第一节　热理论的灭火原理

在非绝热情况下，混合气的浓度变化计算比较复杂，为此，在一个假想的开口系统上进行着火与灭火分析。虽然这个开口系统没有很多实际价值，但是，通过这一分析可以看出着火与灭火之间的本质关系。

一、简单开口系统

设有一个容器，两端是开口的，容器中充满了进行反应的混合气及已燃气，如图1-1所示。为处理问题方便，作如下简化假设。

① 假设混气的初温为T∞，浓度为f∞，且反应物一旦进入容器即迅速反应。

② 反应过程中混气的温度为T，浓度为f，并假设容器右出口排出的产物浓度和温度也是f，T。

③ 假设容器为绝热壁。

④ 假设反应是单分子或是一级反应。

利用这个理想模型的好处是，通过热量、质量的输入、输出分析，可以写出形式十分简单的热平衡和质量平衡关系。由这两个关系很容易找到浓度和温度的关系，从而把两个变量转换成一个变量。

二、简单开口系统的热量平衡和质量平衡

简单开口系统的放热速率(单位体积、单位时间内由于化学反应产生的热量)近似为

‴=ΔHcKρ∞fe-E/(RT)

(1-1)

系统散热实际上是燃烧产物带走的热量，因此，散热速率(指单位体积、单位时间内散失的热量)为

(1-2)

式中　G——质量流量。

系统单位时间反应的物质为

‴=VKρ∞fe-E/(RT)

(1-3)

系统单位时间反应物的减少为

(1-4)

由热量平衡和质量平衡，可知在稳态情况下有。

(1-5)

VKρ∞fe-E/(RT)=G(f∞-f)

(1-6)

由式(1-5)和式(1-6)可得

Cp(T-T∞)=ΔHc(f∞-f)

(1-7)

整理式(1-7)又可得

(1-8)

式中　Tm——系统绝热燃烧温度。

对于单分子反应，由于f∞=1，因此，上式可进一步简化为

(1-9)

(1-10)

三、简单开口系统的放热与散热曲线及灭火分析

热理论熄灭和终止燃烧的出发点是使已着火系统的放热速率小于散热速率，使体系在燃烧过程中温度不断下降，最后由高温氧化态逐步转化为低温氧化态。在假定开口系统、绝热过程和一级反应后，着火系统的放热速率方程变为式(1-11)。散热速率方程可相应地变为式(1-12)。

放热速率方程：

(1-11)

散热速率方程：

(1-12)

从两个方程的分析可以看出，在体系可燃混合物质确定后，环境温度、散热条件以及氧化剂浓度对体系散热速率和放热速率都将产生影响，为了研究问题的方便，在三个变量p、h、T∞固定两个变量不变后，得到-T之间的两维函数关系，即散热曲线和放热曲线的平面示意图。

1.改变环境温度

图1-2为保持压力p、对流换热系数h不变，改变环境温度T0得到的-T曲线。可以看出，由于开口容器中有浓度变化，其中的临界现象就和密闭容器不同了，放热曲线和散热曲线有三个交点，其中第三个交点A′点，是代表高水平的稳定反应状态——稳定燃烧态。

假设燃烧发生，体系的温度处在A‴点(燃烧发生后，散热曲线与放热曲线一定处于相离状态)，当T体系>TA‴，散热曲线高于放热曲线，体系的温度降至A‴点；T体系<TA‴时，放热曲线高于散热曲线，体系的温度又升至A‴点；因此，A‴点是一个稳定燃烧点。继续降低环境温度(火场上常采用冷却的方法)，当温度降至散热曲线与放热曲线相切时(相离状态的交点燃烧状况均同A‴点)，放热曲线和散热曲线除切点C外还在A″点处相交。(此时为着火理论分析的着火条件)同理，当T体系>TA″，散热曲线高于放热曲线，体系的温度降至A″点；T体系<TA″时，放热曲线高于散热曲线，体系的温度又升至A″点；因此，A″点同样也是一个稳定燃烧点，TC不可能自发达到。因此，不能实现体系温度不断下降直至灭火。当温度降至放热曲线与散热曲线相交于A′点时，A′点同样也为稳定点，不能实现灭火。直至环境温度继续下降至放热曲线与散热曲线相交至E点时，体系的放热速率等于散热速率，环境温度稍有下降扰动，体系的放热速率始终小于散热速率，体系温度不断下降，直至灭火。因此，切点E标志着系统将由高水平稳定反应态向低水平的缓慢反应态过渡，即灭火，TE即为体系的熄火温度。要注意灭火和着火都是由稳态向非稳态过渡的，但它们是由不同的稳态出发的。因此，它们不是一个现象的正反两个方面，即着火和灭火不是可逆的过程。系统的灭火点为TE，系统灭火时所要求的初温T∞E小于系统着火时的初温T∞C。初温T∞在T∞E和T∞C之间时，如果系统原来是燃烧反应态，则系统不会自行灭火；如果要使已经处于燃烧态的系统灭火，其初温必须小于T∞E，T∞=T∞C是不能使系统灭火的，也就是说，灭火要在更不利的条件下实现，这种现象称之为灭火滞后现象。

2.改变散热条件

图1-3为保持压力p、环境温度T∞不变、改变系统的散热情况的-T曲线。

改变散热条件即改变公式(1-12)中G/V的比值大小，与图1-2的情况相类似，当系统在A″点稳定燃烧时，若想灭火，必须改善体系的散热条件，当l变到l2的位置时(即着火位置)，放热曲线与散热曲线相交于A′点，由于A′点为稳定点(原因分析同上)，因此，不能实现灭火。只有使l变到l1的位置时，系统才达到实现灭火的临界条件，散热条件的稍加扰动(向左)就可实现灭火。同样，改善散热条件也存在灭火滞后现象。

3.降低混气浓度

图1-4为保持环境温度T∞、对流换热系数h不变，改变压力p的-T曲线。从图可见，当体系处于已燃烧状态时，放热曲线与散热曲线应处于相离状态，即如图所示的l与于相离状态，并在交点A′处作稳定燃烧。为实现灭火，降低体系混气密度ρ∞，当ρ∞从ρ∞1下降到ρ∞2时，相应的放热曲线由g1下降到g2，放热曲线与散热曲线处于相切状态，即放热速率等于散热速率，达到实现灭火的临界条件，即灭火条件，体系混气浓度稍有下降即可实现灭火。

由以上分析可知，系统着火就是由一种低水平的稳定态向高水平的稳定态过渡，或者说，由缓慢的氧化态向燃烧态过渡。而灭火则是由高水平的稳定态向低水平的稳定态过渡，或者说，由燃烧态向缓慢氧化态过渡。发生这种过渡的临界条件可以统一由下式表示：

(1-13)

(1-14)

更进一步的研究还指出：变动初温T∞对着火的影响比较大，对灭火的影响比较小；变动混气浓度(或氧的浓度)对灭火的影响比较大，对着火的影响比较小。

综上所述，在热理论中，要使已着火的系统灭火，必须采取下列措施。

① 降低系统氧或可燃气的浓度。

② 降低系统环境温度。

③ 改善系统的散热条件，使系统的热量更易散发出去。

④ 降低环境温度和改善散热条件，都必须使系统处于比着火更不利的状态，系统才能灭火。此即上面所说的灭火滞后现象。

⑤ 降低氧浓度或可燃气浓度，对灭火来讲，比降低环境温度的作用更大；相反，对防止着火来讲，降低环境温度的作用大于降低氧浓度或可燃气浓度的作用。

四、灭火温度值的计算

灭火温度值的分析计算，对于各种燃烧工况来说，计算近极限状态燃烧过程的参数有一定的困难，所以分析计算具有概算性质。如降低动力火焰温度的最大可能值，与给定组分可燃混合物火焰的绝热温度计算值相比，等于：

(1-15)

式中　T焰——烃类与空气预混气动力火焰的最低温度。

将各数值T绝≈2400K，R=8.314J/(mol·K)，E≈80kJ/mol代入式中，得动力火焰临界绝热温度值(实质上是熄灭烃类与空气混合物动力火焰的绝热温度值)，约1800K。若是非预混可燃体系的扩散燃烧，降低扩散燃烧且符合熄灭条件的最大可能温度，可写成：

(1-16)

式中　——反应区不计热损失时的温度；

T焰——熄灭扩散火焰的温度。

将各数值代入该表达式，可得熄灭扩散火焰更低的温度值，但需要注意的是，这个表达式只有依次按上述指出的极限状态降低熄灭火焰温度的数值，作为特征温度范围才是有意义的。

为了计算熄火温度的数值，可利用实验研究数据(该研究是用平面燃烧器燃烧丙烷与空气混合气时，确定动力火焰传播速率与平面火焰锋散热量的关系，如图1-5所示)。

实验中，不需向燃烧区投入其他抑制剂就能直接自丙烷-空气混合气火焰散掉热量(即靠平面燃烧器金属壳的水冷却强度移走热量)。丙烷燃烧热等于97×103kJ/m3；用浓度下限和浓度上限时，火焰传播临界速率≈5cm/s，自燃烧区移走的热量为16.72×103kJ/m3(见图1-5)。图1-6所示的是用这些数据建立的示意图，是表示火焰传播法向速率与从燃烧区散走热量的关系。

从图可看出，火焰传播法向速率的临界值约为4cm/s，该数据是在自燃烧区移走丙烷燃烧热ΔQ移≈18.81kJ/m3之后获得的，这相当于可燃混合物以化学计量浓度时的燃烧热减少近20%，由此得熄灭动力火焰的绝热温度约为2000K，这个温度甚至还稍高于上面提到的熄灭动力火焰的绝热温度值≈1800K)。

如果假定，熄火极限时的火焰锋热损失(辐射和其他形式的损失)约为40%，那么将由100℃至1000℃范围内的平均比热容值1.4kJ/m3代入计算燃烧产物温度的方程式，可得熄火温度值T熄≈1230℃(即1500K)。如果考虑熄火极限时，会因此降低燃烧速率和增加火焰锋的厚度，热损失的份量还要增加的情况，那么这个温度还要低，为1000～1100℃。