3.3 第三节 可燃气体的燃烧速率

《消防燃烧学》教案序号3.3课题第三章第三节可燃气体的燃烧速率课时课型理论课一、教学目标及要求（一）教学目标【知识与技能】1.理解可燃气体燃烧速率的定义及表示方法，掌握可燃扩散燃烧速率和预混燃烧速率的不同表示方式；2.掌握可燃气体燃烧速率的估算方法：低压气体容器流出速率（式3-2、式3-3）、高压气体容器喷出速率（式3-4、式3-5）、液化气体喷出速率（式3-6、式3-7、式3-8）、预混燃烧前沿正常传播速率（式3-9、式3-10）及多种气体混合物的火焰传播速率（式3-11）；3.理解常见气体的燃烧速率（表3-3）及燃烧速率的主要影响因素（性质和浓度、初始温度、燃烧体系与环境的热交换）。本节是《消防燃烧学》第三章"可燃气体的燃烧"中的第三节。燃烧速率是制定防火措施和确定灭火战斗行动的重要参数之一，直接关系可燃气体火灾的蔓延速度、爆炸危险性评估和灭火战术选择。上一节学习了可燃气体的燃烧过程和燃烧形式，本节进一步掌握燃烧速率的表示方法、估算方法和影响因素，为理解爆炸、制定灭火方案奠定基础。对于消防救援人员而言，掌握燃烧速率有助于判断火势发展、正确估算灭火时间和选择射流切割灭火等战术手段。【过程与方法】1.通过式（3-2）～式（3-8）扩散燃烧速率估算公式及例题3-2的分析，掌握不同压力条件下气体喷出速率的估算方法；2.通过式（3-9）～式（3-11）预混燃烧速率的分析，理解火焰传播速率的计算和火焰稳定条件；3.结合表3-2、表3-3、表3-4的数据分析，理解气体K值、浓度、管径等对燃烧速率的影响；4.通过影响因素的分析，理解气体性质和浓度、初始温度、热交换对燃烧速率的影响规律。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员认识可燃气体燃烧速率在防火和灭火中的重要性，理解油气井喷火灾、工业装置喷出燃烧、容器破裂喷出燃烧等实际火灾的特点，树立科学估算、正确评估火灾危险的意识，增强消防救援人员的专业素养和灭火战斗能力。（二）教学要求1.识记可燃气体燃烧速率的定义和表示方法；2.掌握低压、高压、液化气体喷出速率的估算公式（式3-2～式3-8）并会运用；3.掌握预混燃烧速率（式3-9～式3-11）及火焰稳定条件；4.掌握燃烧速率的主要影响因素（性质浓度、初始温度、热交换）。二、教学重点1.可燃气体燃烧速率的表示方法（扩散燃烧速率、预混燃烧速率）；2.气体喷出速率的估算方法（式3-2～式3-8，含例题3-2）；3.燃烧速率的主要影响因素（性质浓度、初始温度、热交换）。三、教学难点1.低压、高压、液化气体喷出速率估算公式的区别和运用（式3-2～式3-8）；2.预混燃烧前沿正常传播速率公式（式3-9、式3-10）的理解；3.燃烧速率与管径、材质导热性等热交换因素的关系（式3-13、表3-4）。四、教学方法与手段本节教学内容以可燃气体的燃烧速率为主，数据表3个（表3-2常见可燃气体的K值、表3-3常见可燃气体预混燃烧速率、表3-4不同管径时甲烷-空气混合物的火焰传播速率），插图1张（图3-2一氧化碳混合物温度对火焰传播速率的影响），公式12个（式3-2～式3-13），例题1个（例题3-2）。教学应注重公式的推导讲解、数据表的对比分析和影响因素的条理化归纳。授课全过程使用PPT课件，将燃烧速率表示方法、估算公式、三张数据表清晰展示；采用讲授法与案例法相结合，结合油气井喷火灾、工业装置及容器破裂口喷出燃烧等实际案例帮助学员理解燃烧速率估算的意义。教学中注重理论联系实际：燃烧速率是制定防火措施和确定灭火战斗行动的重要参数，低压气体容器泄漏、高压气体喷出、液化气体喷泄的估算方法对应不同的火灾处置场景。教学中应设置提问、讨论环节（如"为什么油气井喷火灾火焰极不稳定""为什么射流切割灭火要利用火焰根部""为什么氢气火焰短而一氧化碳火焰长"），启发学员思考，将燃烧速率知识应用于灭火战斗实践。五、教学过程设计首先，从燃烧速率的定义引入，说明其作为防火和灭火重要参数的意义；其次，讲解燃烧速率的表示方法，重点讲解扩散燃烧速率（低压、高压、液化气体喷出速率）和预混燃烧速率（燃烧前沿、混合气体）；再次，讲解常见气体的燃烧速率（表3-3）；第四，讲解燃烧速率的主要影响因素（性质和浓度、初始温度、热交换）；最后，进行课堂小结和布置思考题。（一）引言同学们，上一节我们学习了可燃气体的燃烧过程和燃烧形式。物质燃烧速率是可燃物质在单位时间内燃烧快慢的物理量，是制定防火措施和确定灭火战斗行动的重要参数之一。那么，可燃气体的燃烧速率如何表示？如何估算？又受哪些因素影响？带着这些问题进入本节学习。（二）阐述、分析、推导【板书】第三章可燃气体的燃烧【板书】第三节可燃气体的燃烧速率【讲解】物质燃烧速率是可燃物质在单位时间内燃烧快慢的物理量，是制定防火措施和确定灭火战斗行动的重要参数之一。【板书】一、可燃气体燃烧速率的表示方法【讲解】可燃气体燃烧速率是指用火焰传播速率（即火焰的移动速率cm/s）减去由于燃烧的可燃气体温度升高而产生的膨胀速率。由于可燃气体燃烧形式的不同，燃烧速率差异较大，其表示方法也不同。【板书】（一）可燃扩散燃烧速率【讲解】可燃气体发生扩散燃烧时其燃烧速率取决于燃烧时可燃气体与助燃气体的混合速率。这种燃烧主要是从孔洞喷出的可燃气体与空气的扩散燃烧，可近似认为一旦可燃气体喷出与助燃气体混合后就很快全部燃烧完，若控制可燃气体流量，即控制了扩散燃烧速率。一般以单位面积单位时间内可燃气体流量或线速率来表示扩散燃烧速率，单位为m3/m2·s、cm3/cm2·s、m/s、cm/s。【讲解】油气井喷火灾、工业装置及容器破裂口喷出燃烧，都属于扩散燃烧，其燃烧可用气体流出量估算。气体（或蒸气）喷出速率与压力密切相关，压力不同，估算方法也不同。【板书】1．低压气体容器流出速率估算【讲解】低压设备中无相变或不发生剧烈相变介质的泄漏量，可用不可压缩流体的流量公式推算。即：【板书】式（3-2）：Q=μ·A·√(2·Δp/ρ)【讲解】式中，Q—气体流量（m3/s）；μ—流量系数（可取0.60～0.62）；A—孔口面积（m2）；Δp—内外压差（10的5次方Pa）；ρ—气体密度（kg/m3）。【讲解】压力小于1.5MPa的气体，在单位时间、单位面积上的流出速率也可用下式计算：【板书】式（3-3）：v=μ·√(2·(p-p0)/ρ)【讲解】式中，v—气体流出速率（m/s或m3/（m2·s））；p—设备内气体的压力（10的5次方Pa）；p0—外部环境压力（一般为大气压力，10的5次方Pa）；ρ—气体密度（kg/m3）。【板书】【例题3-2】某压力为9×10的5次方Pa的气体储罐发生裂口喷出火焰，已知该气体密度为1.96kg/m3，环境压力约为1×10的5次方Pa。求气体的流出速率。【讲解】解：运用式（3-3），取流量系数μ=0.62，则v=0.62×√(2×(9×10的5次方-1×10的5次方)/1.96)=0.62×√(16×10的5次方/1.96)≈1.75m/s。【讲解】答：气体的流出速率为1.75m/s。【板书】2．高压气体容器喷出速率估算【讲解】储存或处理高压气体的设备，气体喷出燃烧，以及油气井喷火灾，因在较高压力下喷出气体或蒸气，所以呈现喷出速率快、火焰极不稳定的特征。火焰根部距喷出口的距离（该段距离是利用射流切割灭火的最佳部位）随着泄放压力的增大而增长。【讲解】高压条件下气体的喷出速率计算，可按压缩流体的等熵流动处理。即：【板书】式（3-4）：v=√(2K/(K-1)·(p0/ρ0)·[1-(p/p0)的(K-1)/K次方])【讲解】式中，v—开口处气流速率（m/s）；p0—容器内气体压力（10的5次方Pa）；ρ0—气体密度（kg/m3）；p—环境压力（10的5次方Pa）；K—喷出气体的热容比（CP/CV）。【讲解】当环境压力p=1×10的5次方Pa，且容器内气体压力p0较高，则上式公式中方括号项趋近于1，可按下式估算：【板书】式（3-5）：v=√(2K·p0/((K-1)·ρ0))【讲解】从表3-2可以看出，不同可燃气体的热容比K值差异不大，多数在1.1～1.4之间。如空气、氮气、氢气等K值约为1.40～1.412，而丙烷、正丁烷等K值较小（约1.10～1.13）。【板书】3．液化气体喷出速率估算【讲解】存储液化石油气等液化气体的设备，由于液化气体对外界大气条件而言是处于过饱和状态，当设备破裂发生泄漏时，立即呈减压状态，而将超过饱和条件的过量热转化为气化潜能，闪蒸和敞开蒸发相继发生，故喷出的气流中带有相当大比例的液滴及飞雾。此类可压缩两相流体喷泄的质量速率最实用公式为：【板书】式（3-6）：v_m=C·ρ·[ρ·ρ_V·(1+δ)/δ]的1/2次方【讲解】式中，v_m—气体喷出的质量速率（kg/（m2·s））；C—两相混合物流中的等温声速（m/s）；ρ—两相混合物的密度（kg/m3）。ρ值可由下式估算：【板书】式（3-7）：ρ=(1+δ)/(δ/ρ_V+1/ρ_L)【讲解】式中，ρ_V—液化气体的气相密度（kg/m3）；ρ_L—液化气体的液相密度（kg/m3）；δ—喷出时两相流的气、液质量比，当环境为大气压力时，δ值可由下式估算：【板书】式（3-8）：δ=1-exp[-C_L/λ·(T_L-T_0)]【讲解】式中，λ—液化气体的气化潜热；C_L—液化气体的气化比热；T_L—液化气体的初始温度（K）；T_0—喷出气流的温度（K）。【讲解】在强烈喷泄期间，δ值比较稳定。随着外泄压力下降，喷流速率减小。【板书】（二）预混燃烧速率【讲解】通常可燃气体发生预混燃烧时，其燃烧速率用其化学计量浓度时的火焰传播速率表示，单位为m/s或cm/s。由于影响预混燃烧的因素较多，所以预混燃烧速率计算起来都很繁杂。以下给出几个理论计算公式，供灭火应用参考。【板书】1．燃烧前沿正常传播速率【讲解】燃烧前沿的传播过程包含着质量交换和热量交换过程，并含有化学反应。其正常传播速率（亦称层流传播速率）可用下列近似计算：【板书】式（3-9）：v_L=1/(ρ0·C_P)·√(2·λ·|q_W|平均/(T_K-T_0))【讲解】式中，v_L—基本燃烧速率（m/s）；ρ0—未燃气体密度（kg/m3）；C_P—未燃液体比热容（J/（g·K））；λ—未燃气体热导率（W/（m·K））；|q_W|平均—反应区内平均热释放速率（kW/m2）；T_K—火焰温度（K）；T_0—未燃混合物的初始温度（K）。【讲解】当已知火焰高度L和可燃混合物的流量时，亦可用下式计算其燃烧前沿的正常传播速率：【板书】式（3-10）：v_L=V/(π·r0·√(L的平方+r0的平方))【讲解】式中，v_L—火焰正常传播速率（m/s）；V—可燃混合物的流量；L—火焰高度；r0—管口半径或喷出口当量直径的1/2。【讲解】从上式可以看出，火焰传播速率越快，火焰高度越低；传播速率随气流速率的加快而加快。当气体喷出口的口径和可燃气体混合物成分一定时，增加流量，将使火焰长度增加。若喷流量相同，传播速率较大的可燃混合物（如氢气）燃烧的火焰较短，而传播速率慢的可燃混合物（如一氧化碳）燃烧的火焰较长。【讲解】试验证明，火焰稳定在喷出口上的条件是前沿面上流动速率与传播速率大小相等（方向相反），否则便会发生回火或脱火。【板书】2．多种可燃气体混合物的火焰传播速率【讲解】多种可燃气体混合物（如工业煤气）的火焰传播速率（最大值），可根据单一气体的传播速率（最大值）按下式计算：【板书】式（3-11）：v_L混=(P1/L1·v1+P2/L2·v2+P3/L3·v3)/(P1/L1+P2/L2+P3/L3)【讲解】式中，P1、P2、P3—各单一可燃气体占可燃物质成分的体积百分比；v1、v2、v3—各单一可燃气体的火焰传播速率（最大值）；L1、L2、L3—对应于v1、v2、v3的各单一可燃气体的浓度百分比。【讲解】上式计算出的是近似值，而且只适用于同族可燃气体的混合物。对于含有不同族的可燃气体的混合物，如含有氢气、一氧化碳及甲烷的可燃混合气体，则需用实验测定。【讲解】如果可燃气体中含有惰性气体，则火焰的传播速率比不含惰性气体的火焰传播速率要慢。【板书】（三）常见气体的燃烧速率【讲解】气体燃烧方式不同，可燃气体占混合物的浓度不同，燃烧速率也不同，此外，压力、测定方法、温度等也影响燃烧速率。部分可燃气体与空气混合物的正常预混燃烧速率见表3-3。【讲解】从表3-3可以看出，氢气的预混燃烧速率最大（浓度为38.5%时达483cm/s），乙烯、乙烷、丙烷、丁烷等在特定浓度下燃烧速率可达数十至上百cm/s。燃烧速率越大，火灾蔓延和爆炸破坏越迅速。【板书】二、可燃气体燃烧速率的主要影响因素【讲解】可燃气体的扩散燃烧速率由可燃气体的流速决定，而预混燃烧速率则受混气的性质、组成、初始温度及燃烧体系与环境的热交换等因素的影响。【板书】（一）可燃气体的性质和浓度【板书】1．可燃气体的还原性和氧化剂的氧化性。可燃气体的还原性越强，氧化剂的氧化性越强，则燃烧反应的活化能越小，燃烧速率就越快。【讲解】如H2+F2=2HF的反应，即使在冷暗处也可瞬间完成，而且反应剧烈；而H2与O2的混合气体，在一定高温下才会发生爆炸，速率低于H2和F2的混合气体反应速率。【板书】2．可燃气体和氧化剂的浓度。可燃气体和氧化剂浓度越大，分子碰撞机会越多，反应速率越快。【讲解】当可燃气体在空气中稍微高于化学计量浓度时燃烧速率最快，爆炸最剧烈，产生的压强和温度均最高。若可燃气体浓度过大，往往发生快速燃烧（爆燃），而不是爆炸，并伴随出现向前翻卷的火焰，未燃尽的可燃气体和不完全燃烧产物与周围空气混合，再次形成扩散火焰继续燃烧。【板书】3．惰性气体的影响。惰性气体加入到混气中必然消耗热能，并使可燃气体燃烧反应中的自由基与惰性气体分子碰撞销毁的机会增多。【讲解】因此，混气中惰性气体浓度增大，火焰传播速率减小，燃烧速率会降低。惰性气体对火焰传播速率的影响如图3-1所示。图中以1—87%＋13%、2—79%＋21%、3—70%＋30%、4—60%＋40%、5—11.5%＋88.5%（一氧化碳＋氮气/氧气配比）表示不同混合体系的火焰传播速率。【板书】图3-1一氧化碳与氮气和氧气的混合体系的火焰传播速率【板书】（二）气体的初始温度【讲解】化学反应温度对反应速率的影响，表现在反应速率常数与温度的关系上。根据式（1-2）可知，反应速率常数与温度呈指数关系，温度的一个较小变化，将会使反应速率发生很大变化。按范特霍夫规则估算，温度每升高10℃，反应速率大约为原来速率的2～4倍。【讲解】根据实验得出，燃烧速率与可燃气体初始温度的关系为：【板书】式（3-12）：v/v0=(T/T0)的n次方【讲解】式中，v、v0—分别表示为T和T0时的燃烧速率；n—实验常数，一般约为1.7～2.0。【讲解】可燃气体被加热后会大大提高燃烧速率，其火焰传播速率明显增大。温度对火焰传播速率的影响如图3-2所示。【讲解】从图3-2可以看出，随着温度升高（20℃、100℃、230℃、350℃、450℃、560℃），一氧化碳混合物的火焰传播速率明显增大，且温度越高，火焰传播速率的峰值越高。这正体现了温度升高使燃烧速率大大提高的规律。【板书】（三）燃烧体系与环境的热交换【讲解】容器或管道的直径、材质决定燃烧体系在环境中的热损失大小。热损失越大，燃烧速率越小。【板书】1．管径。可燃气体在容器或管道内发生燃烧，容器、管道的直径对火焰传播速率有明显的影响。【讲解】设一管道长，截面是半径为r的圆，当这段管道内充满可燃气体时，混气与管壁接触的比表面积为：【板书】式（3-13）：S/V=2/r=4/d【讲解】显然，管径越大，比表面积越小，混气燃烧的热损失越少。一般说来，火焰传播速率随管径的增大而增大，但当增大到临界直径后，火焰传播速率不再增加；管径减小时，火焰传播速率随之减小，当管径小到临界直径时，由于散热比表面积大，热量损失大于反应热，从而使火焰熄灭。正在燃烧的混合可燃气体通过小于临界直径的管道时，温度会降至燃点以下而熄灭。【讲解】表3-4中表示出甲烷与空气的混合物，在不同管径的火焰传播速率。【讲解】从表3-4可以看出，在同一甲烷浓度下，管径越大（从2.5cm到80cm），火焰传播速率越大。如甲烷浓度10%时，管