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1、第九章第九章着火过程着火过程第1页/共49页概概 述述着火过程的定义着火过程的定义指燃料与氧化剂分子均匀混合后，从开始化学反应，温度升高达指燃料与氧化剂分子均匀混合后，从开始化学反应，温度升高达到激烈的燃烧反应之前的一段过程。到激烈的燃烧反应之前的一段过程。两种着火方式两种着火方式自燃着火：使混合物整个容积同时达到某一温度，超过该温度，自燃着火：使混合物整个容积同时达到某一温度，超过该温度，混合物便自动地、不再需要外界作用而着火达到燃烧状态。这种混合物便自动地、不再需要外界作用而着火达到燃烧状态。这种过程叫做自燃着火过程叫做自燃着火强制点火（简称点火）：在冷混合物中，用一个不大的点热源，强制点
2、火（简称点火）：在冷混合物中，用一个不大的点热源，在某一局部地方点火，先引起局部着火燃烧，然后自动地向其他在某一局部地方点火，先引起局部着火燃烧，然后自动地向其他地方传播，最终使整个混合物都达到着火燃烧。这就叫做强制点地方传播，最终使整个混合物都达到着火燃烧。这就叫做强制点火火第2页/共49页着火或点火的实质着火或点火的实质燃烧反应的自动加速燃烧反应的自动加速活化中心的积累活化中心的积累升高燃烧系统的温度升高燃烧系统的温度实际燃烧室内的着火过程都是靠高温实现着火的实际燃烧室内的着火过程都是靠高温实现着火的本章的研究内容本章的研究内容1.介绍着火过程的热力理论介绍着火过程的热力理论2.研究实现着
3、火过程的温度条件研究实现着火过程的温度条件3.研究使燃烧反应状态保持稳定的条件研究使燃烧反应状态保持稳定的条件4.研究使火焰熄灭的条件研究使火焰熄灭的条件第3页/共49页着火过程和着火温度着火过程和着火温度反应的发热速度反应的发热速度容器的体积容器的体积V V，内部充满可燃的混合物，器壁的温度为，内部充满可燃的混合物，器壁的温度为T0，热效应为，热效应为q，反应速度为，反应速度为W，反应时的温度为，反应时的温度为T，则反应发热的速度（单位时间内反应发出的热量）为：则反应发热的速度（单位时间内反应发出的热量）为：q、V、K0均为定值，均为定值，C反应过程中均不变，是初始浓度反应过程中均不变，是初
4、始浓度第4页/共49页体系的散热速度体系的散热速度容器内的温度升高到容器内的温度升高到T T，此时系统向外散失热量，设容器的表面，此时系统向外散失热量，设容器的表面积为积为A A，气体对外界的总放热系数为，气体对外界的总放热系数为 ，则散热速度（单位时，则散热速度（单位时间内由体系向外散出的热量）为：间内由体系向外散出的热量）为：式中式中气体对外界的总放热系数；气体对外界的总放热系数；A A容器表面积。假设容器表面积。假设与温与温度无关，而度无关，而A A为定值。为定值。第5页/共49页发热曲线与散热曲线发热曲线与散热曲线由发热速速度和散热速度的定义知：由发热速速度和散热速度的定义知：Q1与与
5、T为为超越函数关系，而超越函数关系，而Q2与与T为直线关系，在为直线关系，在QT坐标系统内，坐标系统内，Q1的曲线称为发热曲线，的曲线称为发热曲线，Q2的的曲线称为散热曲线曲线称为散热曲线发热曲线和散热曲线的用途发热曲线和散热曲线的用途根据发热曲线和散热曲线讨论容器内所进行反根据发热曲线和散热曲线讨论容器内所进行反应可能的混合物状态应可能的混合物状态第6页/共49页Q1与与Q2在低温区有一个交点在低温区有一个交点在在1点点Q1=Q2；在；在1点之前点之前Q1Q2，发热大于散热，系统被加，发热大于散热，系统被加热；热；T继续提高，到达继续提高，到达1点时热量达到平衡。点时热量达到平衡。当当Q2Q
6、1时，散热时，散热 发热，发热，T降低，系统将重新回到降低，系统将重新回到1点，这种点，这种情况自然着炎是不可能的情况自然着炎是不可能的第7页/共49页改变散热条件如容器表面积得到三组不同改变散热条件如容器表面积得到三组不同斜率的散热曲线斜率的散热曲线1.1.自燃自燃2.2.有一切点有一切点3 3，过切点，过切点3 3自燃自燃3.3.有一交点有一交点1 1稳定平衡点稳定平衡点第8页/共49页改变改变T0得到一组平行散热曲线得到一组平行散热曲线Q1与与 有两个交点：有两个交点：1.1.低温稳定点；低温稳定点；2.2.高温不稳定点高温不稳定点Q1与与 有一切点有一切点3 3 自燃自燃第9页/共49
7、页散热曲线不变，改变发热曲线散热曲线不变，改变发热曲线1点为低温稳定点，点为低温稳定点，2点为高温不稳定点，点为高温不稳定点，3点为临界点点为临界点由此可见，发生自燃着火的条件是由此可见，发生自燃着火的条件是Q1Q2，而临界条，而临界条件是件是Q1与与Q2有一个切点，与切点相对应的温度便称为有一个切点，与切点相对应的温度便称为“着火温度着火温度”或或“着火点着火点”，用，用TB表示。表示。第10页/共49页着火温度：可燃混合物系统化学反应可以自动加速而达到着火温度：可燃混合物系统化学反应可以自动加速而达到自燃着火的最低温度自燃着火的最低温度必须明确，着火温度对某一可燃混合物来说，并不是必须明确
8、，着火温度对某一可燃混合物来说，并不是一个化学常数或物理常数，而是随具体的热力学条件一个化学常数或物理常数，而是随具体的热力学条件不同而不同的不同而不同的切点切点3处相应的温度为着火温度处相应的温度为着火温度T TB B，则有则有T TB B为：为：第11页/共49页点火过程点火过程工业炉燃烧技术中，使可燃混合物进行着火燃烧工业炉燃烧技术中，使可燃混合物进行着火燃烧的方式采用强制点火的方式采用强制点火点火热源的类型点火热源的类型小火焰，高温气体，炽热的物体或电火花小火焰，高温气体，炽热的物体或电火花点火和自燃着火的区别和联系点火和自燃着火的区别和联系区别：点火先是一小部分可燃混合物着火，然后靠
9、燃区别：点火先是一小部分可燃混合物着火，然后靠燃烧（火焰前沿）的传播使可燃混合物的其余部分达到烧（火焰前沿）的传播使可燃混合物的其余部分达到着火燃烧。自燃着火：所有的可燃混合物一起着火着火燃烧。自燃着火：所有的可燃混合物一起着火联系：都是燃烧反应的自动加速过程联系：都是燃烧反应的自动加速过程第12页/共49页点火过程点火过程设有一容器内装有可燃混合物，器壁中有一部分点火热源，设有一容器内装有可燃混合物，器壁中有一部分点火热源，其温度不断升高。其温度不断升高。第13页/共49页该图说明的问题？该图说明的问题？第14页/共49页惰性气体与可燃气体的区别在于是否存在燃烧反惰性气体与可燃气体的区别在于
10、是否存在燃烧反应应对于可燃气体，在低于对于可燃气体，在低于T2T2的条件下，处于反应的的条件下，处于反应的感应期，在这个时期虽然可燃混合物不能燃烧，感应期，在这个时期虽然可燃混合物不能燃烧，但却是大量活性中心积累的过程，温度分布曲线但却是大量活性中心积累的过程，温度分布曲线说明了这一点说明了这一点当温度达到当温度达到T2T2时，反应速度加快到一定程度，温时，反应速度加快到一定程度，温度不再下降，即度不再下降，即T2T2应该是一个临界温度应该是一个临界温度当温度超过当温度超过T2T2时，反应速度迅速加快，温度迅速时，反应速度迅速加快，温度迅速升高，达到着火升高，达到着火第15页/共49页点火温度
11、的概念点火温度的概念在点火的过程中，在点火的过程中，T T2 2是一个临界温度，点火热源的温度超是一个临界温度，点火热源的温度超过过T T2 2，便会引起着火，该临界温度便称为，便会引起着火，该临界温度便称为“点火温度点火温度”点火温度的临界条件点火温度的临界条件该式表明，当热源表面达到点火温度时，表面处的温度梯该式表明，当热源表面达到点火温度时，表面处的温度梯度为零，热源不再向可燃物传热，此后的着火过程的进行度为零，热源不再向可燃物传热，此后的着火过程的进行将与热源无关，而将取决于可燃混合物的性质和对外界的将与热源无关，而将取决于可燃混合物的性质和对外界的散热条件散热条件第16页/共49页点
12、火温度与着火温度的联系，二者在概念上均指点火温度与着火温度的联系，二者在概念上均指可以实现着火的最低温度，但数值上，点火温度可以实现着火的最低温度，但数值上，点火温度往往高于着火温度，即当固体热源的表面温度达往往高于着火温度，即当固体热源的表面温度达到着火温度时，可燃混合物并不准能着火。到着火温度时，可燃混合物并不准能着火。影响点火温度的因素影响点火温度的因素可燃混合物的性质，可燃物质含量越高，点火温度越可燃混合物的性质，可燃物质含量越高，点火温度越低低点火热源的性质点火热源的性质第17页/共49页影响点火温度的因素影响点火温度的因素可燃混合物的性质，可燃物质含量越高，点火可燃混合物的性质，可
13、燃物质含量越高，点火温度越低温度越低点火热源的性质点火热源的性质第18页/共49页燃烧室着火浓度界限燃烧室着火浓度界限影响着火的条件影响着火的条件温度温度着火和点火的温度。着火和点火的温度。可燃物浓度可燃物浓度浓度又取决于压力和可燃物的成浓度又取决于压力和可燃物的成分分第19页/共49页第20页/共49页温度和压力对可燃混合物的着火温度都有一定的温度和压力对可燃混合物的着火温度都有一定的影响影响在一定温度和压力下，并非所有的可燃预混合物在一定温度和压力下，并非所有的可燃预混合物成分都能着火，而是存在一定的浓度范围成分都能着火，而是存在一定的浓度范围着火浓度界限：在一定的压力或温度下，能使可着火
14、浓度界限：在一定的压力或温度下，能使可燃混合气成分着火的一定的浓度范围，称为着火燃混合气成分着火的一定的浓度范围，称为着火浓度界限。浓度界限。浓度上限：实现着火的最大浓度浓度上限：实现着火的最大浓度浓度下限：实现着火的最小浓度浓度下限：实现着火的最小浓度第21页/共49页第22页/共49页第23页/共49页当压力或温度下降时，着火浓度范围当压力或温度下降时，着火浓度范围缩小缩小当压力或温度下降超过某一点时，任当压力或温度下降超过某一点时，任何浓度成分的混合气将不能着火何浓度成分的混合气将不能着火强制点火过程也存在着点火浓度界限，强制点火过程也存在着点火浓度界限，超过了这个界限便不能实现点火超过
15、了这个界限便不能实现点火第24页/共49页几种可燃物质的混合气体，其浓度界限（上、几种可燃物质的混合气体，其浓度界限（上、下限）的计算下限）的计算式中：式中：P1、P2、P3各单一可燃气体占混合气体的体积百分各单一可燃气体占混合气体的体积百分数数l1、l2、l3、各单一可燃气体的浓度界限（上限或下各单一可燃气体的浓度界限（上限或下限）限）第25页/共49页影响着火浓度界限的因素影响着火浓度界限的因素加入任何惰性气体，都会使浓度界限变窄，特别是上加入任何惰性气体，都会使浓度界限变窄，特别是上限降的明显。限降的明显。在氧气中燃烧，着火浓度范围则比较大，特别是浓度在氧气中燃烧，着火浓度范围则比较大，
16、特别是浓度上限，比在空气中燃烧大得多上限，比在空气中燃烧大得多浓度界限还与可燃预混合物的温度有关，可燃预混合浓度界限还与可燃预混合物的温度有关，可燃预混合物的初始温度愈高，浓度界限愈宽物的初始温度愈高，浓度界限愈宽第26页/共49页第27页/共49页热自燃理论：在假定燃烧反应为简单反应，并忽热自燃理论：在假定燃烧反应为简单反应，并忽略着火过程中反应物浓度变化基础上所得出的解略着火过程中反应物浓度变化基础上所得出的解释着火现象的理论释着火现象的理论链锁自燃理论：当初始压力和温度在较低范围时，链锁自燃理论：当初始压力和温度在较低范围时，由于存在链锁分支反应，使反应加速而达着火状由于存在链锁分支反应
17、，使反应加速而达着火状态。但是，当压力低于某界限（下限）或高于某态。但是，当压力低于某界限（下限）或高于某一界限（上限）均会由于断链率的增大而造成链一界限（上限）均会由于断链率的增大而造成链锁反应不能加速进行，而最终不能实现自燃着火。锁反应不能加速进行，而最终不能实现自燃着火。第28页/共49页第29页/共49页燃烧室中着火和熄火燃烧室中着火和熄火燃烧室内着火过程的特点燃烧室内着火过程的特点燃烧室空间中反应物的浓度不随时间改变燃烧室空间中反应物的浓度不随时间改变-因因连续不断地供应燃料和氧化剂。连续不断地供应燃料和氧化剂。气体是流动的，各组分在燃烧室内都有一定的气体是流动的，各组分在燃烧室内都
18、有一定的逗留时间。逗留时间。燃料在燃烧过程中，具有一定的燃烧完全系数燃料在燃烧过程中，具有一定的燃烧完全系数燃烧室为绝热的。燃烧室为绝热的。燃烧室内的温度、浓度、压力（常压）等参数燃烧室内的温度、浓度、压力（常压）等参数的平均值与出口参数相同的平均值与出口参数相同第30页/共49页研究燃烧室内燃烧特征的两研究燃烧室内燃烧特征的两个假定前提个假定前提假定燃烧室为绝热的，故着火过程和燃烧过程假定燃烧室为绝热的，故着火过程和燃烧过程均为绝热过程均为绝热过程假定燃烧室内的温度、浓度、压力等参数的平假定燃烧室内的温度、浓度、压力等参数的平均值与出口参数是相同的均值与出口参数是相同的第31页/共49页均相
19、可燃混合物着火燃烧的热量平衡均相可燃混合物着火燃烧的热量平衡设连续进入燃烧室的可燃混合物初始温度设连续进入燃烧室的可燃混合物初始温度T0 0，浓度为，浓度为C0 0，出燃烧室可燃混合物温度为，出燃烧室可燃混合物温度为T，未燃尽可燃混合物，未燃尽可燃混合物浓度为浓度为C，可燃混合物在燃烧室内停留时间为，可燃混合物在燃烧室内停留时间为1 1，完成，完成燃烧反应所需时间为燃烧反应所需时间为2 2，燃烧完全系数：燃烧完全系数：无因次温度：无因次温度：无因次时间：无因次时间：在单位时间内可燃混合物放出的热量在单位时间内可燃混合物放出的热量Q1为：为：第32页/共49页也可写成也可写成此处是一级反应，则可
20、近似地此处是一级反应，则可近似地整理得：整理得：该式该式 值记为值记为 1 1，则则 发热曲线发热曲线第33页/共49页另一方面，另一方面，Q1 1将全部转为燃烧产物的热量将全部转为燃烧产物的热量Q2 2，燃烧产物热量的增加为：燃烧产物热量的增加为：因因Q1 1Q2 2，将将 代入上式，并用代入上式，并用 代表代表得：得：散热曲线散热曲线实际工况的燃烧中达到热量平衡时，实际工况的燃烧中达到热量平衡时，Q1 1=Q2 2，燃烧室中有一个稳定的燃烧室中有一个稳定的 ，该，该 值的稳定水平反映燃烧值的稳定水平反映燃烧状态。如状态。如 值很小，则可能未达到着火状态；值很小，则可能未达到着火状态；值越大
21、，值越大，说明燃烧强度越大。说明燃烧强度越大。值最大为值最大为1 1第34页/共49页稳定状态和临界状态稳定状态和临界状态用用 与与 的关系，分析燃烧室的着火与熄灭的关系，分析燃烧室的着火与熄灭 不变，改变可燃混合物的初始温度，得到一组平行不变，改变可燃混合物的初始温度，得到一组平行第35页/共49页当当0很低时，很低时，有一定交点有一定交点1 1，为低温，为低温稳定点；稳定点；提高提高0，有一个切点有一个切点3 3，临界点，着火，临界点，着火点；点；0，有一个交点有一个交点5 5，为高温稳定，为高温稳定点，在该点稳定燃烧；点，在该点稳定燃烧；在燃烧状态下，降低在燃烧状态下，降低0（向左移），
22、向左移），有一个切点有一个切点4 4，临界点，熄灭点。，临界点，熄灭点。第36页/共49页燃烧室内着火或熄灭的临界条件是燃烧室内着火或熄灭的临界条件是燃烧室的着火临界条件与燃烧稳定水平之间的关系燃烧室的着火临界条件与燃烧稳定水平之间的关系提高混合物的预热温度，有利于着火，着火稳定在较高提高混合物的预热温度，有利于着火，着火稳定在较高水平水平。第37页/共49页改变可燃混合物的发热量改变可燃混合物的发热量q q，q q越大，越有利于越大，越有利于着火，并使过程稳定在较高水平。着火，并使过程稳定在较高水平。第38页/共49页1212的影响：的影响：1212越长，越长，向左移，稳向左移，稳定水平较高
23、。定水平较高。第39页/共49页循环倍数值越大，越有利于实现着火。第40页/共49页循环倍数循环倍数值越大，越有利于实值越大，越有利于实现着火现着火使高温燃烧产物循回加入到初始混使高温燃烧产物循回加入到初始混合物中，将会改变合物中，将会改变一方面提高了燃烧混合物的初始温度一方面提高了燃烧混合物的初始温度另一方面降低了燃烧混合物的发热量另一方面降低了燃烧混合物的发热量第41页/共49页扩散燃烧的稳定状态扩散燃烧的稳定状态1.1.扩散燃烧的发热曲线和散热曲线扩散燃烧的发热曲线和散热曲线 设燃烧室绝热，燃烧带的可燃混合物的浓度为设燃烧室绝热，燃烧带的可燃混合物的浓度为C C，燃烧室容积中可燃混合物的
24、平均浓度为燃烧室容积中可燃混合物的平均浓度为C CK K，可燃，可燃混合物的初始浓度为混合物的初始浓度为C C0 0，则燃烧室的平均燃烧完全系数为：则燃烧室的平均燃烧完全系数为：燃烧室的反应速度：燃烧室的反应速度：扩散速度：扩散速度：(1)(2)(1)(2)相等，相等，第42页/共49页两边除以两边除以C C0 0，又，又C0C0，得：，得：扩散燃烧的发热曲线扩散燃烧的发热曲线第43页/共49页扩散燃烧时，燃烧完全系数与温度无关，而只扩散燃烧时，燃烧完全系数与温度无关，而只取决于逗留时间与扩散时间的比值取决于逗留时间与扩散时间的比值在在 的比较小的范围内，的比较小的范围内，对对 值有比较值有比
25、较显著的影响显著的影响当当 增大到一定数值后，增大到一定数值后，对对 值的影响程值的影响程度便减弱度便减弱第44页/共49页扩散燃烧的散热曲线可按燃烧室中的散热曲线处扩散燃烧的散热曲线可按燃烧室中的散热曲线处理理第45页/共49页2.2.扩散燃烧的稳定情况扩散燃烧的稳定情况第46页/共49页1.1.与与 相交于一点即存在一个稳定点，而不是临相交于一点即存在一个稳定点，而不是临界点。界点。2.2.与温度无关（与温度无关（=常数），所以当常数），所以当 一定时，燃烧室一定时，燃烧室内的内的 值水平是一个常数，而燃烧室内的温度水平决值水平是一个常数，而燃烧室内的温度水平决定于定于 的特性。的特性。扩
26、散燃烧时，燃烧完全程度取决于混合过程扩散燃烧时，燃烧完全程度取决于混合过程燃烧室内的温度则取决于热量的收支平衡水平燃烧室内的温度则取决于热量的收支平衡水平3.3.一定时，改变一定时，改变 ，则稳定态的，则稳定态的 值和值和值同时变化。值同时变化。散热条件一定时，提高燃烧完全程度就会提高温度散热条件一定时，提高燃烧完全程度就会提高温度提高燃烧完全程度的主要途径是强化混合过程提高燃烧完全程度的主要途径是强化混合过程第47页/共49页实际燃烧过程介于纯动力燃烧过程与纯扩实际燃烧过程介于纯动力燃烧过程与纯扩散燃烧过程之间，其着火过程和稳定状态散燃烧过程之间，其着火过程和稳定状态的影响因素包括温度、发热量、反应速度、的影响因素包括温度、发热量、反应速度、混合速度、燃烧室尺寸以及气流流速等。混合速度、燃烧室尺寸以及气流流速等。如果有热交换过程，还应估计到热交换因如果有热交换过程，还应估计到热交换因素的影响。总之，按着上述热力理论分析，素的影响。总之，按着上述热力理论分析，可以得到关于燃料的着火过程，它的临界可以得到关于燃料的着火过程，它的临界条件和稳定水平等较明确的概念。条件和稳定水平等较明确的概念。第48页/共49页感谢观看！感谢观看！第49页/共49页