第四章 着火过程

g HVk n c Ae E RT q
l hs(T T0 ) – 混合气的热损失率： q dT g q l cV q – 根据能量平衡关系可得容器内可燃混合气的热能变化率： dt
• 壁温较低时，放热率大于散热 率，热量的积累使混合气温度 升高，到达a点，温度趋于稳定 ，a为一“稳定点” • 容器壁温为一恰当值，热生成 率与散热率曲线相切与c点，到 达c点前，热量积聚、温度升高 ，到达c点后，放热率与散热率 相等，此处是一种不稳定的临 界状态，温度再升高一点，反 应自动加速，出现着火：
pc2 hSR 3 E RTc ( ) e 2 Tc4 HVk 2 x A E
• 如果h，s，△H,V ,k2及xA都为已知，则对数形式的谢苗诺夫方程的图形 是一直线，如图4-5所示 • 这一点已被若干实验证实，从而表明谢苗诺夫理论是成立的。 • 在上述条件下，也可在p-T平面上做出谢苗诺夫方程的曲线，以区分着 火和不能着火的状态，如图4-6所示。压力较低时，需要较高的自燃温 度，在压力较高时，则只需较低的自燃温度，这与实验结果是一致的。
• 同类烃类中碳链越长，自燃点越低，异构体的自燃点比正构 体高
• 谢苗诺夫热自燃理论
– 设有一个给定的、体积为V，表面积为S，置于温度为T0的环境中。 容器内充以均匀的可燃混合气。 – 在开始时刻，容器壁面及其内贮的可燃混合气温度与环境温度相同 ，T= T0 ，着火发生后，由于可燃混合气的化学反应，混合气的温 度升高，但容器壁面温度则假设仍与环境温度相同等于T0 。 – 假设混合气与容器壁面的换热系数不随混合气温度变化，且忽略着 火前反应物的浓度变化，按谢苗诺夫的理论，这是容器内混合气的 热生成率为 ：
用谢苗诺夫理论预测着火范围
E RT hS (Tc Tc 0 ) • 对于简单的二级反应，热平衡条件 HVk n c Ae
• 整理得：
x Ac pc hSRTc2 E RT HVk 2 ( )c A e RTc E
• 若在反应中组分A的摩尔分数保持恒定，则下标c可去掉，经过整理， 可得表示临界压力pc和临界温度Tc关系的谢苗诺夫方程：
• 从4-8可看出Tc与一系列的因素有关系，包括几何因素，传热系数，燃 料性质，混合比等，其中传热系数和面容比都是着火的外部条件，而不 是燃料本身的性质。 • 如果固定总压，利用谢苗诺夫方程可以在T-xA平面上做出可燃极限图 ，如4-7所示： – 存在着火浓度低限和高线。 – 温度降低时，两个极限相互靠近，着火范围变窄 – 如果温度很低，则在任何组成下都不可能着火 • 如果温度固定，在可得出p-xA平面上的可燃极限图， 临界压力也存在低限和高限，如图4-8 低温低压下的着火，不能用热理论。
• 从右图看，T=T0c时，一阶导数和二阶导数有 两种组合方式：（1）T<Ta时，一阶导数大于零， 二 阶导数小于零，温度随时间单调上升，（2）Tc后， 二阶导数大于零，温度变化率不断变大
• 到达这点之前所需的时间被定义为热着火的着火延迟期，如图所示 • 如果初始温度较低，温升曲线只能趋于某一温度而不能超过 • 如果初始温度很高，温度将对时间不断迅速上升，但温升曲线也存在较 为平坦、变化缓慢的阶段，表示真正达到着火，还是需要一定时间的。
2 0
E RT0
4-3 多阶段着火
• 自燃理论中的着火过程描述：可按混合物在达到自燃点后， 经过一段感应期，立即着火，放出全部热量，着火是单阶段 的，着火前感应期内的化学反应可被忽略，但进一步的研究 表明，对于多数碳氢燃料，这一结论只是在一定的压力、温 度范围内适用；在另外 压力、温度范围内，整个着火过程明 显地存在几个不同的阶段。 • 正式着火前，有大量中间产物出现，并已放出一部分热量， 即着火时多阶段的，这一现象对于某些定常过程的燃烧设备 并不重要，但是对于内燃机来说确实十分重要的。 • 本章将简要介绍有关多阶段着火的基本现象和概念
4-1 基本概念和术语
• 着火
– 与氧混合或接触的可燃物，在一定温度条件下或与火源 接触时，会突然开始燃烧，这种现象不论是由何种具体 方式引发的，通常统称为“着火” – 在一定的外部条件下，可燃物质不再保持低温的缓慢反 应，出现了反应自动加速到高温反应状态（燃烧）的现 象。 – 这种失控的快速反应也是爆炸现象的重要表现形式之一 ，所以燃烧学文献中常把“着火”和“爆炸”做同义语 使用，实际上爆炸还包括高压气体使容器破裂等物理性 的快速能量释放现象，本课程不做讨论。
g q l q g q l q t t c c
• 由以上讨论可知：
– “自燃温度”是混合气的初始温度由低到高连续变化，直至出现着 火时的一个最低值 – 因为起始时壁面温度与混合气温度相等，所以实际上它也是能满足 着火条件的容器壁面温度，而不是发生着火时混合气本身的温度， 亦即它代表的乃是产生着火的条件，而不是着火时混合气本身的状 态。 – 当壁面温度即初始温度高过临界值时，热生成率大于热损耗率的条 件总成立，因而着火现象是总能发生的。但根据“自燃温度”的概 念，这些温度不能代表自燃温度
E T0 T 2 t ( ) exp ( 1) 1 T0 i RT0 T
• • • •
当t=τ 时，等号右端趋于零， 等式左端，只有T很大时，才 能使等号左端指数函数括号中 的值为负数，等式才成立
• 着火延迟期：
RT e i c n E Hk n c A 0
热理论解释着火延迟
• 活性中心的积累需要一定时间，因此由反应开始到反应急剧加速有一感 应期，在热着火时，为了使反应达到自动加速，也需要有一个热量的积 累过程。 dT g q l cV q • 根据热量平衡的原理： dt dT • 因此： q q
dt
g l
g q l ) d 2T d (q dt 2 dt
• 冷焰和蓝焰 • 冷焰：某些碳氢燃料的燃点进行测定时可以观测到，若由低 到高，逐渐提高初始壁温，在正式出现燃烧之前的某一较低 温度范围内，将可观察到有一种蓝绿色的火焰状荧光扫过容 器，随即熄灭。这种荧光成为“冷焰”。 • 冷焰是化学反应进行到一定程度发生的现象，这一过程会放 出一部分能量，但是数量不多。 • 冷焰有时出现一次，有时多次，但并不导致真正的燃烧。
• 闪点和燃点
– 液态可燃物并不是在任何温度下都能被引燃。在液体温度过低时将 不会发生燃烧。这是因为液体可燃物并不能以液态直接参与燃烧， 而是需要首先蒸发，并且形成的蒸汽需要有足够的浓度，与此对应 ，液体必须有足够高的温度。 – 闪点：若由低到高逐渐提高液体的温度，在达到一定温度后，液态 可燃物的蒸汽和空气的混合物与火源接触时，就会有火焰闪过混合 物，但随即熄灭，这种瞬间的燃烧过程叫“闪燃”，发生闪燃的最 低温度称为“闪点”。 – 燃点：闪点温度下，点火源只能使混合物闪光而不能发生持续燃烧 ，这是因为在这一温度下燃料蒸汽比较少，燃烧产生的热还难以使 火焰自动维持，若继续提高液态可燃物的温度，当其达到一定数值 后，液面上的蒸汽达到足够的浓度，点火源与可燃混合气接触，即 能引起持续的燃烧。可发生持续燃烧的最低液体温度称为“着火温 度”或“燃点”
气有浩然，学无止境
内燃机燃烧基础
主讲人：李国祥 教授 博导
白书战 博士 副教授
2014-12-29 求真务实，开放拓新
• 无论是内燃机还是其他利用化学能的设备，都是从燃烧开始的 ，而燃烧都是从着火开始的 • 着火是一个相当复杂的过程，对于着火问题的研究，乃是燃烧 学的基本任务之一。 • 着火可以从不同角度加以分类：
热焰 蓝焰 冷焰

• 从上面的讨论可以看出，丙烷和氧的反应存在着两种类型 的自燃：一种是低温自燃，产生冷焰，另一种是高温自燃 ，产生正常火焰。 • 除了甲烷和苯外，大多数碳氢化合物都有冷焰半岛存在
• 多阶段着火过程 • I区是冷焰半岛，II区 是多阶段着火区，III 区经过感应期立即着 火，是单阶段着火区 ，III区在I区和II区的上 方，处于温度较高的 范围，故其中的自燃 属于高温型自燃，I区 和II区中属于低温型自 燃，
• 点燃
– 用电火花、炽热物体等外部热源，使可燃混合物局部强 烈加热而达到燃烧状态，然后火焰想起他地区传播，使 整个可燃混合物燃烧起来称为点燃
– 在这种引燃方式下，对于被加热的局部地区来说，其化 学反应的机理与发生自燃时并无根部区别。 – 不同的是对于点燃来说，除了加热区本身，火焰能否向 四周传播，才是判断点火是否成功的标志。
E RT
t t c c
• 得：
HVk n c Ae E RT
E hS 2 RT Tc 4 RT0c 12 E E (1 ) 2R 2R E
• 联立两式，求解得： • 进而得：
Tc Tc 0 RT02c E
• 对于一般的碳氢燃料来说，着火时混合气的温度和壁温的 差别不大，因此燃烧学文献中常将二者作为一个值 • 但应注意到在化学反应中，温度T出现在指数因子中，因此 T变化对化学反应速度的影响是比较大的。
– 以上讨论都是混合气压力、容器传热系数不变而改变初始壁温的情 况。如果保持初始温度和混合气压力不变，而改变传热系数，则在 q-T图上，热损失率的图形将是从一固定点出发，而斜率hs不同的 一组直线，如图4-3所示，其中一条与热生成率相切，因此有一临 界的传热系数。 – 如果壁温和传热系数不变，改变压力，在热损失率的图形是从一固 定点出发，斜率为hS的一根直线，热生成率为一族曲线，如图4-4 所示，其中有一条曲线与直线相切，因此有一临界压力
– 引燃方式：热自燃、外源点火 – 化学反应机理：热着火、化学链锁着火、热-链式着火 – 着火温度范围：高温着火、低温着火
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• 内燃机的着火，几乎涉及到了上述各种燃烧类型的各个方 面，而且由于内燃机是往复式工作的机械，着火的全过程 必须在规定的非常短的时间内实现，否则将严重影响发动 机的性能（着火时刻对发动机性能影响巨大）。 • 因此着火问题在内燃机中，比在一般燃烧设备中更为复杂 ，意义也更加重大。 • 本章将对与着火相关的基本概念和规律进行介绍和讨论， 为认识和研究内燃机着火过程提供初步基础。