Материал: Ответы экзамен горения и взрыва

Например:  Определить объём воздуха, теоретически необходимого для горения для 5 кг торфа состава: С – 40%, Н – 4%, О – 13%, N – 20%, А (зола) – 10%, W – 13%.     Решение:   Так как азот, зола и влага топлива не принимают участие в горении, то на 1кг торфа потребуется

         V_в⁰ = 0,269*(40/3+4 – 13/8) = 4,23 м³/кг,     а на 5кг – 4,23*5 = 21,15 м³воздуха.

– для сгорания 1 м³ смеси газов потребуется:   V_в⁰ =( ∑K_i*Г_i )/21( м³воздуха/м³смеси газов),

   где K_i – количество молей кислорода, расходуемых на 1 моль i-го газа, Г_i – процентное содержание i-го газа в смеси газов (%).

Например:  Определить объём воздуха, теоретически необходимого для горения 1м³ природного газа состава: СН₄ – 86,5%, С₂Н₆ – 3%, С₃Н₈ – 1%, СО₂ – 7,3%, N₂ – 2,2%.

Решение:. Из уравнений реакций горения соответствующих газов определяем коэффициенты K_i для метана, этана и пропана (СО₂  и  N₂  не принимают участие в горении).

для метана:        СН₄ + 20₂  = С0₂ + 2Н₂0,          откуда К_метана = 2;         

для этана:         С₂Н₆ + 3,50₂  = 2С0₂ + 3Н₂0      откуда К_этена = 3,5;

для пропана:     С₃Н₈ + 50₂  = 3С0₂ + 4Н₂0         откуда К_{пропана} = 5;

 Для сгорания 1 м³ природного газа указанного состава потребуется:

                         V_в⁰ = (2*86,5+3,5*3+5*1) /21= 8,98 ( м³воздуха/м³ природного газа)

18. Коэффициент избытка воздуха.

     Практически при горении на пожарах расход воздуха значительно больше. Разность между количеством воздуха, идущим на горение, и теоретически необходимым, называется избытком воздуха. Отношение количества воздуха, практически расходующегося при горении (V_в) к теоретически необходимому количеству (V_в⁰), называется коэффициентом избытка воздуха a_в :    a_в = V_в / V_в⁰

    При пожарах внутри помещений коэффициент избытка воздуха непостоянен и изменяется во времени даже при постоянной площади приточных проёмов. На величину a_в влияют вид и состояние горючего вещества, величина площади пожара и условия диффузии воздуха к зоне горения. С увеличением площади пожара коэффициент a_в  уменьшается и достигает минимума при максимальной площади пожара ( вследствии увеличения  V_в⁰ ).  По мере выгорания вещества на этой площади коэффициент  a_в снова увеличивается. (см. рис. 6.1.)

19. Определение количества и состава продуктов сгорания вещества

        Состав и количество продуктов сгорания определяются по уравнениям химических реакций горения и рассчитывается ко­личество воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы или единицы объема горючего вещества.

При большинстве пожаров в основе горения лежат реакции со­единения горючих веществ с кислородом воздуха и только в отдельных случаях, когда горят взрывчатые вещества, пиротехнические изделия и другие материалы с положительным кислородным балансом, горение происходит за счет кислорода, содержащегося в молекуле горючего ве­щества или кислорода окислителя.

Поскольку воздух состоит из 21 % (об.) кислорода и 79 % (об.) азота, т.е. в нем на 1 моль кислорода приходится 79/21 = 3,76 молей азота, то уравнение реакции горения вещества в воздухе составляют с уче­том того, что на каждый моль кислорода приходится по 3,76 моля азота.

Например, реакции горения водорода, метана, этана, пропана, ацитилена и спирта, и запишутся в виде следующих уравнений:

2Н₂ +0₂ +3,76N₂ = 2H₂ 0 + 3,76N₂.

СН₄ + 20₂ + 2 * 3,76N₂ = С0₂ + 2Н₂0 + 2 • 3,76N₂;

С₂Н₆ + 3,50₂ + 3,5* 3,76N₂ = 2С0₂ + 3Н₂0 + 3,5 • 3,76N₂;

С₃Н₈ + 50₂ + 5* 3,76N₂ = 3С0₂ + 4Н₂0 + 5 • 3,76N₂;

С₂Н₆ + 3,50₂ + 3,5* 3,76N₂ = 2С0₂ + 3Н₂0 + 3,5 • 3,76N₂;

                                         С₂Н₅0Н + 30₂ + 3 • 3/76N ₂ = 2С0₂ + ЗН₂0 + 3 • 3,76N₂; 

Азот в уравнениях химических реакций горения учитывается по­тому, что он поглощает часть теплоты, выделяемой в результате реакций горения, и входит в состав продуктов сгорания — дымовых газов. При написании уравнения горения и составлении материального баланса, как правило, записывают только продукты полного окисления СО₂ и Н₂О. Если в составе горючего вещества есть сера (S), то при сгорании образуется SО₂ –  его также записывают. Азот (N), входящий в состав горючего вещества, при горении в воздухе не окисляется, а выделяется в виде свободного азота (N₂). Объясняется это тем, что при горении в воздухе температура горения относительно невысокая (1500-2000 К) и при такой температуре окислы азота не образуются.

Теоретический объём продуктов сгорания (a_в=1) твердых и жидких горючих веществ определяется по формуле: V_пс⁰=( С0₂+ Н₂0+ N₂+ SО₂)*22,4/М (м³/кг), где С0₂, Н₂0, N₂, SО₂ – число киломолей соответствующего вещества в уравнении реакции горения одного киломоля горючего вещества. М– молекулярная масса горючего вещества, кг/кмоль.

Например Определить объем и состав (в объемных процентах) продуктов сгорания 1 кг этилацетата (СН₃СООС₂Н.) при 273 К и дав­лении 101,3 кПа. ( т.е. при нормальных условиях).

Решение. Составляем уравнение горения этилацетата в воздухе:

CH₃COOC₂H₅+50₂+5*3,76N₂=4C0₂+4H₂0+18,8N₂.

Определяем состав продуктов сгорания в объемных процентах:

   C0₂=4*100/26,8=15,92%;          H₂0=4*100/26,8=15,92%;     N₂=100 – 2*15,92=68,16% .

Если горение протекает при избытке воздуха ∆V_в, то находим его по формуле: ∆V_в=(a_в -1)* V_в⁰

       Полное количество азота в продуктах сгорания составит:

      V_N2= V_N2⁰+0,79(a_в -l)* V_в⁰,    а количество избыточного кислорода:  ∆V_O2=0,21.( a_в -l)* V_в⁰

Полное количество продуктов сгорания:   V_пс = V_пс⁰ + ∆V_в

20. Энтальпия  и энтропия

Энтальпия, или общее теплосодержание насыщенного пара, это количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1кг вещества от абсолютного нуля до пара заданной температуры.

 Энтальпия в общем случае является функцией температуры и давления. Увеличение энтальпии с приращением температуры:   Δi = С_р^ср (Т₂ – Т₁) = С_р^ср (t₂ – t₁), Дж/кг, т.е. изменение энтальпии идеального газа равно произведению средней теплоёмкости при постоянном давлении на разность температур газа.

Энтропия – функция состояния рабочего тела, выражается соотношением:

  ds = dq / T = (du + dl) / T,  Дж/(кг∙К),     где: ds – приращение энтропии, Дж/(кг∙К).

  dq–изменение тепловой энергии рабочего тела, Дж/кг. du–приращение внутренней энергии, Дж/кг.          dl – внешняя работа, Дж/кг.     Т – абсолютная температура, К

Таким образом, энтропия – это параметр, который изменяется только от количества переданной или отведённой теплоты. При  ds > 0 теплота к системе подводится, при ds < 0 – отводится. В термодинамике широко используются не только координаты  p – v,  но и  s – T, а также  термодинамическое состояние вещества представляют диаграммой  i – s.

Энтропия не может быть измерена каким-либо образом, как на­пример, объем и определяется только расчетным путем. Количество теплоты: q =  Т • ds    или   dq=Tds .

Функциональные зависимости T=T(s) и р = р (v) определяют тер­модинамические процессы, поэтому в термодинамике широко использу­ются не только координаты « р -v», но и «s-Т» — координаты, характе­ризующие теплообмен с внешней средой

21. Энтальпия окислителя и воздуха, участвующего в горении

      Энтальпия — это полная энергия рабочего тела в потоке, зави­сящая от термодинамического состояния тела и представляющая собой сумму внутренней энергии u и потенциальной энергии  pv,

    т.е.:    i=u+pv. В случае пожара это энергия горючих веществ, окислителя и воздуха, поступающих в зону горения или уходящих из неё.

Тепловой баланс внутреннего пожара на любой стадии развития, отнесённый к единице площади пожара:                     Q^н_р * W_м + Q_Ф = Q₁ + Q₂+Q₃+Q₄ + Q₅+Q₆, кДж/(м²*с),

где Q^н_р  — низшая удельная теплота сгорания вещества, кДж/кг;

Q_ф — энтальпия горючих веществ и воздуха, поступающих на го­рение в единицу времени на 1 м² площади пожара, кДж/(м²*с);

W_м — массовая скорость выгорания горючего вещества с 1 м² го­рящей поверхности, кг/(м²*с);

Q₁ — энтальпия продуктов сгорания, уходящих из зоны горения с единицы площади пожара в единицу времени, кДж/(м²*с);

Q₂ — энтальпия избытка воздуха, поступающего на горение, кДж/(м²*с);

Q₃— количество теплоты, излучаемой пламенем, кДж/(м²*с);

Q₄ — количество теплоты, затрачиваемой на нагрев реагирующих веществ, кДж/(м²*с);

Q₅ — количество теплоты, затрачиваемой на нагрев строительных конструкций, кДж/(м²*с);

Q₆ — потери теплоты вследствие неполноты химического сгора­ния, кДж/(м²*с).

Количество теплоты, излучаемой пламенем факела в единицу вре­мени с единицы поверхности, может быть определено по формуле Стефана-Больцмана:  Q₃=ε₀*σ*Т⁴ _пл , кДж/(м²-с),

где  ε₀ — степень черноты пламени;

σ — постоянная Стефана-Больцмана, σ = 5,67*10^-11 кВт/(м²*К⁴); Т_пл — температура пламени, К.

При горении нефтепродуктов степень черноты пламени близка к единице.

Если форму пламени принять конической, то отношение поверх­ности пламени F_пл к площади пожара F_п для случая горения нефтепро­дуктов в резервуарах примерно составит:

Таким образом, на внутренних пожарах доля теплоты, теряемой  излучением, меньше половины теплоты, выделяющейся в результате  горения.

Тепловой баланс открытого пожара отличается от внутреннего тем, что в правой части уравнения  отсутствует величина Q₅. На от­крытом пожаре наибольшее значение имеет теплота, уносимая с продук­тами сгорания и излучаемая зоной горения. Последнее обстоятельство способствует распространению пожара и затрудняет действия пожарных.

22. Уравнение теплового баланса процесса горения

при адиабатических условиях.

Выделившееся в результате сгорания тепло нагревает продукты горения (CO2, H2O, N2...) от начальной температуры T₀ до температуры Tг, увеличивая их теплосодержание и уравнение теплового баланса будет:   Q_н*(1 – h) = ∑ { H_пгi(T_г) – H_пгi(T₀)}* V_пгi где: Q_н – низшая теплота сгорания вещества; h – коэффициент теплопотерь (доля потерь тепла на излучение); H_пгi(T_г) и H_пгi(T₀)  – значения теплосодержания (энтальпии) i-го продукта горения при температуре горения и начальной температуре; V_пгi – объем i-го продукта горения. Если теплосодержание продуктов горения при Т = 273 К принять равным нулю, то уравнение теплового баланса будет:      Q_н*(1 – h) = ∑H_пгi(T_г) * V_пгi

При  горении в  адиабатических условиях, т. е.  горении  с теоретическим количеством воздуха (a_в=1) без потерь теплоты (h = 0) и без теплообмена с окружающей средой  уравнение теплового баланса будет:   Q_н =∑ H_пгi(T_г) * V_пгi , 

  или в случае общего теплового баланса внутреннего пожара (см. 21)  Q^н_р * W_м = Q₁

 где Q^н_р  — низшая удельная теплота сгорания вещества, кДж/кг;

W_м — массовая скорость выгорания горючего вещества с 1 м² го­рящей поверхности, кг/(м²*с);

Q₁ — энтальпия продуктов сгорания, уходящих из зоны горения с единицы площади пожара в единицу времени, кДж/(м²*с);

23. Калориметрическая (адиабатическая) температура горения.

Реальная температура горения.

Выделяющаяся в зоне горения теплота воспринимается продукта­ми сгорания, вследствие чего они нагреваются до высокой температуры. Различают калориметрическую, теоретическую и действительную тем­пературы горения.

Действительной температурой горения называется температура реально устанавливающаяся в условиях пожара.

Под калориметрической температурой понимается темпера­тура, которую приобретают продукты полного сгорания, когда вся теп­лота расходуется на их нагревание.

При вычислении теоретической температуры пренебрегают потерями теплоты в окружающую среду, но учитывают расход теплоты на диссоциацию продуктов реакции (что происходит при температурах выше 1973 К).

Калориметрическую температуру горения вычисляют для сле­дующих постоянных условий:

–воздух и горючее вещество находятся при нормальных условиях (273 К);

–коэффициент избытка воздуха равен единице;