燃烧理论第三讲着火理论.ppt

第三章 燃气的着火理论 燃气的着火 燃气的燃烧可分为两个阶段，第一阶段为着火阶段，燃气和氧化剂进行着缓慢的氧化反应，反应所释放的热量只是提高可燃混合物的温度和累积活化中心，第二阶段为着火后的燃烧阶段(或称为爆炸)，反应进行得很快，并发出强烈的光和热，形成火焰。 任何可燃气体在与氧接触，都要发生氧化反应。如果氧化反应过程发生的热量等于散失的热量，或者活化中心浓度增加的数量正好补偿其销毁的数量，这个氧化反应过程就会很缓慢，我们把这个过程称为稳定的氧化反应过程。如果氧化反应过程生成的热量大于散失的热量，或者活化中心增加的数量大于其销毁的数量，这个过程就称为不稳定的氧化反应过程。由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应而引起燃烧的一瞬间，称为着火。 着火可能是由于氧化反应逐渐积累热能，或活化中心浓度不断积累，从而自行加速反应，最后导致燃烧。这种着火称为自燃着火。如果着火是因为热能的积累造成的，属于热力着火，如果是由于活化中心的积累造成的，则属于支链着火。 着火也可能通过外加热源，使得局部地区的可燃混合物完成着火，然后以一定速度向其他地区扩展导致全部可燃混合物燃烧，这种着火方式称为强迫着火或点火。 一、支链着火 在支链反应中，当活化中心增加的数量不仅能抵偿链的断裂同时又能抵偿反应物浓度减少时，活化中心数量将不断增加，引起反应自动加速从而使反应由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应的过程，称为支链着火。 在一定温度下，单位时间内活化中心浓度的改变为 其中 w0——活化中心的形成速率，即单位时间内所形成的原始活化中心的浓度 wf、f——链反应速率及速率常数 wg、g——链中断速率及速率常数 初始条件为τ=0，c=0，解得 令φ=(f-g)为实际支链反应速率常数，则 用a表示每个活化中心所构成的最后生成物的分子数，则产物的形成速率为 由上式可以看出： 当φ0时，支链反应速率大于链中断速率，反应会自动加速引起着火爆炸。 假设支链反应在经过感应期后的反应速率为wres ， 则 可近似认为 根据感应期与压力温度的关系，可得 说明，在支链反应中，实际的支链反应常数φ与压力温度有关，且在支链着火之前，反应速率与温度的关系符合阿雷尼乌斯定律的规律，所以当压力和温度增加时，φ亦随之增加。 当φ=0时 说明，当φ=0时，在反应物浓度不变的条件下，其反应速率与时间为线性关系，最后亦会着火爆炸。 当φ0时，当τ→∞时反应速率趋向一个极限值 支链着火的界限 支链反应速率与压力的关系： 支链着火有两个压力极限。在一定温度条件下，当压力低于某一个极限值时，分子运动的自由行程较长，活化中心扩散到壁面的速度大，增加了其销毁的可能性，会失去支链着火的能力，该压力极限值称为支链着火的压力下限；当压力超过某一极限值时，增加了活化中心与其他惰性气体分子碰撞的机会，而大量在气相中销毁，失去支链着火的能力，该压力极限值称为支链着火的压力上限。 只有当压力处于下限和上限之间时，支链反应的活化中心的增加速度才会超过其销毁速度，反应才会自动加速，引起燃烧和爆炸。 支链着火的压力下限受下列因素影响 与容器尺寸有关，当容器尺寸增大时，活化中心扩散到壁面销毁的可能性减少，会降低压力下限。 掺入惰性气体，在一定程度上使活化中心扩散到壁面销毁的可能性减少，也会降低压力下限，这时的压力下限可以看做是反应物的分压力。 与壁面材料有关，材料的不同对于销毁活化中心的能力是不同的 支链着火的压力上限主要与惰性气体的掺入有关 支链着火与温度的关系： 爆炸下限与温度关系不大。爆炸上限随着温度的升高而升高，这是因为活化中心的形成速率随温度的升高而增加，而其销毁的速率与温度无关，所以爆炸区域随温度升高而增大，形成一个类似半岛的形状，称之为着火半岛。 氢气与氧气的反应还有第三爆炸极限，这可能是在更高压力下壁面上断链比较少，而经碰撞重新产生链传递的机会更多了。 二、热力着火 一般工程上遇到的着火是由于系统中热量的积聚，氧化反应过程生成的热量大于散失的热量，使温度急剧上升而引起的。这种着火称为热力着火。 分析燃气与空气发生化学反应时的热平衡现象，可以了解热力着火的条件。单位时间内容器中由于化学反应产生的热量为 在着火以前，由于温度T不高，反应速度很小，可以认为反应物浓度没有变化，为了使问题简化，此处不考虑由于温度升高而使活化中心增加对化学反应速度产生的影响 。 单位时间内燃气与空气的混合物通过容器向外散失的热量为： 由于容器中温度变化不大，可以近似地认为α是常数 散热量与温度的关系，在图上是一根直线M，散热线M的斜率取决于散热条件，它与横坐标的交点是容器内壁温度T0。 当温度T0较低时，散热线M和发热曲线L有两个交点：l和2。 首先分析交点1的情况。假设温度偶然降