第四章 着火与熄火

1 T0
(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
着火感应期i ：
在不同初始温度下的混气温度随时间变化曲线：
汽油的最小点火能量为0.2mJ，乙醚为0.19mJ， 甲醇为0.215mJ，丙烯为0.282mJ，丙烷为 0.305mJ。
最小点火能量：能将一个最小混气团点着，并 能使这个混气团的火焰在主燃区传播所需的火 花能量。
半经验公式：
πd2 d K Un Tb T0
Emin
k d Tb T0 un
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
的温度和浓度是均匀的，它们
(二)、非稳态分析法
热自燃理论简化假设（谢苗诺夫热自燃理论）：
§4-1 基本概念
着火方式

链锁（化学）自燃：
不需要外界加热，燃料和氧化剂混合的混合物，在一定 的温度和压力下依靠自身的化学反应发生的着火过程。

热自燃：
将燃料和氧化剂混合物迅速而均匀地加热，自发的微量反 应形成热的积累，使温度不断升高，使反应加速而生成火焰。

点燃（强迫点火）：
用电火花、电弧、热板等高温源使混合气局部受到强烈 地加热而先点火，然后火焰传播到整个空间。
f (T0 , , P0 , d , u ) 0 f ( xi , T0 , , P0 , d , u ) 0
开口系统：
二. 热自燃理论
(一)、着火条件
着火、熄火的本质：
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。
VE n QK 0 ( p0 y i / RT0 ) exp( E / RT0 ) 1 2 ART0
(二)、非稳态分析法
热自燃特性：
当n=2（二级反应）时，
2 VEp0 2 QK 0 y 0 exp( E / RT0 ) 1 AR 3T04
2 p0 T04
AR3
EVQK 0 y
常见的点燃方式：
炽热固壁点火、火焰点火、电火花点等
三. 强迫点火
(二)、电火花点火
电火花点火的两个阶段

电火花加热预混气使混合气局部点火，形成初始的火焰中心 初始的火焰中心向未点火的混合气传播
点火成功：1）初始的火焰中心形成；2）出现稳定的火焰传播
初始火焰中心的形成取决于：电极间隙距离、间隙内的混气
(二)、非稳态分析法
着火感应期i ：
对于烃类燃料，反应级数近似为二级：
2 i p0 exp( E / RT0 ) R 2CV T03 ( EQK 0 y0 ) 常数
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. 热自燃理论
(三)、稳态分析法
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
Байду номын сангаас
TB T0 RT / E
2 B
改变α：
改变P：
压力 增加
3 Q
2
1
c
P3＞P2＞P1 T
T0
Tc
(二)、非稳态分析法
着火温度
B点是释热曲线与散热线的切点
(Q1 ) B (Q2 ) B
-----------------热相等
dQ1 dQ2 ( )B ( ) B -----------------相切 dT dT
弗朗克－卡门涅茨斯提出稳定分析法：
容器内由于反应与热传导的结果形成稳定温度分布， 如果达到着火条件，则容器中就不可能存在稳定的温度 分布，在数学上表现为方程的解不存在。此方法着重于 数学求解。
三. 强迫点火（点燃）
（一）热自燃与点燃的区别：
热自燃与点燃的本质没有差别，但在着火方式上有较大 的区别： 热自燃：整个混合气的温度较高，反应和着火是在容器 的整个空间进行的。 点燃：混合气的温度较低，混合气的部分气体受到高温 点火源的加热而反应，而在混合气的大部分空间中其化学反 应为零，其点火是在局部地区首先发生，然后向空间传播。
二. 热自燃理论
(一)、着火条件
着火、熄火条件的分析方法： 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。
非稳态分析法
稳态分析法
二. 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）
2
起始球面火花微团的表面积，m2； 火焰传播的临界直径，这里认定它等于熄火距离，m； 未燃混气的导热系数，J/(m· k) s· 层流火焰传播速度，m/s； 已燃气体温度，K； 混气初始温度，K。
点火性能准则
点火性能准则参数I代表点火时在点火器附近的混气 中生热率与散热率之比，I值高，则认为点火性能好。 点火性能准则参数： I f [ Am ma Ei
q qk n c e
n E / RTB
qkn c n e E / RTB (
A (TB TOB ) V E A
2
RTB
)
V
T0 RTB E E TB T0 B TB 1 4R E 2R 2R E T0 E E TB 1 4R 2R 2R E 若E=40000kcal/kmol，T0=1000K时，
Ⅳ
Ⅲ
T
Tc
Ⅱ
曲线Ⅰ：τi=∞
T0Ⅲ c
Ⅱ T0 c
Ⅰ
曲线Ⅱ：放热曲线与散热曲线 只有一个切点
曲线Ⅲ：一开始就上凹，没有 拐点，感应期很短
i
τ
(二)、非稳态分析法
着火感应期i ：
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
§4-1 基本概念
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
流体力学因素：气流速度、燃烧室结构尺寸
§4-2 着火机理
热机理
二. 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：
（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。 （4）设反应在着火前，由于反应速度很低，可不计反应物的 浓度因反应而引起的变化，即认为着火时的浓度ρ1=ρ0。
TB-T0≈50＜＜T0，即：TB ≈ T0 这就是说在着火的情况下，自燃温度在数量上与给定的环境温 度相差不多。在近似计算中不需测量真正的自燃温度。
2
(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
(二)、非稳态分析法
着火临界点：
A点：稳定点，对应 于一个反应速率很小 的缓慢氧化工况。 C点：非稳定点，两 种发展方向，对热自 燃而言不可能出现的 工况。
B点：临界工况。
A点稳定： （1）温度自A点下降，放热大于散热， 温度回升恢复到A点。 （2）温度自A点上升，放热小于散热， 温度降低恢复到A点。 C点不稳定： （1）温度自C点下降，散热大于放热， 温度继续下降远离C点，最后达到A点。 （2）温度自C点上升，放热大于散热， 温度继续上升远离C点，反应越来越剧 烈，温度进一步上升，导致混气着火。
§4-1 基本概念
□链锁自燃和热自然的区别与联系
链锁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与联系
热自燃：整个混合气的温度较高，反应和着火是在容器 的整个空间进行的； 点燃：混合气的温度较低，混合气的部分气体受到高温 点火源的加热而反应，而在混合气的大部分空间中其化 学反应为零，其着火是在局部地区首先发生，然后向空 间传播。 点火=局部点燃（着火）+火焰传播 热自燃与点燃的区别在于整体加热与局部加热的 不同而已，着火机理相同均基于热活化。
比、压力、初温、流动状况、混气性质及火花能量。
稳定火焰传播取决于：传播区混气压力、温度、初温、混合