МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

4.1. Уравнение материального баланса процессов горения

Сущность материального баланса процесса горения заключается в том, что масса веществ и материалов, присутствующих до горения, должна равняться массе веществ и материалов, получившейся после горения.

В общем виде уравнение материального и теплового баланса выглядит так:

n_г [Г] + n_о [О] = å m_i[ПГ]_i + Q_х.р.

где [Г] - химическая формула горючего вещества;

[О] - химическая формула окислителя;

[ПГ]_i - химическая формула i-го вещества, образовавшегося в результате реакции горения;

n_г, n_о, m_i - стехиометрические коэффициенты при соответствующих веществах;

Q_х.р. - тепловой эффект реакции горения.

Это уравнение отражает в большинстве химических процессов лишь исходное и конечное состояние реагирующей системы, но не дает сведений о тех путях и промежуточных фазах, через которые этот процесс осуществлялся. Если окислительной средой будет являться кислород воздуха, то уравнение примет вид:

n_г [Г] + n_о2 [О₂] + n_о2 ×3,76[N₂] = å m_i[ПГ]_i + n_о2 ×3,76[N₂] + Q_х.р.

Это уравнение можно использовать для расчета количества воздуха, необходимого для полного сгорания веществ и материалов, количества выделившихся продуктов сгорания веществ и материалов, что необходимо для решения некоторых практических задач противопожарной защиты (например, для определения количества вещества, которое может выгореть до момента самопроизвольного потухания в замкнутом помещении, содержащем заданный объем воздуха, или для определения количества того или иного продукта сгорания, которое может выделиться при сгорании определенного количества горючего вещества).

Для пересчета объема воздуха или газообразных продуктов горения, находящихся при нормальных условиях, в объем для заданных условий используется уравнение:

V^т,р = (V_oTP_o)/(T_oP)

которое получено из уравнения состояния идеальных газов:

(P_oV_o)/T_o = (PV^т,р)/T

Р_о = 101325 Па (760 мм рт.ст.);

Т_о = 273 К (0°С);

V_o = 22,4 м³/кмоль - объем одного кмоля любого газа при нормальных условиях.

4.2. Воздух, необходимый для горения веществ и материалов

Индивидуальные химические вещества

Расчет производится по следующей формуле:

V_в^о = 4,76×b [м³/м³] или [кмоль/кмоль],

где (4,76 = 1 + 3,76) - это количество воздуха, в котором содержится 1 кмоль О₂;

b - отношение количества молекул окислителя к количеству молекул горючего в уравнении реакции горения:

b = n_o2 / n_г

Например, для метана b_сн4 = 2/1 = 2.

Уравнение (17.4) в основном используется для газообразных горючих веществ.

Для твердых и жидких горючих веществ применяется уравнение:

V_в^о = 4,76b×V_о/М_г [м³/кг]

Для заданных условий имеем:

V_в^т,р = 4,76b×V_о^т,р/М_г [м³/кг]

В этом случае предварительно рассчитывается по уравнению состояния идеальных газов объем 1 кмоля газов для заданных условий.

М_г - молярная масса горючего вещества.

Вещество сложного состава

Общий объем воздуха, необходимый для горения единицы массы вещества, будет складываться из объемов воздуха, необходимых для горения каждого из элементов, входящих в состав вещества, за вычетом объема воздуха, соответствующего количеству кислорода, содержащегося в веществе:

где V_в^о_(с), V_в^о_(н), V_в^о_(s) - количество воздуха, необходимое для горения единицы массы соответствующего элемента (м³/кг);

V_в^о_(о) - количество воздуха, в котором содержится 1 кг кислорода (м³/кг);

C, H, S, O - содержание соответствующего элемента в горючем веществе (% вес.).

Определим значения V_в^о_(с), V_в^о_(н), V_в^о_(s)

С + О₂ = СО₂

n_c = 1; n_o2 = 1; b_(с) = 1;

V_в^о_(с) = (4,76×1×V_o)/12;

Н₂ + 0,5О₂ = Н₂О

n_н = 1; n_o2 = 0,5; b_(н) = 0,5;

V_в^о_(н) = (4,76×0,5×V_o)/2;

S + О₂ = SО₂

n_s = 1; n_o2 = 1; b_(s) = 1;

V_в^о_(с) = (4,76×1×V_o)/32.

Находим значение V_в^о_(о) 1 кмоль О₂ (32 кг) занимает объем при нормальных условиях V_o. Так как в воздухе на каждый объем кислорода приходится 3,76 объема азота, то 32 кг кислорода будет содержаться в 4,76×V_o м³ воздуха. Тогда V_в^о_(о) = (4,76V_o)/32.

Подставляя полученные значения в уравнение и принимая, что V_o = 22,4 м³/кмоль, получаем:

V_в^о = 0,267 (С/3 + Н + (S-О)/8) [м³/кг]

Смесь газов

Для расчетов V_в^о необходимо провести расчеты для каждого газа, входящего в смесь, и полученные результаты сложить. Когда газовая смесь и воздух находятся в одних и тех же условиях, то объем воздуха, необходимый для полного сгорания смеси газов, можно определить по формуле:

, [м³/м³]

где j_о2 - содержание кислорода в газовой смеси (% об.);

j_i - содержание i-го компонента в газовой смеси (% об.).

Избыток воздуха

Разность между количеством воздуха, присутствующим при горении, и теоретически необходимым количеством воздуха называется избытком воздуха:

DV_в^о = V_в^о_(пр) - V_в^о

Отношение количества воздуха, практически участвующего в процессе горения, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха:

a_в = V_в^о_(пр)/V_в^о

Если известно количество кислорода, которое содержится в продуктах горения после сгорания горючего вещества, a_в можно определить следующим образом:

a_в = 21/(21-j_о2 ^пг)

где j_о2 ^пг - количество О₂, содержащееся в продуктах горения (% об.).

В случае кинетического горения при V_в^о_(пр) = V_в^о a_в = 1. Смесь горючего с воздухом является стехиометрической.

При a_в < 1 смесь богатая. Характерной чертой процесса горения является образование продуктов неполного горения.

При a_в > 1 смесь бедная. Часть воздуха не расходуется на горение (избыток воздуха) и переходит в продукты горения.

DV_в^о = V_в^о_(пр) - V_в^о = V_в^о(a_в - 1);

V_в^о_(a) = V_в^о + DV_в^о

4.3. Объем и состав продуктов горения веществ и материалов

Расчетный объем продуктов горения определяется по формуле:

V_пг = V_пг^о + DV_в

где V_пг^о - теоретический объем продуктов горения (кмоль/кмоль, м³/кг, м³/м³).

Теоретический объем продуктов горения определяется также для трех групп веществ и материалов.

Индивидуальное химическое соединение

При сгорании 1 кмоля или 1 м³ горючего вещества расчет ведется по формуле:

V_пг^о = å m_i/n_г + 3,76n_о2 /n_г [м³/м³; кмоль/кмоль]

Эта формула чаще используется для газообразных горючих веществ. Для жидких и твердых горючих веществ применяется формула:

V_пг^о = (å m_i/n_г + 3,76n_о2 /n_г)V_о/М_г [м³/кг]

Для расчета объема продуктов горения при заданных условиях используется формула:

V_пг^тр = (V_пг^о×Т×Р_о)/(Т_о×Р)

Вещество сложного состава

Сложная смесь химических элементов обычно состоит из C, H, N, S, W, A, O, которые заданы в процентном отношении. Для определения состава, количества и объема продуктов горения 1 кг сложной смеси химических веществ необходимо составить реакции горения каждого элемента (C, H, S) и определить объем продуктов горения. Азот и влага W также переходят в продукты горения. Входящий в горючее вещество кислород будет участвовать в горении, тем самым уменьшая расход воздуха на горение, что в свою очередь будет снижать расчетный объем азота в продуктах горения.

С + О₂ + 3,76N₂ ® СО₂ + 3,76N₂;

S + О₂ + 3,76N₂ ® SО₂ + 3,76N₂;

Н₂ +0,5 О₂ + 0,5×3,76N₂ ® Н₂О + 0,5·3,76N₂.

Таким образом, в теоретический объем продуктов горения будут входить:

- СО₂ , который образуется при горении С;

- Н₂О в виде пара, который образуется при горении Н и испарении W вещества;

- SО₂ , который образуется при горении S;

- N₂ , который образуется из горючего вещества и переходит в продукты горения из воздуха, расходуемого на горение C, H и S.

Для удобства расчеты сведем в таблицу.

Состав продуктов горения при сгорании 1 кг горючего вещества определяется следующим образом.

V^o_co2 = 1,86С/100;

V^o_so2 = 0,7S/100;

V^o_н2o = 11,2Н/100 + 1,24W/100;

V^o_N2 = 0,01[7С + 21H + 0,8N + 2,63(S - O)] или

V^o_N2 = 0,79V_в^о + 0,8N/100 [м³/кг],

где C, H, S, N, O и W - содержание соответствующих элементов и влаги в горючем веществе (% вес.).

Общее количество продуктов горения будет равно:

V_пг^о = å Vпг^о_(i) = Vсo₂^o + Vн₂o^o + Vso₂^o + V_N2^o

Смесь газов

Количество и состав продуктов горения для смеси газов определяется по уравнениям горения каждого газа, входящего в смесь. Негорючие газы переходят в продукты горения, а содержание кислорода в смеси газов снижает количество азота в продуктах горения. Общее количество продуктов горения будет равняться:

V_пг^о = åV_пг^о_(i)j¢_(i) [м³/м³; кмоль/кмоль]

где V_пг^о_(i) - объем продуктов горения, выделившихся при сгорании 1м³ и 1кмоль i-го горючего газа, входящего в смесь газов;

j¢_(i) - объемные доли i-го газа, входящего в смесь газов.

Состав продуктов горения можно определить по следующим формулам:

Vсо₂^о = åVсо₂^о_(i)j_i¢;

Vн₂о^о = å Vн₂о^о_(i)j_i¢;

Vsо₂^о = å Vsо₂^о_(i)j_i¢;

V_N2^о = å V_N2^о_(i)j_i¢

Дым

В реальных пожарах, наряду с продуктами полного и неполного горения, образуются твердые и жидкие частицы различных веществ (смола, окислы, вода и т.д.).

Дисперсная система, состоящая из мельчайших твердых и жидких частиц (дисперсная фаза), взвешенных в дисперсионной газообразной среде (продуктах горения), называется дымом.

4.4. Тепловой баланс процессов горения

В расчете на единицу количества горючего вещества тепловой баланс зоны горения можно записать так:

Q_н + Q_исх - Q_недож = Q_пг + Q_пот

где Q_исх - количество тепла, поступающего в зону горения с горючим веществом и окислителем (если a_в = 1, Т_н = 293 К, Q_исх » 0,03Q_н);

Q_недож - количество тепла, нереализуемое в зоне горения из-за химического и механического недожога. Q_недож зависит от вида горючего материала и условий горения и возрастает с увеличением количества воздуха, необходимого для полного сгорания (Q_недож составляет 5-25% от Q_н);

Q_пг - количество тепла, затрачиваемое на нагрев продуктов горения. За счет Q_пг продукты горения нагреваются до температуры более 1000 °С (Q_пг составляет 40-80% от Q_н);

Q_пот - количество тепла, теряемое из зоны горения конвекцией и излучением (Q_пот составляет 40-60% от Q_н);

Q_н - низшая теплота сгорания вещества или материала. Этот показатель характеризует пожарную опасность вещества или материала.

Низшей теплотой сгорания Q_н называется количество тепла, выделяемого при полном сгорании единицы массы или объема (кг, кмоль, м³) горючего вещества, при условии сгорания водорода до образования пара и испарения влаги горючего вещества (кДж/кмоль, кДж/кг, кДж/м³).

Различают также высшую теплоту сгорания Q_в - это количество тепла, выделяемого при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества при условии, что содержащийся в нем водород сгорает с образованием жидкой воды и влага в веществе не испаряется. Эта величина имеет чисто теоретическое значение, т.к. температура горения намного выше 100°С, и всегда выделяющаяся вода при горении и влага вещества будут испаряться. Для расчетов параметров процессов горения используется низшая теплота горения.

Расчет теплоты горения

Для индивидуальных химических соединений низшую теплоту сгорания можно определить из следствия закона Гесса [2].

Теплота сгорания химического соединения равна разности между суммой теплот образования продуктов сгорания и теплотой образования сгоревшего химического соединения:

Q_н = å(DН¦_пг(i) × m_i) - DH¦_г × n_г [кДж/моль]

где DН¦_пг(i), DH¦_г - соответственно теплота образования i-го продукта сгорания и горючего вещества;

m_i, n_г - стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции горения.

Стандартные теплоты образования простых веществ (O₂, N₂ и т.д.) равны нулю.

Для сложных химических соединений низшую теплоту сгорания определяют по формуле Д.И. Менделеева:

Q_н = 339,4×С + 1257×Н - 108,9(О - S) - 25(9×Н + W) [кДж/кг]

где C, H, S, W - содержание углерода, водорода, серы и влаги в горючем веществе (% вес.);

О - сумма кислорода и азота в горючем веществе (% вес.).

Для смеси газов низшую теплоту горения определяют как сумму теплот сгорания компонентов горючей смеси:

Q_н^см = (åQ_нi × j_i)/100 [кДж/м³; кДж/моль]

где Q_нi - низшая теплота сгорания i-го компонента смеси газов;

j_i - содержание i-го компонента в смеси газов (% об.).

Температура горения

Часть из выделяемого в зоне горения тепла расходуется на нагрев продуктов горения (Q_пг).

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

Различают следующие температуры горения:

- калометрическая – температура, до которой нагреваются продукты горения при следующих условиях: Т_о = 273 К; a_в = 1; Q_пг = Q_н;

- адиабатическая - если выполняются условия: Т_о = 273 К; a_в ¹ 1; Q_пг = Q_н;

- теоретическая - температура горения, когда учитывается часть тепла, расходуемого на диссоциацию продуктов горения и выполняются следующие условия: Т_о = 273 К; a_в = 1; Q_пг = Q_н - Q_дисс;

- действительная температура горения - та температура, до которой нагреваются продукты горения в реальных условиях: Т_о¹273 К; a_в¹1; Q_пг¹Q_н.

Дата добавления: 2014-10-14; просмотров: 1035; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!