燃烧学－着火的理论基础.ppt

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：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 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)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 Nonstationary 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 : The 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，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，其自燃温度也不相同。,着火浓度界限（P =定植）,只有xA1xA2的浓度范围内混合气才可能着火。 xA2浓限（富油）； xA1稀限(贫油)。,着火浓度界限（T0 =定植）,着火的可燃界限：P=定值，得出着火温度与混合气 成分的关系；T0 =定值，得出 临界压力与混合气成 分的关系。,当压力（或温度）下降时，则可燃界限缩小，当压力（或温度）下降到某一值时，则可燃界限缩小成一点，当压力（或温度）再继续下降，则任何混合气成分都不能着火。,几种可燃气体的着火范围,着火的临界压力与容器尺寸的关系,结论：增大容器的尺寸，可以降低着火临界压力。 应用：高原地区不宜用小尺寸的燃烧室 。,T0及其余参数不变,PD=定值,定值,球形容器，1,容器体积对热自燃着火过程的影响,五、热自燃的延迟期 ig,由T0自动升高到着火温度TB需要一定的时间，这段着 火前的自动加热时间称为热自燃感应期或着火延迟期。,着火过程中的温度变化曲线,图3-2 系统的热平衡工况,曲线：初温低于T0的工况。 曲线：初温恰好等于T0的临界状况。 曲线、：初温高于T0的工况。,曲线：初温低于T0的工况。最后稳定于A工况，温度 逐渐趋近于TA，不能自燃； 曲线：初温恰好等于T0的临界状况。以着火温度TB为 极限，着火延迟期是无限长的。 曲线、：初温高于T0的工况。在系统温度达到TB之前，虽然dT/dt0 , 但 是因为d2T/dt2 0，温度变化是减速缓慢 升 高的，即曲线上凸。在T= TB时, dT/dt 减为最小值， d2T/dt2 =0，曲线出现拐点。经过拐点以后， dT/dt增大很快，故 d2T/dt2 0，温度加速上升，曲线上凹。我们规定这个拐点出现的时间（温度达到TB）为着火延迟期。,绝热工况下的着火延迟期： 结论：着火延迟期随混合气压力和自燃温度（初温）的升高而缩短。因此，在燃烧室内提高混合气的压力和温度都会缩短燃烧自燃的着火延迟期，从而有利于混合气的着火。,作业： 3-1 作图分析自燃温度T0跟哪些因素有关？ 3-2 由着火的热自燃界限图分析着火浓度界限与可燃混合物压力、温度及器壁散热条件体积（ ）之间的关系。 P62：2、3,3.3 着火的链式反应理论,一、链反应速度 链反应速度 ：,n0单位时间单位体积内链引发的主要反应的数目 使得链的传播能连续进行的数学概率 1 这一基元过程中终断了的链的概率 。,链的平均长度：,( Chain Spontaneous Ignition ),讨论： 0，=1：不是链引起的，而是一个简单反应； 0 1：链的分支 ，引起爆炸。,链分支系数,【链分支的情况下，上述三个关系式不适用，也就是对 1 将得到与某一个固定的链长相对应的反应速度，但为负值，毫 无物理意义。在这种情况下涉及到链中断的概率，即在第一关 系式中应该用-代替】,着火条件：,或,二、链反应的发展过程,活性中心浓度的变化速度 ：,活化中心 浓度的变 化速度,令 ：,f 为链进展的动力学系数 g 为链中断的动力学系数 （f 、g分别与温度，活化能以及其他因素有关）,用Lagrange法积分得：,fg ,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或0 ，活化中心浓度迅速增大，引起自燃。,当链反应进行是具有较高的活性中心初始浓度 ，且为c0时，链支化反应总速度：,若 ：,记为：,(在 时间内，所有活性中心都参与反应。）,三、链自燃的延迟期,链式着火的条件：,着火临界遏制速度值,如果假设经过一段时间（诱导期或习惯上叫着火延迟期）反应速度达到临界值， 则：, 谢苗诺夫从理论上推导出的链自燃着火延迟期,四、烃类空气混合物着火（自燃）特性,1. 图3-7中戊烷空气混合物着火极限值的特点是什么？ 2. 解释图3-8中T-P座标上石蜡烃着火(自动着火)的过程？冷焰、兰焰、热焰的概念与在着火过程中的产生时间与条件？ 3. 完全着火延迟期包括哪几部分时间延迟？,结论：烃类混合物着火存在二个着火(自动着火）区域， 在这二区域之间，着火是不可能的。,烃类混合物的着火极限值,对于一定压力，混合物在290 300范围内，可能着火，随着温 度升高，着火停止 ，直到490以 上又会着火。 每一个组成对应有一个临界压力， 在该压力下 ，着火温度突然下降 近200。 随着组成含量的减少，临界压力 升高。,分析：,烷一空气混合物着火极限值,在t-p座标下石蜡烃着火(自动着火)的范围,在A-1-2线以上：自动着火具有连续单级的特点。 在曲线2-1-B-C-D范围：自动着火为多级的，即通过一连串不同的化学阶段着火。 在1-3-C-B围成的范围：不发生链-热自动着火，而认为有冷焰存在。,空气烃类混合物多级着火过程,高温下：单级着火，点状着火。 低温下：多级着火，容积着火。 多级着火：包括了一连串 的火焰（冷焰、兰焰、热 焰），在每一种火焰中完 成了原始烃类的某一化学 转化：在冷焰中，一般形 成甲醛，在兰焰中形成CO， 而在热焰中生成最终产物。,多级着火的P-T 关系,空气烃类混合物多级着火延迟期的计算,其中 1、2、3 分别代表冷焰、兰焰和热焰 冷焰着火延迟期： 热焰着火延迟期： 和压力、温度的关系比较复杂,多级着火中，冷焰、兰焰、热焰产生时间和条件 产生时间：先冷焰，再兰焰，最后出现热焰 产生条件：为产生冷焰，混合物的浓度剂量要很高，对于兰焰则混合物的浓度略高于化学计量比例，而热焰的最优发展条件是按化学计量值。,得出：在均相混合物中不可能形成着火级的最优条件， 因而着火延迟大于非均相的情况。,3.4 强迫着火（点燃）,工程上的燃料着火的方式通常为强迫着火，即点燃。,一、强迫着火过程 概念 用炽热的高温物体使混合气的一小部分着火， 形成局部的火焰核心；然后这个火焰核心再把邻近 的混合气点燃。这样逐层依次地引起火焰的传播从 而使整个混合气燃烧起来。,( Forced Ignition ),强迫着火和自燃着火的区别： 强迫着火是局部加热，自燃着火是整体加热； 点火温度一般要比自燃温度高得多 ； 点燃过程要比自燃过程复杂得多 。,二、常用点火方法,电火花或电弧点火 工程上常用，用于流速较低、易燃的混合气中，如一般的汽油发动机。 炽热物体点火 常用金属板、柱、丝或球作为电阻，通以电流使其炽热；亦有用热辐射加热耐火砖或陶瓷棒等形成各种炽热物体在可燃混合气中进行点火。 火焰点火 常用于锅炉、燃气轮机燃烧室中的点火。最大优点就在于具有较大的点火能量。,基本原理：使混合气的局部受到外来的热作用而使之 着火燃烧。,( Spark Ignition ),三. 炽热物体点火,对于不可燃气体，当有炽热物体靠近时，只带来边界处温升，没有燃烧放热带来的温升； 对于可燃气体，当有炽热物体靠近时，既有温差带来的温升，又有燃烧带来的温升； 靠近壁面处，Tw = T，反应快，放热多，T高； 远离壁面处： 传热少，温升小； 温度低，燃烧反应慢，温升小。,四、电火花点火,两种理论,热理论（热机理） 较高压力 电理论 (链锁机理） 低压力,实验表明，以上两种机理并不矛盾，而是同时存在的。,The spark is replaced by a point heat source, which releases a quantity of heat.,电火花点火的特点 能量不大，但瞬间在小范围内产生高温 。,电火花点火后在空间产生的温度分布与变化,电火花点火方法 将两电极之间的空隙所产生的电火花或电弧作为外加热源，使附近可燃混合物温度升高和活性分子浓度增加而点燃。,(a),(b),研究电火花点火的电极 (a) 无法兰的电极 (b)有法兰的电极,圆形玻璃法兰,dq淬熄距离（Quenching distance) Emin临界点火能 （最小点火能 ）minimum ignition energy,电火花点火原理,点火能随电极距离的变化关系 (a) 最小点火能和熄火距离 （b）电极法兰直径的影响,Emin和dq主要与混合气的物理化学性质、压力、速度和温度有关，而与电极几何形状及材料的关系较少。 Emin和dq表征不同混合气的着火性能。,ddq ：随d的增加，点火能E不断减少，开始减少很快，然后变慢，达到最小值以后，进一步增加d又会使其增加； EEmin：对任何电极距离，混合物均不能着火； 只有E -d曲线以上才有可能着火； 随电极法兰直径的增加，着火区域缩小；,试验得出：EminKdq2 Emin 和dq随过量空气系数而变化 接近化学计量比组 成的混合气，最小 点火能和淬熄距离 为最小； 随碳氢化合物分子 量的增加，着火区 域及最小点火能量 的极限值均向燃料 较浓一侧偏移； 最小点火能与混合 气气流流速有关。,最小点能和淬熄距离随过量空气系数的变化关系 1-甲烷 2-乙烷 3-丙烷 4-庚烷,五、点火的可燃界限,混合比对最小点火能的影响,点火存在着一定的浓度界限和 压力极限。 混合气的组成为（或接近）化学计 量比时， Emin最小； 混合气变得较稀或较浓， Emin 开始 缓慢增加，然后陡然升高； 混合气存在一浓度界限x1和x2 ，只 有浓度在x1x2范围内才可能着火， 小于x1或大于x2 ，即非常稀或非常 浓时，在任何Emin下也无法着火。,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,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,