第三章 着 火 理 论,第一节 着火的基本概念 第二节 热自燃理论 第三节 链锁自燃理论 第四节 强迫点燃理论,第一节 着火的基本概念,一、着火过程 二、着火方式与机理 三、着火条件的数学描述,一、着火过程,燃料和氧化剂混合后，由无化学反应、缓慢的化学反应向稳定的强烈放热状态的过渡过程，最终在某个瞬间、空间中某个部分出现火焰的现象称为着火。着火过程是化学反应速率出现跃变的临界过程，即化学反应从低速状态在短时间内加速到极高速的状态。,二、着火方式与机理,1.着火分类 2.热着火与链式着火的区别 3.热着火与链式着火的共同点,1.着火分类,(1)热着火 可燃混合物由于本身氧化反应放热大于散热，或由于外部热源加热，温度不断升高导致化学反应不断自动加速，积累更多能量最终导致着火的现象称为热着火。 (2)链式着火 由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中心产生速率大于销毁速率时，在分支链式反应的作用下，导致化学反应不断加速，最终实现着火的现象称为链式着火。,2.热着火与链式着火的区别,(1)热着火和链式着火的微观机理不同 热着火过程中，传递能量(也就是微观动能)并使得化学反应继续进行的载体是系统中所有的反应物分子，而链式着火有效的反应能量只在活化中心之间传递。 (2)热着火通常比链式着火过程强烈得多 这是因为热着火的过程中，系统中的温度整体上升，这就意味着所有分子的平均动能是整体同步提高的，将使得系统中整体的分子动能增加，超过活化能的活化分子数按指数规律增加，导致整个系统的化学反应速率会急剧上升。,2.热着火与链式着火的区别,(3)热着火和链式着火的外部条件也有所不同 热着火通常需要良好的保温条件，使得系统中化学反应产生的热量能够逐渐积聚，最终引起整个系统温度的升高，从而反过来使得化学反应加速。,三、着火条件的数学描述,1)能够使得系统的化学反应速率自动地、持续地加速，直至达到一个较高的化学反应速率。 2)实际的化学反应速率不会趋于无穷大，而最终会到达某个有限的数值，但是，在这个有限的化学反应速率的数值下，系统在空间中存在剧烈发光发热(也就是燃烧)的现象。,第二节 热自燃理论,一、热自燃条件 二、热自燃温度 三、热自燃界限 四、热自燃孕育期,一、热自燃条件,1)只有热反应，不存在链式反应，化学反应速率遵守阿累尼乌斯定律。 2)容器的体积V和表面积A为定值。 3)容器内的参数，例如成分、温度、浓度(或压力)以及反应速率等处处相同。 4)在反应开始时，系统的温度和容器的壁温与环境温度T0相同。 5)在反应过程中，系统的温度、容器壁温与可燃物质温度相同，均为T。,一、热自燃条件,6)容器与环境之间仅存在对流换热，表面传热系数为定值。 7)可燃物质的反应热Q为定值。 8)在整个着火过程中，可燃物质浓度变化很小，视为不变。,(3)放热曲线与散热直线有一个交点 当环境温度由T01逐渐升高时，散热直线向右移动。,图3-4 对热自燃的影响,(3)放热曲线与散热直线有一个交点 当环境温度由T01逐渐升高时，散热直线向右移动。,图3-5 压力对热自燃的影响,解此方程可得,图3-7 散热条件对自燃温度的影响,解此方程可得,表3-1 某些气体和液体燃料与空气混合物在大气压力和通常条件下的着火温度,表3-2 一些固体燃料的着火温度,三、热自燃界限,图3-8 热自燃界限,三、热自燃界限,图3-9 临界压力与温度关系,三、热自燃界限,图3-10 Cl分解的自燃界限,三、热自燃界限,图3-11 C+化合的自燃界限,三、热自燃界限,图3-12 自燃温度与混合气成分的关系,三、热自燃界限,图3-13 临界压力与混合气成分的关系,四、热自燃孕育期,(1)当环境温度T0=T01时 从图3-3可以看出，反应开始后，由于QL0，即由式(3-7)知dT/dt0，所以温度T随时间t将不断上升。 (2)当环境温度T0=T02时 从图3-3可以看出，在到达温度TC以前，可燃物质的温度变化情况与图3-14中曲线类似，即温度曲线单调上升，曲线向下凹。 (3)当环境温度升高到T0=T03时 则温度变化过程如图3-14曲线所示。,四、热自燃孕育期,图3-14 着火过程中的温度变化,(3)当环境温度升高到T0=T03时 则温度变化过程如图3-14曲线所示。,图3-15 气流中自燃的着火孕育期和温度的关系 预混合气：空气燃料(Calor gas),(3)当环境温度升高到T0=T03时 则温度变化过程如图3-14曲线所示。,图3-16 着火孕育期与压力的关系 a)煤油 b)Calor gas c)乙炔 d)甲烷,(3)当环境温度升高到T0=T03时 则温度变化过程如图3-14曲线所示。,表3-3 某些燃料与空气反应的活化能,第三节 链锁自燃理论,一、链锁自燃与热自燃 二、链锁自燃条件 三、链锁自燃孕育期,一、链锁自燃与热自燃,图3-17 CO着火界限,一、链锁自燃与热自燃,图3-18 和反应的着火界限,一、链锁自燃与热自燃,图3-19 C和O的着火界限,一、链锁自燃与热自燃,图3-20 和空气的着火界限,二、链锁自燃条件,图3-21 分支链式反应过程,二、链锁自燃条件,图3-22 链锁着火条件示意图,三、链锁自燃孕育期,链锁自燃孕育期定义为从反应开始到反应速率明显加快的瞬间所需要的时间i，此时的反应速率,第四节 强迫点燃理论,一、强迫点燃与热自燃 二、强迫点燃方法 三、炽热物体点燃理论,一、强迫点燃与热自燃,所谓强迫点燃即强迫着火，点燃和热自燃在本质上没有多大的差别，但在着火方式上则存在较大的差别。热自燃时，整个可燃物质的温度较高，反应和着火在可燃物质的整个空间内进行。而点燃时，可燃物质的温度较低，只有很少一部分可燃物质受到高温点火源的加热而反应，而在可燃物质的大部分空间内，其化学反应速率等于零。,二、强迫点燃方法,(1)炽热物体点燃 可用金属板、柱、丝或球作为电阻，通以电流(或用其他方法)使其炽热成为炽热物体。 (2)电火花点燃 利用两电极空隙间高压放电产生的火花使部分可燃物质温度升高产生着火。 (3)火焰点燃 火焰点燃是先用其他方法点燃一小部分易燃的气体燃料以形成一股稳定的小火焰，然后以此作为能源去点燃其他的不易着火的可燃物质。,三、炽热物体点燃理论,图3-23 炽热物体边界层内的温度分布,