Vayutner_Bezzaaponnaya[2]

%Н2	О =	nН2О	100	, %.	(17)
		∑n
			ПГ

Если горение протекает с избытком воздуха, то при расчёте количества молей продуктов горения учитывается избыточное число молей кислорода и азота

( nO2 и nN2 ):

%Н2 О =				nН2О 100	, % ,	(18)
				∑nПГ + nO2 + nN 2
где nO2	= nO2		(α −1) ,			(19)
nN2	= nN2	(α −1) .				(20)

Рассмотрим примеры решения задач на расчёт объёма воздуха, объёма и состава продуктов горения.

ПРИМЕР: Сгорает 4 м3 пропана (С3Н8). Рассчитать теоретические объёмы воздуха, объём и состав (в объёмных %) продуктов горения. Условия нормальные.

РЕШЕНИЕ:

Сгорает индивидуальное горючее вещество, находящееся в газообразном состоянии.

1. Запишем уравнение реакции горения пропана в воздухе:

С3Н8 + 5 (О2 + 3,76N2) = 3 CО2 + 4 Н2О + 3,76 5 N2.

2.Рассчитаем теоретические объёмы воздуха и продуктов горения по формулам

(6)и (13) в расчёте на 1 м3 горючего вещества:

Vвтеор = 5 (1 +13,76) = 23,8 (м3/м3);

VПГ теор = 3 + 4 +15 3,76 = 25,8 (м3/м3).

3.Учитывая, что сгорает не 1 м3 газа, а 4 м3 находим действительные объёмы воздуха и продуктов горения:

Vв = 23,8 4 =95,2 (м3);

VПГ = 25,8 4 =103,2 (м3).

4. Рассчитаем состав продуктов горения:

%СО2

=

nCO2 100

=

3 100

=11,6%

nCO2

+ nH 2O + nN 2

3

+

4 + 5 3,76

%Н2 О

=

nН2О 100

=

4 100

=15,5%

nCO2

+ nH 2O + nN 2

3 + 4 + 5 3,76

%N2 =

nN2 100

=

3,76 5 100

= 72,9% .

nCO2 + nH 2O + nN2

3 +

4 + 5 3,76

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 %.

11

ПРИМЕР: Сгорает 100 кг ацетона. Рассчитать действительные объёмы воздуха и продуктов горения и процентное содержание углекислого газа (СО2), 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:

V	теор	=	(nO2 + nN2 )	Vt	=	(4 + 4 3,76)22,4	=7,4	3
								(м	/кг).
в			nгв Мгв			1 58

3. Действительный объём воздуха, пошедшего на сгорание 1 кг ацетона,

рассчитывается с учётом коэффициента избытка воздуха α:

Vвдейств =α Vвтеор = 2 7,4 =14,8 (м3/кг).

4. Избыток воздуха составит:

Vв =Vвдейств −Vвтеор =14,8 −7,4 =7,4 (м3/кг).

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

	теор		∑nПГ	Vt			(3 + 3 + 4	3,76) 22,4		3
	VПГ	=	nгв М			=			=8,1	(м	/кг).
					гв		1	58

6. Действительный объём продуктов горения составит:

VПГ действ =Vвтеор + Vв =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.

8.Процентное содержание углекислого газа рассчитывается по формуле:

%СО2 =	nСО2	100		=	3 100	= 7,48% .
	∑nПГ +	nO2 +	nN2		3 +3 + 4 3,76 + 4(2 −1) + 4 3,76(2 −1)

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

содержание углекислого газа в продуктах горения составило 7,48 %.

Примечание. Если в процессе горения была заданы условия, отличные от нормальных (Т≠273 К, Р≠101,3 кПа), то объём продуктов горения

и воздуха рассчитывается с учётом объёма, который занимает один кмоль газа при этой температуре:

Vt	=	22,4	P0	T	,	(21)
		T0	P

где Р0 =101,3 кПа; Т0 = 273 К; Т и Р – заданные температура и давление.

12

ПРИМЕР: 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 и продуктов горения при полном сгорании 1 м3 газовой смеси (формулы 8 и 15):

∑

nO2

ϕi −ϕО

2,5

30

+

5

40 −

10

ni

V теор

=

2

=

1

1

=12,62 (м3/м3),

в

21

21

VПГ

= ∑

+

∑nПГ i

ϕгвi

ϕнегор.г

=

теор

nгвi 100

100

=

(2 +1 + 2,5 3,76)

30

+

3 + 4 + 5 3,76

40

+

20

=14,24(м3

/ м3 )

1

100

1

100

100

3. Рассчитаем действительные объёмы воздуха и продуктов горения с

учётом 40 % - ного избытка воздуха (α = 1,4).

V действ =α

V теор

=1,4 12,62 =17,67 (м3/м3),

в

в

V =14,24 + (17,67 −12,62) =19,29 (м3/м3).

V

ПГ

действ

=V теор +

в

в

4.

Поскольку объём горючей смеси составлял 10 м3, действительные

объёмы воздуха и продуктов горения составят 176,7 и 192,9 м3 соответственно. ОТВЕТ: На сгорание 10 м3 сложной газовой смеси требуется 176, 7 м3 воздуха,

при этом образуется 192, 9 м3 продуктов горения.

ПРИМЕР: 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:

1. Для решения задачи воспользуемся формулами (9) и (16).

теор		С		S −O			50			3
Vв	=0,269		+ Н +			=0,269		+10	=7,17	(м	/кг)
		3					3
				8

13

VПГ теор

=1,86

С

+ (11,2

Н

+1,24

W

) + 0,7

S

100

100

100

100

ϕнегор

1

O

.к

+

7C +

21(H −

) + 2,63S + 0,8N

+

=

100

8

100

=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 расходуется 14, 34 м3 воздуха и образуется 16, 14 м3 продуктов горения.

2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРА СВЕЧЕНИЯ ПЛАМЕНИ

Характер свечения пламени веществ при их горении зависит от процентного содержания углерода и кислорода в горючем веществе. При горении веществ в

зоне горения происходит процесс термического разложения их. Наличие углерода

взоне горения будет придавать пламени яркость.

Охарактере свечения пламени приблизительно можно судить по процентному содержанию углерода и кислорода в горючем веществе (табл. 3).

		Таблица 3
Характер свечения	Содержание кислорода в	Содержание углерода в
пламени	горючем веществе, %	горючем веществе, %
Пламя бесцветное	более 30	не более 50
Пламя яркое, не	отсутствует или менее 30	от 50 до 75
коптящее
Пламя яркое, коптящее	отсутствует или менее 25	более 75

Процентное содержание углерода (кислорода) рассчитывается по формуле:

%С =	АrC (О) nС(О)	100%	,	(22)
	Mr
	ГВ

где АrС(О) – атомный вес углерода (кислорода); МrГВ – молекулярная масса горючего вещества;

nС(О) – количество атомов углерода(кислорода) в формуле горючего вещества.

ПРИМЕР: Определить характер свечения пламени этилового спирта.

РЕШЕНИЕ:

1. Рассчитываем содержание углерода в этиловом спирте (С2Н5ОН).

14

%С =	АrC nC		100% =	12 2		100%		= 52,17%
	Mr			46
	ГВ
%О =	АrО nО		100% =	16 1		100	= 34,78% , следовательно пламя бесцветное.
	Mr			46
	ГВ

ОТВЕТ: поскольку содержание кислорода в этиловом спирте превышает 30 %, пламя будет бесцветным.

2.3.ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1.Определить объём воздуха, необходимого для сгорания 50 м3 ацетилена при

α=1, 7.

2.Определить объёмы воздуха, продуктов горения и процент содержания продуктов горения 2 м3 этана. Температуру продуктов горения принять 1200 К, давление 101, 3 кПа, избыток воздуха α=1, 2.

3.Определить объём воздуха, необходимого для сгорания 15 м3 бутана при температуре 10°С и давлении 750 мм рт. ст., если горение протекает с коэффициентом избытка воздуха, равным 1, 4 (α=1,4).

4.Рассчитать объём и состав (в %) продуктов горения при сгорании сероводорода объёмом 12 м3 при температуре 30°С и давлении 106 кПа. Коэффициент избытка воздуха составил 1, 1.

5.Рассчитать объём воздуха, объём продуктов горения и процентное содержание в них диоксида углерода при полном сгорании 5 м3 этилена, если горение протекает с избытком воздуха (коэффициент избытка воздуха 1, 7).

6.Рассчитать количество амилбензола, которое может сгореть в закрытом помещении объёмом 200 м3, если горение прекратилось при остаточном

содержании кислорода 12 %. Начальная температура в помещении 24 оС, давление 98 кПа.

7.Определить, какое количество бутилацетата может сгореть в помещении

объёмом 200 м3, если его горение прекращается при содержании кислорода воздуха, равном 13, 8 % (условия нормальные).

8.Определить объёмы продуктов горения и воздуха при сжигании 7 кг гексана. Процесс горения протекал при температуре 33°С и давлении 730 мм. рт. ст.

Температура продуктов горения принять равной 1300 К.

9.Определить объёмы продуктов горения и воздуха при сжигании 11 кг

ацетона. Процесс горения протекал при температуре 30°С и давлении 720 мм рт. ст. Температуру продуктов горения принять равной 1300 К.

15

10.Определить объём продуктов горения и воздуха при сжигании 17 кг толуола.

Процесс горения протекал при температуре 30°С и давлении 745 мм рт. ст. Температуру продуктов горения принять равной 1100 К.

11.Рассчитать объём воздуха и объём продуктов горения при полном сгорании 6

кг целлюлозы, состоящей из 80 % углерода, 13 % водорода и 7 % кислорода, если горение протекает при температуре 25 оС и давлении 95 кПа. Коэффициент избытка воздуха равен 1, 4.

12.Определить объём воздуха, необходимого для сгорания 6 кг диэтилового эфира при температуре 15°С и давлении 750 мм рт. ст. Коэффициент избытка воздуха составил 1, 3.

13.Определить, какое количество бензола сгорело в закрытом помещении объёмом 180 м3, если известно, что горение его прекратилось при содержании кислорода в воздухе, равном 14, 6 %. Температура до пожара была 19°С и давление 100 кПа.

14.Рассчитать количество сгоревшего аллилового спирта и процентное

содержание воды в продуктах горения, если на его сгорание при температуре 23 оС и давлении 99 кПа израсходовано 110 м3 воздуха.

15.Определить коэффициент избытка воздуха, если для сгорания 8 кг этилацетата израсходовано 212 м3 воздуха при температуре 25°С и давлении

760 мм рт. ст.

16.Рассчитать коэффициент избытка воздуха и процентное содержание в

продуктах горения диоксида углерода, если на полное сгорание 4 кг

этилпропилового эфира (С5Н12О) при температуре 22 оС и давлении 92 кПа израсходовано 70 м3 воздуха.

17.Сгорает 3 кг акролеина при температуре 21 оС и давлении 98 кПа. Рассчитать объём воздуха, перешедшего в продукты горения, и процентное содержание

в них воды, если горение протекает с избытком воздуха (коэффициент

избытка воздуха равен 1, 2).

18.Рассчитать объём воздуха и продуктов горения, образующихся при сгорании 10 кг глицерина, если горение протекало при 25°С и давлении 102 кПа. Коэффициент избытка воздуха составил 1, 3.

19.Рассчитать объём и состав (в %) продуктов горения, образующихся при сгорании 8 кг пропилацетата, если горение протекало при 20°С и давлении

103 кПа. Коэффициент избытка воздуха составил 1,4.

20.Рассчитать объём газовой смеси, состоящей из 45 % бутана, 30 % метана, 20

% ацетилена и 5 % кислорода, если на её сгорание при нормальных условиях

израсходовано 80 м3 воздуха. Коэффициент избытка воздуха равен 1,6.

21.Рассчитать количество угля, состоящего из 70 % углерода, 20 % водорода и

10 % серы и объём образовавшихся при этом продуктов горения, если на сгорание угля при нормальных условиях израсходовано 100 м3 воздуха.

16

22.Рассчитать объём воздуха и объём продуктов горения при полном сгорании 7

м3 газовой смеси, состоящей из 57 % водорода, 18 % окиси углерода и 25 % метана, если горение протекает с избытком воздуха (коэффициент избытка воздуха равен 1,3).

23.Рассчитать объём воздуха и объём продуктов горения при полном сгорании 6

кг церезина, состоящего из 80 % углерода, 15 % водорода и 5 % кислорода, если горение протекает при температуре 25 оС и давлении 95 кПа. Коэффициент избытка воздуха равен 1, 5.

24.Рассчитать концентрацию пропанола, сгоревшего в закрытом помещении объёмом 150 м3, если горение прекратилось при остаточном содержании кислорода 9 %. Начальная температура в помещении 21 оС, давление 99 кПа.

25.Определить объём и состав продуктов горения (в об. %) смеси газов (табл. 4),

если горение происходит при коэффициенте избытка воздуха α (см. табл. 4).

26.Рассчитать объём воздуха и продуктов горения при сгорании горючего

вещества заданной массы при заданных условиях (см. табл. 5)

											Таблица 4
					Номер задания
Состав
смеси, %	25.1	25.2	25.3	25.4		25.5	25.6		25.7	25.8	25.9	25.10
Оксид	-	10	-	-		-	43		-	10	-	5
углерода
Водород	50	-	-	-		-			-		25	5
Метан	-	-	20	-		-	36		-	20		60
Этан	-	-	-	45		45			24		5
Пропан	-	-	-	-		-				14
Бутан	8	-	-	-		20
Этилен	20	22	28	-					16	2
Пропен	-	-	-	20			21
Ацетилен	-	8	-						10		20
Углекис-	20	10	18	20		20			10	26		25
лый газ
Азот	-	50	24			15			15	25	30
Кислород	2		10	15					25	3	20	5
α	1,2	2	1,3	1,1		1,2	1,2		1,2	1,4	1,1	1,3

17

										Таблица 5
№			Элементный состав вещества,							Масса
									t,°С	вещества,
зада-	Вещество				масс. %
										кг
ния
		С		Н	О	S	W	Зола	10	2
26.1	Церезин	85		14	1				12	3
26.2	Уголь	70		4	4	3	19		14	4
26.3	Древесина	46		6	37	1	10		16	5
26.4	Бензин	85		14		1			17	6
26.5	Нефть	82		8		10			18	7
26.6	Мазут	83		11	1	4	1		20	8
26.7	Керосин	80		14	3	1	2		22	9
26.8	Горючий	35		5	10	4	16	30	24	10
	сланец
26.9	Каменный	75		4	2	2	4	13	26	12
	уголь
26.10	Антрацит	70		3	4	0,2	5,8	17	28	14

27.Определить характер свечения пламени этилбензола.

28.Определить характер свечения пламени уксусной кислоты.

29.Определить характер свечения пламени гексана.

30.Определить характер свечения пламени амилового спирта.

31.Определить характер свечения пламени бутана.

32. Определить характер свечения пламени бензола.

3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ. 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 температуру горения.

Теоретическая температура горения – это температура, 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.

18

Калориметрическая температура горения – это температура, которая достигается при горении стехиометрической горючей смеси с начальной

температурой 273 К и при отсутствии потерь в окружающую среду.

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 и 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 ) ):

Qпг = Vпг Ср Тг, ,

(23)

где Qпг – энтальпия продуктов горения;

Vпг – количество 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:

Qпг = QH + Qисх – Qпот ,	(24)
Qпот = Qи + Qнедож + Qдисс,	(25)

где Qисп – теплота испарения;

Qпот – потери тепла за счёт излучения, недожога и диссоциации продуктов горения.

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.

Среднюю теплоемкость смеси продуктов горения определить очень сложно. Ориентировочно энтальпия смеси продуктов горения может быть выражена как

сумма энтальпий ее компонентов:
Qпг = Σ (Vпг)i (Ср)i Тг ,	(26)
	19

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:

Qн = (∑ Нi ni )прод − (∑ Нi ni )исх ,

(27)

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:

Qн = НСО2 nCO2 + НН2О nН2О − НС2Н6 nC2Н6 .

(28)

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

При сгорании смеси индивидуальных веществ сначала определяют теплоту

сгорания каждого компонента, а затем их суммируют с учётом процентного

содержания каждого горючего вещества в смеси:

	Qнсм = ∑Qнi		ϕгi	.	(29)
		100

Если горючее является сложным веществом и его элементный состав задан

в массовых процентах, то для расчёта теплоты сгорания используют формулу

Менделеева:

Qн =339,4 С +1257 Н −108,9(О + N − S) − 25(9 Н +W ),кДж/ кг

(30)

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.:
Qн (1 −η) = ∑срПГi VПГi (ТГ −Т0 )	(31)
20