【教学课件】第五节强迫着火.ppt

第五节第五节 强迫着火强迫着火 研究可燃体系的热自燃机理很重要，因其有时能导致爆炸或火灾，但实际这种自燃较少。实际中用火往往不是热自燃，而是强制点燃可燃混合物或可燃物质。因而，火灾也多数不是由于热自燃和自燃引起的，而是由于点燃可燃气体混合物或可燃液体和固体可燃材料时引起的。一、强迫着火的特征 一个冷反应混合物被一个热源，例如炽热固体质点、加热电线圈或电火花，一股热气流、点火火焰等迅速地局部加热时，在热源附近就会引发火焰，并且个火焰就会传播到附近的冷反应混合物中去。这种引发火焰传播的过程即为强迫着火或引燃。点燃或强制着火的本质同热自燃过程没有区别，两者都具有依靠热反应和（或）链锁反应推动的自身加热和自动催化的共同特征；两种类型的着火都需要外部能量的初始激发，但在具体过程中有不同点。首先，强迫着火仅在反应物的局部（点火源周围）进行。所加入的能量快速在小范围引燃可燃物，所形成的火焰要能向反应物的其余部分传播。一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征*二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述 三、三、电火花的引燃电火花的引燃第五节第五节 强迫着火强迫着火 第二，强迫着火条件下的可燃混合气通常温度较低，为保证着火成功并使火焰能在较冷的混合气流中传播，强迫着火的温度要远高于自燃温度。第三，强迫着火的全部过程包括在可燃物局部形成火焰中心，以及火焰在混合气流中传播扩展两个阶段。其过程比自燃要复杂。第四，热自燃时，燃烧反应自加速过程发展得相当缓慢，就是说延迟期很长，而在点燃时，着火过程进行得相当快，因为受外界热源加热的混合物虽然是局部的，但是能相当快地达到更高的温度。因此，几乎没有点燃延迟期或延迟期很短，产生的火焰以一定的速度由其发生区向整个能够反应的混合物传播开来。强迫着火与自燃一样，也有点火温度、着火感应期和着火浓度极限，但其影响因素更复杂，除可燃物的化学性质、浓度、温度、压力外，还有点火方法、点火能和混气流动性质等。一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征*二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述三、三、电火花的引燃电火花的引燃第五节第五节 强迫着火强迫着火二、高温质点强迫着火的物理描述 为了建立火焰引发和传播的概念，在此研究热质点的强迫着火条件。假定如图3-11所示，在无限的可燃混气(其温度为T0，小于TW)中有一个热的金属质点(其温度Tw)。由于温度差，质点向邻近的混气散失热量，热流的速率是混气的流动和热性质的函数。在质点周围薄的边界层内，混气温度从TW下降到了T0。对可燃混合物，由于化学反应放热会加热混合气体，因此热边界层内的温度分布曲线高于不可燃混合气体中的温度分布曲线。图3-11表示了这种温度分布，其中a曲线表示混合物不可燃，b曲线表示混合物可燃。根据壁面的温度梯度可见，在气体反应放热时，由壁面向混气传递的热流要低于当混气为惰性气体时的情况。当用于点燃可燃气体的热物体的温度不同时，可燃气中由此而形成的热流及温度场也不相同。当热物体表面温度较低时，虽然可燃气体在缓慢氧化反应的过程中也释放出热量，但它与热源传过的热量之和，方能补偿向远处混气的散热。这时物体表面上的气体温度梯度dT/dx0，混气不会着火，热物体向可燃混气继续导入热量。当热源温度升高时，可燃混合气体中的反应加快，因而反应释热一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述*三、三、电火花的引燃电火花的引燃第五节第五节 强迫着火强迫着火增加，但热源向混气的导热热流却因此降低。只要反应释热不是足够的大，这些反应释热就不能抵偿向周围介质的散热，仍然依靠热物体向气体输入热量使气体保持稳定的温度场。图3-11 位于(a)不可燃介质和(b)不可燃介质中炽热质点附近的温度分布一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述*三、三、电火花的引燃电火花的引燃第五节第五节 强迫着火强迫着火图3-12 热源表面温度梯度为零时反应气体和惰性气体温度分布 当热源温度升高，譬如说升高到图中所示的TW4，紧靠热物体表面的气体层中，由于温度足够高，反应速度足够快，反应释热足以抵偿向周围介质的散热，因而外热源向可燃混合气体的导热热流率为零。此时，热源表面的气体温度梯度dT/dx=0。若热源温度再略微升高，可燃混气中反应释热就将超过向温度较低部分介质的散热，紧靠热物体表面的气体薄层中的稳定温度场受到破坏，此处可燃气体的温度将继续升高而发生着火，火焰将向未燃部分传播。热源表面的温度梯度为零时，反应气体和惰性气体温度分布如图3-12所示，当在质点表面处的温度梯度等于零时，气体反应层（即火焰）开始向未燃混气传播。这种火焰传播的开始即认为是强迫着火的判据。一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述*三、三、电火花的引燃电火花的引燃第五节第五节 强迫着火强迫着火三、电火花引燃 电火花是指气体电荷击穿气体空间产生的火花，电火花点燃可燃混合气体，这是最普遍强迫着火的形式之一。这个过程的机理比用热物体点燃的热机理要更复杂，这是因为气体空间放电本身是一个复杂物理现象。由于在电火花划过的容积很小的通道中，气体热力学温度瞬间升高到数千度（甚至上万度）。放电作用的时间非常短暂，只有千分之几秒，但体系的热张弛时间却很大，所以在放电区、在电火花散落区，气体分子产生很强的扰动和分子电离现象。(一)概述 关于电火花点火的机理有两种理论：一种是着火的热理论，它是把电火花看作为一个外加的高温热源，由于它的存在使靠近它的局部混合气体温度升高(由于导热和对流作用)，以致达到着火临界工况而被点燃，然后再靠火焰传播使整个容器内混合气体着火燃烧；另一种是着火的电理论，它认为混合气的着火是由于靠近火花部分的气体被电离而形成活性中心，提供了进行链锁反应的条件，由于链锁反应的结果使混合气燃烧起来。实验表明两种机理同时存在。一般地，低温时电离作用是主要的；但当电压一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述三、三、电火花的引燃电火花的引燃*第五节第五节 强迫着火强迫着火提高后，主要是热作用。电火花点火的特点是所需能量不大，如化学计量比的氢气-空气混合气，电火花点火的能量仅需2.0110-5J。电火花点火由放在可燃混合气中两根电极间的电火花放电来实现。电极可以是有法兰或无法兰的，通常用不锈钢制成。电火花可用电容放电或感应放电来发生。电容放电是依靠电容器快速放电来产生；而感应放电则是用断电器断开有电流通过的初级线圈时，次级线圈瞬间产生的高电压在火花塞(电极)中跳出火花。以电容放电为例，放电能量为E=0.5C(V12-V22)。式中，C为电容器电容；V1和V2分别为发生火花前后电容器的电压。(二)引燃最小能量 实验表明，当电极间隙内的混气比、温度、压力一定时，为形成初始火焰中心，电极放电能量必须有一最小极值。放电能量大于此最小极值，初始火焰中心就可能形成；小于此最小极值，初始火焰中心就不能形成，这个最小放电能量就是引燃最小能量(见表3-3)。从表3-3中可以看出，不同的混气所需的最小引燃能Emin是不相同的。对于给定的混气，混气压力及初温不同时，最小引燃能Emin也不相同。一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述三、三、电火花的引燃电火花的引燃*第五节第五节 强迫着火强迫着火表3-3 化学计量比时混合物的电极熄火距离和最小点火能(室温，1atm)一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述三、三、电火花的引燃电火花的引燃*可燃物 氧化剂 dq(mm)Emin(mJ)可燃物 氧化剂 dq(mm)Emin(mJ)氢空气0640.02苯空气2.790.55氢氧0.250.004环己烯空气3.300.85甲烷空气2.550.33环己烷空气4.061.38甲烷氧0.300.006n-己烷空气3.560.95乙炔空气0.760.031-己烷空气1.870.22乙炔氧0.090.0004n-庚烷空气3.811.15乙烯空气1.250.11异二辛烷空气2.840.57乙烯氧0.190.0025异-丁烷空气2.200.34丙烷空气2.030.31n-癸烷空气2.060.30丙烷氩空气1.040.0771-癸烷空气1.960.28丙烷氦空气2.530.45n-丁苯空气2.280.37第五节第五节 强迫着火强迫着火(三)电极熄火距离 实验还表明，当其它条件给定时，最小引燃能Emin与电极间距离d有关，见图3-13。从图中可看出：电极距离d小于dq时，无论多大火花能量都不能使混气引燃，这个不能引燃混气的电极间最大距离dq称为电极熄火距离。电极间距离等于或小于熄火距离dq时，由于间隙太小，电极散热太大，以致使初始火焰中心不能向周围混气传播。dq与Emin两者间具有如下关系：(3-38)式中，K为比例常数。对于大多数碳氢化合物，K值约为7.1210-3J/cm2。在给定条件下，电极距离有一最危险值，电极距离大于或小于最危险值时，最小引燃能增加。电极距离等于最危险值时，最小引燃能最小。一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述三、三、电火花的引燃电火花的引燃*第五节第五节 强迫着火强迫着火图3-13 最小引燃能与电极熄火距离图3-14 混气引燃的物理模型一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述三、三、电火花的引燃电火花的引燃*第五节第五节 强迫着火强迫着火(四)静止混气中电火花引燃最小能量的半经验公式1、假设条件在静止混气中，电极间的火花使气体加热。当在下列条件时，物理模型如图3-14所示。(1)火花加热区是球形，最高温度是混气理论燃烧温度Tm，温度均匀分布，环境温度为T；(2)引燃时，在火焰厚度内形成由温度Tm变成T的线型温度分布；(3)电极间距离足够大，忽略电极火作用；(4)反应为二级反应。2、最小火球半径当火球半径达到最小火球半径时，其对应的能量为最小引燃能，引燃成功。现在求这个最小火球半径。火球内混气在电火花加热下进行化学反应并放出热量，同时火球又通过表面向未燃混气散失热量。根据前面分析，如果引燃，在传播开始瞬间，化学反应放出的热量应等于火球导走的热量，火球温度才会回升并形成稳定温度分布，同时向未燃混气传播出去。即：一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述三、三、电火花的引燃电火花的引燃*第五节第五节 强迫着火强迫着火 （3-39）上式右边的温度梯度可进一步简化为：（3-40）式中为层流火焰前沿厚度。若进一步假定：（3-41）式中C为常数。将公式（3-40）、（3-41）)代入公式（3-39）得：（3-42）3、电火花引燃最小能量公式对半径为rmin火球内的混气，温度从初温T升到理论燃烧温Tm，其能量是由电火花供给的，这个能量就是最小引燃能Emin。一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述三、三、电火花的引燃电火花的引燃*第五节第五节 强迫着火强迫着火（3-43）式中K1为经验修正系数。因为电火花提供的最小引燃能Emin不定恰好使混气温度升高到理论燃烧温度Tm，往往比Tm高，所以用K1修正所做假定；为混气平均等压热容。将公式（3-42）代入公式（3-43）得（3-44）式中K为一常数，且（3-45）上式即为电火花引燃最小能量的半经验公式一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述三、三、电火花的引燃电火花的引燃*第五节第五节 强迫着火强迫着火4、影响电火花引燃的主要因素 用电火花引燃混气，电极距离必须大于熄火距离dq；同时放电能量必须大于某一最小值最小引燃能。否则电火花不能引燃混气。不同的可燃混气，其最小引燃能和电极熄火距离是不同的。对于给定的某种混气，混气比、混气压力和混气初温不同时，其最小引燃能也不相同。(1)热容越大，最小引燃能Emin越大，混气不容易引燃。因为热容大，混气升温时吸收的热量多。(2)导热系数K越大，最小引燃能Emin越大，混气不易引燃。这是因为火花能量被迅速传导出去，使与火花接触的混气温度不易升高。(3)燃烧热HC大，最小引燃能Emin小，混气容易引燃。(4)混气压力大，即密度大，最小引燃能Emin小，表明混气容易引燃。(5)混气初温T高，最小引燃能Emin小，混气容易引燃。(6)混气活化能E大，最小引燃能Emin大，混气不容易引燃。在静止混气中，电火花点燃问题中只考虑了化学动力参数与静止环境参数的相互作用。而在流动混气中的点燃则必须考虑流动参数的影响，情况就比静止混气中的点燃问题更复杂些。一、一、强迫着火的强迫着火的 特征特征二、二、高温质点强迫高温质点强迫着火的描述着火的描述三、三、电火花的引燃电火花的引燃*此节末页，点击此处返回本章目录此节末页，点击此处返回本章目录此节末页，点击此处返回本章目录此节末页，点击此处返回本章目录