29消防燃烧学第四章

免责声明本书是由杜文峰组织编写的《消防工程学》，以下电子版内容仅作为学习交流，严禁用于商业途径。本人为西安科技大学消防工程专业学生，本专业消防燃烧学科目所选教材为这版的书籍，无奈本书早已绝版，我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚，严重影响我们专业课的学习。并且此书为消防工程研究生的专业课指定教材，因此本人花费一个月时间将此书整理修改为电子版，希望可以帮助所有消防工程的同学。由于本人能力有限，书上的图表均使用的是截图的，可能不是很清楚，还有难免会有错误，望广大读者海涵。西安科技大学消防工程专业2009级赵盼飞2012、5、28第四章124第四章可燃气体的燃烧在石油化工企业生产中，会产生各种可燃气体，或使用可燃气体作原料。可燃气体燃烧会引起爆炸，在特定条件下还会引起爆轰，对设备等造成严重破坏。因此研究气体燃烧规律，对消防安全工作具有重要意义。第一节预混气中火焰的传播理论火焰(即燃烧波)在预混气中传播，从气体动力学理论可以证明存在两种传播方式：正常火焰传播和爆轰。一、物理模型与雨果尼特方程设有一圆管，管中充满静止可燃混气。若管中某处有一火源，使混气着火，火焰就会在混气中传播。假定火焰从右向左传播，如果混气不是静止的，而是自左向右流动，流速为u，它刚好与火焰传播速度大小相等，方向相反，那么火焰相对于管壁就会驻定下来，为分析简单，只研究驻定情况，其物理模型见图4—1。图中P、、T、u分别表示混气压力、密度、温度和速度。下标“。”表示是未燃混气参数；下标“P”表示是已燃气体参数。上述物理模型中气体各参数，在一定近似假定条件下，根据气体动力学理论，它们应满足以下方程式：qPPPPKKPPPP)11)((21)(1(4—1)2222211PPPPuumPP(4—2)方程式(4—1)称雨果尼特方程，式中K是热容比，它的物理意第四章125义是等压热容与等容热容之比，即VPCCK，对于空气，K=1.4。q是单位质量混气的反应热。是单位体积混气的密度，方程式(4—2)称瑞利方程，式中m是单位时间、单位截面积上的质量流量。将方程式(4—2)改写成如下形式)11()(22PPPPu(4—3)因为声速可写成)1(2KPTMRKaS(4—4)将(4—3)除以(4—4)得)111()1(2PPPPKM(4—5)以上公式中R为气体常数，SM为气体摩尔质量；M称马赫数，其物理意义是混气速度u(它等于燃烧波速度，只是方向相反)与当地声速a之比，公式(4—5)称为判别方程，用来判断燃烧波的传播速度是否大于声速。如果给定混气的初始状态，即给定P，则最终状态，即燃烧后的PP、P必须同时满足雨果尼特方程和瑞利方程。现将雨果尼特方程和瑞利方程同时画在1—P图上，就得瑞利直线和雨果尼特曲线，瑞利直线斜率为2m-，见4—8。二、正常火焰传播与爆轰通过图4—2中初态点(P，1)分别作PP、P1轴的平行线(即图中互相垂直的两条虚线)，则将平面(PP，P1)分成四个区域(I、II、III、IV)。由于瑞利直线的斜率是负值，所以通过(P，1)点作的PP轴和P1轴的两平行线是瑞利直线的极限状态，即瑞利直线不可能出现在II、IV区。又因为燃烧后的终态点(PP，P1)必须同时满足雨果尼特方程和瑞利方程，也就是落在雨果尼特曲线第四章126和瑞利直线的交点上，因此过程的终态只可能发生在I、III区，不可能发生在II、IV区。(一)爆轰区I区是爆轰区。可燃混气处在I区燃烧有以下三个显著特点：(1)燃烧后气体压力要增加。在I区雨果尼特曲线和瑞利直线的交点所对应的终态压力PP均比初态压力P大，这就是说燃烧后的气体压力要增加，即PPP。(2)然烧后气体密度要增加。在I区雨果尼特曲线与瑞利直线的交点所对应的终态密度倒数小于初态密度倒数，即P11，也就是P，这意味着燃烧后气体密度要增加。(3)燃烧波以超音速进行传播。在I区由于PPP，一般55~13PPP，公式(4—5)右边的分子)1(PPP要比1大得多；又由于P11，分母)111(P要比1小得多。这样，公式(4—5)中2KM的值大于1，若取K=1.4，则2Ml，而auM，即au。可见这时燃烧波是以超音速在混气中传播的。第四章127(二)正常火焰传播III区是正常火焰传播区。按照分析图4—1中I区的方法，对III区进行分析，可以看出，可燃混气处Ⅲ在区燃烧也有三个特点：(1)燃烧后气体压力要减少或接近不变；(2)燃烧后气体密度要减少；(3)燃烧波以亚音速(即小于音速)进行传播。气体中正常火焰传播和爆轰间定性差别，见表４—1。第二节层流预混气中正常火焰传播速度一、传播机理(一)火焰前沿概念若在一长管中充满均匀混气，当用电火花或其它火源加热某一局部混气时，混气的该局部就会着火并形成火馅，火焰产生的热量会由于导热作用而输送给火焰周围的冷混气层，使冷混气层温度升高，化学反应加速，并形成新的火焰。这样使一层一层的新鲜混气依次着火，也就是薄薄的化学反应区开始由引燃的地方向未燃混气传播，它使已燃区和未然区之间形成了明显的分界线。称这层薄薄的化学反应发光区为火焰前沿。火焰前沿在管子中的传播速度用lS表示，设管子是绝热圆管，火焰前沿为一与管子轴线垂直的平面。为了研究方便，假定火焰前沿是驻定的，而混气以层流火焰传播速度lS流入管内。实验证明，火焰前沿厚度是很薄的，只有十分之几毫米甚至百分之几毫米，在分析问题时经常把它看成一几何面。(二)火焰前沿的特点(1)火焰前沿可以分成两部分：预热区和化学反应区。火焰前沿接触冷混气的一面，有很大部分是用来预热冷混气的，称预热区。第四章128在预热区中，流入的冷混气温度由T被加热到iT温度。由于预热区中温度较低，化学反应速度很小，可以忽略。预热区的厚度用P表示。紧接预热区的是化学反应区，其厚度用C表示，混气经过该区域后95％~98%的混气发生反应。温度从式升高到理论燃烧温度mT。火焰前沿结构及其温度、浓度分布如图4—3所示。图4—3火焰前沿结构及其温度浓度分布示意图。(2)火焰前沿存在强烈的导热和物质扩散。由于整个火焰前沿厚度δ很薄，在这样薄的厚度上，温度却从初温T突然升高到理论燃烧温度mT，因而产生极大的温度梯度，它将引起火焰前沿的热量快速导向冷混气。同时由于在火焰前沿冷混气从初始浓度sf突然变到零(冷混气烧光)，已燃气从零突然升高而产生极大的浓度梯度，导致出现强烈的物质扩散。由此可见，在火焰中分子的迁移不仅仅是由于强迫流动的作用，而且还存在扩散的作用；热量迁移不仅仅靠强迫对流和辐射，而且还有导热，层流火焰中温度及浓度分布的实验数据证实了上述分析。(三)火焰传播机理根据上面对层流火馅前沿的分析，目前火焰传播机理有以下两第四章129种理论：1.火焰传播的热理论热理论认为，火焰能在混气中传播是由于火焰中化学反应放出的热量传播到新鲜冷混气中，使冷混气温度升高，化学反应加速的结果。2.火焰传播的扩散理论扩散理论认为凡是燃烧都属于链式反应。火焰能在新鲜混气中传播是由于火焰中的自由基向新鲜冷混气中扩散，使新鲜冷混气发生链锁反应的结果。本节主要讨论火焰传播的热理论。二、层流火焰传播速度——马兰特简化分析(一)物理模型简化分析的物理模型如图4—4所示。在上述模型中，若由II区导出的热量能使未燃混气的温度上升到某个着火温度iT，则火焰就能保持稳定传播。设反应区中温度分布为线型分布，即CimTTdxdT(4—6)式中C为反应区宽度。因此热平衡方程式为第四章130CimiPTTFKTTGC)((4—7)式中G是单位时间流经管道某横截面的质量流量，F是管道的横截面积，K是导热系数。(二)火焰传播速度因为FSuFGl(4—8)所以CimiPlTTKTTCS)((4—9)或者CiimCiPimlTTTTaTTCTTKS)()()()(式中PCKa，称导温系数。又因为sslClCWfSS(4—10)式中C是化学反应时间，是混气初始质量浓度，sf是混气的初始质量相对浓度，SW是可燃混气反应速度。将公式(4—10)代入公式(4—9)得siimlfWTTTTaSS)()((4—11)公式(4—11)表明层流火焰传播速度lS与导温系数a及化学反应速度SW的平方根成正比。这一结论已由实验证明是正确的。又因mRTEnsnOSefKWS，PCKa所以)()(22TTCefKTTKSiPmRTEnnOSiml据P关系可得1222nnnlPPS(4—12)式中n是反应级数。公式(4—12)意味着对于二级反应，火焰传播第四章131速度lS将与压力无关。大多数碳氢化合物与氧的反应，其反应级数接近2，因此火焰传播速度lS与压力关系不大。实验也证明了这个结论。应该指出这一理论还不完善，例如未燃混气初温T如果等于这里的着火温度iT，则火焰传播速度为无穷大，这显然是错误的。三、物理化学参数对层流火焰传播速度的影响(一)可燃气与空气比值的影响混气中可燃气与空气比值不同，火焰传播速度lS不同。实验发现混气中可燃气与空气比值存在一个最佳比值，在此最佳比值条件下火焰传播速度lS最快，否则会下降。理论上这个最佳比值应等于化学当量比，即空气供给系数1，但实际燃烧时并不等于1，而是有些差别，这与实际燃烧时情况很复杂，影响因素很多有关。氢气和一氧化碳燃烧时火焰传播速度与可燃气浓度关系见图4—5和图4—6。实验还发现火焰传播也存在一个浓度极限问题。在混气中如果可燃气太少或太多，火焰均不能传播。可燃气含量在一定范围内才能传播，这是用传播法实验测定可燃气爆炸极限的依据。(二)可燃气分子结构的影响对于饱和烃，火焰传播速度与分子中碳原子数无关，scmSl70；对于不饱和烃，碳原子数目增加，火焰传播速度下降。第四章132碳原子数增加到4以后。火焰传播速度下降缓慢。当碳原子数等于或大于8以后，火焰传播速度不再下降，见图4—7。(三)初始压力的影响由公式(4—12)可见，当反应级数n=2时，火焰传播速度与压力无关；反应级数n2时，压力增加，火焰传播速度下降；反应级数n2时，压力增加，火焰传播速度增加。在烃类和氧气与氮气或氢气或氦气组成的混合气体中，实验发现当火焰传播速度小于50cm/s时，压力增加，火焰传播速度下降，此时反应级数小于2；火焰传播速度在50~100cm/s时，压力增加，火焰传播速度不变，此时反应级数等于2，火焰传播速度大于100cm/s时。压力增加，火焰传播速度增加，此时反应级数大于2。实验结果见图4—8。第四章133(四)初始温度的影响混气初温增加，混气燃烧时火焰温度mT就越高，化学反应速度SW会越快，火焰传播速度就越高。实验结果表明，通常nlTS，其中n=1.5~2。混气初温T对火焰传播速度lS的影响见图4—9和图4—10。(五)火焰温度的影响火焰温度越高，离解反应越易进行，离解反应所释放的自由基(H、O、OH)就越多。这些自由基扩散到反应区前面的区域，增大了火焰的传播速度。表4—2是CO火焰中H原子浓度HC分布。第四章134从上表可以看出，在湿2OCO—火焰中(即有少量水蒸气存在)实际局部H原子浓度比相当于它局部温度时的浓度至少要大一个数量级，这就说明了这些原子的确是从反应区扩散到反应区前面的区域。在2OCO—和22OH—火焰中H原子所起的作用可以用下列反应过程来猫述，其中R代表CO或2H，而P代表2CO或OH2。HH22在已燃气体中引发H扩散到未燃气体中MHOMOH22OHPRHO2链传递HPROHMHMHH2链终止链的终止反应在低压时主要发生在容器壁上，在高压时，主要发生在容器中气相内。图4—11给出了火焰温度对火焰