1、第七章 点火、可燃性和熄火,提 纲,7.1 基本概念1）着火概念2）着火条件和方式7.2 点火机理1）自然理论2）热自燃理论与着火3）熄火7.3 可燃极限7.4 最小点火能和淬熄距离,第一节 基本概念,1.着火概念（1）着火过程是从无反应状态向强烈反应状态 过渡的过程。（2）熄火是由强烈反应状态向无反应状态过渡的过程。（3）任何燃烧过程均由着火过程，稳定燃烧过程和熄火过程组成。（4）着火过程是燃烧过程的预备过程。它是一种典型的受化学动力学控制的燃烧现象。,燃烧过程分为三个阶段：（1）着火（化学反应加速的过程）（2）燃烧（剧烈的化学反应）（3）熄火（化学反应的减速过程）,2.着火条件（1）反应物
2、：必须配比合适，处于可燃浓度极限内。（2）温度（能量）：必须高到足以引起明显的化学反应或者热分解。（3）时间：经过一定的感应期。（4）湍流：湍流强度必须足够高，足以保证燃料和氧化剂能进行成分混合并且使热量从产物传递到反应物中去。,着火方式链锁自燃：燃料和氧化剂的混合物，在一定的温度和压力下，当其中活性中心的增殖率超过了它的衰减率，经过一段感应期以后（即活性中心积累的足够多时），就会使反应物着火。例如：内燃机燃料的提前爆发，矿瓦斯爆炸。热自燃：因自发的微量反应形成热的积累，而使温度升高，使反应加速而生成火焰。点燃（强迫点火）：外部施加能量使混合物局部区域受到加热而着火，然后，火焰向混合物的其余部
3、分传播，使整 个反应体系燃烧。,热自燃与点燃的区别与联系热自燃：整个混合气的温度较高，反应和着火是在容器的整个空间进行的。点燃：混合气的温度较低，混合气的部分气体受到高温点火源的加热而反应，而在混合气的大部分空间中其化学反应为零，其着火是在局部地区首先发生，然后向空间传播。点火=局部点燃（着火）+火焰传播热自燃和点燃的差别仅在于整体加热与局部加热的不同而已，着火机理相同。,第二节 点火机理,点火有两个基本机理：链锁机理和热机理。这两个机理代表两种极限情况，而在大部分实际情况下他们都是同时起作用的。但在某些情况下只有一种机理主导着点火过程。,1 链锁机理（电离理论）由于链的分支使活化中心迅速增加
4、，从而使反应速率剧烈升高导致着火。在这种情况下，温度增高固然能促使反应速率加快，但即使在等温情况下，亦会由于活化中心浓度的迅速增大而造成自发着火。,2.热机理火花放电能量（高温热源）对较小的混气团加热 至着火温度着火燃烧并且，混气团的火焰能够向周围混气传播总容量燃烧,实际燃烧过程中热机理和链锁机理常常是同时存在，互相促进的。一般而言，热自燃所需要的热量较多， 在高温高压下，热机理是主要原因，低温低压下链锁机理是主要原因。,着火的本质：化学反应速率急剧升高热自燃条件：反应生热大于放热热自燃理论认为：着火是反应生热因素和散热因素相互作用的结果。生热散热：有热积累，着火成功生热散热：无热积累，不成功
5、,3.着火的热理论（均匀热点火模型）,均匀热点火模型：气态燃料-氧化剂混合物的爆炸特性是用混合物的能量平衡来解释的。整个燃烧过程是放热的，它使气体温度上升，因为反应速率随温度的升高而升高，因此整个能量释放率呈增加趋势，结果使温度进一步升高，反应随之加速。,热自燃理论的基本思路可燃物质的反应能够放出热量，但同时又向外界散失热量，这二者之间有三种情况：（1）当反应释放的热量多于散失的热量，则反应物存在的空间热量得到积累，温度升高，反应加速以致形成热爆炸。（2）当反应释放的热量小于散失的热量，则无热积累，不能着火。（3）当释放的热量恰等于散失的热量时则反应处于慢速氧化状态。,热自燃理论模型：容器中混
6、气的热自燃示意图,热自燃理论简化假设（谢苗诺夫热自燃理论）（1）由一个体积为V表面积为S的容器。内部充满了温度为T3，密度为0的均匀可燃混气。（2）开始时混气的温度与外界环境温度一样，反应过程中，混气的温度为T3，并且随时间而变化。这时容器内的温度和浓度仍是均匀的。（3）容器壁的初始温度也为T3，在反应过程中始终与混气温度相同。（4）外界和容器壁之间有对流换热，对流换热系数为h，它不随温度变化是个定值。（5）设反应在形成着火前，由于反应速度很低，可不计反应物浓度因反应而引起的变化，即认为着火时浓度 0=i,系统的化学反应放（生）热量 通过器壁的散热量单位体积化学反应生热量 对流换热系数表面积体
7、积 反应过程中温度系统本身升温吸收热量：,系统的热平衡方程：,则系统的能量方程为：表示单位气体混合气在单位时间内反应放出的热 量，称为生热速率。表示单位气体混合气在单位时间内平均向外界散发的热量，称为散热速率。取决于阿累尼乌斯因子为T的线性函数，斜率 初始值：,取决于阿累尼乌斯因子为T的线性函数，斜率 初始值：,着火速率取决于生热速率与散热速率的相互关系及其随温度而增长的性质。分析 和 随温度的变化，就可以得出系统的着火特点，并导出着火的临界条件。着火临界点：A点：稳定点，对于一个反应速率很小的缓慢氧化工况。C点：非稳定点，两种发展方向，对热自燃而言不可能出现的工况。B点：临界工况。不稳定。,
8、A点稳定：（1）温度自A点下降，放热大于散热，温度回升恢复到A点。（2）温度自A点上升，放热小于散热，温度降低恢复到A点。C点不稳定：（1）温度自C点下降，散热大于放热，温度继续下降远离C点，最后达到A点。（2）温度自C点上升，放热大于散热，温度继续上升远离C点，反应越来越剧烈，温度进一步上升，导致混气着火。,可见 相切的情况是着火的临界状态，切点B称为着火点。,着火温度B点是释热曲线与散热曲线的切点,即为着火温度,可以看出TB有两个解。取等号右边两项相加所对应的TB 值很高，它位于 曲线上的拐点以上，实际上TB不可能如此高。所以我们可以不予考虑，只取TB较低的值。,即：对于典型碳氢燃料， 因
9、此，根号中把根号中各项按二项式展开，取前三项，可以写为：对于 有,熄火的有关概念对着火，熄火条件的定性分析:我们讨论生热率曲线 与排热率曲线 的相互关系，同样也有三种类型的趋势变化，如下图：2,3点稳定，1点不稳定；点2温度很低，只是缓慢燃烧，点3是稳定的燃烧；C点是熄火点，B点是着火点。,曲线（a）表示初温 变化对排热曲线的影响，当 时， 右移，但斜率不变。当 增加到 时，与 曲线有一个切点B和4，切点B为着火点，此时系统受干扰温度上升一点，使工况转向工况4，这就是从热自燃到稳定燃烧的转变。,曲线（b）表示混气在燃烧室里停留时间 或燃烧所需时间 对生热曲线 的影响， 时，燃烧越接近完善，因而
10、生热量增加， 左移；或左移。,曲线（c）表示混气排热系数对排热率 的影响，当 时， 的斜率 。与前类似，先分析 （或h）及 不变时，初温改变对着火，熄火的影响。,二.有关着火，熄火的结论：由以上分析可知，燃烧系统的熄火比着火要在更不利的条件下才会发生，即熄火过程带有滞后性。（这可从各自的初始条件分析，着火，初始条件差，故要求高；熄火，初始条件好，故要求低。）亦即着火时，所要求初温，停留时间（与流速有关），均要大于熄火时的，而其排热系数要小于熄火时的。总之，混气的初温，浓度，流速和混气性质对着火和熄火都有影响。初温较高，浓度接近于化学恰当比，混气流速低或活化能小均会使着火过程容易实现，亦即有利于
11、稳定燃烧；而熄火则发生在初温较低（比着火温度低），浓度偏离化学恰当比，流速较高的情况下。,第三节 可燃极限,1.可燃性燃料与氧化剂的混合物在点火的情况下，如果会产生自持的燃烧波，（爆燃波或爆震波）或者爆炸（均匀燃烧），那么就称其具有可燃性。混合物的可燃性取决于点火源和容器特定的几何外形。 2.可燃极限在一定的温度或压力条件下，并不是所有混合气成分都能够着火，而是存在着一定的浓度范围，超出这个范围，混合气就不可能着火。,如果取 常数，可以得到 与混合气的关系（左下），如果取 常数，可以得到着火温度与混合气成分的关系（右下）。燃料/氧化剂混合物中温度和压力可燃极限随当量比变化的典型曲线,在上图中，
12、只有在一定的浓度范围内可燃混合气才可能着火。我们把可燃物含量大的称为上限（或富限），可燃物含量小的称为下限（或贫限）。这就是着火或自燃的浓度界限。燃料/氧化剂混合物中温度和压力可燃极限随当量比变化的典型曲线,从图中可以看出，当温度或压力降低时，着火温度缩小，当压力或温度下降到某一数值时，着火界限缩成一点，如果压力或温度继续降低，任何混合气成分都不能着火。燃料/氧化剂混合物中温度和压力可燃极限随当量比变化的典型曲线,可燃边界 取决于反应容器的尺寸，点火源的能量，火焰传播的方向（向上，向下，水平），压力，温度和混合物中稀释气体的量和性质。右图为甲烷-空气混合物的可燃下（贫）跟随着火焰传播方向而变化
13、的情况。最低的边界对应于向上传播的情形，这是通常所说的低限。,右图显示了，在低于大气压力下，压力对甲烷-空气混合物的可燃边界的影响。对于给定的燃料浓度和未燃气体温度，显然存在一个最低压力，在其下，混合物不可燃。这个最低压力出现在混合物浓度接近于化学恰当比时。图中也显示了随着未燃气体温度的升高，可燃边界是不断扩大的。,下图显示了，在大于大气压力下，压力对甲烷-空气混合物可燃边界的影响。增加压力促使边界扩大，尤其对富燃极限影响明显。,下图显示了未燃气体温度对甲烷-空气可燃边界的影响。随着温度的降低，可燃物上下燃烧边界间的宽度也减小。也存在一个最低温度，在其下，甲烷-空气混合物不能燃烧，虽然图中并未
14、显示这一点。这个最小温度的值取决于反应容器的大小和点火源的强度。,常见燃料氧化剂混合物在标准温度和压力下的可燃界限,可燃界限可以和反应混合物的反应热联系起来，图中LFL是贫油极限，RFL是富油极限。,贫油可燃边界的关系线可用以下公式表示：这个结果可以用来推导多种燃料组成的混合物的贫油可燃边界的表达式：式中： 为某种燃料i在燃料混合物中的摩尔分数。因此：,由于： 则公式（7.1）可以用于估计某种燃料混合物的贫油可燃界限。根据上式不难得到以下几点结果：（1）在贫油可燃界限处各种燃料混合物具有近似相同的反应热：由由于在贫油可燃界限处燃料混合物的定压比热非常接近空气的定压比热，另外 因此上式变为：,（
15、2）在贫油可燃边界处，燃料混合物的燃烧温度近似相同。利用PER软件，可以算出：由上表可见：,（3）由于当温度一定时，氧气和氮气的定压比热近似相等，所以对于各种碳氢燃料，在氧气可在空气中的贫油可燃边界（以摩尔分数表示）近似相同由于 故此结论适用于各种配比的 系统。,对于某种混合物，氧气与氮气比例是一定的（例如空气），这时贫油可燃边界处的当量比 近似相同。,【7.1】 在标准状态下，乙烷/空气混合物的贫油可燃极限 xLFL=0.03，在当量比为1时，需要提供多少摩尔的稀释氮气，就会使得可燃物达到贫油可燃极限？解：由推论3得，乙烷/空气的化学反应为所以,【7.2】甲烷与空气在可燃贫油极限的当量比是0
16、.55，试求甲烷与氧气在可燃贫油极限的当量比。解：在贫油可燃极限的当量比为0.55，则此时甲烷/空气的化学反应为设甲烷与氧气在贫油可燃极限的当量比为 则此时甲烷/氧气的化学反应为,因为所以故所以甲烷与氧气在贫油可燃极限的当量比,第四节 最小点火能量与淬熄距离,由电容放电产生的火花穿过气体火花能量，等于一直增加直到点火发生。,最小点火能量实验表明，当电极间隙内的混合气压力，温度，混合比一定时，要想形成初始火焰中心，电极能量必须有一最小值。放电能量大于此最小值，初始火焰就能形成。这个必须的放电能量就是所谓的最小点火能量。可燃混合气的混合比，压力，初温等都不同程度的影响最小点火能量。汽油的最小点火能
17、量为0.2mJ，乙醚为0.19mJ，甲醇为0.215mJ，丙烯为0.282mJ，丙烷为0.305mJ。,最小点火能量：能将一个最小混气团点着，并能使这个混气团的火焰在主燃区传播所需的火花能量。半经验公式：起始球面火花微团的表面积，火焰传播的临界直径，这里认定它等于熄火距离，未燃混气的导热系数，层流火焰传播速度，已燃气体温度，混气初始温度，,最小点火能量与当量比的关系,熄火（淬熄）距离：实验还表明，当其他条件给定时，混合气所需的能量与电极间隙距离有关。当电极距离小于熄火距离时，则无论多大的火花能量都不能使混合气点燃。这是因为，当间隙太小时，受电极的散热作用影响太强，使初始火焰的形成和传播发生困难
18、。淬熄距离 当管径或容器尺寸小到某个临界值时，由于火焰单位容积的散热量太大，生热量不足，火焰便不能传播。这个临界管径，叫淬熄距离周围混气能否点着，在于小混气团的发热率是否大于散热率。这个小混气团的大小和它具有的能量对点火有决定性的意义。,火焰在管中淬熄的原因:一是管径太小，火焰区单位容积的表面积增大，因而通过管壁的散热率增大。二是管径减小，火焰传播时活性中间产物碰壁销毁的几率增大。淬熄距离的应用：（1）航空发动机燃烧室联焰管；（2）乙炔焊枪安装防回火网。,点火性能准则：点火性能准则I代表点火时点火器附近的混气中生热率与散热率之比。I值高，则认为点火性能好。点火性能准则参数：燃烧室最大横截面积；
19、燃烧室空气流量；总点火能量中的有效部分；火焰筒的压力损失系数，它反映火焰筒内紊流强度，它越大，则气流在火焰筒内流速越大，紊流强度越大；动压头。,对点火有利流速增加，对点火不利。点火性能准则参数I，使它与燃烧室尺寸，压力损失系数，压力，温度，流量及点火能量关联起来，它对于任何给定的燃料-空气比都适用。,点火过程的影响因素1.燃料的物理化学性质挥发性越大，表面张力越小，可燃混合物就越易形成，火焰就容易传播。2.燃料的雾化程度和分布特性只有雾化较细的燃料才能及时的蒸发称为燃料蒸汽，进而与空气混合称为容易点燃的可燃混合物。3.燃料与空气的混合比,4.点火区域内可燃混合物的压力和温度当压力大于 温度越高越容易向外传播。5.可燃混合物的流动速度流动速度越高，点火起燃就越困难。6.联焰管的尺寸和安装位置联焰管应粗而短，以求减少热量损失，应置于回流区上游方向燃气温度最高的地方。,
