Вопрос 3. Расчет температуры горения.
Вопрос 2. Расчет теплоты горения.
Удельная теплота горения - это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества, измеряется в кДж/моль, кДж/кг или кДж/м3.
В зависимости от агрегатного состояния воды в продуктах горения, различают низшую и высшую теплоты горения. Если вода находится в парообразном состоянии, то говорят о низшей теплоте горения QH, если пары воды конденсируются в жидкость, то теплота горения - высшая QB. Как правило, температура пламени достигает 1000 К и выше, а вода кипит при 373 К, поэтому в продуктах горения на пожаре вода всегда находится в парообразном состоянии, и для тепловых расчетов в пожарном деле используется низшая теплота горения.
Теплота горения индивидуального химического соединения рассчитывается как тепловой эффект химической реакции по следствию из закона Гесса:
ДНгор = Цп, AHj)nr - Цп; ДНОисх ( кДж/моль), где АНгор - тепловой эффект реакции горения, кДж/молъ;
S(rij АН,)ИСХ - сумма теплот образования исходных веществ из элементов с учетом стехиометрических коэффициентов , кДж/моль;
X(n; AHj)nr - сумма теплот образования продуктов горения из элементов с учетом стехиометрических коэффициентов, кДж/молъ.
Низшая теплота горения конденсированного вещества неизвестного строения, но известного элементного состава определяется по эмпирической формуле Д. И. Менделеева:
QH= 339 [С] + 1257[Н] - 109( [0]+[N] - [S]) - 25 ( 9[H]+[W]) (кДж/кг),
где [С], [Н], [S], [О], [N] и [W] - содержание в веществе углерода, водорода,
серы, кислорода азота и влаги, % масс.
Низшая теплота горения смеси газов или паров - определяется как сумма произведений теплот горения каждого горючего компонента на его объемную долю в смеси:
QH=I(QH)i-(Pi/100 (кДж/м3) где (QH), - низшая теплота горения i-го горючего компонента смеси (кДж/моль);
ф, - содержание i-го горючего компонента в смеси (% об).
Выделяющееся в зоне горения тепло воспринимается продуктами сгорания, вследствие чего они нагреваются до высокой температуры.
Температура горения - максимальная температура, до которой нагреваются продукты горения.
| Условия определения и область применения температуры горения |
Так как потери тепла при горении вещества в различных условиях неодинаковы, то и температура горения различна. В технике и пожарном деле различают теоретическую, калориметрическую, адиабатическую и действительную температуры горения.
Таблица 3
|
Теоретическая температура горения - температура, при которой выделившаяся теплота горения смеси стехиометрического состава расходуется на нагрев и диссоциацию продуктов горения. Практически диссоциация продуктов горения начинается при температуре выше 2000 К.
Калориметрическая температура горения - температура, которая достигается при горении стехиометрической горючей смеси, с начальной температурой 273 К и при отсутствии потерь в окружающую среду. Адиабатическая температура горения - температура полного сгорания смесей любого состава при отсутствии тепловых потерь в окружающую среду.
Действительная температура горения - температура горения, достигаемая в условиях реального пожара. Она намного ниже теоретической, калориметрической и адиабатической, т.к. в реальных условиях до 40 % теплоты горения обычно теряется на излучение, недожог, нагрев избытка воздуха и т.д.
Экспериментальное определение температуры горения для большинства горючих веществ представляет значительные трудности, особенно для жидкостей и твердых материалов. Однако в ряде случаев теория позволяет с достаточной для практики точностью вычислить температуру горения веществ, основываясь только на знании их химической формулы, состава исходной горючей смеси и продуктов горения. У £ В общем случае для вычислений используется следующая зависимость (приближенная, так как принимается, что ср Ф f(T)):
Qnr Vnr'Cp'Tr,
где Qnr - энтальпия продуктов горения;
Упг - объем продуктов горения, м /кг;
ср — средняя объемная теплоемкость смеси продуктов горения в интервале температур от
1° до Тг, кДж/(м3 -К);
Тг - температура горения, К.
Энтальпия продуктов горения определяется из уравнения теплового баланса:
Qnr = Qh Qhcx ~ QnOT?
ГДе QnoT Qh Онедож Сиднее-
Среднюю теплоемкость смеси продуктов горения определить очень сложно. Ориентировочно энтальпия смеси продуктов горения может быть выражена как сумма энтальпий ее компонентов:
Qnr = £ (Vnr)i (cp)i • Тг, где (Vnr)i - объем i-го компонента продуктов горения;
ср - средняя объемная теплоемкость i-го компонента при Тг и постоянном давлении; Тг — температура горения.
Температура горения по данной зависимости рассчитывается методом итераций.
В зависимости от рода учитываемых потерь теплоты в зоне горения (на излучение, недожог, диссоциацию продуктов горения) вычисляется та или иная температура. При кинетическом горении газопаровоздушных смесей потери теплоты из зоны горения пренебрежимо малы, поэтому для этих смесей действительная температура горения близка к адиабатической, которую и используют в пожарно-технических расчетах.
В общем виде алгоритм вычисления температуры горения можно представить следующим образом:
1. Рассчитывают низшую теплоту горения вещества;
2. Вычисляют объем продуктов горения, образующихся из единицы массы или объема горючего вещества. Определяют энтальпию единицы объема продуктов горения;
3. Методом итераций вычисляют температуру горения. Если потери теплоты не учитывали, то получают адиабатическую, а если учитывали, то - действительную температуру горения.