2.4 第四节电火花引燃理论

《消防燃烧学》教案序号2.4课题第二章第四节电火花引燃理论课时课型理论课一、教学目标及要求（一）教学目标【知识与技能】1.掌握引燃的特征（与自燃的本质联系和具体区别，3条特征）；2.掌握电火花引燃的机理（着火的热理论、着火的电离理论，两种机理同时存在）及两个阶段，理解式（2-4）电容放电能量的计算；3.掌握最小点火能量（最小引燃能量Emin）的概念及影响因素，理解表2-2中不同可燃预混气体的Emin和电极熄火距离dq；4.掌握电极熄火距离dq的概念、式（2-5）Emin=Kdq²及最危险电极距离d危的意义。本节是着火与灭火基本理论中的一节。在第二章前几节中，我们学习了着火方式与着火条件、热自燃理论、链锁反应理论，认识了着火的本质。引燃是绝大多数火灾的起火方式（如电气火灾中的电火花引燃），而电火花又是实验室和发动机中最常用的点火方式。掌握电火花引燃理论，对于理解电气火灾的机理、评估可燃物引燃危险性、掌握最小点火能量和电极熄火距离等参数具有重要意义，也为后续学习气体、液体、固体可燃物的燃烧打下基础。【过程与方法】1.通过引燃特征与自燃特征的对比分析，掌握引燃的3条特征；2.通过着火的热理论与电离理论的对比，理解电火花引燃的机理及两种机理的关系（低压电离为主，高电压热为主）；3.结合表2-2（不同可燃预混气体的最小点火能量Emin和电极熄火距离dq）分析，掌握最小点火能量的概念及影响因素；4.通过图2-17（Emin与电极距离d的关系）及式（2-5），掌握电极熄火距离dq和最危险距离d危的物理意义。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员理解电火花引燃是电气火灾和爆炸事故的重要起火方式，掌握最小点火能量这一衡量可燃物危险性的重要参数，树立对电气火灾、静电放电、爆炸危险场所的防范意识。理解"控制和消除火源是防火的关键"在电气防火中的具体体现，增强消防工作的科学性和责任感。（二）教学要求1.识记引燃、电火花引燃、最小点火能量（最小引燃能量）、电极熄火距离等概念；2.掌握引燃的3条特征；3.掌握电火花引燃的两种机理及两个阶段；4.掌握最小点火能量Emin的概念及影响因素；5.掌握电极熄火距离dq及最危险电极距离d危的意义。二、教学重点1.引燃的特征（与自燃的联系和区别）；2.电火花引燃的机理（着火的热理论、电离理论）及两个阶段；3.最小点火能量Emin的概念及影响因素（表2-2）；4.电极熄火距离dq及最危险电极距离d危。三、教学难点1.电火花引燃的着火热理论与电离理论的原理及关系；2.最小点火能量Emin与电极距离d的关系（图2-17），电极熄火距离dq、最危险距离d危的理解；3.式（2-4）电容放电能量、式（2-5）Emin=Kdq²的应用。四、教学方法与手段本节教学内容以概念、机理和参数分析为主，插图1个（图2-17最小点火能量Emin与电极距离d），数据表1个（表2-2不同可燃预混气体的最小点火能量Emin和电极熄火距离dq），公式2个（式2-4、2-5）。教学应注重概念的条理化讲解、机理的深入剖析和参数的对比分析。授课全过程使用PPT课件，将电火花引燃机理、Emin-d曲线（图2-17）、表2-2数据清晰展示；采用讲授法与案例法相结合，结合电气火灾、静电放电等实际案例帮助学员理解电火花引燃的危害。教学中注重理论联系实际：电火花引燃是电气火灾和爆炸的重要起火方式，最小点火能量是衡量可燃物危险性的重要参数。教学中设置提问、讨论环节（如"为什么氢气的Emin只有0.02mJ，极易被引燃""为什么电极距离过小反而不能引燃""静电火花为什么能引起易燃液体蒸气爆炸"），启发学员思考，将理论应用于电气防火实践。五、教学过程设计首先，从引燃与自燃的联系和区别入手，讲解引燃的3条特征；其次，讲解电火花引燃的机理（着火的热理论、电离理论及两个阶段）和特点；再次，讲解最小点火能量Emin的概念、影响因素（表2-2）；第四，讲解电极熄火距离dq、式（2-5）及最危险电极距离d危（图2-17）；最后，进行课堂小结和布置思考题。（一）引言同学们，前几节课我们学习了着火方式与着火条件、热自燃理论、链锁反应理论。其中，着火方式分为自燃和引燃。引燃（如火花、火焰、炽热体引燃）是绝大多数火灾的起火方式，尤其是电气火灾中的电火花引燃。据统计，电气火灾约占火灾总数的三分之一。那么，引燃有什么特征？电火花是如何引燃可燃物的？需要多大的点火能量？电极之间的距离有何影响？带着这些问题进入本节学习。引导学员回顾着火方式（自燃、引燃）和链锁反应理论。引燃与自燃本质上都需要外部能量初始激发，都具有依靠热反应和（或）链锁反应促使温度升高、反应加速的共同特征。本节以电火花引燃为例，深入讲解引燃的特征、机理和参数。（二）阐述、分析、推导【板书】第二章着火与灭火基本理论【板书】第四节电火花引燃理论【板书】一、引燃的特征【讲解】引燃与自燃在本质上没有什么差别，都需要外部能量的初始激发，都具有依靠热反应和（或）链锁反应促使温度升高、反应加速的共同特征。但在具体上，引燃有如下特征：【板书】1．引燃仅在反应物的局部（点火源周围）进行，所加入的能量快速在小范围引燃可燃物，所形成的火焰要能向反应物的其余部分传播。【讲解】也就是说，引燃首先在点火源周围的局部形成火焰中心，然后依靠火焰向周围传播使整个可燃物燃烧。这与自燃（整体加热达到自燃点）不同，引燃是局部加热形成火焰中心。【板书】2．引燃条件下的可燃预混气体通常温度较低，为保证着火成功并使火焰能在较冷的预混气体中传播，引燃的温度要远高于自燃温度。【讲解】因为预混气体本身温度低，要靠点火源提供高温使局部着火，并在较冷的环境中维持火焰传播，所以引燃所需的温度（点火源温度）要远高于自燃温度。【板书】3．引燃的全部过程包括在可燃物局部形成火焰中心，以及火焰在可燃物中传播扩散两个阶段，其过程比自燃要复杂。【讲解】引燃的两个阶段是：局部形成火焰中心、火焰传播扩散。由于涉及火焰中心的形成和传播，引燃过程比自燃（单一的整体升温过程）要复杂。【讲解】引燃与自燃一样，也有着火温度、着火感应期和着火浓度极限，但其影响因素更复杂，除可燃物的化学性质、浓度、温度、压力外，还有点火方法、点火能量和混气流动性质等。【讲解】引燃的方法很多，有炽热体引燃、火焰引燃、电火花引燃等。到目前为止，这些引燃理论都还很不完善，大多是简化理论。但这些简化理论在质的方面说明了各种主要因素对引燃的影响，下面仅以电火花引燃为例来进行简要介绍。【板书】二、电火花引燃的机理【讲解】电火花引燃是实验室测试可燃气体的燃烧性能、爆炸极限以及其他参数的一种最常用的点火方式，也是发动机燃烧室中应用最普遍的一种点火方式。【讲解】关于电火花引燃的机理有两种理论：一种是着火的热理论，一种是着火的电离理论。【板书】（一）着火的热理论【讲解】着火的热理论把电火花看作为一个外加的高温热源，由于它的存在使靠近它的局部预混气体温度升高（由于导热和对流作用），以致达到着火临界条件而自燃，然后再依靠火焰传播使整个容器内的预混气体着火燃烧。【板书】（二）着火的电离理论【讲解】着火的电离理论认为，预混气体的着火是由于靠近火花部分的气体被电离而形成活性中心，提供了进行链锁反应的条件，由于链锁反应的结果使预混气体燃烧起来。【讲解】实验表明，这两种机理都同时存在，一般地，低压时电离作用是主要的，但当电压提高后，主要是热作用。【板书】（三）电火花引燃的两个阶段【讲解】根据热理论，电火花引燃预混气体，大体可以划分为两个阶段。首先是电火花加热预混气体，使局部混气着火，形成初始的火焰中心，随后初始的火焰中心向未燃混气传播使整个预混气体燃烧。如果能够形成初始火焰中心并出现稳定的火焰传播，则表明引燃成功。【讲解】电火花引燃的特点是所需能量不大，如化学计量浓度的氢气—空气预混气体，电火花引燃的能量仅需0.02mJ。【讲解】电火花引燃，通常由放在可燃预混气体中的两根电极间产生电火花放电来实现。电极可以是有法兰或无法兰的，通常用不锈钢制成。电火花可以用电容放电或感应放电来产生，电容放电是依靠电容器快速放电来产生的；而感应放电则是用断电器使电路断开引起的。以电容放电为例，放电能量为：【板书】E=C（V1²-V2²）/2（2-4）【讲解】式中：C—电容器电容；V1、V2—产生火花前后电容器的电压。【提问】请同学们思考：电火花引燃的两种机理是什么？低压和高电压时哪种机理起主要作用？【讲解】电火花引燃的两种机理是着火的热理论和着火的电离理论。热理论把电火花看作外加高温热源，使局部预混气体升温达到着火临界条件而自燃；电离理论认为火花附近气体被电离形成活性中心，提供链锁反应条件。两种机理同时存在：低压时电离作用是主要的，当电压提高后主要是热作用。【板书】三、最小点火能量【讲解】实验表明，对于某种预混气体，在一定的温度和压力下，只有当电火花的能量大于某一极限值才能引燃成功，这个能引起一定浓度可燃物着火燃烧所需要的最小能量称为最小引燃能量，又称最小点火能量Emin，它是衡量可燃物危险性的一个重要参数。【讲解】从表2-2中可以看出，不同的可燃预混气体所需的最小点火能量Emin是不相同的。例如，氢-空气的Emin仅为0.02mJ，乙炔-空气为0.03mJ，而n-戊烷-空气为0.82mJ。对于给定的预混气体，其混气比、混气压力及初温不同时，最小点火能量Emin也不相同。【提问】请同学们看表2-2：为什么氢气、乙炔的最小点火能量很小？这对消防工作有何启示？【讲解】氢、乙炔等的最小点火能量很小（氢-空气0.02mJ、乙炔-空气0.03mJ），说明它们极易被引燃，即使很小的电火花、静电放电也能使其着火爆炸，因此储存、运输和使用这类气体时必须严格控制火源（包括静电）。相比之下，n-戊烷、环己烷等的最小点火能量较大（0.82～1.38mJ），相对不易被引燃。【板书】四、电极熄火距离【讲解】实验还表明，当其他条件给定时，最小点火能量Emin与电极间距离d有关，如图2-17所示。【讲解】可以看出，电极距离d小于dq时，无论多大的火花能量都不能使预混气体引燃，这个不能引燃预混气体的电极间最大距离dq称为电极熄火距离。电极间距离小于熄火距离dq时，由于间隙太小，电极散热作用太大，致使初始火焰中心不能向周围预混气体传播。【讲解】对于不同的预混气体，dq和Emin两者间有如下关系：【板书】Emin=K·dq²（2-5）【讲解】式中：K—比例常数，对于大多数碳氢化合物，K值约为7.12×10⁻³J/cm²。【讲解】还可以看出，在给定条件下，电极距离有一最危险值d危。电极距离等于d危时，最小点火能量Emin最小；电极距离大于或小于d危时，最小点火能量Emin增加。【提问】请同学们思考：何谓电极熄火距离？为什么电极距离过小反而不能引燃？最危险电极距离有何意义？【讲解】电极熄火距离dq是不能引燃预混气体的电极间最大距离，当电极距离小于dq时，由于间隙太小、电极散热作用太大，初始火焰中心不能向周围传播，故不能引燃。最危险电极距离d危是使Emin最小的电极距离，此时最容易引燃可燃物。在实际电气设备、防爆设计中，掌握dq和d危对防止电火花引燃、评估防爆间距有重要意义。【板书】【思考题】【板书】1．与自燃相比，引燃有何特征？【板书】2．电火花引燃的机理和特点是什么？【板书】3．何谓电极熄火距离？在消防工作中有何应用？【板书】4．何谓最小点火能量？电极距离对其有何影响？通过本次课，学员掌握了引燃的3条特征（局部进行、引燃温度远高于自燃温度、含火焰中心和传播两个阶段），掌握了电火花引燃的机理（着火的热理论、电离理论）及两个阶段，掌握了最小点火能量Emin的概念及影响因素（表2-2），掌握了电极熄火距离dq、式（2-5）及最危险电极距离d危（图2-17）。重点要求掌握电火花引燃机理、最小点火能