燃料的着火理论

1、第三章 燃料的着火理论,燃烧过程二个阶段: 着火阶段，燃烧阶段 可燃混合物着火的方法:自燃着火和强迫着火 自燃着火有两个条件: (1) 可燃混合物应有一定的能量储存过程。 (2) 在可燃混合物的温度不断提高，以及活化分子的数量不断积累后，其反应从不显著的反应速度自动地转变到剧烈的反应速度。,3.1燃烧过程的热力爆燃理论,爆燃理论,在可燃混合物的着火过程中，主要依靠热量的不断积累而自行升温，最终达到剧烈的反应速度的爆燃称为热力爆燃。 如果可燃混合物的着火过程，主要依靠链锁分支而不断积累活化分子，最终达到剧烈的反应速度的释放热量而爆燃称为链爆燃。,强迫着火,是有一外加的热源向局部地区的可燃混合物输

2、送热量，使之提高温度和增加活化分子的数量，迫使局部地区的可燃混合物完成着火过程而达到燃烧阶段，然后以一定的速度向其它地区扩展，导致全部可燃混合物的燃烧，例如靠电火花或炽热物体来加热局部区域的可燃混合物。,谢苗诺夫的可燃气体混合物的热力爆燃理论,热力着火理论 有一体积为v(m3)的容器，其中充满有化学均匀可燃气体混合物，其浓度为c(kg/m3)，容器的壁温为t0(k)，容器内的可燃气体混合物正以速度w(kg/m3s)在进行反应，化学反应后所放出的热量，一部份加热了气体混合物，使反应系统的温度提高，另一部份则通过容器壁而传给周围环境。,假设,1.容器v内各处的混合物浓度及温度都相同。 2.在反应过

3、程中，容器v内各处的反应速度都相同。 3.容器的壁温t0及外界环境的温度，在反应过程中保持不变，而决定传热强度的温度差就是壁温和混合物之间的温压。 4.在着火温度附近，由于反应所引起的可燃气体混合物浓度的改变是略而不计的。,采用“零维”模型，不考虑容器内温度、反应物浓度等参数的分布，把整个容器内各参数按平均值来计算。,数学模型,q1=qv q1单位时间内化学反应释放热量 q化学反应摩尔热效应,一级反应,阿累尼乌斯数学一般式,图2-1 化学反应放热和对流散热与温度的关系,图2-2 稳定在低温度范围时的氧化反应,图2-3放热与散热关系图,图2-4处于临界状态的放热与散热关系,图2-5 改变壁温t0

4、对着火的影响,b点为临界着火条件 临界着火条件也是可燃混合物的反应从缓慢的反应自动转变到剧烈反应的临界条件。 可燃混合物的着火温度不仅由可燃混合物的性质来决定，而且也与周围介质的环境温度、换热条件、容器的形状和尺寸等因素有关。,图2-6 不同可燃混合物压力对着火的影响,爆燃临界条件的定量关系,散热线q2与放热曲线q1相切的数学条件： (1) 散热与放热相等，即: q1=q2 (2) 在二曲线相切点b处的斜率应相等，即,在b点处的可燃混合物温度为tb，相应的自燃温度为tok,图2-7 爆燃临界条件下的温度与压力的关系,表面传热系数,容器表面积,散热强度,图2-8 爆燃与燃料浓度关系示意图,贫油限

5、,富油限,一定温度下的爆燃浓度限,爆燃感应期,可燃混合物初始浓度c0降到着火点b点的浓度cb所经历的时间即为爆燃感应期i,平均反应速率,图2-9 戊烷与空气在=0.86时的爆燃感应期与不同压力pk及温度tb的实验曲线,图2-10 3.8%正丁烷和空气的混合物的热力爆燃临界界限,实验表明，该反应即使温度低于280-400度，压力小于一个大气压，也会发生爆燃现象。 不能完全用热力爆燃理论来解释这种现象，需要引入着火过程的链爆燃理论。,3.2 链锁爆燃理论,2.1链锁分枝反应的发展条件(链锁爆燃条件) 2.2不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化 2.3感应期的确定 2.4着火半岛现象,链锁爆燃理

6、论,链锁爆燃是可燃混合物在低温低压下，由于分支链锁反应使反应加速，最终导致可燃混合物爆燃。实际上，大多数碳氢化合物燃料的燃烧过程都是极复杂的链锁反应，真正简单的双分子反应并不多。链锁爆燃理论的实质是由于链锁反应的中间反应是由简单的分子碰撞所构成，对于这些基元从热力爆燃理论是可以适用的。但整个反应的真正机理不是简单的分子碰撞反应，而是比较复杂的链锁反应。,链分支反应的发展条件(链爆燃条件),简单反应的反应速度随时间的进展由于反应物浓度的不断消耗而逐渐减小，但在某些复杂的反应中，反应速度却随着生成物的增加而自行加速。这类反应称为自动催化反应，链锁反应就属于这种更为广义的自动催化反应。 活化中心的数

7、目因分枝而不断增多，反应速度就急剧加快，直到最后形成爆炸,在链锁反应中，活化中心浓度增大有两种因素:一是由于热运动的结果而产生，例如在氢氧爆炸反应中氢分子与别的分子碰撞使氢分子分解成氢原子。显然它的生成速度与链锁反应本身无关;二是由于链锁反应分枝的结果，例如上例中一个氢原子反应生成两个新的氢原子，此时氢原子生成的速度与氢原子本身的浓度成正比。,w1为因外界能量的作用而生成原始活化中心的速度，即链的形成速度;w2为链锁分枝速度，它是由系统时最慢的中间反应来决定;而w3为链锁的中断速度，则活化中心形成的速度就可写成如下形式,c为活化中心的瞬时浓度;f和g分别为与温度、活化能以及其他因素有关的分枝反

8、应的速度常数和链锁中断的速度常数,链分支的实际速率常数,结果,整个分枝链锁反应的速度就可表示为：,一个活化中心参加反应后而生成的最终产物的分子数。,上式说明了分支链反应的反应速率与活化中心浓度随时间的变化关系。 等温条件下，几乎按指数函数关系急剧增长。,h+3h2+o23h+2h2o， 说明氢氧反应中a为？,说明不分支链反应永远不会爆炸,图2-12 分枝链锁反应速度在等温下随时间的变化规律,链的中断速率与温度无关，而链的分支速率随温度升高而加快。,感应期,不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化,在低温时，由于链的分枝速度很缓慢，而链的中断速度却很快，fg，则最终将得到一个稳态反应。 但随着温

9、度的增高，链的分枝速度不断增加而中断速度却几乎没有改变。链自然现象。 当温度增加到某一数值时，恰好使链的分枝速度等于其中断速度，即f=g或，则此时活化中心浓度和反应速度均以直线规律随时间增长,反应是不会引起自燃的，此时温度不变。,图2-13 不同值下分枝链锁反应的发展,把f=g，也就是=0称为链着火条件，此时的混和气温度称为链自然温度，此时的临界压力和温度就是链自然的爆燃界限。,链自燃（或链着火）现象在实验中可观察到。在低压、等温条件下，氢氧可以不需要反应放热，而由链反应的自行加速产生自燃，即“冷焰”现象。,感应期的确定,根据链锁反应的性质，在反应开始时速度很低过了一段时间后，速度才开始上升到

10、可被察觉出的程度。所谓感应期就是指反应速度由几乎为零增大到可以察觉到的一定数值 时所需的时间。,感应期内很大，并认为=f,在链锁自燃感应期内温度可以不变化，仅由于链锁的分枝而导致反应自行加速，但爆燃以后，也会因反应中急剧的放热来不及向外散失而使温度升高。这就不同于热力自燃中那样，在感应期内必须由温度的升高才可能发生爆燃,着火半岛现象,对于如h2-o2混合气之类的可燃混合气在低压情况下可出现二个甚至三个的爆炸界限(着火界限)，形成一般文献中所提及的著名的“着火半岛现象”。着火半岛的存在可以看作为链锁反应产生的明证. 高低界限之所以会存在，可用链锁自燃理论来说明,链锁自燃界限相当于链锁分枝的速度开

11、始超过链锁中断速度的状态。,着火低界限：活化中心与器壁碰撞，链断裂 着火高界限：活化中心相互碰撞，失去活化能 第三爆炸界限：热力爆燃理论解释：压力继续升高，反应放热,一定温度下f 与g压力的关系,图2-15 已烷在空气中着火时的着火界限,多着火界限 链热力爆燃理论,越过着火高界限后，若再继续提高压力，就会出现第三个爆燃界限。第三界限的存在完全可用热力着火理论来解释，因随着压力的增高，反应放热的现象越来越显著，由于反应放热使热量积累而引起反应自动加速的作用越来越重要。达到第三爆燃界限时，由于反应放热大于散热而引起的升温和加速已居支配地位，此时的爆燃就纯粹是一种热力爆燃，完全遵循热自燃理论的规律。

12、所以，实质上，“ 着火半岛”中的第三界限就是前面介绍的热自燃界限。,热力爆燃理论与链锁爆燃理论都是近代燃烧理论的基础,3.3着火的自燃范围和感应周期,3.1热力着火的自燃范围 3.2各种参数对着火温度的影响 3.2.1 容积的影响 3.2.2 反应物的成分的影响 3.2.3 时间的影响,图2-16 临界着火条件中温度与压力的关系,散热强度,3.1热力着火的自燃范围,无论是均相气体燃料和固体燃料，当周围介质温度t0达到一定值后，即出现热力着火，其临界自燃条件前已分析，此时的周围介质温度即为自燃温度。但试验亦表明，在一定的炉内压力下，可燃混合物的浓度变化时，其自燃温度也不相同,图2-17 临界着火

13、压力与温度的关系,此图表明了测量简单热力反应活化能的简便方法。,可见，每对应一个pa值，即一个可燃物的浓度，就有一个相应的自燃温度t0，当pa或pb=p0-pa很小时，t0均将增大，即在一定的炉内压力p0下，对应于每一温 度t0只有在一定燃料浓度范围之内才能发生自燃，即存在着低燃料浓度和高燃料浓度自燃极限。,图2-18 着火浓度界限(一),图2-19 着火浓度界限(二),几种可燃气体的着火范围,各种参数对着火温度的影响,容积的影响,减少容器的体积会使一个着火的系统变得不能着火。容器尺寸对自燃过程的影响的物理原因在于当容器尺寸变小时，热量损失相对同体积是增加的，而热量生成是减少的。另外，容器中的

14、压力也会影响自燃过程，压力越高，密度就越大，或容器体积越大。hainer对化合物，如硝铵的临界尺寸随容器温度的变化进行了研究，一般而言，容器的温度越高，化合物的质量必须减少以防止意外事故。,图2-20 容器体积对自加热着火过程的影响,化学反应热,壁面释放热,反应物的成分的影响,反应物的成分对着火温度也有影响，因为q1是反应速率的函数，而反应速率取决于化学组成，着火温度ti与燃料/氧化剂比f/o之间的典型关系。最小的ti并不对应着化学当量比的混合成分。这点应特别注意。,图2-21 燃料/氧化剂比对着火温度的影响,时间的影响,着火温度还是时间的函数，由arrhenius定律可知: 着火温度ti随时

15、间减少的事实说明，要在一定的温度水平ti下出现着火，必须有充分的时间使得突变出现。在流动系统中，发生着火需要一个感应时间，它对应于给定的气体混合物在特定的流动条件下的最小流动停留时间。,图2-22 流动停留时间对着火温度的影响,其他因素,着火温度与这些因素有关:装置的尺寸，形状和材料，混合物的初始温度，反应物的成分，当然还有混合物中起控制作用的反应物化学反应的活化能，时间、压力、流体元的速度，流动中湍流的尺寸和强度等等。着火温度只对一个完整的有严格定义的系统才有确定的值，在对实验数据进行应用外推时更要注意其获得的系统条件。,强迫着火的基本概念,5.1实现强迫着火的条件 5.2强迫着火的热理论

16、5.3各种点燃方法的分析 5.3.1 热球点火 5.3.2 电火花点火 5.3.3 用热金属块点火 5.3.4 用辐射能点燃 5.3.5 电热丝点火 5.3.6 热气流点火,图2-35 燃料强迫着火过程,临界点燃温度,实现强迫着火的临界条件：在炙热体附近可燃物的温度梯度等于零。,x,将一炙热点火物体放在充满可燃物的容器中，则在炙热体附近的可燃物受到加热。,惰性气体,可燃物低温氧化，反应放热,炙热体温度提高，可燃物反应剧烈，向外散热,要实现强迫着火，其临界点燃温度必须比燃料热力着火温度高。 原因： 1）虽然炙热体周围温度高于点燃温度，但如果温度梯度不是大于0，则远离炙热体的地方温度会迅速下降。