燃烧与爆炸安全工程4

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1、2006年12月 杨 迎年12月 杨 迎,第四章 可燃气体的燃烧,第一节 预混气中火焰的传播理论,可燃气燃烧可燃气+助燃气 混合方式有：预先混合（预混气体）：如边扩散边混合：如,第一节 预混气中火焰的传播理论,一、物理模型与雨果尼特方程 1、物理模型,压力P,温度T,密度,速度u,燃 烧 波,图4-1 火焰在预混气中的传播,气体如何运动？ 速度有多快？,（2）瑞利方程,（1）雨果尼特方程,第一节 预混气中火焰的传播理论,一、物理模型与雨果尼特方程 2、描述预混气状态方程,（2）瑞利方程,（1）雨果尼特方程,第一节 预混气中火焰的传播理论,一、物理模型与雨果尼特方程 2、描述预混气状态方程,（3

2、）瑞利方程变形式,（4）声速,（5）整理式,第一节 预混气中火焰的传播理论,一、物理模型与雨果尼特方程 2、描述预混气状态方程,马赫数M物理意义:,雨果尼特曲线 瑞利直线,爆轰区,正常火焰 传播区,爆轰：主要依靠冲击波（激波）的高压，使未燃气受到近似绝热压缩的作用而升温着火，从而使燃烧波在未燃区中传播的现象。,正常火焰传播：主要依靠导热作用将火焰中产生的热量传递给未燃气，使之升温并着火，从而使燃烧波在未燃气中传播的现象。,二、正常火焰传播与爆轰,雨果尼特曲线 瑞利直线,爆轰区,正常火焰 传播区,特点： （1）燃烧后气体的压力增大 （2）燃烧后气体的密度增大 （3）燃烧波以超音速传播,二、正常火

3、焰传播与爆轰,雨果尼特曲线 瑞利直线,爆轰区,正常火焰 传播区,特点： （1）燃烧后气体的压力增大 （2）燃烧后气体的密度增大 （3）燃烧波以超音速传播,特点： （1）燃烧后气体的压力减小或接近不变 （2）燃烧后气体的密度减小 （3）燃烧波以亚音速传播,二、正常火焰传播与爆轰,第一节 预混气中火焰的传播理论,一、物理模型与雨果尼特方程 二、正常火焰传播与爆轰定义特点,定义：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区之间形成了明显的分界线，我们称这层薄薄的化学反应发光区为火焰前沿。,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,第二节

4、层流预混气中正常火焰传播速度,一、传播机理 （一）火焰前沿,已燃区,未燃区,十分之几毫米 百分之几毫米,第一节 预混气中火焰的传播理论,一、物理模型与雨果尼特方程 1、物理模型,压力,温度,密度,速度,燃 烧 波,图4-1 火焰在预混气中的传播,气体如何运动？ 速度有多快？,已燃区,未燃区,x,x,预热区,化学 反应区,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 （二）火焰前沿的特点,1、火焰前沿可分为：预热区和化学反应区； 2、火焰前沿存在强烈的导热和物质扩散。,（三）火焰传播机理,1、热理论 2、扩散理论,第二节 层流预混气中正常火焰传播速度,二、层流火焰传播速

5、度-马兰特简化分析,已燃区,未燃区,x,预热区,化学 反应区,1、简化模型 2、反应区的温度分布3、热平衡方程,4、火焰传播速度,4、火焰传播速度,结论： 对于二级反应，火焰的传播速度与压力无关。,第二节 层流预混气中正常火焰传播速度,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 （二）可燃气分子结构的影响 （三）初始压力的影响 （四）混气初始温度的影响 （五）火焰温度的影响 （六）惰性气体的影响 （七）混气性质的影响,最佳比值时，Sl最快。 可燃气与空气比值化学当量比,（一）可燃气与空气比值的影响,280 240 200 160 120 80 40,120 100

6、80 60 40 20,氢气浓度对Sl的影响,CO浓度对Sl的影响,Sl(cm/s),（二）可燃气分子结构的影响,饱和与不饱和烃类的Sl随C原子数目变化关系,4 3 2 1 0,1 2 3 4 5 6,炔烃 烯烃 烷烃,Sl max/(70cm/s),饱和烃： Sl与分子中C原子数无关，70cm/s； 不饱和烃： Sl随C原子数增加下降， nC4后， Sl下降缓慢。 nC8后， Sl不再下降。,（三）初始压力的影响,压力对Sl的影响,0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3,20 100 1000,n (Sl Pn),n2时， P增大， Sl增大； Sl100cm/s。,Sl(

7、cm/s),（四）混气初始温度的影响,10 30 50 70 90,1200 1000 800 600 400 200 0,氢气-温度对Sl的影响,混气初温增大， Sl增大；,430 oC 310 oC 190 oC 20 oC,Sl(cm/s),（五）火焰温度的影响,280200 160 120 80 40 0,12 16 20 24 28100,火焰温度对Sl的影响,1200 1000 800 600 400 200 0,Sl(cm/s),（六）惰性气体的影响,0 20 40 60 80 100,800 600 400 200,Sl(cm/s),添加N2对Sl的影响,H2,CO,CH4,惰

8、性气体加入量增大， Sl减小；,（七）混气性质的影响,混气性质主要参数：K ，CP 灭火剂：低的导热系数和高热容,第二节 层流预混气中正常火焰传播速度,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 （二）可燃气分子结构的影响 （三）初始压力的影响 （四）混气初始温度的影响 （五）火焰温度的影响 （六）惰性气体的影响 （七）混气性质的影响,第二节 层流预混气中正常火焰传播速度,一、传播机理火焰前沿 二、层流火焰传播速度-马兰特简化分析Sl的推导 三、物理化学参数对层流火焰传播速度的影响七个影响因素 四、层流火焰传播速度的确定,第二节 层流预混气中正常火焰传播速度,四、层

9、流火焰传播速度的确定,1、理想火焰面：,第二节 层流预混气中正常火焰传播速度,四、层流火焰传播速度的测定,1、理想火焰面：,第二节 层流预混气中正常火焰传播速度,四、层流火焰传播速度的确定,1、理想火焰面：,图4-14火焰几何性质,第二节 层流预混气中正常火焰传播速度,四、层流火焰传播速度的确定,1、理想火焰面：,图4-14火焰几何性质,2、火焰传播速度：是火焰沿火焰面垂直方面的运动速度，用Sl 表示。,火焰传播速度,第二节 层流预混气中正常火焰传播速度,四、层流火焰传播速度的确定,1、理想火焰面：,图4-14火焰几何性质,2、火焰传播速度：是火焰沿火焰面垂直方面的运动速度，用Sl 表示。 3

10、、火焰余弦定理,Sl,第二节 层流预混气中正常火焰传播速度,四、层流火焰传播速度的测定,Sl,A,V,第二节 层流预混气中正常火焰传播速度,四、层流火焰传播速度的确定,A,V,Sl火焰传播速度，cm/s； A火焰表面积cm2； V混气容积流速，cm3/s；,4、理想火焰传播速度的测定,Sl,第二节 层流预混气中正常火焰传播速度,四、层流火焰传播速度的确定,第二节 层流预混气中正常火焰传播速度,四、层流火焰传播速度的确定,Sli,5、实际火焰传播速度的测定,r=0.9R处 Sli 接近真实的平均火焰传播速度,爆炸：物质从一种状态迅速地转变为另一种状态（或者物质性质和成分发生根本变化）时，在瞬间放

11、出大量的能量，同时产生声响的现象。 化学性爆炸：物质因为发生迅速的化学反应，产生高温、高压而引起的爆炸现象。 物理性爆炸：物质因为状态或压力突变而引起的爆炸现象。 核爆炸：物质因为原子核裂变或聚变而形成的爆炸现象。,第三节 可燃气体爆炸,一、可燃气爆炸时温度的计算 二、可燃气爆炸时压力的计算 三、可燃气爆炸时升压速度的计算 四、可燃气爆炸时爆炸威力指数 五、可燃气爆炸时爆炸总能量 六、可燃气爆炸时爆炸参数测定,第三节 可燃气体爆炸,一、可燃气爆炸时温度的计算,（一）计算条件1、爆炸过程等容、绝热；2、可燃气体符合化学计量比；3、爆炸燃烧完全；4、已知可燃气体的理化参数 （二）计算公式,例题1：

12、乙醚爆炸时的最高温度 （1）燃烧反应方程式C4H10O+6O2+22.6N2=4CO2+5H2O+22.6N2 （2）乙醚的燃烧热2720855.2(kJ/kmol)，水的汽化热43973.84(kJ/kmol) （3）燃烧产物升温热量Q显=2720855.2-4397.845=2500986 (kJ) （4）燃烧产物中各组分升高1K所需热量N2：22.6(20.08+0.00288t)=453.81+0.04249tH2O：5(16.74+0.00900t)=83.70+0.04500tCO2：4(37.66+0.00243t)=150.64+0.00972t整理后得：(688.15+0.0

13、9721t)t,例题1：乙醚爆炸时的最高温度,（5）热量平衡(688.15+0.09721t)t=2500986 （6）最高温度,一、可燃气爆炸时温度的计算 二、可燃气爆炸时压力的计算 三、可燃气爆炸时升压速度的计算 四、可燃气爆炸时爆炸威力指数 五、可燃气爆炸时爆炸总能量 六、可燃气爆炸时爆炸参数测定,第三节 可燃气体爆炸,二、可燃气爆炸时压力的计算,（一）依据：理想气体状态方程 （二）计算公式,例题2：乙醚爆炸时的最高压力,（1）燃烧反应方程式C4H10O+6O2+22.6N2=4CO2+5H2O+22.6N2 （2）计算n1=29.6，n2=31.6，t1=0oC，t2=2645.6oC

14、,11倍,书中表4-5,一、可燃气爆炸时温度的计算 二、可燃气爆炸时压力的计算 三、可燃气爆炸时升压速度的计算 四、可燃气爆炸时爆炸威力指数 五、可燃气爆炸时爆炸总能量 六、可燃气爆炸时爆炸参数测定,第三节 可燃气体爆炸,三、可燃气爆炸时升压速度的计算,（一）平均升压速度定义：爆炸最大压力与初始压力之差除以所需时间。,三、可燃气爆炸时升压速度的计算,（二）瞬时压力,例题3：某容器中装有甲烷和空气预混气，体积为9升，甲烷的体积浓度为9.5%，爆炸前初温T1=298K，初始压力P1=1atm，爆炸时温度T2=2300K，最大爆炸压力P2=8.0756105Pa，甲烷火焰传播速度为Sl=34.7cm

15、/s，取热容比K=1.4，求甲烷爆炸时平均升压速度。,解：,（1）甲烷燃烧反应式为CH4+2O2+7.5N2 CO2+2H2O+7.5N2 （2） （3） （4）,例题3：某容器中装有甲烷和空气预混气，体积为9升，甲烷的体积浓度为9.5%，爆炸前初温T1=298K，初始压力P1=1atm，爆炸时温度T2=2300K，最大爆炸压力P2=8.0756105Pa，甲烷火焰传播速度为Sl=34.7cm/s，取热容比K=1.4，求甲烷爆炸时平均升压速度。,解：,其他可燃气的最大爆炸压力和升压速度 见书117页 表4-7,一、可燃气爆炸时温度的计算 二、可燃气爆炸时压力的计算 三、可燃气爆炸时升压速度的计算 四、可燃气爆炸时爆炸威力指数 五、可燃气爆炸时爆炸总能量 六、可燃气爆炸时爆炸参数测定,第三节 可燃气体爆炸,四、可燃气爆炸时爆炸威力指数,五、可燃气爆炸时爆炸总能量,爆炸威力指数 = 最大爆炸压力平均升压速度,