Учебное пособие: Практикум по теории горения

По формуле (2.4)определим теплоту сгорания газовой смеси:

Q_H=1/100•(547.8•40+2666,1•20+338,6•5+317,2•10)10³=1020•10³ кДж/кг.

Для определения теплоты сгорания 1м³газовой смеси необходимо полученное значение разделить на объем, занимаемый 1 Кмолем газа при стандартных условиях(24,4м³):

Q_H=1020•10 ³/24,4=41803 кДж/кг.

Рассчитать теплоту сгорания 1м³стехиометрической гексано-воздушной смеси.

Решение: Находим стехиометрический состав горючей смеси по уравнению реакции горения:

C₆H₁₄+9,5O₂+9,5•3,76N₂=6CO₂+7H₂O=9,5•3,76N

Весь объем вступивших в реакцию компонентов(1+9,5+9,5•3,76) принимаем за 100%,а количество горючего(1кмоль)будет соответствовать стехиометрической концентрации:

Ц_ст=

Теплоту сгорания 1м³гексана определим по формуле (2.2) или по табл. Приложения 3.

Q_H=10³=170,110³ кДж/м³

Теплоту сгорания 1м³стехиометрической гексано- воздушной смеси определим по формуле (2.5.):

Q_H^см=170,1•10³•2,2/100=3742 кДж/м³

Определить интенсивность тепловыделения на пожаре органической массы (состав в примере 2), если скорость выгорания 0,015кг/(м²/с), а площадь пожара 150м^2.

Решение: согласно формуле (2.7): Q_H=26460,0•0,15•150=59,5•10³кВт

Контрольные задачи

1. Определить низшую теплоту сгорания 1м³этана, пропана, пентана, гексана. Построить график зависимости от молекулярной массы горючего. Теплоты образования горючих веществ: этан-88,4кДж/моль, пропан-109,4 кДж/моль, бутан-132,4 кДж/моль, пентан-184,4 кДж/моль, гексан-211,2 кДж/моль.

2. Рассчитать теплоту сгорания 1м³ацетилено-воздушной смеси на нижнем и верхнем концентрационных пределах воспламенения, а так же при стехиометрической концентрации. КПВ ацетилена равна 2,0+81% Примечание: Построить график зависимости низшей теплоты сгорания от концентрации горючего в воздухе. При расчете теплоты сгорания смеси на ВКПВ необходимо учесть, что только часть горючего способна полностью окислиться в воздухе, остальное количество горючего не вступит в реакцию горения, вследствие недостатка окислителя.

3. Определить низшую теплоту сгорания 2кг древесины состава: С-49%, Н-8%, О-43%. Какова удельная интенсивность тепловыделения на пожаре, если массовая скорость выгорания составляет 0,01кг/(м²/с)?

4. Для условия предыдущей задачи определить изменения теплоты и удельной интенсивности тепловыделения при содержании влаги в древесине(сверх 100%)в количестве 3,5,10,15%. Скорость выгорания влажной древесины соответственно снизиться до 0,009; 0,008; 0,006; 0,005 кг/(м²/с). Построить график зависимости Q_H,q

от содержания влаги в горючем материале. Примечание:для решения задачи необходимо пересчитать состав древесины с учетом влаги таким образом, чтобы содержание всех компонентов равнялось100%.

5. Определить интенсивность тепловыделения кВт, при горении газовой смеси состава: СО-15%, С₄Н₈-40%, О₂-20%, Н₂-14%, СО₂-11%., если скорость истечения 0,8м³/с.

2.2 Расчет температуры горения

Температура горения определяется из уравнения я теплового баланса:

Q_H=_рi•V_пri(T_r-T_o) (2.8)

При этом адиабатическая температура горения:

Т_r^*=Т_а + Q_H/_рi•V_пri+C_pB?V_B; (2.9)

А действительная температура горения:

Т_r=Т_а+ Q_пr/pi•V_пri+ C_pB?V_B;

где, Т_r^* и Т_r - соответственно адиабатическая и действительная температуры горения;

Т₀ - начальная температура;

Сpi, C_pB - соответственно теплоемкости воздуха и i-того продукта горения;

V_пri - объем i-го продукта горения;

?V_B - избыток воздуха;

Q_H - низшая теплота горения вещества;

Q_пr - теплота, пошедшая на нагрев продуктов горения. При этом

Q_пr= Q_H(1-5И), (2.11)

5И - доля теплопотерь в результате излучения энергии, химического и механического недожога.

Расчет температуры горения по формуле (2.9) или (2.10)может быть проведен только методом последовательных приближений, поскольку теплоемкость газов зависит от температуры горения (табл.2.3.)

Таблица 2.3

Действительная температура горения на пожаре для большинства газообразных, жидких и твердых веществ изменяется в достаточно узких пределах(1300+1800К).

В связи с этим расчет действительной температуры горения может быть значительно упрощен, если теплоемкость продуктов горения выбирать при температуре 1500К:

Тr=Т₀+; (2.15)

где - теплоемкость i-го продукта горения при 1500К (табл. 2.4)

Таблица 2.4.

Примеры решения задач

Определить адиабатическую температуру горения этилового спирта в воздухе

Решение: Расчет проводим по схеме, приведенной в табл.2.3.

1. Так как горючее индивидуальное, для определения объема и состава продуктов горения запишем уравнение химической реакции горения:

С₂Н₅ОН+3О₂+3•3,76N₂=2СО₂+3Н₂О+3•3,76N_2,

следовательно, продукты горения состоят из:

V_co2=3 моля, V_Н2О=3 моля, V_N2=11,28моля, V_Пr=17,28 моля.

2. Низшую теплоту сгорания определим по формуле (2.2) Из табл.3приложениянаходим теплоту образования горючего- 278,2кДж/моль: Q_н=3•396,9+3•242,2-278,2=1639,1 кДж/моль;

3. Средняя энтальпия продуктов горения:

?Н _ср =

4. Так как ?Н _ср выражена в кДж/моль, по табл.1приложения выбираем, ориентируясь на азот, первую приближенную температуру горения Т₁=2500⁰С

5. Рассчитаем теплосодержание продуктов горения при 2500⁰С по формуле (2.13): Q¹_пr=139,9•3+115,1•3+85,1•11,28=1687,2 кДж/моль;

Сравниваем Q_н и Q_пr,так как Q_пr>Q_н выбираем температуру горения равной 2400⁰С.

6. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при температуре равной 2400⁰С:

Q²_пr=133,0•3+109,6•3+81,5•11,28=1646,7 кДж/моль; так как Q²_пr>Q_н, принимаем температуру равной 2300⁰С

Q³_пr=126,9•3+104,1•3+77,8•11,28=1570,6 кДж/моль.

7. Так как Q³_пr<Q_н<Q²_пrопределим температуру горения:

Т_r^*=2300+⁰C

Определить адиабатическую температуру горения органической массы, состоящей из: С-60%, Н-7%, О-25%, W-8%.

Решение:

1. Так как горючее представляет собой сложное вещество, состав продуктов горения рассчитываем по формулам(1.16 и 1.19):

V_co2=1.86•60/100+1,12 м³/кг;

V_Н2О=11,2 •7/100+1,24•8/100=0,88 м³/кг;

V_N2=1/100•7•60+21(7-25/8)=5,01 м³/кг

2. Общий объем продуктов горения равен: V_Пr=7,01 м³/кг.

3. Определим низшую теплоту сгорания вещества по формуле Д.И.Менделеева (2.3):

Q_н=339,4•60+1157•7-108,9•25-25,1(9•7+8)=23958,4 кДж/кг;

4. Определим среднюю энтальпию продуктов горения:

?Н _ср =23958,4/7,01=3417,7кДж/м³

5. Так как величина энтальпии рассчитана в кДж/м^3. первую приближенную температуру выбираем по табл.2 приложения. Ориентируясь на азот, принимаем Т₁=2100⁰С

6. Рассчитаем теплосодержание продуктов горения при 2100⁰С по формуле (2.13):

Q_пр=5118,2•1,12+4166,1•0,88+3142,9•5,01=25144,5 кДж/кг

7. Из сравнения Q_н и Q_пr,так как Q_нQ_пр выбираем вторую приближенную температуру 1900⁰С. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 1900⁰С:

Q²_пr=5118,2•1,12+3693,5•0,88+2818,2•5,01=22498,8 кДж/кг

8. Так как Q²_пrQ_н<Q¹_пrопределим температуру горения:

Т_r^*=1900+=2010⁰С

Рассчитать действительную температуру горения фенола

(?Н_обр=4,2 кДж/моль), если потери тепла излучением составили 25% от Q_н,, а коэффициент избытка воздуха при горении - 2,2

Решение:

1. Определим состав продуктов горения:

С₆Н₅ОН+7О₂+7•3,76N₂;

Vco₂=6 моль,

VН₂О=3 моля,

VN₂=26,32моля,

?V_в=(7+7•3,76)(2,2-1)=39,98 моля,

V_Пr=75,3моля.

2. Определим низшую теплоту сгорания фенола (формула2.2):

Q_н=7•396,9+3•242,2-1•4,2=3500,7 кДж/моль.

3. Так как по условию задачи 25%тепла теряется, то определим количество тепла, пошедшее на нагрев продуктов горения (теплосодержание продуктов горения при температуре горения)(формула 2.11.):

Q_пr=33500,7 (1-0,25)=2625,5 кДж/моль

4. По формуле(2.15)определим действительную температуру горения:

Т_r=273+2625,5/10^-3•(50,85•6+39,87•3+31,81•26,32+32,26•39,98) =1302К.

Контрольные задачи

5. Определить как изменяется адиабатическая температура горения в гомологическом ряду предельных углеводородов(на примере метана, пропана, пентана, гептана). Построить график зависимости температуры горения от молекулярной массы горючего вещества.

6. Определить, как изменится адиабатическая температура горения древесины состава: С-49%, Н-8%, О-43%, если содержание влаги (сверх100%)составляет 0%; 5%; 15%. Построить график зависимости температуры горения от влажности горючего

Примечание: при решении задачи необходимо состав древесины пересчитать так, чтобы количество всех компонентов (в том числе воды) составляло 100%.

7. Определить: как измениться адиабатическая температура горения бензола в воздухе и окислительной среде, содержащей 25;30;40% кислорода. Построить график зависимости температуры горения от содержания кислорода.

8. Рассчитать действительную температуру горения газовой смеси, состоящей из 45%Н₂; 30%С₃Н₈;15% О₂; 10% N₂, если потери тепла составили 30% от Q_н, а коэффициент избытка воздуха при горении равен 1,8.

9. Определить количество сгоревшего антрацита (С=100%) в помещении объемом 180м³, если среднеобъемная температура возросла с 305 до 625К.

10. Рассчитать действительную температуру горения бутано- воздушной смеси стехиометрической концентрации и на нижнем концентрационном пределе воспламенения (1,9% бутана и 98,1% воздуха), если потери тепла излучением составили 20%от низшей теплоты сгорания.

11. Определить как измениться температура горения ацетилена при разбавлении его азотом в количестве 10; 20; 30%, если потери тепла излучением составляют25% от низшей теплоты сгорания. Коэффициент избытка воздуха-1.2. Построить график зависимости температуры горения от содержания азота в ацетилене.

12. Определить время горения толуола, при котором температура в помещении объемом 400м³повыситься с 295 до 375К, если скорость его выгорания 0,015кг/(м²с), а площадь пожара 50 м³. При расчете пренебречь приращением объема продуктов горения над расходуемым воздухом.

Домашнее задание 3

Рассчитать температуру горения i-го вещества (табл. 2.4)

Таблица 2.4.