1.4. 第四节几次火焰

《消防燃烧学》教案序号1.4课题第二章第四节火焰课时课型理论课一、教学目标及要求（一）教学目标【知识与技能】1.掌握火焰的定义（发光的气相燃烧区域）及各类可燃物（气体、液体、固体）燃烧时火焰存在的规律；2.掌握火焰按状态、按气流性质的分类方法，理解扩散火焰与预混火焰、层流焰与湍流焰的概念及特征；3.掌握火焰的结构（本生灯火焰的内焰、外焰，蜡烛火焰的焰心、内焰、外焰），理解不同结构区域的特点及温度分布；4.掌握火焰的特征（显光与不显光火焰）及其影响因素，理解可燃物氧、碳含量、供氧条件、离子成分对火焰特征的影响；5.理解火焰对灭火工作的影响，掌握根据火焰特征判定火场情况、选择灭火措施的基本方法。本节是《消防燃烧学》第二章"燃烧基础"中的内容，是在掌握燃烧条件、燃烧空气量计算之后，从"燃烧产物与燃烧现象"角度认识火焰的本质、结构与特征。火焰是燃烧最直观的现象，掌握火焰知识对于火场观察、火灾扑救、火灾原因鉴定都具有重要的实践意义，是理论联系实际的重要一环。【过程与方法】1.结合图1-3（层流火焰与湍流火焰的外形）、图1-4（本生灯火焰的构造）、图1-5（蜡烛火焰的构造）讲解火焰的结构与分类，使抽象概念直观化；2.通过本生灯、蜡烛、煤气灯等常见实例，引导学员理解扩散火焰与预混火焰、层流焰与湍流焰的区别；3.结合表1-7（部分有机物质的化学组成与火焰特征）、表1-8（火焰颜色、燃烧温度和辐射强度比较）分析火焰特征及其影响因素，训练学员的数据分析能力；4.结合灭火实战，讲解如何根据火焰特征认定起火部位、判断燃烧物质、估计燃烧速率和火势蔓延方向。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员认识到火焰是燃烧最直观的"语言"，学会从火焰中读取火场信息是消防救援人员的基本功。培养学员细致观察、科学分析的习惯，树立"观察火焰、判断火情、科学处置"的实战理念，增强职业责任感和专业素养。（二）教学要求1.识记火焰的定义及扩散火焰、预混火焰、层流焰、湍流焰的概念；2.掌握火焰的结构层次及各区域特点（本生灯火焰、蜡烛火焰）；3.掌握火焰特征（显光、不显光、熏烟火焰）及影响因素（氧碳含量、供氧条件、离子成分）；4.掌握火焰对灭火工作的影响，能根据火焰特征判定火场情况。二、教学重点1.火焰的定义及火焰存在的规律（气体、液体、固体燃烧时的火焰情况）；2.火焰的分类：扩散火焰与预混火焰、层流焰与湍流焰；3.火焰的结构：本生灯火焰（内焰、外焰）、蜡烛火焰（焰心、内焰、外焰）；4.火焰的特征：显光与不显光火焰，可燃物氧碳含量对火焰特征的影响。三、教学难点1.扩散火焰与预混火焰、层流焰与湍流焰的本质区别及判定；2.火焰结构中焰心、内焰、外焰各区域的燃烧过程与温度差异的原因分析；3.可燃物含氧量、含碳量与火焰显光、熏烟特征之间的对应关系（表1-7数据规律）；4.将火焰特征应用于灭火实战（判定燃烧物质、温度、辐射强度、火势方向）。四、教学方法与手段本节教学内容直观性强，与燃烧现象、灭火实战联系紧密，教学应结合实物演示、图片分析和案例讲解。授课全过程使用PPT课件，插入图1-3、图1-4、图1-5等教材插图，通过本生灯、蜡烛、煤气灯等实物或演示实验辅助讲解，使学员直观理解火焰的结构与分类。采用讲授法与案例分析法相结合：通过表1-7分析不同有机物质的化学组成与火焰特征，归纳含氧量、含碳量与显光、熏烟火焰的关系；通过表1-8分析火焰颜色与温度、辐射强度的对应关系，培养学员将火焰知识应用于灭火实战的能力。设置提问、讨论环节（如"为什么蜡烛火焰的外焰温度最高""为什么甲醇火焰白天不易看见""怎样根据火焰判断燃烧物质"），启发学员思考，将理论与火场观察实际相结合。五、教学过程设计首先，从"火焰是燃烧最明显的标志"这一现象出发，引出火焰的定义及分类；其次，系统讲解火焰的结构（以本生灯和蜡烛为例），使学员掌握火焰分层及各区域特点；再次，讲解火焰的特征及其影响因素（氧碳含量、供氧条件、离子成分），结合表1-7、表1-8分析数据规律；最后，讲解火焰对灭火工作的影响，使学员掌握根据火焰特征进行火场判断和灭火决策的方法，并进行课堂小结和布置思考题。（一）引言同学们，当我们在火场上第一眼看到火时，首先注意到的是什么？对，是火焰！火焰是燃烧过程进行中最明显的标志。火场上，通过观察火焰，我们可以判断起火部位、燃烧的是什么物质、火势向哪个方向蔓延、燃烧温度有多高。可以说，火焰是燃烧传递给消防员最重要的"语言"。那么，火焰究竟是怎样形成的？它有什么结构？为什么有的火焰明亮、有的火焰暗淡？火焰知识对灭火工作有什么实际意义？这就是本节课要学习的内容——火焰。引导学员回顾前面所学：燃烧是可燃物与氧化剂的放热反应，伴随发光、发热现象。火焰就是燃烧中发光的气相区域。那么，不同状态的可燃物燃烧时是否都有火焰？火焰有哪些类型和结构？带着这些问题进入本节学习。（二）阐述、分析、推导【板书】第二章燃烧基础【板书】第四节火焰【板书】一、火焰及其分类【讲解】国家标准GB/T5907.1-2014《消防词汇第1部分：通用术语》将火焰定义为是指发光的气相燃烧区域。火焰的存在是燃烧过程进行中最明显的标志。【讲解】不同状态可燃物燃烧时的火焰存在情况：气体燃烧一定存在火焰；液体燃烧实质是液体蒸发出的蒸气在燃烧，也存在火焰；固体燃烧如果有挥发性的热解产物产生，这些热解产物燃烧时同样存在火焰。无热解产物的固体燃烧，例如木炭、焦炭等，无火焰存在，只有发光现象的灼热燃烧，也称无焰燃烧。【提问】请同学们思考：木炭燃烧为什么没有火焰？酒精灯燃烧为什么有火焰？【讲解】木炭、焦炭等固体燃烧时无挥发性热解产物产生，只有灼热燃烧（无焰燃烧）；而酒精灯燃烧是酒精蒸气在燃烧，故有火焰。这说明"有无火焰"取决于可燃物燃烧时是否形成气态可燃产物。【板书】（一）按火焰状态的不同【讲解】火焰按状态不同，可分为扩散火焰和预混火焰两类。【板书】1．扩散火焰：由扩散燃烧形成的火焰，可燃气体与空气边混合边完成燃烧反应。火焰相对静止，可燃物和氧化剂不断流向火焰处（燃烧区），属于静止火焰。液态和固态可燃物燃烧时由分解或蒸发产生的气体形成的火焰，一般为扩散火焰。【讲解】扩散燃烧的可燃气体与空气边混合边完成燃烧反应。火焰的尺寸不大时，燃烧过程主要取决于空气和可燃物的相互扩散速度。扩散燃烧火焰相对静止，而可燃物和氧化剂不断流向火焰处（燃烧区），因此，扩散火焰属于静止火焰。液态和固态可燃物燃烧时由分解或蒸发产生的气体形成的火焰，一般为扩散火焰。【板书】2．预混火焰：由预混燃烧形成的火焰，可燃气体与空气预先混合后完成燃烧反应。预混火焰是移动的，可燃物和氧化剂不动，因此也叫运动火焰。【讲解】例如，若将可燃气体和空气混合物导入一玻璃管内，从一端点燃混合物，便产生火焰，并且火焰向另一端传播（运动火焰也叫预混火焰）。【讲解】静止火焰还有一种特殊情况是可燃物和空气或氧气事先已部分混合，但尚未完全混合，且必须小于爆炸下限的火焰。普通本生灯（煤气灯）的火焰，就是这种火焰。在本生灯中，事先混合好了的气体从管口流出，其流速大于该混合物的正常燃烧速度，这时在灯口上即获得这种稳定火焰。【板书】（二）按通过火焰区的气流性质不同【讲解】根据流体力学原理，按通过火焰区的气流性质，火焰可分为层流焰和湍流焰。处于层流焰与湍流焰之间的火焰，称为过渡焰。【板书】1．层流焰：流体质点作一层滑过一层的运动，层与层之间没有明显干扰。反应物、产物的各成分的混合和移动，全是由各向同性的分子运动来完成的。【板书】2．湍流焰：流体质点有剧烈的骚扰涡动。湍流火焰比层流火焰短，火焰加厚，发光区模糊，有明显的噪音等。在湍流焰中，所有过程是由各向异性的涡流所造成，燃烧强化，反应率增大。【讲解】湍流燃烧情况下，燃烧强化、反应率增大，可由图1-3中任何一种因素或三种因素共同起作用引起：①湍流使得火焰面变弯曲，因而增大了反应面积；②湍流加剧了热和自由基的运输速率，因而增大了燃烧速率；③湍流可以使已燃烧热气与未燃烧新鲜可燃气迅速混合，缩短混合时间，提高了燃烧速率。【板书】二、火焰的结构【讲解】火焰的结构从里到外可分为三层。每一层中，由于气体成分、燃烧进行的过程、温度不同而有着不同的特点。【板书】（一）气态可燃物火焰【讲解】以本生灯为例，其火焰结构如图1-4所示。由一次空气供氧所形成的火焰峰面在内层，称内焰；由二次空气供氧所形成的火焰峰面在外层，称外焰。这种火焰比较稳定，温度较高，本生灯、气焊炬等火焰属于这一类。【讲解】有的气体火焰无一次空气进入，只有一层圆锥形火焰，即只有外焰，如天然气井喷火焰，可燃气体容器或管路破裂时在泄漏处形成的喷流火焰等。【板书】（二）液态可燃物火焰【讲解】液态可燃物的火焰结构，可以以蜡烛火焰为例，如图1-5所示，它由焰心、内焰和外焰三个区域组成。【板书】1．焰心：最内层亮度较暗的圆锥体部分，由可燃物受热蒸发或分解产生的气态可燃物所构成。由于内层氧气浓度较低，所以燃烧不完全，温度较低。【板书】2．内焰：包围在焰心外部较明亮的圆锥体部分。气态可燃物进一步分解，因氧气供应不足，燃烧不甚完全，但温度较焰心高。因火焰中的微小碳粒子受热发出较明亮的光，所以内焰的亮度最强。【板书】3．外焰：包围在内焰外面亮度较暗的圆锥体。氧气供给充足，燃烧完全，燃烧温度最高。在外焰燃烧的往往是一氧化碳和氢气，炽热的碳粒很少，因此几乎没有光亮。【讲解】一切可燃性固体和液体燃烧时形成的火焰，都有焰心、内焰和外焰三个区域。但可燃气体燃烧时形成的火焰，只有内焰和外焰两个区域，而没有焰心区域，这是由于气体的燃烧一般无相变的过程。在火焰中，不同的部位有不同的温度：焰心的温度最低，外焰的温度最高。【讲解】在火场上，固体表面的形状和堆放的方法不同，火焰的形状也不同；风力等外界环境因素的影响，也使固体、液体的火焰形状有所不同。【提问】请同学们思考：为什么蜡烛火焰中内焰最亮、外焰温度最高？气体火焰为什么没有焰心？【讲解】蜡烛内焰因微小碳粒子受热发光而最亮，外焰氧气充足燃烧完全而温度最高；气体燃烧无相变过程，故无焰心区域。【板书】三、火焰的特征【讲解】火焰的存在通常是燃烧发生的标志，而火焰的一个重要特征就是发光。由不同化学组成的可燃物以及在不同条件下燃烧时，其光的明亮程度和颜色则不同。所以又把火焰分为显光（光亮的）火焰和不显光（或发蓝色）火焰两种。显光的火焰又可分为熏烟和无熏烟的两种。【讲解】所谓显光火焰是指那些光亮的火焰，通常情况下很容易被人看清。所谓不显光火焰是指火焰光亮度低，通常不易被人看清，尤其是强光下肉眼不易看到的火焰。如甲醇燃烧时的火焰就属此类。可燃物在空气中燃烧的火焰特征与下列因素有关。【板书】（一）可燃物中氧、碳的含量【讲解】有机可燃物在空气中燃烧时，其火焰的亮度（或颜色）主要取决于物质中氧和碳的含量。因为碳粒是导致火焰发光的首要因素。【讲解】如果物质中含氧量愈多，燃烧愈完全，在火焰中生成的碳粒就愈少，因而火焰的光亮度就愈弱或不显光（呈浅蓝色）。如果物质中含氧量不多，而含碳量多，由于燃烧不完全，在火焰中能产生较多的碳粒，便使火焰亮度增加。当含碳量增加到一定程度时，火焰中的碳粒特别多，以致使大量的碳粒聚结成碳黑。通常称这种火焰为熏烟火焰。例如乙炔、苯等在空气中燃烧时，其火焰即为熏烟火焰。【讲解】如果将可燃物的组成同它的火焰特征比较，就可以发现这样的规律：含氧量在50%以上的可燃物燃烧时，通常发出不显光的火焰（发蓝光，白天不易看见）；含氧量在50%以下的发出显光的火焰；含碳量在60%以上的，则发出显光、并带有大量熏烟的火焰。【讲解】部分可燃物的元素组成与火焰的特征，如表1-7所示。【提问】请同学们对照表1-7分析：为什么甲酸、甲醇、甘油燃烧时火焰不显光？而苯、乙炔燃烧时火焰显光且熏烟？【讲解】由表1-7可见：甲酸含氧69.5%、甲醇含氧50%、甘油含氧52.17%，含氧量均在50%以上，燃烧完全、碳粒少，火焰不显光；苯、乙炔含碳量均为92.3%，超过60%，燃烧不完全、碳粒多且聚结成碳黑，故火焰显光且熏烟。这正体现了含氧量、含碳量与火焰特征的关系规律。【板书】（二）供氧条件【讲解】火焰显不显光不仅与物质的组成有关，而且还与燃烧条件有关。如果把纯氧引入火焰内，则原来显光的火焰就会变成不显光的火焰，而熏烟的火焰，就会变成无熏烟的火焰。例如，乙炔在空气中燃烧时产生熏烟，而在纯氧中则无熏烟（如气焊、切割的火炬焰）。【讲解】对气体的扩散火焰，如改变可燃物的流量，也会使火焰特征发生变化。如气体喷嘴的直径在一定范围内时，火焰中不产生碳黑，即无熏烟。但随着喷嘴直径的增加、可燃物流量的增大、发光区的扩大，空气里的氧气就难以满足燃烧的消耗，当达到一定程度时便会产生碳黑。【板书】（三）引进火焰中的离子成分【讲解】物质燃烧的火焰颜色是以燃烧物在火焰中的产物来确定的。某些无机物的微粒也能决定和影响火焰的显光特性和颜色。例如，在不显光的甲醇火焰中引进锶盐（Sr2+），则火焰变为红色，而引进钠盐（Na+）时，则火焰变为黄色。这是因为引进火焰中的盐离解并且生成固体分子或金属原子，就发射出它本身的特征光线。焰火剂、信号弹、照明弹就是根据这一原理制成的。【板书】部分无机物的微粒影响火焰颜色如下：【板书】Na或Na+—黄色火焰；K或K+—浅紫色火焰；【板书】Ca或Ca2+—砖红色火焰；Ba或Ba2+—黄绿色火焰；【板书】Sr或Sr2+—红色火焰；Cu或Cu2+—绿色火焰；【板书】Al、Mg—白色火焰；S或H2S—淡蓝色火焰；P—产生黄色或黄绿色火焰。【板书】四、火焰对灭火工作的影响【讲解】一般说来，气相燃烧的物质都有火焰形成，火焰温度与火焰颜色、亮度等有关。火焰温度越高，火焰越明亮，辐射强度越高，对周围可燃物和人员威胁就越大。因此，在火场上可以根据火焰特征采取相应措施。【板书】（1）由于大多数可燃物燃烧都有火焰形成，所以在火场上，根据火焰即可认定起火部位和范围。【板书】（2）根据火焰颜色，可大致判定出燃烧的是什么物质，以便灭火时心中有数。【板书】（3）根据火焰大小与流动方向，可估计其燃烧速率和火势蔓延方向，以便及时确定灭火救援的最佳方案（含主攻方向、灭火力量与灭火剂等），迅速扑灭火灾，减少损失。【板书】（4）掌握不显光火焰的特点，可防止火焰扩大火势和灼伤人员。【讲解】由于有些物质，如甲酸（HCOOH）、甲醇（CH3OH）、二硫化碳（CS2）、甘油、硫、磷等燃烧的火焰颜色呈蓝（黄）色，白天不易看见，这对灭火工作是不利的。因此，在扑救这类物质火灾时，一定要注意流散的液体是否着火，防止火势扩大和发生烧伤事故。【板书】（5）可根据火焰颜色大致判断火场的温度和辐射强度。【讲解】根据火焰颜色可大致判断燃烧温度和辐射强度，见表1-8所示。火焰颜色温度（℃）辐射强度（kcal/m2·h）暗＜400＞10100稍有红色50017700深红色70044400樱红色9009370鲜明樱红色1000130000橙黄色1100176000鲜明橙黄色1200232500白光1300302000耀眼