第七节
燃烧过程中的热量传递

由于温度差而引起热量传递的过程，称为传热或热传播。燃烧放出的热量，以热传导、热对流和热辐射三种方式向未燃物和周围环境传递，使未燃物温度升高、分子活化、反应加速，从而引起燃烧，推进火灾向前发展。因此燃烧热既是燃烧的产物，又是继续燃烧的条件。火灾发生、发展的整个过程中始终伴随着热的传播，火场上的热传播是促使火势蔓延的主要因素。

一、热传导

物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为热传导，又称导热。导热一般发生在固体与固体间，主要是通过材料晶格的热振动波以及自由电子迁移来实现的。

在纯的热传导过程中，物体各部分之间不发生相对位移，即没有物质的宏观位移。

（一）傅里叶定律

傅里叶定律为单位温度梯度（在 1 m长度内温度降低 1 K）在单位时间内经单位导热面所传递的热量。具体的文字表述：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。傅里叶定律是热传导的基础。它并不是由热力学第一定律导出的数学表达式，而是基于实验结果的归纳总结，是一个经验公式。

设有表面积为F的一块平板（或墙），如图 2-3 所示，厚度为d，两侧表面的温度各为T ₁ 和T ₂ 。

实验表明，单位时间内通过平板所传递的热量Q跟表面积F、两侧表面的温差和时间t成正比，与厚度d成反比，即

式中 λ——材料的导热系数，W/（m·k），具体内容见下文。

式（2-40）称为导热定律，又称傅里叶定律。

（二）影响热传导的影响因素

1.温度差

温度差是热量传导的推动力。式（2-40）中 表示在导热方向单位距离上的温度变化，称为温度梯度。单位时间内传导的热量Q与温度梯度成正比，也就是温差越大，导热方向的距离越小，则传导的热量也越多。在火场上，燃烧区温度越高，传导出的热量越多。

2.导热系数

导热系数（也称热导率）是指在稳定传热条件下，1 m厚的材料，两侧表面的温差为 1 K或 1 ℃，在1 s内，通过1 m ² 面积传递的热量，用λ表示，单位为W/（m·K）或W/（m·℃）。导热系数表示物质的导热能力，即单位温度梯度时通过单位面积的热通量。不同物质的导热系数不同，同种物质的导热系数也会因材料的结构、密度、湿度、温度等的变化而变化。固体物质是最强的导热体，液体物质次之，气体物质最弱。但固体物质是多种多样的，其热传导能力也各有不同。金属物质一般都是热的良导体，玻璃、木材、棉毛制品、羽毛、毛皮等非金属物品都是热的不良导体。石棉的导热性能较差，常作为绝热材料。通常将 0.837 W/（m·k）的材料称为隔热材料。表 2-16 列出了常用材料在常温条件下的导热系数。

3.导热物体的厚度（距离）和截面积

导热物体的厚度（距离）d越小，截面积F越大，传导的热量越多。如通过较厚墙壁传导的热量小于通过较薄墙壁的热量；通过截面积较大物体传导的热量大于通过截面积较小物体传导的热量。

4.时间

在其他条件相同时，时间越长，传导的热量越多。有些隔热材料虽然导热性能差，但经过长时间的热传导，也能引起与其接触的可燃物燃烧。

（三）热传导和火灾

从消防观点来看，导热性良好的物质对灭火是不利的。火灾区内燃烧产生的热量，经由导热性好的建筑构件或建筑设备传导。能蔓延到水平相邻或上下层房间，例如各种金属管壁都可以把火灾区的燃烧热传至另一侧，使得相近的可燃、易燃物体燃烧，导致火场扩大。火灾通过热传导的方式蔓延，有两个特点：①火灾现场必须有导热性好的媒介，如金属构件；②蔓延的距离较近，一般只能是相邻的建筑空间。热传导导致火灾蔓延的规模是有限的。但为了制止导热而引起火势扩展，在火灾扑救中，应不断地冷却被加热的金属构件，并防止构件塌陷伤人；迅速疏散、清除或用隔热材料隔离与被加热的金属构件相靠近的可燃物，以防止火势扩大。

（四）热传导的危害与防范

热传导可通过物体从一处传到另一处，有可能引起与其接触的可燃物燃烧。导热系数大的物体（如金属）更容易成为火灾蔓延的途径。在火灾扑救中，应不断对被加热的金属物体、管道进行冷却；将靠近被加热的金属物体、管道的可燃物迅速疏散、清除，或用隔热材料隔离。

二、热对流

热对流又称对流，是指流体各部分之间发生的相对位移，冷热流体相互掺混引起热量传递的现象。热对流中热量的传递与流体流动有密切关系。流体存在温差，在发生对流的同时，也必然存在导热现象，但导热在整个传热中处于次要地位。

（一）热对流的分类

热对流是指物体中质点发生相对位移而引起的热量交换，热对流是流体所特有的一种传热的方式，其中只有流体的质点能发生相对位移。根据引起对流的原因不同可分为自然对流和强制对流。

自然对流是指流体的运动是由自然力引起的。流体原来是静止的，但由于内部的温度不同、密度不同，造成流体内部上升、下降运动而发生对流。自然对流传热的机理是，当流体的一部分被加热时，密度降低，由于密度差而产生了浮力，结果较轻的流体微团上升，较重的（较冷的）流体微团下沉，使流体产生对流，并把热量由高温区带到低温区。例如，高温设备附近空气受热膨胀向上流动及火灾中热气体（主要是气态燃烧产物）的上升流动，而冷（新鲜）空气则与其做相反方向流动。

强制对流是指流体在某种外力的强制作用下运动而发生的对流，流体微团的空间移动是机械力引起的。例如，鼓风机、压气机、泵等产生的外力能使气体、液体产生强制对流。在发生火灾时，如果通风机械还在运行，就会成为火势蔓延的主要途径。使用防烟、排烟等强制对流设施，就能抑制烟雾扩散和自然对流；煤矿火灾用强制对流改变风流方向，可控制火势发展。

（二）影响热对流的主要影响因素

（1）通风孔洞面积和高度。实验证明：热对流速度与通风口面积和高度成正比。通风孔洞越多，各个通风孔洞的面积越大、越高，热对流速度越快。

（2）温度差。燃烧时火焰温度越高，它与环境温度的温差越大，则燃烧区的热空气密度与非燃烧区的冷空气密度相差就越大，热对流速度也就越快。

（3）通风孔洞所处位置的高度。一般而言，通风孔洞所处位置越高，热对流速度越快。

（4）风力和风向。风能加速气体对流。风越大，不仅热对流速度越快，而且能使房屋表面出现正负压力，在建（构）筑物周围形成旋风地带；风向的改变，会改变气体的对流方向。

（三）热对流与火灾

热对流是火灾中热量传递的重要方式之一，尤其是发生在建筑内的火灾，它是影响初期火灾发展的最主要因素。

高温热气流能加热它流经途中的可燃物，会引起新的燃烧，热气流能够往任何方向传递热量，但一般总是向上传播；由起火房间延烧至楼梯间、走廊，主要是热对流的作用；通过通风孔洞进行的热对流，可使新鲜空气不断流进燃烧区，使燃烧持续发生；含有水分的重质油品燃烧时，由于热对流的作用，容易发生沸溢或喷溅。

为了防止火势通过热对流蔓延，在火场中应设法控制通风口，冷却热气流（包括重质油品贮罐）或把热气流导向没有可燃物或火灾危险较小的方向。

（四）热对流的危害与防范

（1）热对流是热传递的重要方式，它是影响初期火灾发展的最主要因素。

（2）楼层着火，多数是热对流通过建筑内部的门窗、走廊、电梯间、通风管道、空气结构等各种孔洞，使火势蔓延到整个楼层。

（3）对流的速度直接影响火灾的发展和蔓延方向。

（4）贮存在容器中的易燃、可燃液体，当局部受热后，会以对流方式使整个液体温度升高、蒸发加快、压力增大，有可能致使容器破裂，或蒸气逸出遇引火源而发生燃烧、爆炸。

（5）含有水的、黏度较大的重质石油产品（原油、重油等），发生火灾时由于热对流的传热作用，在一定条件下，有可能出现喷溅或沸溢式燃烧，造成不良后果，加重火灾的危害，对此，在扑救这类火灾场所时，应予以充分重视并采取相应的防范措施，将可能造成的危害降至最低程度。

（6）火灾发生时，应设法半闭能引起气体对流的各种门窗孔洞；用排烟机把高温热烟导向没有可燃物和人员的地方；用喷雾水冷却和降低烟气流的温度；对盛装易燃、可燃液体的容器壁用大量的水及时冷却，以防对流传热引起容器内液体蒸发加快，压力增加而导致的危险。

（7）由于热对流的作用，炽热的浓烟向上升腾速度较快。据测试，烟垂直向上的流速可达 3~5 m/s；水平方向的流速，在顶棚下为 0.5~1.0 m/s，烟水平的流速低于人在水平地面疏散的速度（1.5~2.0 m/s），但高于人上楼梯的速度（0.5 m/s）。

三、热辐射

任何物体只要其绝对温度大于零度，都会不停地以电磁波的形式向外辐射能量；同时，又不断吸收来自外界其他物体的辐射能。当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不等时，该物体与外界就产生热量的传递，这种传热方式称为热辐射。

热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。一切物体都能以这种方式传递能量，而不借助任何传递介质。通常在高温下热辐射才是主要方式。

热辐射现象在自然界中普遍存在。例如，太阳供给地球的大量能量就是靠辐射方式传递的，火场中可燃物燃烧的火焰，主要是以辐射的方式向周围传播热能。因此，防止热辐射是阻止火势扩展和扑灭火灾的重要措施，例如在建筑防火中所设立的防火间距，主要是考虑防止火焰辐射引起相邻建筑着火的间隔距离。

（一）热辐射的特点

（1）发射辐射热是各类物质的固有特征。

（2）任何物体不但能从自己的表面发射辐射热，而且也可吸收其他物体发射的并投射到它表面的辐射热。

（3）热辐射过程伴随着能量形式的两次转化，即物体发射辐射热时，热能转换为辐射能；物体吸收辐射热时，辐射能转换为热能。

（4）热辐射不需要通过任何介质，它能把热量穿过真空从一个物体传给另一个物体。

（5）当有两个物体并存时，温度较高的物体将向温度较低的物体辐射热能，直至两个物体温度渐趋平衡。

（6）辐射热辐射至另一物体表面上后，可能部分被吸收，部分被反射，还有部分可能穿透过去。

（二）影响辐射传热的因素

根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，绝对温度为T的物体单位时间发射的能量为

式中 ε——辐射率，计算时可视为常数；

F——发射表面积，m ² ；

δT ⁴ ——从辐射物表面发射出来的辐射强度，其中δ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，δ =5.67×10 ^-8 W/（m ² ·K ⁴ ）。

1.温度

实验证明：一个物体在单位时间内辐射的热量与其表面积的绝对温度的四次方成正比。

热源温度越高，辐射强度越大。当辐射热达到可燃物质自燃点时，便会立即引起着火。辐射热与热源温度的关系见表 2-17。

2.距离

实验证明，受辐射物体与辐射热源之间的距离的平方成反比。距离越大，受到的辐射热越小。反之，距离越近，接受的辐射热越多。其中，辐射热与热源距离的关系见表 2-18。

3.相对位置

在表面面积、温度确定的条件下，表面发出的辐射能由于表面之间的相对位置不同，从而使得黑体发出的辐射能落到对方上的数量不同。

4.物体表面情况

物体的颜色越深，表面越粗糙，吸收的辐射热越多；表明光亮，颜色较淡，反射的辐射热越多；透明物体仅吸收一小部分辐射热，其余辐射热能穿透透明物体。

（三）辐射热与火灾

（1）火场上可燃物燃烧形成的火焰，主要以辐射的方式向周围传递热量。

（2）辐射热作用于附近密闭容器（罐、瓶），会使容器内的气体或液体受热膨胀，当内部压力超过其耐压强度就有可能使容器爆炸（爆裂），导致可燃气体或液体外溢。

（3）为了防止和阻止火势通过热辐射蔓延，可采取下列基本措施：

①在油罐壁上涂刷银粉；

②在危险品仓库的窗户玻璃上涂抹白漆；

③建筑物之间的防火间距满足规范要求；

④石油化工塔群之间设置水幕；

⑤灭火时利用移动屏障或水枪水帘遮断和减少辐射热；

⑥设法冷却受到辐射热作用的物体；

⑦疏散、隔离和消除受辐射热威胁的可燃物。

（四）热辐射的危害与防范

（1）热辐射的强度（热度），与火焰温度的 4 次方成正比。当火灾处于发展阶段、火焰温度高时，辐射热就成为热传播的主要形式。辐射热是决定建筑物之间防火间距的重要因素。所以，在可燃建（构）筑物或可燃货堆之间应留出足够的防火间距；或在可燃建（构）筑物的外露部分采用难燃、不燃材料、砌筑防火墙，设固定水幕或消防喷淋设施等，可以阻挡热辐射的传播。

（2）为了减弱受到的辐射热量，可增加受辐射物体与辐射源的距离和夹角。在火场灭火中，水枪手应选择有利的位置和适当的角度，以减少受到的辐射热量。

（3）灭火时，可利用移动式屏障或水枪喷射的水幕，遮断或减少辐射热。对受到辐射热的建（构）筑物、储罐等不断用水或泡沫进行冷却，以降低其温度；有限度地拆除毗连的易燃建（构）筑物；设法疏散、隔离和消除受辐射热威胁的可燃物质；还可用喷雾水流形成水幕来掩护灭火救援人员和受灾人员，以确保安全。

思考题

1.简述影响热传导的因素。

2.简述热传导的三种方式对火灾的影响。

3.简述热传导的三种方式的危害和防范。 lr2WyzoK8uPwr1P3wxfL/mC2GytigPhOsbm4A59fth/qkrn2lwiWIQPb3QG1JGxZ