火災(zāi)動(dòng)力學(xué)FD03c-火焰溫度

阿波羅一號(hào)大火1967年1月27日，美國(guó)阿波羅一號(hào)：格里索姆（VrgilI."Gus"Grissom）、懷特（EdwardH.White）和察菲（RogerChaffee）高壓氧艙的危害美國(guó)權(quán)威醫(yī)療機(jī)構(gòu)梅奧診所（MayoClinic）給出了目前有確切證據(jù)支持的可以采用高壓氧療法的疾病，如下：減壓??；動(dòng)脈空氣栓塞；一氧化碳中毒；因糖尿病等造成的難以愈合的傷口；擠壓傷；壞疽；皮膚、骨骼組織感染性壞死；輻射傷；燒傷；嚴(yán)重貧血。為什么要研究火焰溫度？深刻理解在燃燒過(guò)程中的氧氣放熱作用；深刻理解在燃燒過(guò)程中的氮?dú)舛杌饔茫簧羁汤斫鉁囟葘?duì)臨界行為的閾值指導(dǎo)作用；通過(guò)火焰溫度理解燃燒過(guò)程的門檻，進(jìn)而理解滅火、防火、防爆的臨界條件。4提綱計(jì)算火焰溫度所需要的基本概念；計(jì)算火焰溫度的三種方法；介紹數(shù)值工具:GasEQ火場(chǎng)的常見溫度絕熱火焰溫度絕熱火焰溫度是常壓下（大氣中失火總是發(fā)生在常壓下）一個(gè)燃燒反應(yīng)所能夠達(dá)到的最大可能的溫度不完全燃燒有可能降低反應(yīng)溫度；絕熱火焰溫度是實(shí)際火場(chǎng)問(wèn)的有效估計(jì)，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)速度大大快于傳熱或做功的時(shí)間尺度；最常見的是常壓（大氣壓力下）的絕熱火焰溫度；從慨念上看很簡(jiǎn)單，但計(jì)算溫度相當(dāng)復(fù)雜，因?yàn)橛?jì)算溫度所需要的物性本身就是溫度的函數(shù)，所以不可避免地需要差值來(lái)迭代求解。66絕熱的假設(shè)反應(yīng)和燃燒過(guò)程沒(méi)有熱損失；完全反應(yīng)，沒(méi)有中間產(chǎn)物；允許計(jì)算絕熱火焰溫度

(AFT)Q=0Hreact=Hprod對(duì)火焰溫度的錯(cuò)誤概念火場(chǎng)中火焰溫度是均勻的；火災(zāi)都是紅色火焰，所以代表了恒定的火焰溫度；預(yù)混火焰和擴(kuò)散火焰看上去相似，意味著火焰溫度相近；有顏色的火焰一定比無(wú)顏色的火焰溫度高或低；計(jì)算火焰溫度的難度熱物性依賴于溫度；需要迭代過(guò)程保證精確結(jié)果；存在可逆的（平衡的）反應(yīng)過(guò)程；湍流（混合）和輻射在火焰溫度上發(fā)揮作用，也就是說(shuō)，真實(shí)的火焰不是絕熱的?；鹧鏈囟葘?duì)于理解臨界燃燒現(xiàn)象，如點(diǎn)火和滅火，至關(guān)重要。焓值插值法建立反應(yīng)方程猜測(cè)2個(gè)溫度分別計(jì)算每一個(gè)溫度下的焓值從兩個(gè)焓值插值，獲得能量守恒下的火焰溫度。舉例在298K，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，甲烷在空氣中燃燒。請(qǐng)問(wèn)，完全燃燒的絕熱火焰溫度是多少？解答：配平反應(yīng)CH4+2(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+7.52N2計(jì)算反應(yīng)物的焓值假設(shè)溫度T=1000K假設(shè)溫度T=2000K假設(shè)溫度T=3000K通過(guò)差值計(jì)算溫度平均比熱法該方法利用在1000K時(shí)的熱物性參數(shù)，其背后的隱含假設(shè)是，火焰溫度應(yīng)對(duì)在1700K左右，環(huán)境溫度通常是300K，所以反應(yīng)發(fā)生的平均溫度才可以是1000K。這樣高溫下熱物性的非線性趨勢(shì)被完全忽視了。假設(shè)火焰溫度絕熱

這里

是在環(huán)境溫度與火焰溫度的平均溫度下的平均摩爾熱容。常見氣體在1000K下的熱容（比熱）Combustionproducts(J/mol.K)Carbonmonoxide(CO)33.2Carondioxide(CO2)54.3Water(vapor)(H2O)41.2Nitrogen(N2)32.7Oxygen(O2)34.9Helium(He)20.8通常，我們用1000K的平均比熱

為代表，這意味著我們假設(shè)火焰溫度是大約1700K（因?yàn)榄h(huán)境永遠(yuǎn)是300K）舉例：平均比熱法或集總熱容法（1/2）計(jì)算丙烷在空氣中的火焰溫度首先建立化學(xué)反應(yīng)方程如下：然后，計(jì)算總熱容CombustionproductsNumberofmolesinproductsIndividualthermalcapacity(J/mol.K)TotalthermalcapacityCarbonmonoxide(CO)333.2162.9Water(vapor)(H2O)441.2164.8Nitrogen(N2)18.832.7614.8單位摩爾丙烷的總熱容是942.5J/K注意，這是一個(gè)近似的結(jié)果，這是因?yàn)椋好恳环N氣體的熱容量是溫度的函數(shù)。假設(shè)中間平均溫度是1000K，所以用1000K的參數(shù)來(lái)代表；系統(tǒng)不是絕對(duì)絕熱的過(guò)程，存在輻射熱損失，減少火焰溫度，讓火焰溫度降低。在高溫下，燃燒產(chǎn)物會(huì)發(fā)生分解（可逆反應(yīng)）。這種分解反應(yīng)是吸熱過(guò)程，因此會(huì)降低火焰溫度。這種分解的效果在1700C（約2000K）以上時(shí)更明顯。舉例：平均比熱法或集總熱容法（2/2）第二例計(jì)算乙烷的絕熱火焰溫度C2H6inair?；瘜W(xué)計(jì)量比濃度下混合：在低燃限LFL的火焰溫度。燃燒熱集總比熱絕熱火焰溫度低燃限LFL的溫度b.在低燃限LFL的火焰溫度(J/mol.K)CO254.3H2O41.2N232.7N234.9另類解法：利用空氣的熱物性（因?yàn)長(zhǎng)FL的燃?xì)鉂舛瓤偸呛苄?，可以忽略不?jì)）這意味著1摩爾燃料需要32.3摩爾空氣，或6.79摩爾氧氣?；旌衔锏幕鹧鏈囟纫环N燃料混合物含有80%的甲烷和20%的丙烷，請(qǐng)問(wèn)其低燃限的火焰溫度是多少？勒夏特列定理：混合物的比熱容：低燃限的火焰溫度：正規(guī)的解法當(dāng)量空氣法(1/2)所有燃燒反應(yīng)都是在空氣中發(fā)生，空氣對(duì)溫度存在非線性.利用空氣的非線性，把其他氣體都當(dāng)作當(dāng)量空氣來(lái)處理，把所有的非線性都當(dāng)作是空氣造成的。對(duì)一摩爾燃料，傳熱平衡建立如下：這是一個(gè)一元二次方程，求解如下：為了保證公式系數(shù)的足夠有效數(shù)字，擬合公式用1000K作基準(zhǔn)，所以公式最后需要乘以1000來(lái)還原溫度結(jié)果。當(dāng)量空氣法(2/2)燃燒產(chǎn)物的蓄熱能力單位空氣的蓄熱能力對(duì)應(yīng)蓄熱能力的溫度舉例：當(dāng)量空氣法Methane(CH4)isburnedinairataconstantpressurewith298Kand1atm.Determinetheadiabaticflametemperatureforthisconditionassumingcompletecombustion.BalanceChemicalEquation CH4+2(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+7.52N2Applyingenergybalanceandtheadiabaticassumption,wehave

Nowsolvetheairenergyequationdirectly,wehave三種方法之比較欠燃料/富氧燃燒富燃料/欠氧燃燒火焰溫度的數(shù)值計(jì)算方法StanjanGasEQCanteraChemkin24化學(xué)當(dāng)量比火焰25空氣中的燃燒火災(zāi)中的典型溫度典型火焰場(chǎng)合火焰溫度范圍理論上的極端（不可逆，化學(xué)當(dāng)量比，無(wú)惰氣）~6000K真實(shí)火焰可以達(dá)到的最高溫度（可逆，化學(xué)當(dāng)量比，無(wú)惰氣）~3000K在空氣中發(fā)生的化學(xué)當(dāng)量比燃燒~2400K火焰被惰化，接近熄滅時(shí)的溫度~1800K低燃限處發(fā)生點(diǎn)火的溫度~1600K火場(chǎng)可測(cè)量的溫度范圍900~1000℃大型油池火焰的最高溫度1100~1200℃蠟燭火焰尖端的溫度320~550℃?zhèn)}庫(kù)儲(chǔ)存架火災(zāi)溫度870℃室內(nèi)火災(zāi)，天頂層煙氣溫度>600℃室內(nèi)火災(zāi)，可以達(dá)到的峰值溫度1200℃室內(nèi)火災(zāi)，轟燃后溫度900~1000℃真實(shí)火焰的絕熱假設(shè)真實(shí)火焰為什么達(dá)不到絕熱火焰