燃烧学-着火的理论基础.ppt
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1、第三章 着火的理论基础,研究不同着火方式的着火机理。,着火过程及方式,链反应速度,链反应的发展过程,着火的热自燃理论,着火的链式反应理论,强迫着火,强迫着火过程,常用点火方法,电火花点火,链反应的延迟期,烃类空气混合物着火(自燃)特性,着火方式与机理,着火温度,热自燃过程分析,着火温度求解,谢苗诺夫公式,热自燃界限,热自燃的延迟期,点火的可燃界限,着火概念、方式和机理,谢苗诺夫热自燃理论, 链式反应理论,烃类空气混合着火特性,强迫着火 的两种理论,着火界限,谢苗诺夫热自燃理论,链式反应理论,燃烧过程两个阶段:着火阶段、燃烧阶段 着火的定义 着火过程是一种典型的受化学动力学控制的燃烧现象。,着火
2、:燃料与氧化剂分子混合后,从开始发生化学反 应,反应加速,温度升高达到激烈的燃烧反应之前的 一段过程。,3.1 着火过程及方式,一、着火的方式与机理 自然界中燃料的着火方式,自燃着火 (自燃) 强迫着火 (点燃或点火),把一定体积的混合气预热到某一温度在该 温度下,混合气的反应速率即自动加速, 急剧增大直到着火。 整体加热。,可燃混合气内的某一处用点火热源点着相 邻一层混合气,尔后燃烧波自动的传播到 混合气的其余部分。 局部加热。,自燃和点燃过程统称之为着火过程 。,Spontaneous ignition Self ignition autoignition,Forced ignition
3、Spark ignition,Local initiation of a flame that will propagate.,影响着火的因素 燃料性质 燃料与氧化剂的比例 环境压力及温度 气流速度 燃烧室尺寸等等。,化学动力学因素(本章分析的重点) 流体力学因素(燃烧阶段),自燃着火机理主要包括两种,热自燃机理反应物温度不断升高,反应加 快,直到着火,可用阿累尼乌斯定律和质量作 用定律解释。 链锁自燃机理链的分支使得活性中心迅速 增值,反应不断加快,直到着火。,实际燃烧过程中,不可能是纯粹的热自燃或链锁自燃存在,事实上,它们是同时存在而且是相互促进的。 一般来说,在高温下,热自燃是着火的主要
4、原因,而在低温时则支链反应是着火的主要原因。,( Thermal Spontaneous Ignition ),( Chain Spontaneous Ignition ),二着火的两大特征,着火温度:在该温度下,取决于导热性能的初始散失热量等于同样时间内因化学反应转化而形成的热量(Vanthoff)。热着火理论指出着火温度不是物质的一个专门性质,事实上它表示在正常化学过程中(可燃物和氧化剂之间的反应过程)放热的反作用的结果。 着火延迟期 :着火前的物理准备过程。(着火前的自动加热时间),Ignition Temperture,Ignition Delay Period,3.2 着火的热自燃理
5、论,一.热自燃过程分析,放热和散热过程 着火是反应放热因素和散热因素相互作用的结果。 放热散热:着火成功; 放热散热:着火失败。,着火热理论的发展,范特荷夫(VantHoff)提出基本思想,认为, 当反应系统与周围介质间热平衡破坏时就发 生着火。,利恰及利耶(Lechatelier)明确提出了着火 的临界条件:反应放热曲线与系统向环境散 热的散热曲线相切。,谢苗诺夫(Semonov)完成了数学上的描述。,谢苗诺夫的可燃混合气热自燃理论,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,其分子浓度为n(1/m3),容器的壁温为T0(K),容器内的可燃气体混合物正以速度wn(1/m3s
6、)在进行反应,化学反应后所放出的热量,一部分加热了气体混合物,使反应系统的温度提高,另一部分则通过容器壁而传给周围环境。,目标:求出放热速率q1、散热速率q2的数学表达式, 做出q1 、 q2随温度T的变化曲线,然后分析容器内 的放热和散热与温度T的关系,分析热自燃过程。,容器V内各处的混合物浓度及温度都相同。 在反应过程中,容器V内各处的反应速度都相同。 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差。 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。,假设, 研究过程随时间的变化,即非稳态分析方法。,The No
7、nstationary Solution,The Nonstationary Theory deals with the thermal balance of the whole reaction vessel and assumes the temperature to be the same at all points.,数学模型,The amount of heat evolved over the whole volume per unit time by the chemical reaction.,(2)代入(1),容器内可燃混合气化学反应的放热速率q1为 :,(3),q2 : T
8、he amount of heat carried away from the wall.,Heat transfer coefficient,系统的热平衡工况,第一种工况: q1与q2相交于两点 第二种工况: q1曲线与q2直线不相交也不相切 第三种工况: 是q1与q2相切,一般情况下,放热率q1曲线 和散热率q2曲线有两个交点, A点和C点。 A点稳定。当外界有微小扰 动 时,如T ,则 q2 q1 , 散热放热,T,回到A点; 当T ,q2 q1 , 散热放热, T ,回到A点。 A点温度低,称为熄灭状态。 C点不稳定。轻微扰动将使C 点失去平衡。 C点以下熄灭, C点以上着火。,q1与
9、q2 相交:,q1始终大于q2,一定能引起可燃混合气的着火。所以,这种工况是不稳定的。,q1与q2 相离:,B点是临界状态,也是不稳定的。只要环境介质温度略高于T0,则q1和q2就没有交点了,必然导致反应混合气的着火。,图中 B点为着火临界点 Tb为着火温度 T0为自燃温度 T0Tb之间的时间为着火 感应期,q1与q2 相切:,影响着火的因素 增加放热量q1 增加燃料浓度 增加燃料压力 增加燃料发热量 增加燃料活性,放热率曲线左移,在相同 温度下,燃料放热量增加, 着火温度降低,着火温度 降低,着火提前。,环境温度T0,环境温度升高,相当于散热曲线右移,散热率 曲线与放热率曲线的交点 C降低,
10、着火温度降 低,着火提前。,比表面积和散热系数 燃料粒径的大小 燃烧区周围的散热条件,燃料的比表面积越大,相当于散热面积越大,散热率增 加,燃料着火条件变差,着火温度上升,着火推迟;散 热系数越大,散热率越大,燃料着火条件变差,着火温 度上升,着火推迟。,结论:自燃温度T0显然与混合气的浓度(或压力)、反应级数v、活化能E和散热情况(aS)有关。可燃混合气的活性很强(即值小),则具有较低的自燃温度;散热条件加强时(即值增大),则自燃温度升高;可燃混合气的压力升高时,将使自燃温度降低。,自燃温度T0,二、着火温度求解,着火临界点B: (1)反应的放热速率与向环境介质的散热率相等; (2)放热率与
11、散热率对温度的导数值相等。 着火临界条件的数学描述:,TB对应的自燃温度为T0,解得TB:,化简得: 得到着火的条件: 物理意义:可燃混合气的温度如比容器壁过热时,即 时,将发生热自燃;反之,如 时, 则不会引起热自燃。,三、谢苗诺夫公式,问题的提出 已知混合气的初温和散热条件,如何预估着火时混合 气的临界压力(或浓度)?,对 做近似处理:,热自燃条件的表达式,问题的解决(谢苗诺夫公式 ),P取代n,系统的散热条件(a、S、V)和混合气的化学性能参数(E、Q、k0、v)已知,则根据上式有: 若给定n T0 ; 若给定T0 着火时混合气的临界浓度值n。,气体压力和自燃温度的关系式,也即为谢苗诺夫
12、公式,或称为热自燃界限方程:,谢苗诺夫公式的应用价值 对高温范围的着火规律而言,该公式在定性方面的解释相当合理的,在定量方面仍有一定的参考价值,可作为半经验公式来估算着火条件。 可用着火的临界条件来确定活化能。,四、热自燃界限,热自燃温度与压力的关系 P :T0 易热自燃 P : T0 不易热自燃,应用:内燃机在高原地区, 航空发动机在高空时着火 性能不好。,热自燃界限图,热自燃温度与混合气组分的关系,无论是均相气体燃料还是固体燃料,当周围介质温度T0达到一定值后,即出现热自燃着火,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
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