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1、 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 可燃气体的燃烧 在石油化工企业生产中
2、，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，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41。
3、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： (41) (42)方程式(41)称雨果尼特方程，式中K是热容比，它的物理意义是等压热容与等容热容之比，即，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(42)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(42)改写成如下形式 (43) 因为声速可写成 (44) 将(43)除以(44)得 (45) 以上公式中R为气体常数，为气体摩尔质量；称马赫数
4、，其物理意义是混气速度(它等于燃烧波速度，只是方向相反)与当地声速之比，公式(45)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，则最终状态，即燃烧后的、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图上，就得瑞利直线和雨果尼特曲线，瑞利直线斜率为，见48。 二、正常火焰传播与爆轰 通过图42中初态点(，)分别作、轴的平行线(即图中互相垂直的两条虚线)，则将平面(，)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(，)点作的轴和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
5、燃烧后的终态点(，)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 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均比初态压力大，这就是说燃烧后的气体压力要增加，即。 (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，一般 ，公式(45)右边的分子要比1大得多；又由于l，而，即。可见这时燃烧波是以超音速在混气中传播的。 (二)正常火焰传播 I
6、II区是正常火焰传播区。按照分析图41中I区的方法，对III区进行分析，可以看出，可燃混气处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
7、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。在预热区中，流入的冷混气温度由被加热到温度。由于预热区中温度较低，化学反应速度很
8、小，可以忽略。预热区的厚度用表示。紧接预热区的是化学反应区，其厚度用表示，混气经过该区域后9598%的混气发生反应。温度从式升高到理论燃烧温度。火焰前沿结构及其温度、浓度分布如图43所示。 图43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很薄，在这样薄的厚度上，温度却从初温突然升高到理论燃烧温度，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
9、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
10、如图44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，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 (46)式中为反应区宽度。 因此热平衡方程式为 (47)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 (48) 所以 (49) 或者 式中，称导温系数。 又因为 (410)式中是化学反应时间，是混气初始质量浓度，是混气的初始质量相对浓度，是可燃混气反应速度。 将公式(410)代入公式(49)得 (411) 公式(411)表明层流火焰传播速度与导温系数a及化学反应速度的平方根成正比。这一结论
11、已由实验证明是正确的。 又因 ， 所以 据关系可得 (412)式中n是反应级数。公式(412)意味着对于二级反应，火焰传播速度将与压力无关。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，例如未燃混气初温如果等于这里的着火温度，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最快，否则会下降。理论上这个最佳比值应等于化学当量比，
12、即空气供给系数，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45和图46。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，；对于不饱和烃，碳原子数目增加，火焰传播速度下降。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47。 (三)初始压力的影响 由公式(412)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50100cm/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48。 (四) 初始温度的影响 混气初温增加，混气燃烧时火焰温度就越高，化学反应速度会越快，火焰传播
