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第7章着火与熄火
中国科学技术大学
热科学和能源工程系
林其钊
2005年4月
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•§7-1 引言
•两种稳定的反应工况
–无化学反应
•液滴的蒸发
•无火焰的自由射流
•流动过程
–有强烈反应放热的工况
•预混火焰(汽油机内的燃烧过程\ 火焰传播过程)
•扩散火焰(射流火焰\液滴的燃烧过程\本生灯)
•本章将讨论两种工况之间的过渡状况
–着火过程
•从无化学反应向稳定的强烈放热反应状态的过渡
–熄火过程
•从强烈放热反应向无反应状况的过渡
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•工业燃烧设备:
•要求启动迅速—着火过程可靠,可靠地点燃燃料并形
成稳定的燃烧工况
–汽车的加速性是衡量轿车的指标之一
–鱼雷\火箭\飞机等工况的稳定
•燃烧工况一旦建立,要求在工作条件发生变化时,火
焰仍能保持稳定而不熄火
–汽车上坡
–电站负荷变化
•防止燃烧的发生\燃烧一旦发生要使之快速熄灭
–火灾\消防灭火
–矿井的瓦斯爆炸
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•三类着火方式
•化学自燃:通常不需要外部加热,而是在常温下依靠
自身的化学反应发生的。例如:
–金属钠在空气中的自燃
–烟煤因长期堆积通风不好而自燃
–草垛的自燃
•热自燃:如果将燃料和氧化剂混合物迅速而均匀地加
热,当化合物被加热到某一温度时便着火,这时是在
混合气的整个容器中着火的,例:
–柴油机气缸中燃料的着火
•点燃:电火花\电弧\热板等高温源使混合气局部地区受
到强烈地加热而首先着火\燃烧,随后这部分已燃的火
焰传播到整个反应体系的空间
–汽油机中的着火方式
–工业锅炉等多数工业设备
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•三种着火方式之间的关系
•第1种方式与第2种方式:
–第1种与第2种方式中都既有化学反应的作用,又有热的作用
–第2种方式所需要的热量较多,反应活性不如第1种方式
–第1种方式也需要积累热量才能达到着火,只是它不象第2种
方式那样需要外界热量而已
•第2种方式与第3种方式:
–第2种方式与第3种方式的差别只是整体加热与局部加热的不
同而已
•重要的是了解各种着火方式的实质,不必拘泥于名词
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•影响着火与熄火过程的因素
•化学动力学因素
–燃料的性质\燃料与氧化剂的成分\环境压力
及温度\等
•流体力学因素
–气流速度\燃烧室尺寸\粘性系数\等
•着火与熄火过程就是这两种因素相互作
用的结果
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•§7-2 热自燃理论
•容积为V的容器,充满均匀的可燃气体混合物,浓度为
Yi,容器的壁面温度为T0,容器内可燃气体混合物以速
度w 进行反应
•化学反应所放出的热量:
–一部分加热可燃气体,使系统温度升高
–另一部分,则通过容器壁传给周围环境
•谢苗诺夫采用零维方案,即不考虑容器内的温度\反应
物浓度等参数的分布,而是把整个容器内的各参数按
平均值来计算,即假定:
–(1)容器V 内各处的混合物浓度及温度都相同
–(2)在反应过程中,反应速度都相同
–(3)容器的壁温T0及外界环境的温度T∞在反应过程中保持不
变,而决定传热强度的温差就是壁面和混合物之间的温差
–(4)在着火温度附近,由于反应所引起的可燃气体混合物浓
度的改变可忽略不计
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根据以上假设,能量方程可以简化为:
dT hF
ρ c = Q w −(T −T ) = q − q
∞ p dt i i V ∞ G L (1)
•式中 qG表示容器中单位体积混合气在单位时间内反应
放出的热量,称为放热速度(或放热速率)
• qL是单位时间内按单位体积平均的混合气向外界环境
散发的热量,称为散热速度(或散热速率)
•谢苗诺夫指出:
–着火能否发生,在本质上取决于放热速度qG与散热
速度qL的相互作用,及其随温度增长的程度
T
T
•分析qG与qL随温度变化的相互关
T T0=T∞ t=0
∞ T∞系,就能够看出系统着火的特点,
d 并可以导出着火的临界条件
预混气
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图1 热自燃简化模型
qG qG p3 >p2 >p1
hF/V
减少
qG3(p3) qG2(p2) qG1(p1)
B
qL C″
qL
与随温度变化的曲线图 C′
• qG qL ( ) A C
T∞ TA TC TC′ TB T
图2 反应工况
•由于qG等于化学反应速度wi与可燃混合气的燃烧热Qi的乘积,放
热速率与温度成指数关系
•散热速率qL正比于hF(T–T∞),与温度成直线关系
•当压力或浓度不同时,