燃烧学教案---电子版(共88页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上第 一 讲重点：燃烧条件、及燃烧空气量的计算。绪 论燃烧学是研究燃烧的发生、发展和熄灭过程的学科。一燃烧学的研究内容燃烧的本质；着火机理、熄火机理；气、液、固体可燃物燃烧特性；燃烧技术（工程燃烧学）；防灭火技术（消防燃烧学）。二燃烧学学习的目的和意义2.1 火的作用火被人类掌握和使用以后，为人类的进步和社会的发展作出了巨大贡献。2.2火的危害火一旦失去控制，造成对国民经济的损失，同时，火灾还对环境和生态系统造成不同程度的破坏。火灾还对社会带来不安定因素。火灾指的是在时间和空间上失去控制的一种灾害性燃烧现象，包括森林、建筑、油类等火灾以及可燃气和粉尘爆炸。火灾发生的必要

2、条件：可燃物、空气和火源同时存在。按火灾损失严重程度可分为特大火灾、重大火灾和一般火灾三类。下面是几个典型火灾案例。1998年1月3日 ，吉林省通化市东珠宾馆发生火灾。1999年10月30日，韩国仁川市一幢4层楼的地下卡拉OK厅发生火灾，有57人被烧死，71人被烧伤。2000年12月25日，洛阳东都商厦火灾。2002年6月16日 ，位于海淀区学院路20号的“蓝极速”网吧发生火灾。火灾烟气的组成：（1）气相燃烧产物；（2）未完全燃烧的液固相分解物和冷凝物微小颗粒；（3）未燃的可燃蒸汽和卷吸混入的大量空气。火灾烟气中含有众多的有毒有害成分、腐蚀性成分和颗粒物等，加之火灾环境高温、缺氧，导致火灾中很

3、多人因烟气窒息和中毒而死亡。2.3目的和意义学习研究各种可燃物的着火条件防火学习研究物质爆炸规律预防爆炸学习研究燃烧、蔓延规律、熄灭灭火，减少损失学习研究燃烧烟气特性防排烟，减少人员伤亡三、火灾防治措施火灾防治措施有：建立消防队伍和机构、研制各种防灭火设备、制定相关防灭火法规、研究火灾机理和规律及调动社会各界力量投入防灭火。四、燃烧学的研究对象和方法41燃烧学的研究对象燃烧学的主要研究方面：1、燃烧理论的研究。2、燃烧技术的研究。42火灾的特点火灾的发生和发展规律具有随机性和确定性的双重特点。随机性是指火灾在何时、何处发生等是不定的，它要受到多种因素的影响，但却遵循一定的统计规律。确定性是指火

4、灾的发生是按其确定的过程发展，火灾燃烧、烟气流动等都遵循确定的流体流动、传热传质、物质守恒等规律。43燃烧学的研究方法燃烧学的研究方法包括统计分析法、模拟研究法和实体实验法。五、本课程的主要研究内容本课程的主要研究内容为：燃烧的化学基础；燃烧的物理基础；着火和灭火理论；气体可燃物的燃烧；液体可燃物的燃烧；固体可燃物的燃烧；室内灭火简介。第1章 燃烧化学基础本章包括：燃烧的本质和条件；燃烧所需空气量的计算；燃烧产物及其计算；燃烧热的计算和燃烧温度的计算。1.1 燃烧的本质和条件1.1.1 燃烧的本质燃烧是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和发烟的现象。燃烧区的高温使其中白炽的

5、固体粒子和某些不稳定的中间物质分子内电子发生能级跃迁，从而发出各种波长的光；发光的气相燃烧区就是火焰，它是燃烧过程中最明显的标志；由于燃烧不完全等原因，会使产物中混有一些微小颗粒，这样就形成了烟。燃烧的本质是一种氧化还原反应，但又不同于一般的氧化还原反应。爆炸与燃烧没有本质差别。很多燃烧反应不是直接进行的，而是通过游离基团和原子在瞬间进行的循环链式反应。1.1.2 燃烧的条件及其在消防中的应用1.1.2.1 燃烧的条件燃烧三要素指：氧化剂、还原剂及引发燃烧的能源。三要素是燃烧的必要条件，不是充分条件，要发生燃烧还必须满足其它条件。可燃物燃烧助燃物点火源可燃物游离基助燃物燃 烧点火源（a）着火三

6、角形（b）着火四面体图1-1 着火三角形和着火四面体燃烧能发生时，三要素可表示为封闭的三角形，称为着火三角形，如图1-1（a）所示。根据燃烧的链锁反应理论，因此，着火三角形应扩大到包括一个说明游离基参加燃烧反应的附加维，从而形成一个着火四面体，如图1-1（b）所示。1.1.2.2 燃烧条件在消防中的应用根据着火三角形，可以提出以下防火方法：控制可燃物；隔绝空气；消除点火源。根据着火三角形，可以提出以下灭火方法：隔离法；窒息法；冷却法。着火四面体为另一种灭火方法抑制法提供了理论依据，原理是：使灭火剂参与到燃烧反应中去，销毁游离基，形成稳定分子或低活性游离基，使燃烧反应终止。防火和灭火的原理是防止

7、燃烧条件的形成和破坏已形成的燃烧条件。1.2 燃烧空气量的计算 空气需要量表示一定量可燃物燃烧所需要的空气质量或者体积。1.2.1理论空气量 理论空气量是指单位量的燃料完全燃烧所需要的最少的空气量。1.2.1.1固体和液体可燃物的理论空气需要量对于固体和液体可燃物，习惯上用质量百分数表示其组成，其成分为： （1-1） 依据这些元素完全燃烧的计量方程式，完全燃烧的总体方程如下： （1-2） 假定计算中涉及的气体是理想气体，则所需氧气的体积为（m3/kg） （1-3）因此，每1kg可燃物完全燃烧时所需空气量的体积为（m3/kg） （1-4）例1-1：求5kg木材完全燃烧所需要的理论空气量。已知木材

8、的质量百分数组分为：C43，H7，O41，N2，W6，A1。1.2.1.2 气体可燃物的理论空气量 对于气体可燃物，习惯上用体积百分数表示其组成，其成分为： （1-5）可燃物完全燃烧的反应方程式如下： 每1m3可燃物完全燃烧时需要的氧气体积为 （m3/m3） （1-6）每1m3可燃物完全燃烧的理论空气体积需要量为（m3/m3）例如1-2：求1m3焦炉煤气燃烧所需要的理论空气量。已知焦炉煤气的体积百分数组成：CO6.8，H257，CH422.5，C2H43.7，CO22.3，N24.7，H2O3。解： 完全燃烧1m3这种煤气所需理论空气体积为=4.188m3专心-专注-专业第 二 讲重点：燃烧产

9、物量的计算。1.2.2 实际空气量和过量空气系数实际供给的空气量称为实际空气量。实际空气量L与理论空气量L0之比称为过量空气系数，用表示： 实际空气需要量与理论空气需要量的关系为： （1-8） 气态可燃物1.02-1.2；液态可燃物1.11.3；固态可燃物1.31.7。 当1时，表示实际供给的空气量等于理论空气量。此时燃料与氧化剂的配比符合化学反应方程式的当量关系。此时的燃料与空气量之比称为化学当量比。 当1时，表示实际供应的空气量多于理论空气量。 综上，的数值对于燃烧过程有着很大影响，过大或者过小都不利于燃烧的进行。1.2.3 燃料空气比与过量空气系数1.2.3.1燃料空气比f 燃料空气比是

10、在燃烧过程中实际供给的燃料量与空气量之比，即： （1-9）它表明每千克空气中实际含有的燃料千克数，它与过量空气系数的的关系为 （1-10） 对于一定燃料来说，L0是确定的值，因而f和成反比。当1时，油气比f1/L0。1.2.3.2过量燃料系数过量燃料系数指实际燃料供给量与理论燃料供给量之比，是理论空气量的倒数，即： （1-11）实际空气量的倒数1/aL0就是实际燃料量。因此，过量燃料系数为 （1-12）1.3燃烧产物量的计算燃烧产物主要指燃料燃烧生成的气相产物，包括完全燃烧产物和不完全燃烧产物。1.3.1完全燃烧时烟气量的计算 当燃料完全燃烧时，烟气的组成及其体积可由反应方程式并根据燃料的元素

11、组成或者成分组成求得。产物主要有CO2、H2O、SO2和N2，烟气体积为：（m3/kg） （1-13）当1时， （m3/kg） （1-14）1.3.1.1固体和液体燃料的燃烧烟气量的计算1. 二氧化碳和二氧化硫的体积计算 （m3/kg）（m3/kg）2. 理论氮气的体积（m3/kg）3. 理论水蒸气的体积 （m3/kg）至此，得到理论烟气量为： +（）（m3/kg）把水分扣除后的烟气称为“干烟气”。于是理论烟气体积又可写成： 当1时： （1-15）1.3.1.2气体燃料燃烧烟气量的计算（1-19）每m3可燃物燃烧生成的CO2、SO2、H2O和N2的体积分别为：（m3/m3） （m3/m3） （

12、m3/m3） （m3/m3） = 10-2当1时，除了理论空气量之外，还要加上过量空气量。1.3.2不完全燃烧时烟气量的计算不完全燃烧烟气中的可燃物质主要有CO、H2和CH4，每摩尔这几种可燃物质在空气中燃烧的反应方程式为： 在1时，不完全燃烧烟气量比完全燃烧烟气量的体积增加了，即 （1-20）式中，表示不完全燃烧烟气量；表示完全燃烧烟气量。在Cv。理想气体：CpCvR；固体和液体，CpCv。气体的恒压热容与恒容热容之比称为热容比，用K表示，即，不同物质的热容比K值是不同，空气的热容比为1.4。1.4.1.2平均热容1平均恒压热容在恒压条件下，一定量的物质从温度T1升高到T2时平均每升高一度温

13、度所需的热量称为恒压平均热容，用表示。2 恒容平均热容在恒容条件下，一定量的物质从t1升高到t2时平均每升高一度温度所需要的热量，称为恒容平均热容，用表示，单位为kJkmol-1。1.4.2燃烧热1.4.2.1燃烧热在化学反应过程中，生成物所含能量总和与反应物所含能量总和间的差异以热的形式向环境散发或者从环境吸收，这就是反应热。在定温定压过程中，反应热等于系统焓的变化。生成热：由稳定单质反应生成某化合物时的反应热。标准生成热：在0.1013MPa和指定温度下，由稳定单质生成1mol某物质的恒压反应热，用表示。燃烧反应的反应热称为燃烧热。氧气在0.1013MPa和指定温度下，1mol某物质完全燃

14、烧时的恒压反应热，称为该物质的标准燃烧热，用表示。1.4.2.2燃烧热的计算在整个化学反应过程中保持恒压或恒容，且系统没有做任何非体积功时，化学反应热只取决于反应的开始和最终状态，与过程的具体途径无关的这一规律称作盖斯定律。根据盖斯定律，任一反应的恒压反应热等于产物生成热之和减去反应生成热之和，即 （1-27）例1-3 求乙醇在25下的标准燃烧热。解：乙醇燃烧反应式为 查上表得 根据标准燃烧热的定义，乙醇的标准燃烧热即为1366.8kJ/mol。气态混合物的燃烧热，可用下式粗略计算， （1-28）式中，Vi是混合物中I组分的体积百分比；是I组分的燃烧热。例 1-4：求焦炉煤气的标准燃烧热。焦炉

15、煤气的体积百分数组成为：CO6.8，H257，CH422.5，C2H43.7，CO22.3，N24.7，H2O3。 解：查上表1-6得该煤气中各可燃组分的标准燃烧热分别为：， 由上式得该种煤气的标准燃烧热为 1.4.2.3热值的计算热值是指单位质量或者单位体积的可燃物完全燃烧所发出的热量，用Q表示。对于液体和固体可燃物，表示为质量热值Qm（kJ/kg）；对气态可燃物，表示为体积热值Qv（kJ/m3）。燃烧热和热值间的换算关系如下： 对液体和固体可燃物 (kJ/kg) （1-29）对气态可燃物为 (kJ/m3) （1-30）如果可燃物中含有水分和氢元素，热值有高低之分。在研究火灾燃烧中，常用低热

16、值。分子结构很复杂的可燃物，最常用的有门捷列夫公式： （1-31） （1-32）式中，C、H、S和W分别为可燃物中碳、氢、硫和水的质量百分含量；O是可燃物中氧和氮的总质量百分含量。1.5燃烧温度的计算1.5.1燃烧温度的分类 可燃物燃烧产生的烟气所达到的温度称为可燃物的燃烧温度。燃烧温度可分为理论燃烧温度、实际燃烧温度。如果燃烧是在绝热条件下进行完全燃烧 ，并且不考虑系统与外界的功交换，则这时得出的温度称为可燃物的理论燃烧温度。而在实际火灾中测定的温度称为实际燃烧温度。从理论上说，在1且完全燃烧情况下，燃烧温度最高。1.5.2燃烧温度的计算采用平均恒压热容，得出求解燃烧温度的公式为： （1-3

17、5）式中，Vi为第i种产物的体积。 假定初始温度为0，则上式变为 产物的恒压平均热容取决于温度，理论燃烧温度t是未知数，所以也是未确定量。通常先假定一个理论燃烧温度t1，从表中查出相应的，求出相应的Ql1；然后再假定第二个理论燃烧温度t2，求出相应的和Ql2；最后用插值法求出理论燃烧温度t，即 （1-36）例 1-5：已知木材的组成为：C43，H7，O41，N2，W6，A1（质量组成数），试求其理论燃烧温度。解：1kg木材的燃烧产物中各种组分的生成量分别为 1kg木材燃烧放出的低热值由公式（1-31）、（1-32）可得，QL16993（kJ） 设t11900，从表1-4中查得CO2、H2O和N

18、2的平均恒压热容分别为 因为QlQl1，所以tt1，再设t22000，从表1-4中查得相应的平均恒压热容分别为 因为Ql1QlQl2，所以t1t0Tt0T=T0f=0图2-1 无限大平板的瞬态导热考虑一个半无限大固体，其初始温度为T0，固体表面温度突然升高，且保持温度T ，令=TT0,假如物体性质不变， 于是其解为： （2-13）若假设0.5，即 510-3，则得到L/22，从此可以看出将厚度为L的墙或“板“作为半无限大固体考虑，而所产生误差很小的前提是L4。在许多与瞬态加热有关的火灾工程问题中，一般都在L2 的条件下采用半无限大固体导热的假设，对应于 15.7，因此值在某些情况下可用于估算被

19、加热层的厚度。2.2对流换热2.2.1引言对流通常分为自然对流和强迫对流。火灾时两种对流形式交替发生。对流换热是指流体在流动过程中与周围固体或流体之间发生的热量交换。流体在外力作用下连续不断地流过固壁，这种对流称之为强迫对流；靠近热固体的热气流由浮力驱动的流动称之自然对流。单位固体表面、单位时间和流体之间的热交换，与流体的运动状态和流体与固体壁面温度差有关，同时与流体的热物性，即k和cp有关，这是对流换热过程的三个基本因素。2.2.2牛顿公式和对流换热系数牛顿提出流体与壁面热交换通量与流体与壁面的温度差成正比，记作q=hhT （ W/m2） （2-15）h是对流放热系数。h由流场的几何形状、流

20、动状态和流体的热物性k和cp确定。对于自然对流， h值介于525W/m2K之间，而对于强迫对流，则为10500W/m2K。2.2.3.对流换热过程的边界层分析求解如图2-3，在壁面上流体的流速为U（0）=0,垂直方向上速度分布设为UU（y）,离壁面无穷远处速度U（）U。流动边界层的厚度定义为从壁面到U（y）0.99U点的距离，对于较小的x值，边界层内的流动为层流。随着x的增大，在经过一个转变区域后，流动将充分发展为湍流。但靠近壁面处，却始终存在着一个“层流内层”，其流动性质决定于当地雷诺数RexxU/ ，如果Rex3106，则属湍流流动，在此之间，则为过渡区，可能是层流也可能是湍流流动。流动边

21、界层的厚度（h）依赖于当地雷诺数Re，且对于层流可近似表达为： （2-16）其中l是对应于h 的x值，Rel是x=l点的当地雷诺数Re。yxxUU（a）（b）h（x）UU（y）U（0）0h（x）过渡区层流边界层湍流边界层流线层流内层图2-3 平板上的绝热流动边界层系统xU TUTT（y）h（x）（x）Ts图2-4 平板上的非绝热流动边界层系统（虚线表示流动边界层，实线表示热边界层）=Pr1/3 （2-19）第 五 讲重点：普郎克定律、克希霍夫（Kirchhoff）定律、热气体的辐射率及烟囱效应。2.3热辐射热辐射是物体因其自身温度而发射出的一种电磁辐射，它以光速传播。辐射是火焰高度超过0.2m

22、时热交换的主要方式。对于小一点的火焰对流换热更显著。水蒸气和二氧化碳在最主要的热辐射范围（1到100m）内有很强的吸热性和放热性。2.3.1基本概念和基本定律2.3.1.1辐射强度和能量辐射强度（）指在法向方向上，单位时间、单位表面积、单位立体角上辐射的能量。通过表面向任一方向的热辐射能量可以用光谱辐射能来代替： （2-28）在等式（2-28）中，表示立体角（）。是辐射强度。2.3.1.2普郎克定律辐射力的定义为单位时间内，物体的单位表面积向周围半球空间发射的0波长范围内的总辐射能，并表示为E（W/m2），对黑体，辐射力以Eb表示。1900年，普朗克根据电磁波的量子理论，揭示了真空中黑体在不同

23、温度下的单色辐射力随波长的分布规律，即普朗克定律，表示如下： （2-29） （2-30）真实表面的辐射力小于黑体的辐射力。定义为真实表面的辐射率或黑度：。对真实表面，是随波长而变化的。物体的单色辐射率与波长无关的物体称为灰体，即在0的波长范围内，为一小于1的常数。这样可以将式（2-30）改写成适用于计算实际物体表面辐射力的公式为 （2-31） 2.3.1.3 克希霍夫（Kirchhoff）定律如果一起火灾是被隔离的，则内部物质不同但具有相同温度的隔离物都能达到自己的平衡状态。有关系式如下： （2-32）在物质之间的接触面上、和分别表示能量的吸收率、放射率和透射率。克希霍夫（Kirchhoff）

24、定律表明为了维持平衡， （2-34）2.3.2热气体和非发光火焰的辐射 只有分子呈偶极子运动的气体，其辐射发生在光谱的整个热辐射波长范围内。气体辐射是全体积辐射，因此，气体的辐射特性与其“厚度”有关。考虑一束波长为的单色光通过一个厚度为L的气体层，当光束穿过薄层dx时，其光强的减弱与当地光强、气体薄层厚度dx以及气体层内吸收光的组分浓度成正比，即： （2-36） 为x=0处的入射光强，上式称为Lambert-Beer定律，于是得到单色光的吸收率为： （2-37） 根据克希霍夫定律，它等于同样波长时的单色光辐射率。当L时，和趋于1。在大多数的消防工程应用中，烟气辐射率为： （2-40） 2.3.

25、3发光火焰和热烟气辐射火焰内部或热烟气中的微小颗粒温度较高，其辐射光谱是连续的，火焰（热烟气）辐射依赖于温度、颗粒的浓度和火焰的“厚度”，或射线行程平均长度。其辐射率的经验公式： （2-41） 式中K 为发射系数，当炭颗粒直径大大小于辐射波长时： （2-42） 其中C0为26之间的常数，C2为Plank第二常数，其值为1.438810-2mK。fv为炭颗粒的体积分数，其值约为10-6量级。Ts为辐射温度。 火焰中炭颗粒越多，火焰平均温度就越低。炭颗粒的辐射大大超过气体所产生的分子辐射。如果必须考虑气体辐射，炭颗粒与热气体平均混合物的辐射率为： （2-43） 2.4 物质的传递燃烧发生时，物质的

26、传递通过物质的分子扩散、燃料相分界面上的斯蒂芬流、浮力引起的物质流动、由外力引起的强迫流动、湍流运动引起的物质混合等方式来实现。2.4.1 物质的扩散B为一种静止的等温流体，从它的一边渗入另一种流体A，而在另一边将流体A渗出。由于浓度差，A物质将从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。在单位时间内，单位面积上流体A扩散造成的物质流与在B中流体A的浓度梯度成正比，即 （2-44）式中，JA代表在单位时间内、单位面积上流体A扩散造成的物质流量，DAB称为组分A在组分B中的扩散系数。yABJA AfA图2-9 扩散定律示意图 在考虑多组分混合物的扩散问题时，常常把考虑的S组分看出一种组分，而把S组分之外的

27、其它组分看出另一组分，因此扩散方程可以写为 （2-45）方程（2-44）和（2-45）均称为费克扩散定律方程。2.4.2 斯蒂芬流在物理或化学过程作用下，在相分界面处会产生一个与扩散物质流有关的法向总物质流。这个总物质流就是斯蒂芬流，它是由于扩散以及物理化学过程两个作用共同产生的。 如图2-10所示。AB是水面，fH2O表示水汽的相对浓度，fair表示空气的相对浓度。 （2-49）这时相分界面处水汽分子扩散流是 （2-50）因为，所以。与此同时，分界面处空气浓度梯度也将导致空气分子的扩散流，因此，有 （2-51）所以， 。 因此，在相分界面处，除了扩散流之外，一定还有一个与空气扩散流相反的空气

28、水蒸气混合气的整体质量流，使得空气在相分界面上的总物质流为零。假设混合气的总体质量流是以流速V0流动的，质量流就可以分为两部分：一部分是扩散物质流，另一部分是由于混合气的总体质量流所携带的该组分的物质流。因此，可以写出下面的关系式： （2-53）在水面蒸发问题中，因为gair0，所以g0，即 （2-54）水蒸发时，斯蒂芬流等于扩散物质流加上混合气总体运动时的所携带的水汽物质流。 通过上面例子可看出斯蒂芬流产生的条件是在相分界面处既有扩散现象存在，又有物理或者化学过程存在，这两个条件是缺一不可的。2.4.3 燃烧引起的浮力运动 火灾现场，燃烧区附近的整个气体都在流动，这个物质流称为整体物质流。假

29、定有一垂直管道，高度为H，管内温度为T，空气比重为，管外空气温度为T0，比重为0；管道下端平面为11平面，管道上端平面为22平面；向上作用在22平面上的压力为P2，向下作用在平面11上的压力为P1；向上作用在11平面上的压力为P。 所以 ； （2-58）2211HP2PP1T ，T0，0图2-11 烟囱效应 于是冷空气从管道下端进入，热空气从管道上端流出，这种在垂直的围护物中，由于气体对流，促使烟尘和热气流向上流动的效应，称为”烟囱效应“。从公式（2-58）中可以看出： （1）管道H越高，管道下端11平面上的压力差（PP1）越大，烟囱效应越显著。 （2）管道内外温差越大，热空气与冷空气的比重差

30、越大，管道下端11平面上的压力差就越大，烟囱效应越显著。烟囱效应对高层建筑发生火灾时的危害特别大。火灾时烟气的垂直流动速度可达24m/s。课后作业：1、房间发生火灾，室内温度达1000，墙壁厚0.15m，导温系数5.210-7m2/s。经过多长时间，挂在隔壁房间墙壁(初始温度10）上的衣物有着火的危险（衣物的自燃点200）？第 六 讲重点：着火分类、谢苗诺夫热自燃机理。第3章 着火和灭火理论本章包括：着火分类和着火条件、谢苗诺夫热自燃理论、弗兰克卡门涅茨基热自燃理论、连锁自燃理论、强迫着火和灭火分析。3.1 着火分类和着火条件3.1.1 着火分类 可燃物的着火方式，一般分为以下几类： 1）化学

31、自燃：不需要外界加热，在常温下依据自身的化学反应发生。 2）热自燃：将混合物预先均匀地加热，当混合物加热到某一温度时便会自动着火。 3）点燃：从外部能源使混气的局部范围受到强烈的加热而着火。 火灾有时也称爆炸，热自燃也称热爆炸。 “着火”、“自燃”、“爆炸”的实质相同。3.1.2 着火条件 着火条件是：如果在一定的初始条件下，系统将不能在整个时间区段保持低温水平的缓慢反应态，而将出现一个剧烈的加速的过度过程，使系统在某个瞬间达到高温反应态，即达到燃烧态，这个初始条件就是着火条件。3.2 谢苗诺夫热自燃理论任何反应体系中的可燃混气，一方面它会进行缓慢氧化而放出热量，使体系温度升高，同时体系又会通过器壁向外散热，使体系温度下降。