燃烧理论5着火的理论基础

1、研究不同着火方式的着火机理。研究不同着火方式的着火机理。着火过程及方式着火过程及方式链反应速度链反应速度链反应的发展过程链反应的发展过程着火的热自燃理论着火的热自燃理论着火的链式反应理论着火的链式反应理论强迫着火强迫着火强迫着火过程强迫着火过程常用点火方法常用点火方法电火花点火电火花点火链反应的延迟期链反应的延迟期着火方式与机理着火方式与机理着火温度着火温度热自燃过程分析热自燃过程分析着火温度求解着火温度求解谢苗诺夫公式谢苗诺夫公式热自燃界限热自燃界限热自燃的延迟期热自燃的延迟期点火的可燃界限点火的可燃界限主要任务主要任务着火理论着火理论基础基础 着火概念、方式和机理，谢苗诺夫热自燃理论，着火

2、概念、方式和机理，谢苗诺夫热自燃理论，链式反应理论，烃类链式反应理论，烃类空气混合着火特性，强迫着火空气混合着火特性，强迫着火的两种理论，着火界限的两种理论，着火界限 谢苗诺夫热自燃理论谢苗诺夫热自燃理论 链式反应理论链式反应理论 知识要点知识要点知识重点知识重点知识难点知识难点按照燃气和空气混合情况按照燃气和空气混合情况Turbulent Nonpremixed Flames：燃料与氧化剂分子混合后，从开始发生化学反：燃料与氧化剂分子混合后，从开始发生化学反应，反应加速，温度升高达到激烈的燃烧反应之前的应，反应加速，温度升高达到激烈的燃烧反应之前的一段过程。一段过程。一、着火的方式与机理n自

3、然界中燃料的着火方式自然界中燃料的着火方式 预混可燃气体由于自身温度的升高而导致化学反应预混可燃气体由于自身温度的升高而导致化学反应速率自行加速引起的着火称为自然速率自行加速引起的着火称为自然 预混可燃气体由于外界能量的加入，如电火花等点预混可燃气体由于外界能量的加入，如电火花等点火源点致使预混可燃气体化学反应速度急剧加快引火源点致使预混可燃气体化学反应速度急剧加快引起的着火起的着火。和和统称之为统称之为n影响着火的因素影响着火的因素n 燃料性质燃料性质n 燃料与氧化剂的比例燃料与氧化剂的比例n 环境压力及温度环境压力及温度n 气流速度气流速度n 燃烧室尺寸等等。燃烧室尺寸等等。 化学动力学因

4、素（本章分析的重点）化学动力学因素（本章分析的重点）流体力学因素（燃烧阶段）流体力学因素（燃烧阶段）自燃着火机理主要包括两种自燃着火机理主要包括两种反应物温度不断升高，反应加反应物温度不断升高，反应加 快，直到着火，可用阿累尼乌斯定律和质量作快，直到着火，可用阿累尼乌斯定律和质量作 用定律解释。用定律解释。活性中心增值数大于销毁，活性中心增值数大于销毁， 反应不断加快，分支链反应和直链反应。反应不断加快，分支链反应和直链反应。 一般来说，在一般来说，在高温高温下，下，热自燃热自燃是着火的主要原因，而在是着火的主要原因，而在低低温温时则时则支链反应支链反应是着火的主要原因。但实际燃烧过程中，是着

5、火的主要原因。但实际燃烧过程中，不可能是纯粹的热自燃或链锁自燃存在，事实上，它们是不可能是纯粹的热自燃或链锁自燃存在，事实上，它们是同时存在而且是相互促进的。同时存在而且是相互促进的。 二着火的两大特征n ：在该温度下，取决于导热性能：在该温度下，取决于导热性能的初始散失热量等于同样时间内因化学反的初始散失热量等于同样时间内因化学反应转化而形成的热量。热着火理论指出着应转化而形成的热量。热着火理论指出着火温度不是物质的一个专门性质，事实上火温度不是物质的一个专门性质，事实上它表示在正常化学过程中它表示在正常化学过程中(可燃物和氧化剂可燃物和氧化剂之间的反应过程之间的反应过程)放热的反作用的结果

6、。放热的反作用的结果。n ：着火前的物理准备过程。：着火前的物理准备过程。 一.热自燃过程分析n 放热和散热过程放热和散热过程 着火是反应放热因素和散热因素相互着火是反应放热因素和散热因素相互作用的结果。作用的结果。 放热放热散热：着火成功；散热：着火成功； 放热放热 q1 ， 散热放热，T ，回到A点; 当T ，q2 q1 , 散热 1将得到与某一个固定的链长相对应的反应速度，但为负值，毫无物理意义。在这种情况下涉及到链中断的概率，即在第一关系式中应该用-代替】着火条件：着火条件：或01活性中心浓度的变化速度活性中心浓度的变化速度 ：0dnnnndttt= + 0()dnnfg ndt,fg

7、tt令 ： f 为链进展的动力学系数 g 为链中断的动力学系数 （f 、g分别与温度，活化能以及其他因素有关）0()dnnfg ndtnnddnt0RTEmeP/ 常数其中：其中： （链的继续概率）（链的继续概率） 用用Lagrange法积分得：法积分得： 0(1)nne tnn0) 0() 0(分支链锁反应速度随时间的变化做出图来是什么分支链锁反应速度随时间的变化做出图来是什么样的呢？样的呢？等温时分枝链锁反应速度随时间的变化规律n在低温时，由于链的分枝速度很缓慢，而链的中断速在低温时，由于链的分枝速度很缓慢，而链的中断速度却很快，度却很快，fg，则，则g或或0 ，活化中心浓度迅速增大，引起

8、自燃。，活化中心浓度迅速增大，引起自燃。 当链反应进行是具有较高的活性中心初始当链反应进行是具有较高的活性中心初始浓度浓度 ，且为，且为c0时，链支化反应总速度：时，链支化反应总速度： ttt000)(necnnw1tetttecnnw)(00tAew )(00tcnA若 ：记为：链式着火的条件链式着火的条件： crww crw着火临界遏制速度值着火临界遏制速度值如果假设经过一段时间（诱导期或习惯上叫着火延如果假设经过一段时间（诱导期或习惯上叫着火延迟期、孕育期）反应速度达到临界值，迟期、孕育期）反应速度达到临界值， 则：则：常数crweAit常数it常数iRTEmePt/RTEmiep/常数

9、t 谢苗诺夫从理论上推导出的谢苗诺夫从理论上推导出的3/1102TcmiepCt)(21RECC常数，5.4 强迫着火（点燃）工程上的燃料着火的方式通常为工程上的燃料着火的方式通常为，即，即。 n概念概念 用炽热的高温物体使混合气的一小部分着火，用炽热的高温物体使混合气的一小部分着火，形成局部的火焰核心；然后这个火焰核心再把邻近形成局部的火焰核心；然后这个火焰核心再把邻近的混合气点燃。这样逐层依次地引起火焰的传播从的混合气点燃。这样逐层依次地引起火焰的传播从而使整个混合气燃烧起来。而使整个混合气燃烧起来。 常用金属板、柱、丝或球作为电阻，通以电流使常用金属板、柱、丝或球作为电阻，通以电流使其炽

10、热；亦有用热辐射加热耐火砖或陶瓷棒等形成各其炽热；亦有用热辐射加热耐火砖或陶瓷棒等形成各种炽热物体在可燃混合气中进行点火。种炽热物体在可燃混合气中进行点火。 工程上常用，工程上常用，用于流速较低、易燃的混合气中，用于流速较低、易燃的混合气中，如一般的汽油发动机。如一般的汽油发动机。 常用于锅炉、燃气轮机燃烧室中的点火。最大优常用于锅炉、燃气轮机燃烧室中的点火。最大优点就在于具有较大的点火能量。点就在于具有较大的点火能量。三. 炽热物体点火n对于不可燃气体，当有炽热物体靠近时，只带来对于不可燃气体，当有炽热物体靠近时，只带来边界处温升，没有燃烧放热带来的温升；边界处温升，没有燃烧放热带来的温升；

11、n对于可燃气体，当有炽热物体靠近时，既有温差对于可燃气体，当有炽热物体靠近时，既有温差带来的温升，又有燃烧带来的温升；带来的温升，又有燃烧带来的温升；n靠近壁面处，靠近壁面处，Tw = T，反应快，放热多，反应快，放热多，T高；高；n 远离壁面处：远离壁面处：n传热少，温升小；传热少，温升小；n 温度低，燃烧反应慢，温升小。温度低，燃烧反应慢，温升小。炽热物体点燃模型炽热物体点燃模型对炽热物体点燃可燃混合物的机理可采用零值边界梯度对炽热物体点燃可燃混合物的机理可采用零值边界梯度物理模型进行说明。物理模型进行说明。假设将一温度恒定的炽热物体放入可燃混合物中，混合假设将一温度恒定的炽热物体放入可燃

12、混合物中，混合物的温度为物的温度为T0，当炽热物体的温度分别为，当炽热物体的温度分别为T1、T2、T3时，则经时，则经过热传导后，在可燃混合物与炽热物体接触的边界层内将出现过热传导后，在可燃混合物与炽热物体接触的边界层内将出现所示的温度分布。所示的温度分布。 强迫点燃过程中边界层内的温度分布 a）T1Tqr 图(a)中，T1Tqr，可燃混合物除了向周围介质传热外，还有多余的热量用于进一步提高自身的温度，最后导致着火。物体表面边界层内混合物的温度梯度0dxdT0dxdT因此，可以把炽热物体表面边界层内混合物的温度梯度 作为炽热物体点燃的临界条件。 0dxdT 根据上述点燃临界条件，可以计算出炽热

13、物体点燃时的临界温度，即强燃温度Tqr。当物体表面温度高于Tqr，则该物体能够点燃可燃混合物，使其着火。强燃温度物体表面上的边界层 以平板形状的炽热物体为例，讨论强燃温度Tqr的计算。 如图所示为一炽热平板，平板的表面温度为 Tqr ，平板对其表面上气体边界层加热，形成一条温度边界曲线，对距平板表面为x、厚度为dx的一层微元气体进行平衡分析。 设该微元气体的表面积为A，导热系数为，进口温度为T，则导入热量为： AdxdTq1导出热量为： AdxdxdxdTTdq2即 AdxdxTddxdTq222可燃微元气体在温度T时化学反应产生的热量为： AdxQCRTEkrnexp0微元气体热平衡为： 0

14、exp021AdxQCRTEkqqrn即 0exp022dxAQCRTEkAdxdxTddxdTAdxdTrn整理得 0exp022rnQCRTEkdxTd上式乘上dT再进行积分可得： 0exp022dTRTEkQCdTdxTdrn由于 2222dxdTdxdTddxdTdTdxTd则有 0exp202dTRTEQCkdxdTrn（5-a）假定边界层内气体浓度均匀分布，则边界层内化学反应速度便取决于阿累尼乌斯因子 。 右图表示阿累尼乌斯因子随温度变化的曲线。该曲线开始时上升缓慢，以后越来越陡，反应速度变化很大。为了简化，认为边界层内的化学反应全部集中发生在RTEexp壁面附近的高温区，即从温度

15、Tqr至 之间的那一层内，并且假定这一层内的反应速度都等于温度为Tqr时的速度值，在上图中，即以折线0-1-2-3代替 曲线0-3。ERTTqrqr2RTEexp图5-a k-T曲线的简化 对于简化层，壁面处温度为Tqr且 ，而在外层点1的平面上，温度为 且 。由于假定在点1的外面已没有化学反应，且点1的温度接近于表面温度Tqr ，所以点1平面向外散热近似地可由下式表示： 0dxdTERTTqrqr21dxdTdxdT021TTKdxdTqr由传热学可知，努谢尔特准则数为 LKNu2则 021TTLNuTTKdxdTqrqr（5-b） 对式（5-a）从Tqr到 进行积分得 ERTTqrqr2E

16、RTTTrnqrqrqrdTRTEQCkdxdT20exp2021即 qrqrqrTERTTrndTRTEQCkdxdT20exp2021把式（5-b）代入上式，得 qrqrqrTERTTrnqrdTRTEQCkTTLNu20exp20202所以 dTRTETTQCkLNuqrqrqrTERTTqrrn2exp2200（5-c） 从图5-a可知，定积分 为线段2-3下面的面积，因而等于 ，代入式（5-c）得： qrqrqrTERTTdTRTE2expqrqrRTEERTexp2qrqrqrrnuRTETTTERQCkLNexp22020（5-d） 由式（5-d）可以解出强燃温度Tqr ，解出的

17、强燃温度一般都在1000以上，比自燃着火温度高数百度。式（5-d）中的决定性尺寸L对于平板而言是指平板与其它物体之间的距离，对于其它形状的物体也可导出类似的方程式以求解强燃温度Tqr 。 1）炽热平板的长度；2）对流换热Nu数；3）气流的压力；4）气流的导热系数；5）燃料的活化能；6）燃料的发热量；对强迫点燃难易程度的影响。22020exp2KRTETTTERQCkLNqrqrqrrnu L，Tqr Nu（气流速度（气流速度上升，K2，散热增大），Tqr P（C）, Tqr 、E，Tqrn两种理论两种理论热理论（热机理）热理论（热机理） 较高压力较高压力电理论电理论 (链锁机理）链锁机理） 低

18、压力低压力 实验表明，以上两种机理并不矛盾，而是同实验表明，以上两种机理并不矛盾，而是同时存在的。时存在的。 电火花点燃可大体上分为两个阶段:（一）高温的电火花使局部可燃混合物着火，形成初始火焰中心，（二）初始火焰向新鲜可燃混合物传播。 如果C1是电容器的电容，V1和V2分别表示产生火花前后电容器的电压，则放电的能量为 2221121VVCEc对于给定组成的可燃混合气，只有当放电的能量足够大时，由电火花形成的火焰才能开始向外传播，可燃混合气才能被点燃，点燃可燃混合气所需的能量称为点火能Ec。电火花点火后在空间产生的温电火花点火后在空间产生的温度分布与变化度分布与变化(a)(b) 研究电火花点火

19、的电极研究电火花点火的电极 (a) (a) 无法兰的电极无法兰的电极 (b)(b)有法兰的电极有法兰的电极 圆形玻璃法兰圆形玻璃法兰d dq q淬熄距离淬熄距离（Quenching distance) Emin临界点火能临界点火能 （最小点火能最小点火能 ）点火能随电极距离的变化关系点火能随电极距离的变化关系 (a) 最小点火能和熄火距离最小点火能和熄火距离 （b）电极法兰直径的影响）电极法兰直径的影响 ddq ：随：随d的增加，点火能的增加，点火能E不断减少，开始减少很不断减少，开始减少很快，然后变慢，达到最小值以后，进一步增加快，然后变慢，达到最小值以后，进一步增加d又会使又会使其增加；其

20、增加；nEEmin：对任何电极距离，混合物均不能着火；：对任何电极距离，混合物均不能着火；n只有只有E -d曲线以上才有可能着火；曲线以上才有可能着火；n随电极法兰直径的增加，着火区域缩小；随电极法兰直径的增加，着火区域缩小； E Eminmin和和d dq q主要与混合气的物理化学性质、压力、速度主要与混合气的物理化学性质、压力、速度和温度有关，而与电极几何形状及材料的关系较少。和温度有关，而与电极几何形状及材料的关系较少。E Eminmin和和d dq q表征不同混合气的着火性能。表征不同混合气的着火性能。最小点能和淬熄距离随过量空气系数的变化关系最小点能和淬熄距离随过量空气系数的变化关系

21、1-1-甲烷甲烷 2-2-乙烷乙烷 3-3-丙烷丙烷 4-4-庚烷庚烷一些常见的可燃气体混合物的最小点火能ECmin与熄火距离dq。室温和大气压力下，化学计量比混合物的熄火距离和最小点火能 ECmin xf关系 ECmin与燃料空气比xf（以燃料在可燃混合物中的体积百分比表示）的关系。注：* 估计值 * 分别以氩、氦代替空气中的氮 电火花点火模型 以静止混合气中电火花点火为例来讨论如何计算最小点火能。 假定火花加热区是球形；电极间距离足够大（大于或等于球形火花直径），反应为二级反应；球形火花的温度为绝热火焰温度Tm；从球心到球边上的温度是均匀一致的；环境温度为T0，在点火成功的时刻，在火焰厚度

22、内形成由温度Tm变到T0的稳定温度分布，如图所示。 点燃一旦成功，便形成稳定的火焰传播。在传播开始的瞬间必然满足如下关系：化学反应放热等于火球表面导走的热量，min2min203min4exp34rrmrdrdTrRTEQCkr（5-1） 上式中右边的温度梯度可近似简化为下式： 0minTTdrdTmrr（5-2） 其中是火焰前锋面宽度，若进一步假设火焰厚度与最小火球半径成正比关系，即min1rA（5-3） 其中A1为比例系数，将式（5-2）、（5-3）代入式（5-1）得 212010minexp3mrmRTECQkATTr（5-4） 假设电火花点燃混合气时，火花附近的混合气成分接近化学当量比

23、，则有 prmCQTT0把上式代入式（5-4），则 21201minexp3CCkARTErpm（5-5） 最小火球用电火花点燃所需的电火花能量为03min134minTTCrkEmpc 式中k1是修正系数。把式（3-5）代入点燃最小火球的电火花能量ECmin的式子中，得mmcRTETTAE23exp02min（5-6） 要使可燃混合物顺利着火，应:提高混合物的温度、压力，尽可能选择比热容和导热系数较低的混合物；尽量使混合物各组分接近化学计量比。如果混合气体流动为湍流，则应降低湍流强度。电极之间的距离接近熄火距离sq时，上述诸因素之间也存在一定的关系，有些影响可能是相互矛盾的，在具体应用时应慎

24、重考虑。mmcRTETTAE23exp02min03min134minTTCrkEmpc五、火焰点燃火焰点燃主要用于着火比较困难的燃料（如低发热量的煤气、重油、煤粉等）。通常采用多级点火方式。 火焰点燃的物理模型可抽象为热射流点燃。如图所示。设由直径为d0的圆管中射出一股高温燃烧产物，其温度为Tm，速度为um。而周围的环境为可燃混合物，它的温度、速度分别为T0和u0，它们之间的温度比T0/Tm1。火焰点燃的物理模型 其中xi称为着火距离， xp称为传播火焰位置。 实验表明，着火距离xi 及传播火焰位置xp 与点燃火焰的温度Tm 、火焰点火器的安装位置、可燃混合物的性质、空气系数、温度以及速度都有很大关系。 初始火焰与传播火焰示意图 xi与xp与Tm的关系 混合比对最小点火能的影响混合比对最小点火能的影响 点火存在着一定的点火存在着一定的浓度界限浓度界限和和压力极限压力极限。n混合气的组成为（或接近）化学计混合气的组成为（或接近）化学计 量比时，量比时， 最小；最小；n混合气变得较稀