燃烧学——第4章作业
燃烧学课后习题答案
n 2 33 . 44 , T 2 1900 273 2173 K
P2 P1
n 2T 2 n 1T1
0 .1
33 . 44 2173 31 . 94 298
0 . 763 MPa
《燃烧学》--作业
1 已知木材的质量百分数组成：C—40%，H—10%， O—41%，N—2%，W—6%，A—1% （1）1kg木材完全燃烧理论空气量，烟气的组成， 体积 (α＝1) （2）木材的高低热值 （3）α＝1.5，完全燃烧所需的空气量，烟气的组 成，体积 （4）α＝1.5 燃烧温度 【解】： V C H S O 22 . 4 10 4 32 32 12 （1）
7
1 . 334
3 3600
通过查表，可知：erf（1.334)大约等于0.94， 比0.9大，即此时的 0.06 <0.1。也就 是说板背面的温度小于临界温度，板可以看作半 无限大固体来考虑。 T T0 则有： T T 0 . 06
0
求解可得：T＝312K,即39oC
2 0 ,O 2
10 41 40 22 . 4 10 4 32 12 1 . 02 m
3
2
1
《燃烧学》--作业
V 0 , air
V 0 ,O
2
1 . 02 0 . 21
4 . 86 m
3
0 . 21
CO 烟气的组成： 2 , H 2 O , N 2
（3）α＝1.5 完全燃烧所需的空气量，烟气的 组成，体积 3 V a , air V 0 , air 1 . 5 4 . 86 7 . 29 m α＝1.5 CO 2 , H 2 O , N 2 , O 2 烟气的组成：
燃烧学—第3章作业
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5
《燃烧学》--第五章 燃烧学》--第五章
1. If an explosive gas with a activation energy of 40 kJ/mol is held in a container at 300 K. The container is well insulated, therefore restricting the heat lost from the gas. Calculate the critical temperature at which an explosion will take place.
E 4RT0 TB = (1− 1− ) 2R E 4×104 4×8.314×300 = ×(1− 1− ) 4 2×8.314 4×10 = 321.5K
R 02 T TB = T0 + E 8.314×3002 = 300 + 4×104 = 318.7K
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6
T
1）降低环境温度 ） 2）增加散热 ） 3）降低氧气或可燃物浓度 ）
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9
3 解：体系不自燃时 欲使体系达到临界着火条件， 欲使体系达到临界着火条件，采用方法为 （1）提高器壁温度 ） （2）减少对流换热系数 ） q 或减少表面积 （3）增大体系压力 ） 或提高反应物浓度 ，降低活化能
D B A
《燃烧学》--第五章 燃烧学》--第五章
q放 C q散
T0
T2T3T1
T
T >T >T2， 明 然 不 常 说 自 点 是 数 1 3
2.经实验得到立方堆活性炭的数据如下。 2.经实验得到立方堆活性炭的数据如下。 经实验得到立方堆活性炭的数据如下 （1）计算该活性碳氧化反应的活化能 由外推法计算，该材料以无限长圆柱形式堆放时， （2）由外推法计算，该材料以无限长圆柱形式堆放时，在 25℃有自燃着火危险的最小圆柱直径。 25℃有自燃着火危险的最小圆柱直径。
燃烧学—第4章3
爆轰极限（体积％）
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《燃烧学》--第四章
燃料空气弹
据报载，美国在对阿富汗的军事行动中使用了一种称为燃料空气 弹(fuel air explosive projectile，FAE)的新式武器，当被投掷或发 射到目标上空时，液体燃料连同雷管、定时器一起撒到地面，燃 料很快汽化成雾状，散布在空气中，经过预定的延迟时间，由雷 管引爆，产生威力强大的爆炸。燃料空气弹内装的炸药是容易汽 化的液态碳氢化合物，如环氧乙烷、环氧丙烷、甲基乙炔和丙二 烯等，本身不含氧或只含很少的氧，必须与空气混合才会爆炸。 由于它爆炸时几乎把附近空气中的氧消耗殆尽，在这个范围的人 即便不被炸死，也会因缺氧而窒息死，所以燃料空气弹又称窒息 弹。燃料空气弹爆炸时会产生2500℃左右的高温火球，并形成强 大的冲击波和热气浪，炸点附近的冲击波传播速度可达2200m/s， 超压达5~20MPa)。燃料空气弹的破坏威力较大，可使暴露的士 兵失去作战能力，使电子设备受到破坏，可大面积杀伤人员和摧 毁无防护的武器，如地面的和躲在普通工事或民房内的人员，停 机坪上的飞机，暴露的导弹、雷达和电台天线等。
dx V激 dt
2-2’ 截面间的距离为 质量守恒
2
2′
1
dx气＝Vdt
2
2′
1
1 Adx 2 Adx dx气
V激＝
dx气
2 2 1V源自dx中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
12
1-2截面间气体的动量变化： 在激波通过前，气体的速度为0； 激波通过后，气体的速度由0增加到ΔV，所以1-2截面间在dt时间内的动 量变化为ρ1AdxΔV。 作用于这部分气体上的冲量为（p2-p1）Adt。 动量守恒定律
燃烧学—第4章2
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6
《燃烧学》--第四章
图4-21 不同压力下甲烷爆炸极限 1．火焰向下传播，圆筒容器尺寸为 37×8cm；2．端部或中心点，球形 容器；3．火焰向下传播，圆筒容器
图4-22 不同压力下氢气爆炸极限 1．火焰向下传播，圆筒容器尺寸为 37×8cm；2．端部或中心点，球形 容器；3．火焰向下传播，圆筒容器
图4-19 温度对甲烷爆炸极限的影响
图4-20 温度对氢气爆炸极限的影响
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5
《燃烧学》--第四章
温度对丙酮爆炸极限的影响
混合物温度，℃ 0 50 100 爆炸下限，％ 4.2 4.0 3.2 爆炸上限，％ 8.0 9.8 10.0
（2）初始压力
一般压力增大，爆炸极限扩大 压力降低，则爆炸极限范围缩小 待压力降至某值时，其下限与上限重合，将此时的最低压力称为 爆炸的临界压力。若压力降至临界压力以下，系统便成为不爆炸
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7
《燃烧学》--第四章
（3）惰性介质即杂质
若混合物中含惰性气体的百分数增加，爆炸极限的范围缩小，惰 性气体的浓度提高到某一数值，可使混合物不爆炸
加入惰性气体， 爆炸上限显著下降 爆炸下限略有上升 最终合为一点 ——爆炸临界点
惰化能力：
CCl4 > CO2 > H2O > N2 > He > Ar
气体混合 物 CO2 O2 CO H2 CH4 N2
下限 ％
上限 ％
下 限 ％
上 限 ％
水煤气
6.2
0.3
39.2
49.2
2.3
燃烧理论第4章
第4章着火（自燃与引燃）本章内容：着火的概念谢苗诺夫的热着火理论（热）自燃的着火延迟链着火理论强制着火着火范围4.1 着火的概念燃烧过程一般可分为两个阶段，第一阶段为着火阶段，第二阶段为着火后的燃烧阶段。
在第一阶段中，燃料和氧化剂进行缓慢的氧化作用，氧化反应所释放的热量只是提高可燃混合物的温度和累积活化分子，并没有形成火焰。
在第二阶段中，反应进行得很快，并发出强烈的光和热，形成火焰。
与连续、稳定的燃烧阶段不同，着火是一个从不燃烧到燃烧的自身演变或外界引发的过渡过程，是可燃混合物的氧化反应逐渐加速、形成火焰或爆炸的过程。
在这个过渡过程中，反应物的消耗及产物的生成尚不明显，它们之间的相互扩散的量级不大，扩散速度对此过渡过程的化学反应影响极微。
因此，着火是一个化学动力学控制的过程。
火焰的熄火过程也是一个化学反应速度控制的过程。
但与着火过程相反，它是一个从极快的燃烧化学反应到反应速度极慢，以至不能维持火焰或几乎停止化学反应的过程。
4.1.1 两种着火类型有两种使可燃混合物着火的方式：自发着火及强制着火。
自发着火有时又叫自动着火或自燃(以后统称为自燃)。
它是依靠可燃混合物自身的缓慢氧化反应逐渐累积热量和活化分子，从而自行加速反应，最后导致燃烧。
自燃有两个条件：1）可燃混合物应有一定的能量储蓄过程。
2）在可燃混合物的温度不断升高，以及活化分子的数量不断积累后，从不显著的反应自动转变到剧烈的反应。
有许多燃料与氧化剂在高温下迅速混合并导致自燃的例子。
例如，柴油喷到高温的压缩空气中在极短的时间内，部分地蒸发并与空气混合，在经历一定的延迟后反应便进行得非常快而着火燃烧；在冲压式喷气发动机及涡轮喷气发动机中燃料喷雾在加力燃烧器中的着火；汽油机中的爆震等。
强制着火是靠外加的热源（外部点火源）向混合物中的局部地方加入能量，使之提高温度和增加活化分子的数量，迫使局部地方的可燃混合物完成着火过程而达到燃烧阶段，然后火焰向可燃混合物的其他部分传播，导致全部可燃混合物燃烧。
徐通模燃烧学--第4章
11
第二节 热自燃理论
➢着火条件 ➢谢苗诺夫热自燃理论 ➢绝热条件下的自燃过程 ➢影响着火的因素 ➢热自燃界限
热能与动力工程系
热自燃现象频发
自燃的情况非常多。例如2010年夏天，我国各地温度屡创新高，汽车自 燃事故频发。
在实际应用中，燃料喷进去就着火时的环境温度， 常常把T0 当做自燃温度。
着火温度和熄火温度不是物性参数，随热力条件变 化而变化。
各种实验方法所测得的着火温度值的出入很大，过 分强调着火温度意义不大，着火温度只表示了着火 的临界条件。
当然，着火温度的概念使着火过程的物理模型大大 简化，对于燃烧理论研究有重要意义。
大多数碳氢化合物燃料的燃烧反应都接近于二级反 应，二级反应的反应速率为
w kx f xox
p2 (RT )2
E
k0e RT x f xox
p2 R2T 2
VQk0Ex f xox
AF R3TC4
p2
E
e RT
1
压力增大，自燃温度降低；压力下降，
自燃温度升高，不易着火。高原地区发动机着火困难。
点1前的反应初始阶段，放热>散热，反 应系统开始升温，到达点1达到放热、 散热平衡。点1为稳定的平衡态。
系统处在点1左边时，Q1>Q2a，系统会 升高温度到达点1；在右边时，Q1<Q2a ，系统会降温回到点1。由于此时系统 温度低，处于缓慢氧化状态，不能进行 燃烧。此时不满足条件2。
热力着火曲线
点2就称为着火点，其对应的系统温度 Tzh称为燃料的着火温度。
燃烧学——第4章作业
1.计算丁烷在空气中的理论最大爆炸压力。
（初始温度25℃，初始压力0.1MPa, 爆炸温度1900℃）2.某容器中含甲烷5%，乙烷2%，氧气21%，氮气67%，二氧化碳5%（体积百分比）。
初始温度25℃，初始压力0.1MPa, 爆炸温度1200℃，计算爆炸压力。
3.已知乙烷爆炸下限为3%，摩尔燃烧热为1426.6kJ，丙烷的摩尔燃烧热为2041.9kJ，求丙烷的爆炸下限.4.某煤气的组成为：CO 10%、氢气45%、甲烷30%、氮气11%、二氧化碳2%、氧气2%。
将1m3该煤气与19m3空气混合，遇明火是否爆炸？5.一混合气体中含乙烷1%、丁烷C4H101.4%，其余为空气，该混合气体遇明火是否有爆炸危险？（乙烷和丁烷在空气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限分别为3.0%、1.5%）6.图为可燃气体—氧气—氮气体系的爆炸极限图。
极限。
（2）说明A点和B点两种气体的爆炸危险状态。
（3）在图中分别标出当气体A和气体B泄漏到空气中，新的混合气的移动路线，并说明其爆炸危险状态的变化情况。
（4）在图中标出完全惰化区。
7.预混可燃气燃烧波的传播存在哪两种方式?各有什么特点?8.什么叫做火焰前沿?火焰前沿有什么特点?预混可燃气中火焰传播的机理是什么?9.影响层流预混火焰传播速度的因素主要有哪些?10.简述可燃气体爆炸参数及测量方法.11.爆炸极限主要受哪些因素影响?12.简述爆轰的发生过程，并说明其本质是什么?13.形成爆轰要具备哪些条件?14.预防和控制可燃气体爆炸的方法有哪些?15.主要有哪些阻火隔爆装置?什么叫做消焰径?金属网阻火器的工作原理是什么？16..什么叫做湍流燃烧?揣流燃烧有什么特点？其速度为什么比层流燃烧的速度快?17.在扩散火焰中，气流速度和管子横截面积是如何影响火焰高度的?为什么?18.为什么lmol可燃气完全燃烧所需氧气摩尔数越大，扩散火焰高度越高?为什么环境中氧浓度越低，扩散火焰高度越高?。
燃烧与爆炸习题 答案
1．填空
（1）燃料、氧化剂、引燃源 （2）必要 （3）控制可燃物、隔绝空气、消除或控制点火源 （4）隔离法、窒息法、冷却法、抑制法 （5）燃烧诱导期或着火延滞期 （6）预混、扩散 （7）蒸发、分解、表面 （8）闪点 （9）活化能理论、过氧化物理论、链锁反应理论 （10）链的引发、链的传递、链的终止 （11）喷射 （12）高
2．简答题
（1）答：原理是：使灭火剂参与到燃烧反应中去，它可以销毁燃烧过程中产生
的游离基，形成稳定分子或低活性游离基，从而使燃烧反应终止。
（2）答：物质发生受热自燃取决于两个条件：一是要有外部热源；二是有热量
积蓄的条件。引起自热自燃也是有一定条件的，其一必须是比较容易产生反应热
的物质；其二此类物质要具有较大的比表面积或是呈多孔隙状的，如纤维、粉末
第三章 答案 1．填空
（1）正常火焰传播、爆轰 （2）低，高 （3）重量，线 （4）辐射 （5）受热分解出可燃气，形成疏松多孔的碳化层结构 （6）有焰，无焰 （7）热解区、炭化区 （8）刚性结构的多孔碳
2．简答题
（1）答：爆轰的特点：①燃烧后气体压力要增加；②燃烧后气体密度要增加； ③燃烧波以超音速进行传播。正常火焰传播的特点：①燃烧后气体压力要减少或 接近不变；②燃烧后气体密度要减少；③燃烧波以亚音速（即小于音速）进行传 播。 （2）答：若在一长管中充满均匀混气，当用电火花或其它火源加热某一局部混 气时，混气的该局部就会着火并形成火焰。火焰产生的热量会由于导热作用而输 送给火焰周围的冷混气层，使冷混气层温度升高，化学反应加速，并形成新的火 焰。这样使一层一层的新鲜混气依次着火，也就是薄薄的化学反应区开始由引燃 的地方向未燃混气传播，它使已燃区和未燃区之间形成了明显的分界线，称这层 薄薄的化学反应发光区为火焰前沿。 （3）答：①火焰前沿可以分成两部分：预热区和化学反应区；②火焰前沿存在 强烈的导热和物质扩散。 （4）答：热理论认为火焰能在混气中传播是由于火焰中化学反应放出的热量传 播到新鲜冷混气中，使冷混气温度升高，化学反应加速的结果；扩散理论认为凡 是燃烧都属于链式反应。火焰能在新鲜混气中传播是由于火焰中的自由基向新鲜 冷混气中扩散，是新鲜冷混气发生连锁反应的结果。 （5）答：①混气初温：混气初温增加，混气燃烧时火焰温度就越高，化学反应 速度会越快，火焰传播速度就越高；②压力：对二级反应，压力与火焰传播速度 关系不大；③可燃气体浓度：混气中可燃气与空气比值不同，火焰传播速度不同。 实验发现混气中可燃气与空气比值存在一个最佳比值，在此最佳比值条件下火焰 传播速度最快，否则会下降。理论上这个最佳比值应等于化学当量比；④惰性气 体：惰性气体加入量越多，火焰传播速度越小；⑤混气性质：混气导热系数增加， 火焰传播速度增加；热容增加，则火焰传播速度下降。 （6）答：原油在连续燃烧的过程中，其中沸点较低的轻质部分首先被蒸发，离 开液面进入燃烧区。而沸点较高的重质部分，则携带在表面接受的热量向液体深 层沉降，或者形成一个热的锋面向液体深层传播，逐渐深入并加热冷的液层。这 一现象称为液体的热波特性，热的锋面称为热波。 （7）答：由于原油的沸程较宽，组分之间的比重相差较大，因此在燃烧时能形
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1.计算丁烷在空气中的理论最大爆炸压力。
（初始温度25℃，初始压力0.1MPa, 爆炸温度
1900℃）
2.某容器中含甲烷5%，乙烷2%，氧气21%，氮气67%，二氧化碳5%（体积百分比）。
初始温度25℃，初始压力0.1MPa, 爆炸温度1200℃，计算爆炸压力。
3.已知乙烷爆炸下限为3%，摩尔燃烧热为1426.6kJ，丙烷的摩尔燃烧热为2041.9kJ，求
丙烷的爆炸下限.
4.某煤气的组成为：CO 10%、氢气45%、甲烷30%、氮气11%、二氧化碳2%、氧气2%。
将1m3该煤气与19m3空气混合，遇明火是否爆炸？
5.一混合气体中含乙烷1%、丁烷C4H101.4%，其余为空气，该混合气体遇明火是否有爆炸
危险？（乙烷和丁烷在空气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限分别为3.0%、1.5%）6.图为可燃气体—氧气—氮气体系的爆炸极限图。
极限。
（2）说明A点和B点两种气体的爆炸危险
状态。
（3）在图中分别标出当气体A和气体B泄
漏到空气中，新的混合气的移动路线，并说明其
爆炸危险状态的变化情况。
（4）在图中标出完全
惰化区。
7.预混可燃气燃烧波的传播存在哪两种方式?各有
什么特点?
8.什么叫做火焰前沿?火焰前沿有什么特点?预混可
燃气中火焰传播的机理是什么?
9.影响层流预混火焰传播速度的因素主要有哪些?
10.简述可燃气体爆炸参数及测量方法.
11.爆炸极限主要受哪些因素影响?
12.简述爆轰的发生过程，并说明其本质是什么?
13.形成爆轰要具备哪些条件?
14.预防和控制可燃气体爆炸的方法有哪些?
15.主要有哪些阻火隔爆装置?什么叫做消焰径?金属网阻火器的工作原理是什么？
16..什么叫做湍流燃烧?揣流燃烧有什么特点？其速度为什么比层流燃烧的速度快?
17.在扩散火焰中，气流速度和管子横截面积是如何影响火焰高度的?为什么?
18.为什么lmol可燃气完全燃烧所需氧气摩尔数越大，扩散火焰高度越高?为什么环境中氧
浓度越低，扩散火焰高度越高?。