Учебное пособие: Практикум по теории горения

2,5

2,5

19

150

2.3

25

16

47

2,5

3

6.5

20

180

2.4

29

46

24,5

5,5

2

3

21

280

2,3

20

14

70

4,5

3,7

6.8

22

270

1,9

20

45

25

5

2

3

1.3 Расчет объема и состава продуктов горения

Существует несколько полуэмпирических методов расчета ТПВ, однако они мало отличаются друг от друга по точности.

Температурные пределы воспламенения жидкостей рассчитывают по температуре кипения:

t_H(B)=Kt_кип-, (4.1.)

где t_H(B)-нижний (верхний) температурный предел воспламенения ^оС;

t_{кип -}температура кипения^оС;

К и -константы для определения групп (гомологических рядов) жидкостей. Их значения приведены в табл.6 приложения

Температурные пределы воспламенения могут быть определены по известным значениям концентрационных пределов:

Р _(НВ)=, (4.2.)

где Р _(НВ)-давлениенасыщенного пара, соответствующее нижнему(верхнему) концентрационному пределу воспламенения;

- нижний (верхний) концентрационный предел воспламенения;

Р_0-атмосферное давление.

По таблице 7 приложения определяем температуру вещества, при которой достигается данное давление. Она будет являться соответственно нижним (верхним) пределом воспламенения.

Примеры решения задач

Определить температурные пределы воспламенения (ТПВ)метилового спирта, если температура его кипения равна 65^о.

Решение: Расчет производим по формуле (4.1),значение констант определяем по табл.6для нормальных жирных спиртов:

t_H=0,5746*65-33,7=3,6^оС=276,6 К;

t_B=0,6928*15,0=30 ^оС=303К.

Определим относительную ошибку расчета. По табл.5 приложения находим что ТПВ метилового спирта равны 280 +312 К:

?Н=

?в=

Следовательно, результаты расчета занижены менее чем на 3%

Определить температурные пределы воспламенения (ТПВ) ацетона, если его концентрационные пределы в воздухе равны 2,2 +13%. Атмосферное давление - нормальное.

Решение: По формуле (4.2) определим давление насыщенного пара ацетона, соответствующее нижнему и верхнему пределам воспламенения:

Р_H=

Р_В=

Из таблицы 7 приложения следует, что нижние температурные пределы вещества (НТПВ) находятся между температурами 241,9 и 252.2К. а верхние температурные пределы вещества (ВТПВ)- между 271,0 и 280,7К.

Линейной интерполяцией определим ТПВ:

Т_н=241,9+

Т_В=К

Зная справочные значения ТПВ ацетона (253+279К.см. приложение5), можно определить относительную ошибку расчета:

?Н=

?В=.

Контрольные задачи

1. Определить температурные пределы воспламенения в гомологическом ряду жирных углеводородов:

2. Построить график изменения ТПВ от положения горючего в гомологическом ряду.

3. Сравнить температурные пределы воспламенения Н- бутиловых эфиров муравьиной и уксусной кислот. На основании полученных данных сделать вывод о их сравнительной пожарной опасности. Температура кипения бутилформиата равна 379.8К, а бутилацетата-399К.

4. Определить температурные пределы воспламенения бутилбензола по его концентрационным пределам. Значение последних рассчитать по аппроксимационной формуле.

5. По концентрационным пределам воспламенения, значение которых установить по аппроксимационной формуле, определить температурные пределы воспламенения ацетона и метилэтилкетона. По результатам расчета сделать вывод о сравнительной пожарной опасности этих веществ.

2. Тепловой баланс процессов горения

Основные понятия энергетического баланса процесса горения

Под тепловым эффектом реакции понимают количество теплоты, которое выделяется или поглощается системой в ходе реакции.

В тех случаях, когда теплосодержание системы после реакции уменьшается (реакция идет с выделением энергии), реакция является экзотермической. Если теплосодержание конечных продуктов выше исходных (реакция идет с поглощением энергии), реакция является эндотермической.

Теплосодержание системы определяется теплотой образования компонентов системы (продуктов горения и исходного вещества). Таким образом тепловой эффект реакции можно записать:

ДHг = ? ДH ⁰f_пг ? ? ДH^of_гв,

где ДH^of_пг и ДH^of_гв - теплота образования продуктов горения и исходных горючих веществ соответственно.

Теплота образования веществ определяется по справочникам или рассчитывается исходя из структуры вещества.

Теплотой сгорания называется количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы количества вещества при условии, что начальные и конечные продукты находятся в стандартных условиях.

Различают:

молярную Q -- для одного моля (кДж/моль),

массовую Q? ? для одного килограмма (кДж/кг),

объемную Q? ? для одного кубического метра вещества (кДж/мі) теплоту сгорания.

В зависимости от агрегатного состояния воды, образовавшейся в процессе горения, различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания называется количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы количества горючего вещества, включая тепло конденсации водяных паров.

Низшей теплотой сгорания называется количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы количества горючего вещества при условии, что вода в продуктах горения находится в газообразном состоянии.

Молярную теплоту сгорания рассчитывают в соответствии с законом Гесса: Q_гор=_I?H⁰ _{fгв, кДж/моль}

Для расчета молярной теплоты сгорания Q в массовую Q? можно использовать формулу:

Q^1`_гор=, _{кДж/моль}

где м - молярная масса горючего вещества, кг/кмоль.

Для веществ в газообразном состоянии при пересчете из стандартной теплоты сгорания Q в объемную Q? используют формулу:

Q²_гор=м

где Vм - объем кило моля газа, который при стандартных условиях составляет 22,4 мі/кмоль.

Для сложных горючих веществ или смесей можно вывести формулу определения теплоты сгорания исходя из состава и процентного содержания компонентов.

Достаточно точные результаты дает формула Менделеева для высшей теплоты сгорания:

Qв? = 339,4·ц С + 1256,8·цН + 108,9(цS ? цO - цN),

где цO, цN, цS, цС, цН -- процентное содержание кислорода, азота, серы, углерода, водорода в горючем веществе.

Для низшей теплоты сгорания:

Qн? = Qв? - 25,1(9·цН + W%), кДж/кг,

где W% ? содержимое влаги в горючем веществе.

Теплота сгорания имеет большое практическое значение при расчете пожарной нагрузки и параметров пожара.

Под пожарной нагрузкой (Р_пож) понимают количество тепла, которое может выделиться при сгорании веществ и материалов, приходящихся на один квадратный метр поверхности пола помещения, МДж/мІ.

Пожарная нагрузка является количественной характеристикой, определяющей тепловое влияние пожара на строительные конструкции. Пожарную нагрузку рассчитывают как сумму произведений масс всех горючих материалов на их низшую теплоту сгорания, отнесенную к единице поверхности пола по формуле:

P=•10^-3, МДж/мІ.

Низшая теплота сгорания также используется для определения пожарной опасности горючих веществ. Экспериментально доказано, что вещества являются негорючими, если они не относятся к взрывоопасным и их низшая теплота сгорания меньше, чем 2100 кДж/кг или 1830 кДж/мі.

Температура горения. Тепло, выделяющееся в зоне горения, расходуется на нагревание продуктов горения и теплопотери (к последним относятся предварительный нагрев горючего вещества и излучение из зоны горения в окружающую среду).

Максимальная температура в зоне горения, до которой нагреваются продукты горения, называется температурой горения.

В зависимости от условий, в которых протекает процесс горения различают калориметрическую, теоретическую, адиабатическую и действительную температуры горения.

Под калориметрической температурой горения понимают температуру, до которой нагреваются продукты горения при соблюдении следующих условий:

1) все тепло, выделившееся в процессе реакции, идет на нагревание продуктов горения;

2) происходит полное сгорание стехиометрической горючей смеси, коэффициент избытка воздуха (б_в =1);

3) в процессе образования продуктов горения не происходит их диссоциация;

4) горючая смесь находится при начальной температуре 273К и давлении 101,3 кПа.

Теоретическая температура горения отличается от калориметрической тем, что в расчетах учитываются тепло потери на диссоциацию продуктов горения.

Диссоциацию продуктов горения нужно учитывать при температурах выше 1700°С.

Адиабатическая температура горения определяется для не стехиометрической горючей смеси (б_в ?1).

Действительная температура горения - это температура, до которой нагреваются продукты горения в реальных условиях.

Температуру горения используют при расчетах давления взрыва, для определения площади легко сбрасываемых конструкций, температуры пожара и других параметров.

2.1 Расчет теплоты сгорания веществ

Расчетные формулы. При расчетах теплового баланса на пожаре определяют, как правило, низшую теплоту сгорания (табл.2.1):

Q_B - Q_H=Q_ИС (2.1),

где Q_B-высшая теплота сгорания; Q_H-низшая теплота сгорания;

Q_ИС- теплота испарения воды, выделяющейся при сгорании вещества.

Таблица 2.1.

где - соответственно теплоты образования одного кмоля i-го конечного продукта горения и исходного вещества;

, - соответственно количество кмолей -гопродукта реакции и исходного вещества в уравнении реакции горения;

С, Н,S,W- соответственно содержание, %вес, углерода, серы, водорода, влаги в составе вещества;

О- сумма кислорода и азота,%вес

Q_Hi-низшая теплота сгорания -го горючего компонента газовой смеси, кДж/моль; кДж/м³

ц_ri- содержание -го горючего компонента в газовой смеси,% об.

Расчет теплоты сгорания газовоздушных смесей проводят по формуле по формуле

горение воспламенение температурный пожарный

Q^см_н=Q_нц_r (2.5),

где Q^см_н- теплота сгорания газовоздушной смеси, кДж/м³, кДж/м³

Q_H-низшая теплота сгорания горючего вещества, кДж/м³, кДж/м³

ц_ri- концентрация горючего в смеси, % об.

Удельная скорость (интенсивность) тепловыделения при горении:

q=Q_H•m (2.6)

q-удельная интенсивность тепловыделения,кВт/м³;

m- массовая скорость выгорания, кг/(м²•с).

Скорость тепловыделения при горении:

Q= Q_H•m (2.7),

где Q-интенсивность тепловыделения, кВт;

F- площадь горения, м^3.

Примеры решения задач

Определить низшую теплоту сгорания уксусной кислоты, если теплота ее образования 485,6 кДж/моль;

Решение: Для расчета по формуле (2.2)запишем уравнение горения уксусной кислоты в кислороде:

СН₃СООН+2О₂=2СО₂+2Н₂О;

Q_H=(2•396,9+2•242,2-1•485,6)=792,6 кДж/моль=792,6•10³ кДж/моль;

Для расчета количества тепла, выделяющегося при горении 1кг горючего, необходимо полученную величину разделить на его молекулярную масса (64):

Q_H=792,6•10³/64=12384кДж/кг.

Рассчитать низшую теплоту сгорания органической массы состава:

С-62%, Н-8%, О-28%, S-2%.

Решение: По формуле Д.И.Менделеева(2.3)

Q_H=339,4•62+1257•8-108,9(28-2)-

25,1•9•8=26460кДж/кг.

Определить низшую теплоту сгорания газовой смеси, состоящей из

СН₄-40%, С₄Н₁₀-20%, О₂-15%, Н₂S-5%, NH₃-10%, CO₂-10%

Решение: Для каждого горючего компонента смеси по формуле (2.2) находим теплоты сгорания (табл.2.2)

Таблица 2.2