第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算* 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算

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1 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算* 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算* 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 空气中含有约21%（体积分数）或23.2%（质量分数）的氧气，通常可燃物在空气中遇足够能量点火源时即会发生燃烧。但当空气量或其中的含氧量不足时，可燃物就不能燃烧或正在进行的燃烧就会逐渐熄灭。因此，空气需要量（其中氧气需要量）成为燃烧反应的重要参量。为研究问题方便，假设燃烧过程发生的是完全燃烧反应。 空气需要量是指一定量可燃物完全燃烧时所需空气的质量或体积。 (一) 固体和液体可燃物的理论需要量 1、假设条件 (1) 对固体和液体可燃物，习惯上用质量分数表示其组成，其成分为： (1-12) 式中，C、H、O、N、S、A和W分别代表可燃物中碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分的质量分数，%。 (2) 燃烧反应按化学计量比进行； (3) 燃烧生成的产物假设为理想气体。

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算* 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 2、理论空气需要量计算 (1) 理论氧气质量需要量计算 在可燃物的组成中，C、H和S是可燃成分。按照完全燃烧的化学反应式，1kg可燃物中碳燃烧时所需的氧气质量为： (kg/kg) (1-13) 同理：由H、S的完全燃烧化学反应式可得1kg可燃物中氢、硫燃烧时所需氧气质量为： (kg/kg) (1-14) (kg/kg) (1-15) 每1kg可燃物燃烧时消耗的氧气质量为碳、氢、硫三者之和，扣除可燃物本身含氧助燃质量，即可得出1kg可燃物完全燃烧所需要的最少氧气质量为： (kg/kg) (1-16) 式中，―可燃物燃烧消耗的理论氧气质量，kg/kg。

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算* 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 (2) 理论氧气体积需要量计算 燃烧过程中消耗的氧气通常为气体组分，习惯上以体积表示其计量单位。假设消耗的氧气为理想气体，则1kg固体和液体可燃物质燃烧所需的氧气的体积为： (m3/kg) (1-17) 式中，―可燃物燃烧消耗的理论氧气体积，m3/kg。 (3) 理论空气需要量（体积）计算 氧气在空气中体积分数为21%，因此可推算出1kg固体和液体可燃物燃烧需要空气量（体积）为： (m3/kg) (1-18) 式中：Vo,air―可燃物燃烧消耗的理论空气体积，m3/kg。

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算* 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 (二) 可燃气体理论空气需要量 1、假设条件 (1) 对气体可燃物，习惯上用体积分数表示其组成，其成分为： (1-19) 式中：CO、H2、CnHm、H2S、CO2、O2、N2、H2O分别代表气态可燃物中各相应组分的体积分数，%。CnHm代表碳氢化合物的通式，它可能是CH4、C2H2、C2H4、C3H8等等。 (2) 燃烧反应按化学计量比进行。

5 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算* 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算* 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 2、理论空气需要量计算 (1) 理论氧气需要量计算 在可燃物的组成中，CO、H2、H2S和CnHm是可燃成分。按照完全燃烧的化学反应式，1m3气态可燃物中CO燃烧时所需的氧气体积为。同理，由H2、H2S和CnHm完全燃烧化学反应式可得1m3可燃物中H2、H2S和CnHm燃烧时所需氧气体积为： (1-20) 扣除可燃物本身氧气助燃体积，即可得出1m3气态可燃物完全燃烧所需要的最少氧气体积为： (1-21) 式中，―可燃物燃烧消耗的理论氧气体积，m3/m3。

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算* 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 (2) 理论空气需要量计算 氧气在空气中的体积分数为21%，可推算出1m3气体可燃物燃烧需要的空气量（体积）为： (1-22) (三) 实际空气需要量 上述用完全燃烧反应式计算可燃物燃烧所需要的空气量，是理论空气需要量。然而在实际火灾的燃烧过程中，由于可燃物与空气混合或接触不是非常均匀或充分等原因，保证可燃物完全燃烧所需要的空气量要多于理论空气需要量。完全燃烧所耗用的实际空气量与理论量之差，称为超量空气。实际空气量与理论空气量之比，称为空气消耗系数，用α表示，即： （1-23） α值一般在1～2之间，各态物质完全燃烧时的α经验值为：气体可燃物α＝1.02～1.2；液体可燃物α＝1.1～1.3；固体可燃物α＝1.3～1.7。

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度* 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 由于燃烧而生成的气体、液体和固体物质，叫做燃烧产物。燃烧产物分为完全燃烧产物和不完全燃烧产物。所谓完全燃烧产物是指可燃物中C变成CO2（气）、H变成H2O（气）、S变成SO2（气）、N变成N2（气）；而CO、NH3、醇类、酮类、醛类等是不完全燃烧产物。 燃烧产物主要以气态形式存在，其组成主要取决于可燃物的组成和燃烧条件。大部分可燃物属于有机化合物，它们主要由碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素组成。在空气充足的条件下，燃烧产物主要是完全燃烧产物，不完全燃烧产物量很少；如果空气不足或温度较低，不完全燃烧产物量相对增多。氮在一般条件下不参加燃烧反应，而呈游离态（N2）析出。在特定条件下，氮也能被氧化生成NO或与一些中间产物结合生成HCN等。

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度* 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 (一) 完全燃烧产物量计算 1、固体和液体可燃物的燃烧产物量 假设条件同固体、液体可燃物理论空气需要量计算条件。如果发生完全燃烧，则燃烧产物主要为CO2、H2O、SO2、N2。其各自产物量计算如下： 1kg可燃物中碳燃烧时生成的CO2的质量为 。表示为标准状况下的体积为 ，即： ，式中“0”代表标准状况。 同理可得出标准状况下燃烧产生的SO2的体积为： H燃烧生成H2O，加之可燃物本身含有水分。因此产物中H2O的体积为：

9 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度* 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度* 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 N生成N2，由于空气中的N2未参与燃烧反应，直接进入产物。因此产物中N2的体积为： 燃烧产物的总体积V0,P为： (1-24) 2、气体可燃物的燃烧产物量 假设条件同气体可燃物理论空气需要量计算条件。如果发生完全燃烧，则燃烧产物中的CO2主要来自可燃物中CO、CnHm燃烧生成物及可燃物本身含有的CO2，SO2来源于可燃物中H2S燃烧生成的产物，H2O来源于可燃物中H2、CnHm、H2S燃烧生成产物及可燃物本身含有的H2O。 仿上分析燃烧产物的总体积V0,P为：

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度* 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 3、实际燃烧产物量 上面的计算是在空气消耗系数α＝1时的情况，因此是理论燃烧产物量。在火场上，由于燃烧的化学反应区空气不足，燃烧产物成分与理论分析有些不同。首先，成分中通常含有许多不完全燃烧产物：如有毒的一氧化碳(CO)，固态碳粒(C)，以烟炱状形成黑色和不透明的烟雾，以及一些可燃物质高温分解的产物等。其次，燃烧产物成分中有超量的氮和在燃烧区还未来得及完全反应的氧，这种情况是由于在燃烧的化学反应区和其周围空间内气体直接交换的物理过程引起的，即火灾时，燃烧区实际上缺少空气，而燃烧产物中却含有空气。由于火场上燃烧时有大量的多余空气即α空≈2～3，且与燃烧产物相混合，空气与燃烧产物混合气的总量将相应地比理论上的结果多2～3倍。为了研究问题方便，在α>1的条件下，假设只发生完全燃烧反应，则实际燃烧产物中CO2、SO2和H2O的体积不变，N2的体积会增加，同时还存在一定体积的O2、产物的总体积相应增加。有关计算公式如下： 对固体、液体可燃物 (1-26)

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度* 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 (1-27) (1-28) 对气体可燃物： (1-29) (1-30) (1-31) 考虑到空气与燃烧产物混合气的温度将高于标准状况下所采用温度的3～4倍，而火灾区的压力可能与标准状况下的不同，燃烧产物的实际体积可用热力学定律进行计算： (1-32) 式中，——P、T条件下的产物；——P0、T0条件下的产物；P0、T0——标准状况下的温度、压力；P、T——火灾区的温度、压力。

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度* 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 (二) 燃烧产物的百分组成 燃烧产物具有毒害作用，毒害程度主要取决其相对浓度，可用燃烧产物的百分组成来表示。 用YCO2、YSO2、YH2O、YN2、YO2分别表示燃烧产物中CO2、SO2、H2O、N2、O2的体积分数，则有： (1-33) (1-34) (1-35) (1-36) (1-37)

13 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度* 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度* 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 (三) 燃烧产物的密度计算 产物密度大，易聚集在低洼、地势较低处；而产物密度小，易聚集在燃烧区域上部通风不畅的地方。因此，密度是防火安全设计需要考虑的指标之一。 1、固体、液体可燃物燃烧产物密度 计算固体、液体燃烧产物密度时，可采用以下两种方法： (1) 通过燃烧产物中各百分组成计算 产物的密度（即1m3燃烧产物总质量）为： (1-38) (2) 通过反应物的质量计算 根据质量守恒定律，反应前的总质量应等于反应后的总质量。因此，可以用反应物的总质量除以燃烧产物的总体积而得到燃烧产物的密度：

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度* 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算 (1-39) 式中，A为可燃物中灰分的质量分数，%。因为灰分不进入气体燃烧产物。所以1kg可燃物总质量要减去灰分的质量；1.293为空气密度，kg/m3。 2、气体可燃物燃烧产物密度 计算气体可燃物燃烧产物的密度，也可以采用上述两种方法。采用第一种方法的计算公式同式（1-38）；采用第二种方法的计算公式由1m3可燃气的总质量加上空气需要量除以1m3可燃气燃烧时燃烧产物的总体积得到，即： (1-40)

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* (一) 燃烧热 1、燃烧热 如果体系发生反应，参加反应的各种物质在化学组成发生变化的同时，伴随着系统内能量分配的变化。这种反应前后能量的差值以热的形式向环境散失或从环境中吸收，散失或吸收的热量就是反应热。对于燃烧反应，反应热等于燃烧热。根据化学热力学理论，对于定温恒压过程，反应热等于系统的焓变，对于定温定容过程，反应热等于系统内能的变化。 反应热的计算，可由盖斯定律得，对于任一定温恒压反应，反应热可计算为： (1-41) (1-42) 式中：—温度T条件标准恒压反应热，kJ；—参加反应物质反应系数；—反应体系中化合物B标准摩尔生成焓，kJ/mol；—体系中化合物B标准摩尔燃烧焓，kJ/mol。

16 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 在温度T的标准态下，由稳定相态的单质生成1molβ相的化合物B的焓变，即化合物B（β）在T温度下的标准摩尔生成焓，符号中的下标f表示生成反应，括号中的β表示B的相态。的常用单位是J·mol-1或kJ·mol-1。表1-7列出了一些常用物质的标准摩尔生成焓。 表1-7 某些物质的标准摩尔生成焓（25℃） 物质名称 / kJ.mol-1 一氧化碳（g） 二氧化碳（g） 甲烷（g） 乙炔（g） 苯（g） 苯（l） 氢（g） －110.52 －393.51 －74.81 226.7 82.93 48.66 52.26 氧（g） 氮（g） 碳（石墨） 碳（钻石） 水（g） 水（l） 乙烷（g） 丙烷（g） 1.897 －241.82 －285.83 －84.68 －103.8 甲苯（g） 甲醇（g） 甲醇（l） 乙醇（g） 乙醇（l） 丙酮（l） 甲酸（l） 乙酸（l） 50.00 －200.7 －238.7 －235.1 －277.7 －248.2 －424.72 －484.5

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 在温度T的标准态下，由1molβ相的化合物B与氧进行完全氧化反应的焓变。为物质B（β）在T温度下的标准摩尔燃烧焓，符号中的下标c表示燃烧反应，括号中的β表示B的相态。的常用单位是J·mol-1或kJ·mol-1。表1-8列出了一些常用物质的标准摩尔燃烧热。 表1-8 某些物质的标准燃烧热（25℃） 物质名称 / kJ.mol-1 氢（g） 一氧化碳（g） 甲烷（g） 乙烷（g） 乙烯（g） 285.83 283.0 890.31 1559.8 1411.0 乙炔（g） 苯（l） 苯乙烯（g） 甲醇（l） 乙醇（l） 1299.6 3267.5 4437 726.51 1366.8 丙酮（l） 乙酸（l） 萘（s） 氯甲烷（g） 硝基苯（l） 1790.4 874.54 5153.9 689.10 3091.2

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 2、热值 热值是燃烧热的另一种表示形式，在工程上常使用。所谓热值是指单位质量或单位体积的可燃物完全燃烧所放出的热量，通常用Q来表示。对于固态和液态可燃物，表示为质量热值Qm，单位为kJ/kg；对于气态可燃物，表示为体积热值，单位为kJ/m3。 燃烧热和热值的本质是相同的，只是表示的单位不同而已。因此，它们之间可以互相转换。 对于液态和固态可燃物，两者之间的转换关系为： (kJ/kg) (1-43) 对于气态可燃物，两者之间的转换关系为： (kJ/m3) (1-44)

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第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 在化学热力学中，燃烧热是指可燃物发生完全燃烧反应所放出的热量，完全燃烧是指H变成了H2O（l），在实际火灾条件下，生成的H2O是以气态存在的，实际燃烧热要减少H2O由液态转变为气态的相变热。因此热值就有了高低之分。 高热值是指可燃物中的水和氢燃烧生成的水以液态存在时的热值；低热值是指可燃物的水和氢燃烧生成的水以气态存在时的热值。在火灾的燃烧中，常用低热值。 利用化学热力学提供的燃烧热数据，利用式（1-43）、（1-44）可以很方便的求出相应的质量热值和体积热值。但对于很多固态和液态可燃物，如石油、煤炭、木材等，分子结构很复杂，摩尔质量很难确定。因此，它们燃烧放出的热量一般只用热值表示，且通常用经验公式计算。最常用的门捷列夫经验公式： （kJ/kg） （1-45） （kJ/kg） （1-46） 式中，C、H、S和W分别为可燃物中碳、氢、硫和水的质量分数。O是可燃物中氧和氮质量分数之和。

20 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 在实际火灾中，除氢气的热值较高外，实际很少遇到低热值小于12000kJ/kg和大于50000kJ/kg的可燃物质。表1-9、1-10分别列出了某些可燃气体和某些可燃固体、液体的燃烧热值。 表1-9 某些可燃气体的燃烧热值 可燃气体 高热值 低热值 kJ/kg KJ/m3 Kg/m3 氢 乙炔 甲烷 乙烯 乙烷 丙烯 丙烷 丁烯 丁烷 戊烷 硫化氢 141900 49850 55720 49857 51664 49852 50208 48367 49370 49160 16778 12770 57873 39861 62354 65605 87030 93720 115060 121340 149790 25522 119480 48112 50082 46631 47280 45773 46233 45271 45606 45396 15606 10753 55856 35823 58321 58160 81170 83470 107530 108370 133890 24016

21 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 表1-10 某些可燃固体和液体的燃烧热值 在火灾条件下，可燃材料完全燃烧所需要的空气量通常并不能直接进入燃烧的化学反应区。所以，火灾条件下的燃烧常常是不完全的。正因为如此，火灾时燃烧放出的热量比表中的数据略低。 材料名称 燃烧热值/kJ 木材 天然纤维 石蜡 淀粉 苯 甲苯 航空燃料 煤油 烷烃浓缩物 环烷烃－烷烃浓缩物 合成橡胶 聚苯乙烯 天然橡胶 16700 17360 46610 17490 40260 40570 43300 42890 43350 43100 45252 48967 44833 无烟煤 褐煤 焦炭 炼焦煤气 照明用煤气 酒精 芳香烃浓缩物 汽油 柴油 重油 棉花 聚乙烯 聚氨酯泡沫塑料 31380 18830 32640 20920 29290 41250 43510 42050 41590 15700 47137 24302

22 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* (二) 释热速率 1、释热速率的计算 从上述燃烧速率的关系式分析可以看出，燃烧速率除了受外界火源或外加热源的影响外，主要与固体材料的性质有关。其中影响固体稳定燃烧的最重要因素是燃烧的释热速率，它已成为了解火灾发展基本过程和危害的最重要参数之一。如果知道火灾中可燃物的重量燃烧速度，释热速率可由式（1-56）计算： （1-47） 式中，是固体释热速率，KJ/s；AF是燃烧表面积，m2；μ是放热系数，一些可燃固体的μ值见表1-11。

23 μ 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 表1-11 一些可燃固体的放热系数 固体名称 QE(kW/m2) μ μ对流 μ辐射 纤维素  52.4 39.7 0.716 0.755 0.867 0.710 0.752 0.593 0.607 0.464 0.357 0.351 0.622 0.340 0.548 0.233 0.385 0.130 0.148 0.365 0.245 0.370 0.204 0.360 0.222 0.334 0.209 聚甲醛 聚甲基丙烯甲酯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚氯乙烯 

24 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 假设可燃固体表面接收的净热通量为，则有： （1-48） 结合以上有关公式得： （1-49） 上式表明，固体燃烧释热速率与比值的关系十分密切。与或比较，能更好地 反应固体稳定燃烧特性,表1-12列出一些固体材料的值。

25 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 表1-12 一些固体材料的 ΔHC/LV 可燃物 ΔHC/LV 红橡木 硬质聚氨酯泡沫塑料(43) 聚氧化甲烯(粒状) 硬质聚氨酯泡沫塑料(37) 软质聚氨酯泡沫塑料(1－A) 聚氯乙烯(粒状) 含氯48%的聚氯乙烯(粒状) 硬质聚氨酯泡沫塑料(29) 软质聚氨酯泡沫塑料(27) 尼龙(粒状) 软质聚氨酯泡沫塑料(21) 2.96 5.14 6.37 6.54 6.63 6.66 6.72 8.37 12.26 13.10 13.34 环氧乙烷/纤维增强/玻璃纤维 聚甲基丙烯酸甲酯(粒状) 甲醇(液体) 软质聚氨酯泡沫塑料(25) 硬质聚苯乙烯泡沫塑料(47) 聚丙烯(粒状) 聚苯乙烯(粒状) 硬质聚乙烯泡沫塑料(4) 硬质聚苯乙烯泡沫塑料(53) 苯乙烯(液体) 庚烷(液体) 13.38 15.46 16.50 20.03 20.51 21.37 23.04 27.23 30.02 63.30 92.83

26 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 值得注意的是是指在标准状况下，可燃物质完全燃烧所释放的热量，但在实际火灾中，可燃物大多不会发生完全燃烧，燃烧热不符合火灾实际，且火灾中可燃物品的组成变化很大，热值很不固定。因而应通过实验来认识可燃物质的火灾燃烧特性，实体试验是火灾研究中最主要也是最可靠的方法，但实体试验的花费相当大，特别是火灾实验是破坏性实验，燃烧物品过火后基本上不能再使用。因此，利用较实物小多少倍的小型实验取得数据，且实验结果与大型燃烧实验结果之间存在良好相关性的实验方法及仪器设备受到了人们的关注。 2、火灾中的热释放速率 热释放速率是表示火灾发展的一个主要参数。原则上讲，如果知道火灾中可燃物的质量燃烧速率就能按下式计算热释放速率： （1-50） 式中，—可燃物的热释放速率，kJ/s；—可燃物的质量燃烧速率，kg/s；—燃烧效率因子，反映不完全燃烧程度；——可燃物的热值，kJ/kg。

27 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 但是仅靠计算确定火源的热释放速率是困难的,主要是该式右侧的各项难以合理确定。首先在于火灾中的可燃物组分变化很大，热值也不固定。其次在于直接使用物质的燃烧热不符合火灾实际，因为热值是该物质完全燃烧放出的热量，而在火灾燃烧中物品大都不会全部烧完。再次在于火灾燃烧通常是不完全的，随着火灾场景不同，燃烧效率因子一般在0.3～0.9范围内变化。 很多人提出应当通过试验来认识典型物品的火灾燃烧特征，并据此估计特定火灾中的热释放速率。现已发展多种测量释热速率的方法，目前已为ISO和ASTM定为标准的测定释热速率的锥形量热仪法及美国俄亥俄州立大学（OSU）的量热计法。 (1) 锥形量热仪法 锥形量热仪(CONE)是美国国家科学技术研究(NIST)的Babrauskas于1982年提出的。它是以氧消耗原理为基础的新一代聚合物材料燃烧测定仪，氧消耗原理是指每消耗1g的氧，材料在燃烧中所释放出的热量是13.1kJ(误差为5%或更好)，且受燃料类型和是否发生完全燃烧影响很小。只要能精确地测定出材

28 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 材料在燃烧时消耗的氧量就可以获得准确的热释放速率。不同热辐射强度下的热释放速率(HRR)是CONE给出的最重要的参数之一，同时还能给出其它许多参数。ISO5660-1及ASTM-E1354规定的锥形量热仪法是目前采用最广泛的测定聚合物材料释热速率的方法。此法系将试样置于加热器下部点燃，因为加热器为圆锥型，故名锥形量热仪。图1-5是实验室小型锥形量热仪的示意图。 该仪器由两部分组成，一是量热计，用于测量释热速率、CO和CO2的生成速率和烟气浓度；二是以锥形辐射加热器为主的燃烧控制器，用于固定试样和调节引燃条件。材料试样的面积为100cm2，厚度可达50mm，其侧面和底面用确定厚度的铝箔包住并加上控制框格。然后将试样放在耐热纤维垫上。锥形辐射加热器可对试样施加10～100kW/m2的辐射热，基本覆盖了从燃烧早期阶段到燃烧充分发展阶段的热通量。随着锥形辐射加热器与试样表面距离变化，热通量的数值有所变化，但在某一平面上的分布很均匀。

29 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 1—烟密度测量；2—温度、压力测量；3—Soot取样；4—排烟管；5—集烟罩；6—锥形加热器； 7—电火花发生器；8—试件；9—电子秤；10—气体取样；11—soot滤纸；12—风扇 图1-5 锥形量热仪示意图 已有文献汇集了由锥形量热仪测得的很多材料的释热速度值。有关结果表明，许多材料的释热速率是不均匀的。常用平均值和峰值两个参数来表示材料的释热速率特性。

30 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* (2) OSU 量热仪法 OSU量热仪也是测定释热速度的典型设备。量热仪的一般原理是：将试样暴露于空气流及外部辐射流下，当试样被点燃时，释热量随时间改变。试样背面系以水冷或隔热，如以水冷却时，可根据水流的温升计算通过试样背面的释热量。 ASTM E906规定采用OSU量热仪测定塑料释热速度。此量热仪的主要组成为绝热外箱（0.89m×0.46m×0.20m）、点加热辐射板（0.35m×0.46m），辐射面积为（0.25m×0.25m）及点火装置（图1-6）。 试验时，试样（15cm×15cm）垂直放置，与辐射板的距离可为0～0.18m，最大热流量可为100kW/m2，空气由入口以恒定流速通过机箱。记录空气入口和出口温度以及箱壁温度（仪器则事先用已知的气体火焰标定），根据每单位暴露表面的能量计算释热速度。OSU量热仪也可测定烟和有毒气体（如CO、CO2、NOx、HCN及HBr）及氧耗量。

31 1、试样；2－烟检测器；3－辐射板； 4－空气分布板；5－火焰 图1-6 OSC量热仪 图1-7 家具量热仪示意图
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 1、试样；2－烟检测器；3－辐射板； 4－空气分布板；5－火焰 图1-6 OSC量热仪 图1-7 家具量热仪示意图

32 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* (3) 家具量热仪及典型结果 使用锥形量热仪只能测定一些小试样，然而建筑物内使用的物品基本上都是多种材料组成的，且具有较大的质量和体积，其释热性能是锥形量热仪无法反映的。于是在锥形量热仪基础上发展出了家具量热仪，用其可测定家具等室内物品和堆放的商品。图1-7为家具量热仪的示意图。其测量原理仍是氧耗法，但由于燃烧物品的体积较大，试样上方未设锥形辐射加热器，而是加了普通铁皮材料制成的集烟罩。 家具量热仪测定的数据很接近实际火灾环境的结果，因此很有使用价值，现在已用这种仪器测得了不少数据。这种数据可直接表示为释热速率随时间变化的曲线，此外还有相当多的数据表示为释热速率平均值或峰值。许多研究者在测定与收集室内物品的释热速率方面作了大量工作，在液体及热塑料池、木垛、木板架、沙发、枕头、床垫、衣柜、电视机、窗帘、电缆等方面得到的释热速率很受人们重视。

33 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* (三) 燃烧温度 放热是燃烧反应的主要特征。放出的热量一部分用于加热燃烧产物，使产物温度升高。燃烧体系放热量越大，燃烧产物温度越高。热量和温度成正比关系，但其各自代表的物理意义有所不同。为定量两者之间的关系，首先介绍比热容的有关知识。 1、比热容 摩尔比热容是实验测定的一种基础数据，它是指在1mol物质在非体积功为零的条件下，仅因温度升高1K所需要的热。由于反应条件的不同，摩尔比热容可分为定压摩尔比热容和定容摩尔比热容。定压比热容是指物质恒压条件下的摩尔比热容，用Cp，m表示；定容摩尔比热容是指物质在恒容条件下的摩尔比热容，用Cv，m表示。常用的单位有kJ/（kmol·K）或kJ/（m3·K）。 物质在不同温度下每升高一度所需的热量是不相同的。因此，摩尔比热容是温度的函数。摩尔比热容随温度的变化是通过实验测定的，采用实验数据拟合得到多种形式的函数关系，最普遍形式是： （1-51） 式中，a，b和c都是由实验测定的特性常数，可从有关文献查得。

34 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 由于Cv，m与Cp，m间存在一定的关系，只要测得其中一种变化关系就可以推演出另一种变化关系。 对于气体产物，假设其为理想气体，有： （1-52） 对于固体和液体，因为升温时体积膨胀不大，有： （1-53） 气体的恒压比热容与恒容比热容之比称为比热容比，用K表示，即： （1-54） 不同物质的比热容比K值不同，空气的比热容比K＝1.4。 利用摩尔比热容，可以很方便的计算出恒压热和恒容热。

35 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 假定1mol的物质，在恒压条件下由T1升高T2，定压摩尔比热容为Cp，m〔kJ/(kmol·K)〕，所需的恒压热Qp为： （1-55） 如改变恒压条件为恒容条件，定容摩尔比热容为CV，m〔kJ/(kmol·K)〕，所需的恒容热Qv为： （1-56） 若定压摩尔比热容和定容摩尔比热容的单位改变为〔kJ/（m3·K）〕，以上两式相应改变为： （1-57） （1-58） 式中，V是物质的体积，m3。 用比热容与温度间的具体函数关系式计算恒压热和恒容热虽然比较准确，但计算过程比较复杂。为简化计算工程上常采用平均比热容的概念。

36 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 平均摩尔比热容是在恒压或恒容条件下，1mol物质从温度T1升高到T2时平均每升高一度所需要的热量，用 ， 或 ， 表示。平均摩尔比热容与摩尔比热容的关系为： 或 （1-59） 或 （1-60） 利用平均摩尔比热容与摩尔比热容（真比热容）的关系，以上一些公式就可以简化为： （1-61） （1-62） （1-63） （1-64） 由于物质的摩尔比热容与温度有关，所以平均比热容的数值与温度范围有关。

37 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 2、燃烧温度的计算 可燃物在燃烧时放出的热量，一部分被火焰辐射掉，大部分消耗在加热在燃烧产物上。燃烧产物所具有的温度，也就是物质的燃烧温度。在实际火灾中，物质的燃烧温度不是固定不变的，而是随着可燃物的种类、氧气供给情况、散热条件等因素的变化而有较大变化。为了比较不同物质的燃烧温度，对燃烧条件作统一规定如下： （1）燃烧的初温为已知； （2）可燃物与空气符合化学计量比配比； （3）燃烧为完全燃烧； （4）燃烧是在恒压条件下进行的。对开放空间着火，可燃物在火场上燃烧时，燃烧产物不断向周围扩散膨胀，所以火场上压力没有多大增加，基本上保持初始压力； （5）燃烧是绝热的，即燃烧反应放出的热量全部转变为燃烧产物的热焓增加。这一条件可理解为由于燃烧反应的速度较快，以至于反应系统产生热量的速度远远大于其向周围环境散失热量的速度，因此损失于环境中的热量可以忽略不计。

38 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 在以上规定条件下计算出的温度，称为理论燃烧温度，又称绝热燃烧温度。根据热平衡理论，可得出理论燃烧温度的计算公式为： （1-65） （1-66） （1-67） （1-68） 式中，QL是可燃物质的低热值，kJ；ni是第i种产物的摩尔数，kmol；Vi是第i种产物的体积，m3；恒压比热容。 、 分别为第i种物质定压比热容，kJ/(kmol·K)、kJ/(m3·K)； 、 分别为第i种物质平均定压比热容，kJ/(kmol·K)、kJ/(m3·K)。

39 第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算*
第三节 火灾燃烧的有关计算 一、火灾燃烧所需要的空气量计算 二、火灾燃烧产物的体积、组成和密度 三、火灾燃烧热、释热速率和燃烧温度计算* 利用式（1-65）、（1-66）求解燃烧温度，计算结果比较精确，但解三次方程较为繁琐。因此，常常采用式（1-67）、（1-68）来求解燃烧温度。但解这两个方程不能直接得出燃烧温度，因为产物的平均定压比热容、取决于温度，而理论燃烧温度为未知数。在具体计算时可先假定一个理论燃烧温度t1，从表1-18中查出相应的，代入公式（1-68）求出相应的；再假定第二个理论燃烧温度t2，同理求出；利用插值法求出理论燃烧温度t，即： （1-69） 此节末页，点击此处返回本章目录