Учебное пособие 1473

Vв 23,8 4 95,2 м3;

VПГ 25,8 4 103,2 м3.

4. Рассчитаем состав продуктов горения:

Ответ: на сгорание 4 м3 пропана необходимо 95,2 м3 воздуха, при этом образуется 103,2 м3 продуктов горения,

из которых СО2 – 11,6 %, Н2О – 15,5 %, N2 – 72,9 %.

Пример 3. Сгорает 100 кг ацетона. Рассчитать действительные объёмы воздуха и продуктов горения, если коэффициент избытка воздуха равен 2. Условия нормальные.

Решение. Сгорает индивидуальное химическое соединение в конденсированном состоянии.

1. Составляем уравнение реакции горения ацетона в воздухе:

С3Н6О + 4·(О2 + 3,76·N2) = 3·CО2 + 3·Н2О + 4 3,76·N2

2. Объём воздуха, необходимый для сгорания 1 кг ацетона рассчитываем по формуле (7), учитывая при этом, что масса одного киломоля ацетона составляет 58 кг/кмоль:

Vвтеор (4 4 3,76) 22,4 7,4 м3/кг. 1 58

3. Действительный объём воздуха, пошедшего на сгорание 1 кг ацетона, рассчитывается с учётом коэффициента избытка воздуха :

Vвдейств 2 7,4 14,8 м3/кг. 4. Избыток воздуха составит:

Vв 14,8 7,4 7,4 м3/кг.

5. Теоретический объём продуктов горения рассчитываем по формуле (14):

9

VПГтеор (3 3 4 3,76) 22,4 8,1 м3/кг.

1 58

6.Действительный объём продуктов горения составит:

VПГдейств 8,1 7,4 15,5 м3/кг.

7.Объём воздуха теоретически необходимого для сгорания 100 кг ацетона составит соответственно 740 м3 (7,4·100), при этом выделится 1 550 м3 продуктов сгорания.

Ответ. При сгорании 100 кг ацетона объём воздуха при нормальных условиях составит 1 480 м3, а объём продуктов горения – 1 550 м3.

Примечание. Если в процессе горения были заданы температура или давление, отличающиеся от нормальных условий, то объём продуктов горения и воздуха рассчитывается с учётом объёма, который занимает один кмоль газа при этой температуре или давлении:

где V0 = 22,4 м3, Р0 = 101,3 кПа; Т0 = 273 К; Т и Р заданные температура и давление.

Пример 4. Газовая смесь объёмом 10 м3 , состоящая из 30 % ацетилена, 40 % пропана, 20 % углекислого газа и 10 % сгорает с 40 %-ным избытком воздуха. Вычислить объём воздуха, принимающего участие в горении, если процесс протекает при нормальных условиях.

Решение.

1. Составляем уравнения реакций горения горючих газов смеси в воздухе:

С2Н2 + 2,5 (О2 + 3,76 N2) = 2 СО2 + Н2О + 2,5 3,76 N2 С3Н8 + 5 (О2 + 3,76 N2) = 3 СО2 + 4 Н2О + 5 3,76 N2

2. Рассчитаем теоретические объёмы воздуха при полном сгорании 1м3 газовой смеси (формула 8):

2,5 30 5 40 10

10

3. Рассчитаем действительные объёмы воздуха с учётом 40 % - ного избытка воздуха ( = 1,4).

Vвдейств 1,4 12,62 17,67 м3/м3;

4. Поскольку объём горючей смеси составлял 10 м3, действительный объём воздуха составят 176,7 м3 соответственно.

Пример 5. Определить объёмы воздуха и продуктов горения при сжигании 2 кг горючего вещества, имеющего элементный состав: С = 50 %; Н = 10 %; N = 10 %; золы = 12 %; влаги = 18 %. Считать, что воздух и продукты горения находятся при нормальных условиях.

Решение. Для решения задачи воспользуемся форму-

лами (9) и (15).

VПГ теор 1,86 0,5 (11,2 0,1 1,24 0,18)

0,01 7 50 21 10 0,8 10 0,12 8,07 м3 кг.

При сгорании 2 кг горючего вещества образуется соответственно 14,34 и 16,14 м3 воздуха и продуктов горения.

Ответ. При сгорании 2 кг горючего вещества образуется соответственно 14,34 и 16,14 м3 воздуха и продуктов горения.

1.3. Задачи для самостоятельного решения

Задача 1. Рассчитать объём воздуха и продуктов горения (в об. %), образующихся при сгорании 10 кг вещества (табл. 2), если горение происходит при заданных условиях (табл. 2) и коэффициенте избытка воздуха (табл. 2). Объём продуктов горения считать приведённым к заданным условиям.

11

Таблица 2

Заданные условия горения некоторых органических веществ

Задача 2. Рассчитать объём воздуха и продуктов горения при сгорании горючего газа (табл. 3) объёмом V м3 при заданных условиях (табл. 3), если горение происходит при избытке воздуха .

12

Таблица 3 Заданные условия горения некоторых органических

Веществ

Задача 3. Определить объём и состав продуктов горения (в об. %) смеси газов (табл. 4), если горение происходит при коэффициенте избытка воздуха

13

Таблица 4 Состав продуктов горения (в об. %) смеси газов

Задача 4. Определить, какое количество вещества (табл. 5) может выгореть в закрытом помещении объёмом Vп, если известно, что горение прекращается при содержании кислорода в помещении, равном О2 . Для расчёта ко-

эффициента избытка воздуха рекомендуется воспользоваться формулой (11).

14

Таблица 5 Заданные условия горения некоторых органических

Веществ

2. РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ

Под температурой горения понимают максимальную температуру, до которой нагреваются продукты горения. В технике и пожарном деле различают теоретическую, калориметрическую, адиабатическую и действительную температуры горения.

Теоретическая температура горения – это темпера-

тура, при которой выделившаяся теплота горения смеси стехиометрического состава расходуется на нагрев и диссоциацию продуктов горения. Практически диссоциация продуктов горения начинается при температуре выше 2 000 К.

Калориметрическая температура горения – это тем-

пература, которая достигается при горении стехиометрической горючей смеси, с начальной температурой 273 К и при отсутствии потерь в окружающую среду.

15

Адиабатическая температура горения – это температура полного сгорания смесей любого состава при отсутствии тепловых потерь в окружающую среду.

Действительная температура горения – это 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 с твёрдых 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.

В общем случае для вычислений используется следующая зависимость приближённая, так как Ср f (T):

продуктов горения, м3/кг; Ср - средняя объемная теплоемкость смеси продуктов горения в интервале температур от Т0 до Тг, кДж/(м3 К); Тг - температура горения, К.

Энтальпия продуктов горения определяется из уравнения теплового баланса:

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 горе-

16

ния близка к адиабатической, которую и используют в по- жарно-технических расчетах.

Среднюю теплоемкость смеси продуктов горения определить очень сложно. Ориентировочно энтальпия смеси продуктов горения может быть выражена как сумма энтальпий ее компонентов:

где (Vпг)i - количество i-го компонента продуктов горения; Ср - средняя объемная теплоемкость i-го компонента при Тг и постоянном давлении; Тг – температура горения.

При расчётах температуры горения пользуются величиной Qн (низшей теплотой сгорания), так как при температуре горения вода находится в газообразном состоянии. Значения низшей теплоты сгорания вещества (тепловой эффект химической реакции) приводится в справочной литературе, а также может быть рассчитана из следствия закона Гесса:

где Нi - теплота образования i-го вещества, ni – количество молей i-го вещества.

Согласно следствию из закона Гесса, тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования продуктов реакции и теплот образования исходных веществ. Напомним из курса химии, что теплота образования простых веществ (кислорода, азота и др.) равна нулю.

Например, рассчитаем теплоту сгорания (тепловой эффект) этана

С2Н6 + 3,5 (О2 + 3,76N2) = 2 CО2 + 3 Н2О + 3,76 3,5 N2

Низшая теплота сгорания, согласно следствию из закона Гесса равна:

Подставляя значения теплоты образования СО2, Н2О и С2Н6 из справочных данных определяют низшую теплоту сгорания этана.

17

При сгорании смеси индивидуальных веществ сначала определяют теплоту сгорания каждого компонента, а затем их суммируют с учётом процентного содержания каждого горючего вещества в смеси

Если горючее является сложным веществом и его элементный состав задан в массовых процентах, то для расчёта теплоты сгорания используют формулу Менделеева, кДж/кг:

Qн 339,4 С 1257 Н 108,9(О N S) 25(9 Н W), (26)

где С, Н, О, N, S – процентное содержание данного элемента в горючем веществе; W – содержание влаги в масс. %.

Для расчёта температуры горения составим уравнение теплового баланса, считая, что выделившееся в результате сгорания тепло нагревает продукты горения от начальной температуры Т0 до температуры Тг.

где - коэффициент теплопотерь (доля потерь тепла на излучение, а также в результате неполноты сгорания); срПГi -

теплоёмкость i-го продукта горения при постоянном давле-

Из уравнения теплового баланса:

18