第4章--著火與滅火理論

1、燃燒學(xué),主編,4.1　著火與滅火的基本概念4.2　謝苗諾夫熱自燃理論4.3　強迫著火4.4　開口系統(tǒng)的著火和滅火分析4.5　鏈鎖反應(yīng)自燃理論4.6　鏈鎖理論的滅火分析,第4章 著火與滅火理論,4.1　著火與滅火的基本概念,(1)著火。(2)熱自燃。(3)鏈鎖自燃。(4)強迫著火(點燃或稱引燃)。(5)滅火。(6)著火條件。,(1)著火。,燃燒反應(yīng)的一個重要的外部標志，指預(yù)混氣自動反應(yīng)加速并自動升溫，以致引

2、起空間某部分或某瞬間有火焰出現(xiàn)的過程，即由空間的這一部分到那一部分，或由時間的某瞬間到另一瞬間化學(xué)反應(yīng)的作用在數(shù)量上有躍變的現(xiàn)象。影響著火的因素包括化學(xué)動力學(xué)因素和流體力學(xué)因素。,(2)熱自燃。,在可燃混合物的著火過程中，主要依靠熱量的不斷積累而自行升溫，最終達到劇烈的反應(yīng)速度的自燃。,(3)鏈鎖自燃。,可燃混合物的著火過程，主要依靠鏈鎖分支不斷積累自由基(活化分子)，最終達到劇烈的反應(yīng)速度的自燃。,(4)強迫著火(點燃或稱引燃)。,可

3、燃物局部受高溫熱源(電熱線圈、電火花、熾熱質(zhì)點、點火火焰等)加熱而著火、燃燒，然后依靠燃燒波傳播到整個可燃混合物中。簡言之：火焰的局部引發(fā)及其相繼的傳播。,(5)滅火。,由于散熱、做功等因素將能量或自由基從燃燒區(qū)域移走，使反應(yīng)不能自持，由燃燒態(tài)向低溫緩慢氧化態(tài)過渡，使燃燒中斷。,(6)著火條件。,如果在一定的初始條件(閉口系統(tǒng))或邊界條件(開口系統(tǒng))之下，系統(tǒng)將不能在整個時間區(qū)段內(nèi)或空間區(qū)段內(nèi)保持低溫水平的緩慢反應(yīng)態(tài)，而會出現(xiàn)一個劇烈加

4、速的過渡過程，使整個系統(tǒng)在某個瞬間或空間某部分達到高溫反應(yīng)態(tài)(即燃燒態(tài))，實現(xiàn)這個過渡過程的初始條件或邊界條件便稱為“著火條件”。對于給定的可燃混合氣體，在閉口系統(tǒng)條件下，其著火條件可表示為：（4-1）在開口系統(tǒng)條件下，著火的臨界邊界條件經(jīng)常用著火距離xi表示，這時著火條件可表示為：（4-2）,4.2　謝苗諾夫熱自燃理論,4.2.1　熱自燃理論的基本出發(fā)點4.2.2　謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法4.2.3　著火

5、感應(yīng)期4.2.4　著火界限4.2.5　謝苗諾夫自燃理論的適用性,4.2.1　熱自燃理論的基本出發(fā)點,任何反應(yīng)體系中的可燃混合氣體，一方面進行著放熱的氧化反應(yīng)，反應(yīng)的放熱使預(yù)混氣溫度升高，溫度的升高又會促進反應(yīng)加速，因而化學(xué)反應(yīng)的放熱速度和放熱量是促進著火的有利因素。另一方面，體系又會向環(huán)境散熱，使體系溫度下降，因此散熱是阻礙著火的不利因素。,4.2.2　謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法,(1)初始的混合氣體溫度和容器壁溫T

6、0相同，在反應(yīng)過程中，容器壁溫T0及外界環(huán)境溫度始終保持不變，而混合氣體的瞬時溫度為T，容器壁溫與混合氣溫度相同。(2)容器內(nèi)各點的溫度、濃度和化學(xué)反應(yīng)速度相同。(3)混合氣體與容器壁之間有對流換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h，它不隨溫度的改變而變化。(4)在著火溫度附近，由于反應(yīng)所引起的可燃混合氣的濃度變化忽略不計。,4.2.2　謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法,單位時間內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量qr為：（4-3）單位時間內(nèi)容器

7、壁的散熱量ql為：(4-4)系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)在產(chǎn)生熱量的同時通過容器壁散失熱量，總的能量守恒方程為：(4-5),圖4?-?1　與隨溫度變化曲線,4.2.2　謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法,,4.2.2　謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法,(1)當散熱強度(hS)較大，如圖4?-?2中的ql1，qr與ql1曲線交于點a和點b。(2)當散熱強度(hS)較小，如圖4?-?2中的ql3，qr與ql3曲線相離。(3)

8、當散熱曲線為ql2，qr與ql2曲線相切。,4.2.2　謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法,根據(jù)以上分析，謝苗諾夫給出了熱力著火臨界條件的數(shù)學(xué)表達式：(4-6)(4-7)(4-8)(4-9)(4-10),4.2.2　謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法,,4.2.2　謝苗諾夫(Simonov)熱自燃理論分析法,(4-11)(4-12)(4-13)(4-14)(4-15),4.2.3　著火感

9、應(yīng)期,圖4?-?3　與隨外界溫度變化曲線(不同環(huán)境溫度),4.2.3　著火感應(yīng)期,4.2.4　著火界限,(4-16)(4-17)(4-18)(4-19)(4-20),4.2.4　著火界限,(4-21)(4-22)(4-23)(4-24)(4-25),4.2.4　著火界限,圖4?-?5　著火界限,4.2.4　著火界限,4.2.4　著火界限,圖4?-?7　自燃溫度與混合氣體成分關(guān)系,4.2.4　著火界限

10、,4.2.5　謝苗諾夫自燃理論的適用性,圖4?-?9　自動加熱體系內(nèi)的溫度分布示意圖a)謝苗諾夫模型　b)弗蘭克-卡門涅茨基模型,4.3　強迫著火,4.3.1　熾熱物體點燃理論——零值邊界梯度法4.3.2　熱平板點燃理論4.3.3　電火花點燃,4.3.1　熾熱物體點燃理論——零值邊界梯度法,圖4?-?10　熾熱體邊界層內(nèi)溫度分布示意圖,4.3.1　熾熱物體點燃理論——零值邊界梯度法,熾熱體附近可燃物的溫度梯度等于零時是點火成功的臨

11、界條件，其數(shù)學(xué)表達式為：（4-26）,4.3.2　熱平板點燃理論,圖4?-?11　熾熱平板點燃過程示意圖,4.3.2　熱平板點燃理論,(4-27)(4-28)(4-29)(4-30)(4-31),4.3.2　熱平板點燃理論,(4-32)(4-33)(4-34)(4-35)(4-36),4.3.3　電火花點燃,1.電火花點燃過程2. Williams點火熄火準則3.最小點火能與電極熄火距離

12、4.電火花點燃簡化分析,1.電火花點燃過程,電火花點燃是工程中應(yīng)用最普遍的一種點燃方式。電火花點燃過程大體可以分為兩個階段：①電火花加熱混合氣體使局部混合氣體著火，形成初始火焰中心；②初始火焰中心向未燃混合氣體傳播，通過導(dǎo)熱和對流作用使整個混合氣體燃燒。電容電火花的放電能量為：(4-37),2. Williams點火熄火準則,準則1：當可燃氣體中加入足夠多的能量，使得和穩(wěn)定傳播的層流火焰一樣厚的一層氣體的溫度升高到絕熱火焰溫度，才能

13、點燃。準則 2：板形區(qū)域內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的熱釋放速率必須近似平衡于通過熱傳導(dǎo)方式從這個區(qū)域散熱的速率。,3.最小點火能與電極熄火距離,實驗表明，當電極間可燃混合氣體的混氣比、溫度、壓力一定時，電極放電能量有一最小值Emin，只有當放電量E＞Emin才能點燃可燃混合氣體，這個最小放電能量稱為最小點火能Emin。,圖4?-?12　點燃最小能量與電極熄火距離,3.最小點火能與電極熄火距離,4.電火花點燃簡化分析,1)電火花加熱區(qū)是球形，球形火花的

14、最高溫度是混合氣體的理論燃燒溫度Tm，從球心到球壁上溫度分布均勻。2)電極間距足夠大，忽略電極的熄火作用。3)反應(yīng)為二級反應(yīng)。4)電火花點燃混合氣體完全是熱的作用。,,4.電火花點燃簡化分析,,4.電火花點燃簡化分析,(4-38)(4-39)(4-40)(4-41)(4-42),,4.電火花點燃簡化分析,(4-43)(4-44)(4-45)(4-46)(4-47)（4-48）,圖4?-?14　初溫

15、對最小點火能量的影響,4.電火花點燃簡化分析,4.電火花點燃簡化分析,4.4　開口系統(tǒng)的著火和滅火分析,4.4.1　簡單開口系統(tǒng)模型4.4.2　簡單開口系統(tǒng)的熱量平衡和質(zhì)量平衡4.4.3　簡單系統(tǒng)的放熱與散熱曲線及滅火分析,4.4.1　簡單開口系統(tǒng)模型,(1)混合氣體的進口溫度和質(zhì)量分數(shù)分別為T0和f0。(2)容器中發(fā)生反應(yīng)的混合氣體的溫度T和質(zhì)量分數(shù)f分布均勻。(3)容器出口排出的燃燒產(chǎn)物的溫度和濃度也是T和f。(4)開口系

16、統(tǒng)的質(zhì)量流量為G。(5)容器壁是絕熱的。(6)反應(yīng)為一級反應(yīng)。,4.4.1　簡單開口系統(tǒng)模型,圖4?-?16　簡單開口系統(tǒng)模型,4.4.2　簡單開口系統(tǒng)的熱量平衡和質(zhì)量平衡,,(4-49)(4-50)(4-51)(4-52)(4-53)（4-54）,4.4.2　簡單開口系統(tǒng)的熱量平衡和質(zhì)量平衡,,(4-55)(4-56)(4-57)(4-58)(4-59),4.4.3　簡單系統(tǒng)的放熱與散熱曲線及滅火

17、分析,圖4?-?17　混氣濃度變化時的放熱曲線和散熱曲線,4.4.3　簡單系統(tǒng)的放熱與散熱曲線及滅火分析,圖4?-?18　系統(tǒng)散熱條件對系統(tǒng)滅火的影響,4.4.3　簡單系統(tǒng)的放熱與散熱曲線及滅火分析,,4.4.3　簡單系統(tǒng)的放熱與散熱曲線及滅火分析,(4-60)(4-61)(4-62),4.4.3　簡單系統(tǒng)的放熱與散熱曲線及滅火分析,綜上分析可知，為使已著火的系統(tǒng)滅火，可采取以下措施：(1)降低系統(tǒng)氧或可燃氣含量。(2)

18、降低系統(tǒng)環(huán)境溫度，使其低于滅火條件相對應(yīng)的環(huán)境溫度。(3)改善系統(tǒng)的散熱條件，使其超過滅火的臨界散熱條件，使系統(tǒng)產(chǎn)生熱量盡快散發(fā)出去。,4.5　鏈鎖反應(yīng)自燃理論,4.5.1　鏈鎖反應(yīng)著火條件4.5.2　鏈鎖反應(yīng)著火極限,4.5　鏈鎖反應(yīng)自燃理論,圖4?-?20　1.8%乙烷和空氣的著火界限,4.5.1　鏈鎖反應(yīng)著火條件,1.著火條件2.著火感應(yīng)期,1.著火條件,圖4?-?21　不同φ值鏈鎖反應(yīng)速度隨時間的變化,1.著火條件,(4-

19、63)(4-64)(4-65)(4-66)(4-67),1.著火條件,(4-68)(4-69) (4-70),2.著火感應(yīng)期,(4-71)(4-72)（4-73）,4.5.2　鏈鎖反應(yīng)著火極限,圖4?-?22　氫-氧化學(xué)計量混合物的爆炸極限,4.6　鏈鎖理論的滅火分析,4.6.1　基于鏈鎖理論的滅火措施4.6.2　熱氣溶膠的滅火機理,4.6.1　基于鏈鎖理論的滅火措施,1.降低系統(tǒng)溫度，以減慢鏈分支速

20、度2.增大鏈的中斷速度，提高自由基消毀速度,1.降低系統(tǒng)溫度，以減慢鏈分支速度,在鏈傳遞過程中，由鏈分支產(chǎn)生自由基是一個分解過程，需要吸收能量，溫度越低，鏈分支速度越小，產(chǎn)生自由基的數(shù)目越少。,2.增大鏈的中斷速度，提高自由基消毀速度,(1)增加自由基固相銷毀速度，可增加容器壁比表面積，以提供更多的表面積(器壁)，或在著火系統(tǒng)中加入惰性固體顆粒，如砂子、粉末滅火劑等，這些方式可增加自由基與器壁或固體顆粒表面的碰撞機會。(2)增加自由

21、基氣相銷毀速度，可在著火系統(tǒng)中噴灑鹵代烷等滅火劑，也可以促進鏈終止。(3)提高反應(yīng)系統(tǒng)中的氣體壓力，在較高壓力下，兩個活性中心與第三者物體碰撞的機會增多，促進鏈終止。,4.6.2　熱氣溶膠的滅火機理,1.氣相化學(xué)抑制滅火機理2.固相化學(xué)抑制滅火機理,1.氣相化學(xué)抑制滅火機理,氣溶膠滅火劑發(fā)生劑通過吸熱反應(yīng)以后，氣溶膠固體微粒分解出來的K能夠以兩種形式存在，一是以蒸氣形式存在，二是失去電子以陽離子的形式存在。,2.固相化學(xué)抑制滅火機理