第四章预混气体的着火理论着火理论

1、第四章第四章预混气体的着火理论预混气体的着火理论研究的问题研究的问题n闭口系统着火理论 着火条件 着火温度 着火界限 n开口系统着火理论n 链锁着火机理n点燃理论着火方式着火方式 自燃着火自燃着火: :无外界热源的条件下，预混气体在一定温度、压力（浓度） 条件下，氧化反应自动加速到预混气体整体发生爆炸状态。点燃着火点燃着火指有外界热源条件下，先使预混气体的局部反应速度急剧升高达到局部着火状态，然后再通过火焰的传播使周围未燃的预混气体实现着火。着火机理（机制）着火机理（机制）n热（自燃）着火：热（自燃）着火：由于预混气体自身氧化反应放出的热量大于系统向周围环境散失的热量，使系统的热量积累，引起系

2、统温度不断升高，促使反应急剧加速达到爆炸状态。n链锁反应（自燃）着火：链锁反应（自燃）着火：由于预混气体自身的分枝链锁反应中活性中心增加的速率大于销毁的速度，使系统活性中心积累，引起系统活性中心浓度不断升高，促使链式反应急剧加速，达到爆炸状态。影响燃料着火的因素影响燃料着火的因素n燃料性质n燃料与氧化剂的比例n环境压力与温度n气流速度n燃烧室尺寸化学动力学因素化学动力学因素流体动力学因素流体动力学因素闭口系统着火理论闭口系统着火理论闭口系统的模型假设：（1）封闭的反应容器、均相预混气氧化反应自动加速至着火。着火容积V、容器表面积S；（2）反应气体温度T、压力P， 可燃气体的体积浓度Cf、 氧化

3、剂气体体积浓度Ca；初始气体温度T0、可燃 气初始体积浓度Cf,0、氧化剂气体初始体积浓度Ca,0； 反应热（发热量）为Q。（3）由于冷却散热，容器壁温维持T0，气体与容器壁的换热系数 保持不变。着火条件分析着火条件分析闭口系统预混气体在单位时间内反应所放出的热量为：baaffCCRTEQKQWQ)exp(0sfVVQVQddTCV000,)(TTVaSfVSTTaQs单位体积预混气在单位时间内所生成的燃烧产物向容器壁散热量为：闭口系统的能量守恒方程：sfVQQTTVaSWQddTC00sfQQ QfQTATABTBT0Qs着火条件：dTdQdTdQsf及sfQQ 着火临界条件：dTdQdTd

4、Qsf及Qf1QTATABTBT0Qs1TcCQs2A:下稳定点B:上不稳定点C:临界着火点TC：临界着火温度影响着火条件因素分析(1)初始温度对着火条件的影响)()(00TTVaSVSTTaQsQss2Qss3BCTcQTQfQs1ABTATBT01T02T03010) 1TT A:下稳定点， 不满足着火条件B:上不稳定点 不属于热自燃着火范畴该条件下不能自燃着火影响着火条件因素分析BCTcQTQfQss2Qss3Qs1ABTATBT01T02T03020)2TT C:不稳定点 着火临界点 sfQQ dTdQdTdQsf及着火临界条件： 影响着火条件因素分析Qs1BCTcQTQfQss2Qs

5、s3ABTATBT01T02T03030) 3TT 总会达到自燃着火。但是：其所对应的初始条件并非自燃着火的临界条件。sfQQ QTTcCT0Qs1ABTATBQs2Qs3321VaSVaSVaS 冷却散热强度对着火条件的影响Qf影响着火条件因素分析(2)()(00TTVaSVSTTaQs1VaS不能发生自燃着火着火条件破坏，QTT0Qs1CTCCf1 Cf2 Cf3 系统中预混气的压力(或浓度)对着火条件的影响Qf3Qf1Qf2影响着火条件因素分析(3)baaffCCRTEQKQWQ)exp(0浓度越大，着火温度降低，有利于着火T01T03着火温度的分析baaffCCRTEQKQWQ)exp

6、(0VSTTaQs)(0baafCCCsCfCCCQKTTVSRTEQQ00)()/()exp(VSRTERTECCQKdTdQdTdQCCbaafCSCf)exp(20由临界着火条件：着火温度的分析ERTRETc04112由于0TE 14ERT按幂级数展开ERTTTCCc200ERTTTTCCCC200工程上通常以测量的临界壁面温度工程上通常以测量的临界壁面温度Toc代替着火温度代替着火温度Tc Tc是化学动力因素与流体动力因素的函数，并非单纯为燃料物理化学性质是化学动力因素与流体动力因素的函数，并非单纯为燃料物理化学性质002CCTTTERC着火界限定义：一定实验条件下，预混气体能够发生着

7、火的这种燃料浓度范围，称为该燃料的着火界限。CfiCfifRTPxRTPCibaafCCRTEkWexp0cbCaaCfncRTExxRTpkWexp.0cbCaaCfncRTExxRTpkWexp.0对一个双分子二级反应1exp.0432CbCaaCfCCRTExxQkTSREVpVSWQRTEC21exp.0432CbCaaCfCCRTExxQkTSREVp有确定的函数关系。、定时，燃料性质和散热强度一境散热强度取决于燃料性质与向环、着火温度向环境散热强度；与燃料性质有关的参数ccbCaaCfPTpTVSxxkEQCC.0,非着非着火区火区着火区着火区TcPc预混气预混气TcPc关系曲线关

8、系曲线constVaSVaS1Tc1Pc1着火区域VS1111CcCcPTPTxf1xf2pc=constTc 0100%着火区着火区非着火区非着火区自燃温度与混气成分自燃温度与混气成分的关系曲线的关系曲线xf1xf2Tc=constpc 0100%着火区着火区非着火区非着火区临界压力与混气成分临界压力与混气成分的关系曲线的关系曲线TcminPcminVaSVaSpc=constTc 0100%多组分可燃气体的着火界限多组分可燃气体的着火界限n组可燃气体和氧化剂着火浓度下限着火浓度下限n各组成着火浓度下限：L1，L2.Lnn每种可燃气体占总可燃气体浓度V1%, V2% .Vn%n理.查特列法则

9、n种复杂可燃气体的着火浓度下限为LmnnmLVLVLVL 2211100n组可燃气体和氧化剂着火浓度上限着火浓度上限n各组成着火浓度上限：U1，U2.Unn每种可燃气体占总可燃气体浓度V1,V2%.Vn%n理.查特列法则n种复杂可燃气体的着火浓度上限为UmnnmUVUVUVU 2211100影响着火浓度范围的因素1）温度2）压力3）富氧程度4）点火源能量5）可燃气体的性质6）惰性杂质和散热影响着火浓度范围的因素1）温度)25(10825425tLLLt)25(10825425tUUUt) 1(lg6 .200PUUp2）压力扎彼泰基斯实验： xXULT,，xXULP,影响不大，影响着火浓度范围

10、的因素)321. 1%(lg7020%2oUUo3）富氧程度4）点火源能量XL，显著影响不大，富氧程度UX，接触时间，热表面积点火源温度影响着火浓度范围的因素6）惰性杂质和散热CO2，着火界限变窄N2，对上限有影响，下限影响不大。散热强度增大，着火界限变窄5）可燃气体的性质可燃气种类不同，着火界限不同空气中燃烧：H2 下限：4.0，上限75.0 CO下限：12.5，上限74.0无量纲参数（1）燃烧完全系数1110001CCCCC1)(001完全燃烧的发热量实际的燃烧发热量qCCCqERT（2）无量纲温度开口系统着火理论开口系统着火理论（3）无量纲时间21单位体积内燃烧发热量热量单位体积内燃烧产

11、物吸00002)(qRCECqCTTCppmVAmAVvL/1021kmVk0（4）无量纲内部换热率2开口系统着火理论开口系统着火理论采用均匀搅拌绝热燃烧模型。同时假设：（1）进入燃烧室的气体温度为T0，燃料浓度为C0。（2）由于湍流作用，燃烧室内反应气体的温度场和浓度场处处均匀。（3）燃烧是在绝热条件下进行的。（4）流动及反应过程是稳定的，即有关参数不随时间而变化。（5）燃烧室容积V，燃烧反应是一级反应，即反应速度W正比于燃料气的浓度C。T、C、VT0、C0mT、C m均匀搅拌绝热燃烧模型均匀搅拌绝热燃烧模型能量平衡方程能量平衡方程 00TTmcCeVQkpRTE质量平衡方程质量平衡方程 0

12、0ERTmVCk eCC稳定燃烧条件稳定燃烧条件1exp1exp1exp00kmVCCC110001111CCCCCCC1exp111CCmeVCkRTE00由质量守恒：稳定燃烧条件稳定燃烧条件1exp11100002)(qRCECqCTTCpp2 2 020 2 0 2 04433667711临临界界着着火火温温度度初初始始温温度度55临临界界熄熄火火温温度度2121着火临界条件着火临界条件燃烧室的燃烧室的 - 图图影响燃烧室高温稳定工作点的因素影响燃烧室高温稳定工作点的因素n无量纲初温0 对着火和熄火的影响n无量纲时间n燃料的发热量qn烟气循环倍率 n向外散热的影响2 2 020 2 0

13、2 04433667711临临界界着着火火温温度度初初始始温温度度55临临界界熄熄火火温温度度有利于着火着火临界条件着火临界条件燃烧室的燃烧室的 - 图图0DF12311无量纲时间对发热率线的影响无量纲时间对发热率线的影响123为常数为常数，0q 11exp11122 21FDqq1q2q30q3q2q1为常数为常数，0燃料发热量对换热率的影响燃料发热量对换热率的影响002qRCECpA12a1a2a3a3a2a1为常数为常数，qA烟气循环倍率烟气循环倍率a对吸热率的影响对吸热率的影响021KK4K2K1K30K4K3K2K1辐射换热系数对着火的影响辐射换热系数对着火的影响PTC(oC)460

14、 500 5408040高界限高界限低界限低界限PTC(oC)300 400 50041235着着火火区区H2+O2的着火半岛的着火半岛乙烷空气的着火界限乙烷空气的着火界限链锁着火理论实质：反应初始阶段活化中心的浓度急剧增长。H21）H2M*HHHHHHHHHHHHHHH2）H 3H2O2 2H2O3H链锁反应的链分枝速度链锁反应的链分枝速度 W1fC链锁反应的链中断速度链锁反应的链中断速度 W2gC链锁反应速度随时间变化的情形等温条件下lW1W2, 使活性中心浓度增加直至着火状态。f gf =gf gW等温链锁反应速度曲线等温链锁反应速度曲线 W1W2，系统处于着火的临界状态，即链锁着火的临

15、界条件。 W1W2,活性中心浓度不断减少，始终达不到着火状态。链锁反应的稳定条件链锁反应杂质）壁面链的中断链的分枝和反应链的形成(),(:,:54321*MRMRPMRMRMRRMKkKKKMRCkddC1MRCCk2) 1(MRCCk3RCk4RCk50 稳态假定临界着火条件下活性中心的增殖倍率：MMCCkkkCk25431C发生链锁着火发生链锁着火C不发生着火不发生着火链锁着火界限链锁着火界限第第3界限热界限界限热界限第第2界限高界限界限高界限第第1界限低界限界限低界限dnba（着火半岛）（着火半岛）c氢氧混合气链锁着火半岛现象氢氧混合气链锁着火半岛现象PcbPcam着火区着火区非着火区非

16、着火区a以下：以下：活性中心的增殖速度销毁的速度PcdPcTc 400 500 600 700d-b:活性中心的增殖速度销毁速度 f、g 随压力变化曲线1）ppa fg 不能自燃2) papg 可自燃3) ppb f0dT/dt0 d2T/dt20)()(00TTCCCQCVi0000RTEneCkW00020expRTECEQkCRTnVi假设着火过程接近于绝热过程：00WCCii着火感应期：QCTTCCVci)(00ERTTTC200QCERTCCVi200对于烃类燃料，反应级数近似等于2constEQkTCRRTEpVi0030200exp00020expRTECEQkCRTnVi)(0

17、0QEpTfi、ETp00iQi点燃理论点燃理论n点燃的过程： 点燃局部局部火焰火焰传播空间火焰n点燃方法 电火花点火 电弧点火 炽热表面点火 小火焰点火 Tw1时，Tx0wdxdT0wdxdT0wdxdT热表面点火临界条件Tw1Tw2Tw3T01T01T01222 Tw2时， Tw3时，点燃的临界条件稳态点燃理论采用一维导热模型热表面边界层微元层dx热平衡方程0)(dxdTFdxdxdTTdxdFdxTQWF0)(22TQWdxTd0, 0WWdxdTTTx0,;TTx wTTdTTWQdxdT02TdxxT0热表面点火边界层温度场Tw边界条件：稳态点燃理论 002TTdTTWQWTTw w

18、TTdTTWQdxdTq020TTqW导热量：对流换热量：qq 边界层内导热和对流换热量相等：稳态点燃理论假设零级反应且 ，所以： )exp(0RTECkTWn预混气的化学反应速度：wwTTT)(022)(exp1)()(0WWWTTwRTTTEERTTWdTTWw1ERTTWdTTWWWTTW20)(lNu 002TTdTTWQWTTw结合：及稳态点燃理论稳态点燃理论202)(2TTERTTWQNlWWWu说明：其他条件不变时，点火表面尺寸增大，临界点燃温度将下降可得炽热物体点燃具体条件：WTllTQE0,讨论：220)()(2WWWRTTWTTEQl对静止预混气 ：热表面点火成功的最低温度取决于三个因素：（1）热表面的特征尺寸：（2）混合气性质：（3）混合气的初始环境条件：稳态点燃理论稳态点燃理论220)()(2WWWRTTWTTEQl电火花点燃理论电火花点燃理论 电火花的作用热作用和电离作用热作用：电火花为一种高温热源，它使靠近它的局部混合气温度升高，达到着火临界工况被点燃，再依靠火焰传播使整个容器内混合气着火燃烧。也就是对预混气进行局部加热作用。电离作用：混合气的着火是由于靠近火花部分的气体被电离形成活性中心，提供了进行链锁反应的条件，由于链锁反应的