防火防爆理论与技术课件

第四章可燃气体燃烧与爆炸主要内容第一节层流预混燃烧火焰传播第二节湍流燃烧与扩散燃烧第三节可燃气体爆炸第四节爆炸极限理论及计算第五节爆轰第六节气体爆炸预防第四章可燃气体燃烧与爆炸主要内容第一节层流预混燃烧火焰传播火焰传播当一个炽热物体或电火花将可燃气体某一局部点燃着火时，将形成一个薄层火焰面，火焰面产生的热量将加热临近层的可燃混合气体，使其温度升高至着火燃烧。这样一层一层地着火燃烧，把燃烧温度逐渐扩展到整个可燃混合气，这种现象即为火焰传播。第一节层流预混燃烧火焰传播火焰传播第一节层流预混燃烧火焰传播第一节层流预混燃烧火焰传播第一节层流预混燃烧火焰传播燃烧产物可燃混合气火焰传播方向火焰前锋第一节层流预混燃烧火焰传播燃烧产物可燃混合气火焰传播方向火第一节层流预混燃烧火焰传播扩散燃烧与预混燃烧燃烧时间包括：混合时间和反应时间扩散燃烧：扩散混合时间大大超过化学反应时间的燃烧。燃烧速度取决液体动力学的扩散因素；动力燃烧：扩散混合时间大大小于化学反应时间。燃烧速度取决于化学反应动力学因素。也称为预混燃烧第一节层流预混燃烧火焰传播扩散燃烧与预混燃烧第一节层流预混燃烧火焰传播传播机理缓燃：热传导、分子扩散，速度低，稳定爆震：激波的压缩，速度很快，稳定一维稳定流动模型其它假设燃烧区第一节层流预混燃烧火焰传播传播机理燃烧区根据假设，其连续方程：忽略粘性力和体积力，动量方程为：忽略粘性力、体积力及热交换，能量方程为：状态方程：根据假设，其连续方程：忽略粘性力和体积力，动量方程为：忽略粘当比热容不变时，热量方程：将上式代入能量方程，得：式中，Q为单位质量可燃混合气的反应热当比热容不变时，热量方程：将上式代入能量方程，得：式中，Q为得：由连续方程，有则得：由连续方程，有则上式即为瑞利方程，在图上是一直线，斜率为-m2，此直线为瑞利线。在给定的初态p∞和ρ∞情况下，过程终态pP和ρP间应满足的关系。代入动量方程，得上式即为瑞利方程，再由热量方程和瑞利方程，有再由热量方程和瑞利方程，有由状态方程，得比热比则由状态方程，得比热比则代入，有上式即为休汞纽方程（雨果尼特方程），休汞纽曲线。在给定的初态p∞、ρ∞和反应热Q情况下，过程终态pP和ρP间的关系。代入，有上式即为休汞纽方程（雨果尼特方程），休汞纽曲线。在给休汞纽曲线瑞利曲线上C-J点下C-J点休汞纽曲线瑞利曲线上C-J点下C-J点第一节层流预混燃烧火焰传播火焰焰锋结构燃烧区新鲜混合气已燃气体预热区第一节层流预混燃烧火焰传播火焰焰锋结构燃烧区新鲜混合气已燃稳定的平面火焰前锋燃烧区新鲜混合气已燃气体预热区稳定的平面火焰前锋燃烧区新鲜混合气已燃预热区第一节层流预混燃烧火焰传播火焰传播速度火焰前沿：已燃区和未燃区的明显分界线，薄薄的化学反应发光区。火焰位移速度：火焰前沿在未燃混合气中相对于静止坐标系的前进速度，其法向指向未燃气体。第一节层流预混燃烧火焰传播火焰传播速度层流火焰传播速度分析：其主要思想为：若Ⅱ区导出的热量能使未燃混合气温度上升至着火温度Ti，则火焰就能保持温度的传播。层流火焰传播速度分析：其主要思想为：若Ⅱ区导出的热量能使未燃假定反应区内温度为线性分布，即：因此热平衡方程为：因为：故：假定反应区内温度为线性分布，即：因此热平衡方程为：因为：故：即：式中，称为导温系数又因为代入上式，得即：式中由此可见，层流火焰传播速度SL与导温系数a及化学速度Ws的平方根成正比。又因为所以由此可见，层流火焰传播速度SL与导温系数a及化学速度Ws的平根据有

n为反应级数，对于二级反应，火焰传播速度与压力无关。大多数碳氢化合物与氧的反应级数接近于2，火焰传播速度与压力关系不大。根据有第一节层流预混燃烧火焰传播影响火焰传播速度的因素燃料/氧化剂比值燃料结构的影响压力的影响火焰温度的影响惰性添加剂的影响活性添加剂的影响第一节层流预混燃烧火焰传播影响火焰传播速度的因素燃料氧化剂比的影响0204060801002802402001601208040燃料的体积分数/％u0/cm.s-1H2/airCO/O2024681012605040302010空气中燃料的体积分数/％u0/cm.s-1C2H4CO/O2CS2C2H6C6H6燃料氧化剂比的影响02040碳原子数的影响12345674321碳原子数u0/丙烷的u0max烷属烃烯属烃炔属烃碳原子数的影响123压力的影响0101000.30.20.1-0.1u0/=p0.5n-1中的n值-0.2-0.30u0/cm.s-1压力的影响0混合气体初始温度的影响0100u0/cm.s-1空气中燃料的体积分数/％Ts增加混合气体初始温度的影响0火焰温度的影响P105惰性添加剂的影响P105活性添加剂的影响P106火焰温度的影响P105惰性添加剂的影响P105第二节湍流燃烧与扩散燃烧按燃烧物质的流态，燃烧可分为层流燃烧湍流燃烧湍流燃烧的特点火焰长度显著缩短发光区厚度较厚火焰面有抖动火焰轮廓较模糊有明显噪声第二节湍流燃烧与扩散燃烧按燃烧物质的流态，燃烧可分为第二节湍流燃烧与扩散燃烧湍流燃烧特点产生的原因湍流可能使火焰面弯曲，增大了反应面积，而且在弯曲的火焰面的法向仍保持层流火焰速度；湍流可能增加热量和活性物质的运输速率，增大了垂直于火焰面的燃烧速度；湍流可以快速地混合已燃气和未燃新鲜可燃气，使火焰在本质上成为均匀混合反应物，从而缩短混合时间湍流燃烧由湍流的流动性质和化学反应动力学因素共同起作用，其中流动的作用更大。第二节湍流燃烧与扩散燃烧湍流燃烧特点产生的原因第二节湍流燃烧与扩散燃烧扩散燃烧化学动力燃烧：进程由燃料的氧化动力过程决定扩散燃烧：进程由燃料与空气的扩散过程决定，不存在火焰传播。按燃料与空气分别供入的方式自由射流扩散火焰同轴流扩散火焰逆向喷流扩散火焰第二节湍流燃烧与扩散燃烧扩散燃烧第三节可燃气体爆炸预混气体爆炸温度计算依据燃烧热计算爆炸温度；依据能量守恒计算爆炸温度，见前面燃烧温度计算举例：计算乙醚与空气混合物爆炸温度第三节可燃气体爆炸预混气体爆炸温度计算第三节可燃气体爆炸爆炸压力的计算状态方程举例第三节可燃气体爆炸爆炸压力的计算第三节可燃气体爆炸爆炸时的升压速度040801201608642时间/ms压力/105MPa第三节可燃气体爆炸爆炸时的升压速度0第三节可燃气体爆炸爆炸威力指数爆炸时对设备的破坏程度不仅与最大爆炸压力有关，而且与升压速度有关。爆炸威力指数＝最大爆炸压力×平均升压速度爆炸总能量第三节可燃气体爆炸爆炸威力指数第三节可燃气体爆炸爆炸参数测定实验——设备爆炸室：体积为1m3的圆柱形容器，高度：直径≈1：1容器：体积为5L，用空气加压至2MPa喷管：内径为19mm的半圆形管，管上有孔，孔径4～6mm电子电火器：电流300VA，输出电压15KV，电火花间距3～5mm，位于试验装置的几何中心。第三节可燃气体爆炸爆炸参数测定实验——设备第三节可燃气体爆炸爆炸参数测定实验——测试参数爆炸压力Pm：某一浓度的最大爆炸压力爆炸最大压力Pmax：大浓度范围内的最大爆炸压力升压速度(dp/dt)m：某一浓度的升压速度最大升压速度(dp/dt)max：大浓度范围内的最大升压速度爆炸指数Km：最大爆炸指数Kmax：第三节可燃气体爆炸爆炸参数测定实验——测试参数第三节可燃气体爆炸爆炸参数测定实验——实验方法静态可燃气爆炸实验在爆炸室预制一定浓度的可燃气与空气的混合物，确保混合均匀且处于静态，打开压力记录仪，启动点火源，测得Pm和(dp/dt)m。动态可燃气爆炸实验在爆炸室预制一定浓度的可燃混合气，用空气加压5L容器至2MPa，开启容器阀门，打开压力记录仪，在某一点燃延迟条件下，点燃扰动可燃混合气，测得Pm和(dp/dt)m第三节可燃气体爆炸爆炸参数测定实验——实验方法第四节爆炸极限理论及计算爆炸极限理论爆炸下限：能使可燃混合气火焰蔓延的最低浓度；爆炸上限：能使火焰蔓延的最高浓度。波面上的反应：当给予反应物A+B活化能E时，它们成为活化状态，变为生成物C+D，并放出能量W，则反应热Q=W-E基本反应浓度n，则单位体积放出能量nW；放出的能量作为新反应的活化能，α为活化概率，则第二批单位体积内得到活化的分子数为αnW/E，放出的能量为αnW2/E第四节爆炸极限理论及计算爆炸极限理论第四节爆炸极限理论及计算爆炸极限理论则前后两批分子反应放出的能量比当β＜1时，放热越来越少，反应中断；当β＝1时，放热均衡，反应持续，判断条件；当β＞1时，放热越来越多，活化分子越来越多，形成爆炸。第四节爆炸极限理论及计算爆炸极限理论第四节爆炸极限理论及计算当β＝1，即设爆炸超限为LLEL，并与α成正比，有则爆炸下限与燃烧热近似成反比。第四节爆炸极限理论及计算当β＝1，即第四节爆炸极限理论及计算爆炸极限的近似计算之一——氧原子数例：写出乙烷在空气中的爆炸上限和下限第四节爆炸极限理论及计算爆炸极限的近似计算之一——氧原子数第四节爆炸极限理论及计算爆炸极限的近似计算之二——完全反应浓度例：写出甲烷在空气中的爆炸上限和下限第四节爆炸极限理论及计算爆炸极限的近似计算之二——完全反应第四节爆炸极限理论及计算爆炸下限的近似计算之三——燃烧热爆炸极限的近似计算之四——多种可燃混合气体P、N分别表示各组分体积百分数和爆炸极限第四节爆炸极限理论及计算爆炸下限的近似计算之三——燃烧热P第四节爆炸极限理论及计算含惰性气体混合可燃气爆炸极限计算步骤气体分组计算惰燃比查表求各组的爆炸极限用莱—夏公式计算总爆炸极限第四节爆炸极限理论及计算含惰性气体混合可燃气爆炸极限计算步第四节爆炸极限理论及计算含惰性气体混合可燃气爆炸极限计算举例P114第四节爆炸极限理论及计算含惰性气体混合可燃气爆炸极限计算举三元系爆炸极限图80806040208060402020406080三元系爆炸极限图8080604020806040202040第四节爆炸极限理论及计算爆炸极限的影响因素初始温度初始压力惰性介质容器点火能源第四节爆炸极限理论及计算爆炸极限的影响因素防火防爆理论与技术课件第四节爆炸极限理论及计算爆炸极限测定《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》GB/T12474-2008第四节爆炸极限理论及计算爆炸极限测定第五节爆轰爆轰的发生装有混合气的长管