4.3 第三节 可燃液体的燃烧速率

《消防燃烧学》教案序号4.3课题第四章第三节可燃液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.掌握可燃液体燃烧速率的两种表示方法：燃烧线速率（式4-4）、质量燃烧速率（式4-5），及二者的关系（式4-6）；2.掌握可燃液体液面火焰传播速率的概念，区分易燃液体（0.5~2m/s）与一般可燃液体（不超过0.4m/s）火焰传播速率的差异；3.掌握可燃液体燃烧速率的主要影响因素：燃烧区传热量（式4-7）、初温（表4-5）、贮罐直径（图4-3）、液面高度（表4-6）、水分、风速（图4-4）；4.能识读表4-3某些可燃液体物质的燃烧速率、表4-4部分液体液面上火焰最大传播速率。本节是《消防燃烧学》第四章"可燃液体的燃烧"中的第三节。上一节学习了可燃液体的燃烧过程和燃烧形式（蒸发燃烧、动力燃烧、沸溢式和喷溅式燃烧）。燃烧速率是表征可燃液体火灾发展快慢的重要参数，直接关系到火灾扑救策略和力量估算。掌握可燃液体燃烧速率的表示方法和影响因素，对于消防救援人员计算灭火力量、制定灭火战术具有重要意义。【过程与方法】1.通过燃烧线速率、质量燃烧速率概念的讲解及式4-4、式4-5、式4-6的推导，掌握燃烧速率的表示方法；2.通过表4-3、表4-4数据的识读，比较不同液体燃烧速率和火焰传播速率的差异；3.通过燃烧区传热量（式4-7）、初温（表4-5）、贮罐直径（图4-3）、液面高度（表4-6）、水分、风速（图4-4）等因素的分析，掌握燃烧速率的影响因素；4.通过思考题的计算练习（燃烧线速率和质量燃烧速率），巩固燃烧速率表示方法的运用。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员认识可燃液体燃烧速率对火灾发展速度和扑救难度的影响，理解温度、罐径、液面高度、水分、风速等因素对燃烧速率的作用规律。掌握燃烧速率的计算和影响因素，为制定灭火战术、估算灭火力量和灭火剂数量提供科学依据，培养消防救援人员科学灭火、精准扑救的专业素养。（二）教学要求1.识记燃烧线速率、质量燃烧速率、液面火焰传播速率的概念；2.掌握式4-4、式4-5、式4-6燃烧速率的表示方法及各参数含义；3.掌握可燃液体燃烧速率的主要影响因素及作用规律；4.能识读表4-3、表4-4、表4-5、表4-6数据及图4-3、图4-4曲线。二、教学重点1.可燃液体燃烧速率的两种表示方法：燃烧线速率（式4-4）、质量燃烧速率（式4-5）及其关系（式4-6）；2.可燃液体液面火焰传播速率的概念及易燃液体与可燃液体的差异；3.可燃液体燃烧速率的主要影响因素：燃烧区传热量、初温、贮罐直径、液面高度、水分、风速。三、教学难点1.燃烧线速率、质量燃烧速率的概念理解及式4-4、式4-5、式4-6的计算运用；2.燃烧区传给液体的热量（式4-7）与燃烧速率的关系；3.贮罐直径对燃烧速率的影响机理（导热传热与辐射传热的转变，图4-3）；4.表4-6液面高度对燃烧速率的影响数据分析。四、教学方法与手段本节教学内容以可燃液体燃烧速率为主，插图2张（图4-3液体燃烧速率随罐径的变化、图4-4风速对燃烧速率的影响），数据表4个（表4-3某些可燃液体物质的燃烧速率、表4-4部分液体液面上火焰最大传播速率、表4-5苯和甲苯在不同初温时的燃烧速率、表4-6几种液体在液面高度不同时的燃烧速率），公式4个（式4-4、式4-5、式4-6、式4-7）。教学应注重燃烧速率两种表示方法的讲解、影响因素的分组分析和图表数据的识读。授课全过程使用PPT课件，将燃烧速率公式、图4-3、图4-4、表4-3~表4-6清晰展示；采用讲授法与启发式教学相结合，通过思考题计算练习帮助学员掌握燃烧速率的计算。教学中注重理论联系实际：可燃液体燃烧速率直接用于扑救液体火灾时的力量估算和灭火剂数量计算。例如，大罐径贮油罐火灾由于辐射传热占主导，燃烧速率基本稳定，制定灭火计划时就可据此计算灭火力量。教学中应设置提问、讨论环节（如"为什么燃烧速率有两种表示方法""为什么罐径超过80cm后燃烧速率基本不变""为什么风速过大会使燃烧熄灭""扑救油罐火灾时如何根据燃烧速率估算灭火力量"），启发学员思考，将燃烧速率知识应用于消防实践。五、教学过程设计首先，从可燃液体燃烧速率的表示方法引入，讲解燃烧线速率（式4-4）、质量燃烧速率（式4-5）及其关系（式4-6）；其次，讲解可燃液体液面火焰的传播速率（表4-4）；再次，讲解可燃液体燃烧速率的主要影响因素（燃烧区传热量式4-7、初温表4-5、贮罐直径图4-3、液面高度表4-6、水分、风速图4-4）；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液体的燃烧过程和燃烧形式。可燃液体火灾的发展快慢，可以用燃烧速率来表征。可燃液体燃烧速率通常有两种表示方法：燃烧线速率和质量燃烧速率。掌握燃烧速率的表示方法和影响因素，对于扑救液体火灾、估算灭火力量和灭火剂数量具有重要意义。（二）阐述、分析、推导【板书】第四章可燃液体的燃烧【板书】第三节可燃液体的燃烧速率【板书】一、可燃液体燃烧速率的表示方法【讲解】可燃液体燃烧速率通常有两种表示方法，即燃烧线速率和质量燃烧速率。【板书】1．燃烧线速率【讲解】单位时间内燃烧掉的液层厚度，可用式（4-4）表示，即：【板书】式（4-4）v=H/t【讲解】式中：v—燃烧线速率（m/h）；H—可燃液体燃烧掉的厚度（m）；t—可燃液体燃烧所需要的时间（h）。【板书】2．质量燃烧速率【讲解】单位时间内单位面积燃烧的液体的质量，可用式（4-5）表示，即：【板书】式（4-5）G=m/（s·t）【讲解】式中：G—质量燃烧速率[（kg/m2·h）]；m—燃烧掉的液体质量（kg）；s—可燃液体燃烧的表面积（m2）；t—可燃液体燃烧时间（h）。【板书】3．燃烧质量速率与线速率的关系【讲解】已知可燃液体的密度（单位为kg/m3），则液体质量m=ρ·s·H，所以质量燃烧速率也可以表示为：【板书】式（4-6）G=m/（s·t）=ρ·H/t=ρ·v【讲解】即质量燃烧速率等于液体密度与燃烧线速率的乘积：G=ρ·v。【讲解】某些可燃液体的燃烧速率见表4-3。【板书】4．可燃液体液面火焰的传播速率【讲解】当可燃液体液体表面上的某一点被引燃时，火焰以一定的速率在表面传播。火焰在单位时间内在液体表面所传播的距离，称为液面火焰的传播速率，以m/s或cm/s表示。【讲解】可燃液体液面火焰的传播速率与液体的燃烧性质有关。易燃液体由于在常温下蒸气压就已很高，当有火星、灼热物体靠近时便能引燃，并且火焰沿液体表面迅速传播，其速率可达0.5~2m/s。【讲解】可燃液体则必须在火焰或灼热物体的长时间作用下，表面层吸收足够热量而强烈蒸发后才能自燃。加热表面和使之蒸发需要一定的时间，因而火焰沿可燃液体表面传播的速率较慢，一般可燃液体火焰液面传播速率不超过0.4m/s。【讲解】同时，点燃初期由于火焰的热传递能量低，可燃液体表面温度不高，蒸发速率慢，所以可燃液体表面的燃烧速率较慢，生成的火焰不高。随着燃烧强度的不断增大，表层温度上升，蒸发速率加快，燃烧速率和火焰高度逐步提高。【讲解】部分可燃液体液面上火焰的最大传播速率见表4-4。【提问】请同学们思考：燃烧线速率和质量燃烧速率有何区别和联系？为什么易燃液体液面火焰传播速率比可燃液体快？【讲解】燃烧线速率是单位时间内烧掉的液层厚度，质量燃烧速率是单位时间内单位面积烧掉的液体质量，二者通过式4-6相联系（G=ρ·v）。易燃液体在常温下蒸气压高，遇火即燃，火焰沿表面传播速率可达0.5~2m/s；可燃液体需表面吸收足够热量强烈蒸发后才能自燃，故火焰传播速率较慢，不超过0.4m/s。【板书】二、可燃液体燃烧速率的主要影响因素【板书】（一）燃烧区传给液体的热量不同，燃烧速率不同【讲解】可燃液体要维持稳定的燃烧，液面就要不断从燃烧区吸收热量，进行液体蒸发，并保持一定的蒸发速率。火焰的热主要以辐射的形式向液面传递。如果其他条件不变，液面从火焰接受的热量越多，则蒸发速率就越快，燃烧速率也加快。【讲解】由火焰辐射给液面的热量可由式（4-7）确定，即：【板书】式（4-7）Q=G·（△HV＋C·（t1－t0））【讲解】式中：Q—液体表面接收的热量[（kJ/m2·h）]；G—液体燃烧的质量速率[（kg/m2·h）]；△HV—液体的蒸发热（kJ/kg）；C—液体的平均热容[（kJ/kg·℃）]；t1—燃烧时液体表面温度（℃）；t0—液体初温（℃）。【讲解】从式（4-7）可以看出，液面从火焰接受的热量Q越大，则液体的蒸发速率越快，燃烧速率也越快。【板书】（二）可燃液体初温越高，燃烧速率越快【讲解】可燃液体初温越高，液体蒸发速率越快，燃烧速率就越快。表4-5列出的是苯和甲苯在直径为6.2cm容器中不同温度下的燃烧速率。【讲解】从表4-5可以看出：苯的温度从16℃升高到70℃时，燃烧速率由3.15mm/min增大到4.09mm/min；甲苯的温度从17℃升高到98℃时，燃烧速率由2.68mm/min增大到4.01mm/min。说明初温越高，蒸发越快，燃烧速率越快。【板书】（三）可燃液体燃烧速率随贮罐直径不同而不同【讲解】图4-3表示煤油、汽油、轻油燃烧速率随罐径变化的曲线。从曲线可以看出，当罐径小于10cm时，燃烧速率随罐径增大而下降；罐径在10～80cm时，燃烧速率随罐径增大而增大；罐径大于80cm时，燃烧速率基本稳定下来，不再改变。【讲解】这是因为随着罐径的改变，火焰向燃料表面传热的机理也相应地发生了重要改变。在罐径比较小时，燃烧速率由导热传热决定；在罐径比较大时，燃烧速率由辐射传热决定。【讲解】根据这种情况对于大罐径的贮油罐的火灾，制定灭火计划时，就可以计算扑灭火灾所需的力量和灭火剂数量。【板书】（四）可燃液体燃烧速率随贮罐中液面高度降低而减慢【讲解】随着液面降低，液面和燃烧区的距离增大，传到液体表面的热量减少，燃烧速率降低，几种可燃液体在液面高度不同时的燃烧速率见表4-6。【讲解】从表4-6可以看出：对同一液体（如乙醇），同一罐径下液面深度越大（2.5、6.5、8.5mm），燃烧速率越小（如d=5.2mm时燃烧速率由7.1降至1.0）；罐径越大，燃烧速率越小（如液面深度0时乙醇燃烧速率由3.6降至2.0）。说明液面越低、罐径越大，传到液面的热量越少，燃烧速率越低。【板书】（五）水对燃烧速率的影响【讲解】石油产品大多含有一定的水分，燃烧时水的蒸发要吸收部分热量，蒸发的水蒸汽充满燃烧区，使可燃蒸气与氧气浓度降低，使燃烧速率下降。【板书】（六）风的影响【讲解】风有利于可燃蒸气与氧的充分混合，有利于燃烧产物及时输送走。因此，风能加快燃烧速率。但风速过大又有可能使燃烧熄灭。风速对汽油、柴油、重油的燃烧速率的影响如图4-4所示。【讲解】从图4-4可以看出：随风速增大，汽油、柴油、重油的燃烧速率均缓慢增大，其中汽油燃烧速率最大，柴油次之，重油最小。但风速过大时可能将火焰吹熄，使燃烧熄灭。【提问】请同学们思考：影响液体燃烧速率的因素有哪些？扑救大罐径贮油罐火灾时如何利用燃烧速率估算灭火力量？【讲解】影响液体燃烧速率的因素有：燃烧区传给液体的热量（式4-7）、可燃液体初温（表4-5）、贮罐直径（图4-3）、贮罐中液面高度（表4-6）、水分、风（图4-4）。扑救大罐径贮油罐火灾时，由于罐径大于80cm后燃烧速率基本稳定，可据此计算扑灭火灾所需的力量和灭火剂数量。【板书】【思考题】【板书】1．在一定条件下，1h烧掉某密度为0.75g/ml的汽油15cm，试求该汽油的燃烧线速率和质量燃烧速率？【板书】2．影响液体燃烧速率的因素有哪些？通过本次课，学员掌握了可燃液体燃烧速率的两种表示方法：燃烧线速率（式4-4，v=H/t）和质量燃烧速率（式4-5，G=m/（s·t））及二者的关系（式4-6，G=ρ·v）；掌握了可燃液体液面火焰传播速率的概念，易燃液体火焰传播速率可达0.5~2m/s、一般可燃液体不超过0.4m/s；掌握了可燃液体燃烧速率的主要影响因素：燃烧区传给液体的热量（式4-7）、初温（表4-5）、贮罐直径（图4-3）、液面高度（表4-6）、水分、风速（图4-4）。重点要求掌握燃烧速率的两种表示方法及其计