，致使可燃物局部受到强烈加热而着火， 然后燃烧传播到整个可燃物中。简言之：火焰的局部引发及其 相继的传播。也称“强制着火”、“引燃”。
着火条件的函数表达式 ： f (T0 , h, P, d , u ) 0
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
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第九章 着火过程
几个有关着火的基本概念 着火理论 点火过程 燃烧室中的着火和熄灭
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第二节 着火理论
谢苗诺夫热着火理论 谢苗诺夫着火理论的基本内容 谢苗诺夫着火理论的应用 谢苗诺夫着火理论的局限性 1.基本思想：
T0=const
Pc
x1
x2
100% xA
• 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
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点火浓度极限
工业上常用点火浓度界限（上限与下限），又称爆炸极限 （上限与下限）。点火浓度极限与着火浓度极限是相近的。
可燃混合气点火浓度界限：
着火区 非着火 区 Tc
临界压力随临界温度的变化
自燃点（℃） 物资名称 0.15MP 0.20MP 0.25MP 0.30MP 0.40MP 0.1MPa a a a a a 汽油蒸汽 480 350 310 290 280 250
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（2） Tc 与xA关系（ Pc 不变）：
Tc
PC=const
2式相除，有
Q2 B (T T0 )
C
B TC T0 Ae E A E e RTC B RTC 2

E RTC
RTC2 TC T0 E
4 RT0 E E TC 1 2R 2R E 4RT0 E E 取TC 1 2R 2R E
1.强制着火与自发着火的区别 复习自燃与点燃
自燃：可燃物在没有外部火花、火焰等火源的作用下，因受热或
自身发热并蓄热所产生的自然燃烧。 （1）热自燃：可燃物因被预先均匀加热而产生的着火；
（2）化学自燃：可燃物在常温下因自身的化学反应所产生的热
量造成的着火。 点燃：由于从外部能源（如电热线圈、电火花、炽热质点、点火
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第一节 几个有关着火的基本概念
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 。
Ws 反 应 速 度 着火过程
T百度文库
5
第一节 几个有关着火的基本概念
注意：
（3）压力再增高，又会发生新的链锁反应
H O2 M HO2 M
HO2 H 2 H 2 O OH
导致自由基增长速度增大，于是又能发生爆炸。
------第三极限
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第九章 着火过程
几个有关着火的基本概念 着火理论 点火过程 燃烧室中的着火和熄灭
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第三节
点火过程
ti
a b Qk0C ACB e E / RTo
0CV (TC T0 )
在较低的温度T、压力P下，热自燃着火感应 期会延长。
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2. 着火极限 在自燃临界状态：
根据临界状态方程：
a b K 0QV C AC B e
Q1 T T Q2 T T C C Q1 Q 2 T T TC T T T
链锁反应理论的基本出发点：链锁反应体系着 火与否取决于该体系自由基的生成速度和销毁速 度之间的关系。
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《工程燃烧学》--第九章
在第一、二极限之间的爆炸区内有一点P （1）保持系统温度不变而降低压力，P点则向下垂直移动。 自由基器壁消毁速度加快,当压力下降到某一数值后 ------第一极限 （2）保持系统温度不变而升高压力，P点则向上垂直移动。 自由基气相消毁速度加快,当压力升高到某一数值后 ------第二极限
（1）系统达到着火条件，并不意味着已经着火，而只是系统 具备了着火所需要的条件； （2）着火条件是就系统的初态而言的，图中横坐标不是代表 反应进行的温度，而是系统的初始温度。 （3）着火条件不是一个简单的初温条件，而是化学动力学和 流体力学参数的综合体现。对一定种类的可燃预混气而言 ，在封闭条件下，其着火条件可由下列函数关系式表示：
Q1 Q2 ’ Q 2 Q2’’ Q2’’’
Q1 Ae E / RT
Q2 B (T T0 )
3
1
自燃准则：壁温T0’’是 个极限值，超过这个温度， 反应就会不断加速直至着 火，该温度称为临界环境 温度，用Ta,cr表示。 临界条件：放热和散热曲 线切点3，称为自燃点或 着火点，一般用TC表示。
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。 即自热体系着火成功与否取决于其放热因素和散热因素的 相互关系。 8
第二节 着火理论
2.谢氏理论确定的研究对象和模型:
E RTc
C
S Tc T0
（1） （2）
K0QVC C e
a A
b E / RTC B
E ( 2 ) S RTC
两式相除有 带入（1）得
RTC 2 TC T0 E
a b [Q1 ]T TC K 0QV C A C B Ee

E RTC
RTc2 S E
火焰等）得到了能量，致使可燃物局部受到强烈加热而着火，
然后燃烧传播到整个可燃物中。简言之：火焰的局部引发及其 相继的传播。也称“强制着火”、“引燃”。
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强制着火与自发着火的不同 •第一，强制着火仅仅在混合气局部（点火源附近） 中进行，而自燃着火则在整个混气空间进行。 •第二，自燃着火是全部混合气体都处于环境温度T0 包围下，由于反应自动加速，使全部可燃混合气体 的温度逐步提高到自燃温度而引起。强制着火时， 混气处于较低的温度状态，为了保证火焰能在较冷 的混合气体中传播，点火温度一般要比自燃温度高 得多。 •第三，可燃混合气能否被点燃，不仅取决于炽热物 体附面层内局部混合气能否着火，而且还取决于火 焰能否在混合气中自行传播。
3
第一节 几个有关着火的基本概念
♣ 注意：上述着火方式，并不能恰当地反映出它们之间 的联系与差别。例如化学自燃和热自燃都是既有化学 反应的作用，又有热的作用；而热自燃和点燃的差别
只是整体和局部的加热不同，决不是“主动”和“受
迫”的差别。 所谓的“自燃”、“点燃”“爆炸”实质是相同的，
都是其化学反应速率随时间激增，反应过程非常迅速
2 2 RT02 E E 2 RT0 2 R T0 TC T0 1 2 2R 2R E E E
RT02 T TC T0 E
RT02 TC T0 E
着火温度
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若取E=167KJ/mol、T0=1000K时，计算ΔT=50K。在一 般情况下，Tc很接近于T0,因此可认为当RT0/E《1时
Q1
Q2
Tc T0
13
着火温度随压力和散热情况的变化发生变化，一般 是实验测定。
测定的着火温度数值往往被用作燃烧和爆炸的参考指标。表 中数据为温度范围或平均数值。 14
6.热自燃着火的影响因素
Q1 Q2
15
Q1
Q2
Q1
Q2
16
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
2 .与可燃预混合物的初始温度有关。预热至高 温的可燃混合物易于点火。
H2、CO、CH4 与空气的可燃混 合物，预热后， 浓度界限变宽， 特别是上限有明 显的增加。
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三、谢苗诺夫自燃理论的局限性
• 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
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链锁反应着火理论的基本思想 在氧化反应体系中，一方面，随着热量的 积累反应自动加速，但也可以通过分支的链 锁反应，迅速增加活化中心（自由基）浓度 来使反应不断加速直至着火爆炸。
QVK P x A a (1 x A ) n a e R T

S
E
谢苗诺夫方程
Pc n E 1 SRn1 两边取对数、整理， 得： ln ln n2 Tc RTc 2 K0QVExAa (1 xA )na
根据此方程，如果α、S,V、E、Q、K0 已知，n=2，可以将 上式简化为：
b E / RT B
Q1 q Vk0C C e
Q1 Ae
E / RT
Q2 S (T T0 )
dT Q1 Q2 VC dt
Q2 B (T T0 )
系统升温速率
dT Q1 Q2 dt VC
Q1>=Q2，能够着火。
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4. 着火条件分析
燃烧基本原理
第九章 着火过程
第九章
着火过程
几个有关着火的基本概念 着火理论 点火过程 燃烧室中的着火和熄灭
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第一节 几个有关着火的基本概念
着火过程是指燃料与氧化剂分子均匀混合后，从开始化学 反应，温度升高达到激烈的燃烧反应的一段过程。 着火分类 自燃：可燃物在没有外部火花、火焰等火源的作用下，因受热或 自身发热并蓄热所产生的自然燃烧。
T0’ T0’’ T0’’’ TC
T
切点3的意义：3点标志着体系处于由维持低温、稳定氧 化反应状态到不能维持这种状态（即到加速反应状态） 的过渡状态，体现了体系热自燃着火条件。
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Q1 Ae E / RT 5.热自燃着火温度
Q1 T T Q2 T T C C 临界状态 Q1 Q2 方程： T T TC T T T
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
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1. 着火感应期（也称为着火延迟时间、诱导期）
ti QVW ti QVk0C C e
a A
b E / RT0 B
V CV (Tc T0 )
研究对象：预混可燃气体，闭口系 简化假设: ①体积为V,表面积为S,壁温=T0 ②混合气初始温度为T0 ③容器对环境的总换热系数α不变 ④着火前后容器内可燃物浓度均匀不变
T
T0
0 r
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第二节 着火理论
3.理论分析
化学反应速率 放热速率 散热速率
W k0 C C e
a A
a A
b - E / RT B
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设反应物总摩尔浓度为C，K 0QV C a C b Ee 即C＝CA＋CB xA为燃料的摩尔分数，xB为空气（氧）摩尔分数
A B

E RTc
RTc2 S E
C A Cx A
n 0 c n 1 n 2 C
C B Cx B
C
E RTC
Pc RTc
l 100 ， % P P P 1 2 3 .... l1 l2 l3
其中：Pi为各单一气体占混合气体的体积百分数；
li为各单一气体的浓度界限，%。一般是实验测定。
• 影响因素： 1.与惰性气体的含量有关。加入任何惰性气体会使点 火浓度界限变窄，特别是上限降低。在富氧空气中燃 烧时，浓度界限将变宽，特别是浓度上限比在空气中 24 燃烧时大得多。
Pc A 1 B ln 2 ln Tc Tc 2 xA (1 xA )
20
着火条件下，压力、温度与浓度的关系
（1）Pc与Tc关系（ xA不变）： ln Pc A 1 ln 2
Pc
Tc
Tc
2
B xA (1 xA )
在低压时，自燃 着火温度很高；反 之，在高压时，自 燃温度较低。