Продуктов сгорания

Продукты сгорания	Масса, кг	Нагревание от 10 до 400 °С		Нагревание от 401 до 800 °С		Нагревание от 801 до 1000 °С		Итого Q, ккал
		Ср	 Q	Ср	 Q	Ср	 Q
СО2	1,502	0,219	128	0,251	151	0,258	78	357
Н2О пар	0,787	0,463	142	0,480	151	0,494	78	371
N2	3,990	0,242	385	0,246	393	0,250	200	978
Аргон	0,068	0,125	3	0,125	3	0,125	2	8
Зола	0,067	0,501	13	0,504	13	-	-	26
Сажа	0,071	0,501	14	-	-	-	-	14
Всего	6,485							1754

Количество калорий при сжигании продуктов сгорания или остаток тепла составляет 3939 – 1754 = 2185 ккал, или 9155 кДж.

.

Если расчет выполнить для всей массы газов по средним значениям показателей величина затрат будет ниже на 12 %.

.

ж) суммарные затраты на нагревание продуктов и остаток тепла на другие процессы

При горении продукты сгорания нагреваются неравномерно. В закрытых камерах так оно и происходит: в цилиндрах двигателей температура достигает 2000 °С, в камерах орудий – 2700–2800 °С.

При сгорании лесных горючих материалов температура не поднимается выше 1100 °С. Обусловлено это рассеиванием тепла в окружающее пространство. В результате над пожаром устанавливается свой температурный режим, определяемый динамическим равновесием между выделением и рассеиванием тепла. При лесных низовых пожарах реальные температуры следующие:

Пламя белого цвета 1000–1100 °С

Пламя красного цвета 600–800 °С

Ярко горящие угли 800–1000 °С

Тускло тлеющие угли 550–700 °С

Для сравнения: температура светящейся вольфрамовой нити накаливания электрических ламп мощностью 50 Вт – 2412 °С, 100 Вт – 2487 °С, 300 Вт – 2597 °С.

Рассеивание тепла от источника горения происходит тремя путями: радиацией (лучеиспусканием), конвекцией (с током газов) и теплопроводностью (от слоя к слою).

1. Рассеивание тепла путем лучеиспускания (радиации) нагретого тела

Излучательная способность Е_из нагретого абсолютно черного тела определяется с помощью уравнения Стефана – Больцмана:

, (2.13)

где ψ - постоянная, равная 1,356 ^. 10^-11 = 5,682 · 10^-11,

Т - температура тела, К.

Е_из = 1,356 · 10^-11 573⁴ = 1,46 ккал/м².с.

Твердое тело начинает испускать видимый свет при нагреве до 550 °С. Абсолютно черным называется тело, которое полностью поглощает все падающие на него лучи, всех длин волн. К абсолютно черным телам можно отнести древесный уголь при t = 0 – 10 °С. При нагреве до 600 – 1000 °С (873 – 1273 К) черные тела становятся светящимися и их излучение максимально по всему спектру по сравнению с нечерными телами. Абсолютно черным раскаленным телом является Солнце. Нагретые газы имеют спектр излучения прерывистый.

Излучение пламени раскаленных газов (СО₂, Н₂О, СО, N₂, Ar) имеет прерывистый характер. Будучи раскаленными до температуры 800 – 1200 °С они слабо светятся. Лесные пожары сопровождаются недожогом углерода на 10 – 20 %, в результате образуются мелкодисперсные частицы сажи, которые, попадая в пламя, светятся оранжевым светом.

Для использования уравнения Стефана – Больцмана по отношению к газам в него необходимо ввести коэффициент черноты пламени ε. Он представляет отношение интенсивности излучения пламени Е_пл (раскаленных газов) к излучению абсолютно черного тела:

; (2.14)

Е_пл= 0,26 ^.1,46 = 0,38 ккал/м²·с

По исследованиям [4] ε зависит от глубины кромки лесного пожара, определяющей среднюю толщину пламени:

Глубина кромки, м 0,3 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Значение ε 0,10 0,20 0,26 0,30 0,45 0,50 0,60 0,70

Дизельное топливо и смола при сжигании на открытом воздухе имеют коэффициент ε, близкий к 1 (0,85-0,95).

Разноречивость методик оценки излучательной способности пламени привела к тому, что в расчетах наиболее вероятным значением излучения чаще всего принимают ε, равную 0,33 при температуре 700-1000 °С.

2. Рассеивание тепла путем конвенкции

Горение лесных горючих материалов имеет определенную наклонность. При наличии ветра под пологом леса ось пламени имеет наклон к поверхности горения (рис. 2.1). Передняя часть пожара нагревает атмосферу от 800 до 1000 °С. Температура тыльной части пожара на 50-100 °С меньше.

Правая сторона пламени имеет более высокую температуру. Наклон пламени ветром приводит к тому, что большая часть радиации правой стороны падает на подстилку и напочвенный покров, которые на 80 – 90% поглощаются ею. Тыльная сторона пожара имеет меньшую температуру (800 °С).

Задание:

Рассчитать излучательную способность ЛГМ. Исходные данные берутся по вариантам (табл. 4,3, графа 2). Запас горючего материала в абсолютно сухом состоянии равен 1,5 кг/м², его абсолютная влажность: верхняя половина слоя – 13 %, нижняя – 18 %, ширина горящей кромки – 1 м., ветер под пологом – 1,5 м/с, скорость продвижения фронтальной кромки пожара – 1,5 м/мин, количество горючего, сгорающего за 1 мин – 2 кг, его теплотворная способность с учетом влаги и недожога (15 %) равна 13 000 кДж/кг или 3102 ккал/кг. За одну минуту выделяется 26 000 кДж тепла, Т = 1273 К .

Рис. 2.1. Схема рассеивания тепла горящей кромкой пожара: высота пламени 1 м, ширина 1 м. Е_к, Е_из, Е_т – потери тепла соответственно конвенкцией, излучением, теплопроводностью (%). СО – зона

повышенной концентрации угарного газа

Излучение энергии передней стенкой пламени будет равно

Е_из = 0,33ΨТ⁴ = 0,33 · 5,67 ·10^-11·60·1273 ⁴=2970 кДж/м² или 11,5 % от общей.

Тыльной стенкой пламени при Т = 1073 К излучается энергии

Е_из = 0,33 · 5,67 · 10^-11 · 60 · 1073⁴ = 1493 кДж/м², или 5,8 %.

Все излучение пламени 17,3 %, или 1288 ккал/м². К этому следует добавить излучение тлеющих углей порядка 4–5 %. Всего на общее рассеивание энергии лучеиспусканием составит около 20 %.

Основная масса тепла (70–77 %) уносится нагретыми газами (воздухом) вверх за счет конвекции. Часть энергии (0,1–0,2%) переходит в кинетическую энергию газового потока.

Скорость газов над низовым пожаром обычно не превышает 5 м/с и в кинетическую энергию переходит только 0,1–0,2 % от выделенного тепла.

3. Рассеивание энергии теплопроводностью Е_Т (кондуктивностью) составляет небольшую долю тепла. В почву уходит порядка 3–4 %. Общее рассеивание тепла низового пожара примерно следующее

а) излучение в стороны – 18–20 %;

б) конвекция – 70–80 %;

в) теплопроводность в почву – 3–4 %

По–разному реагируют на процесс горения частицы топлива. Целое полено только обугливается. Полено, расколотое на множество частиц, связанных в пучок, сгорает полностью.

Интенсивность пожара, помимо скорости движения фронта V_фр, высоты пламени h_пл и глубины горящей кромки l, оценивается тепловыделением с одного погонного метра фронтальной кромки ∆Q.

Зависимость высоты пламени h_пл (м) от количества горючих материалов т (кг/м²) и скорости фронта пожара V_фр (м/мин) определяется эмпирическим уравнением Байрама:

, (2.15)

где К – коэффициент пропорциональности (сухая ветошь, хвоя – 1,0; опад – 0,7; подстилка в целом – 0,5).

м.

Задание:

Рассчитать потери тепла излучением с длины кромки пожара, равной 1 м за 1 мин. Расчет в ккал/м².

Плотность γ и удельный объем V_газ нагретых газов определяют по массе газов и температуре нагрева с помощью уравнения Клапейрона – Менделеева. С этой целью сначала находят объем газовой смеси, приведенной к t = 15 °С = 288 К и нормальному давлению р = 760 мм ртут. ст., или 1013 мбр. От сгорания 1 кг сухого материала получилось (принять согласно вариантам):

СО₂ = 1,512; Н₂О = 0,787; N₂ = 3,990; Аr = 0,068. Сумма равна 6,357 кг.

Объем продуктов сгорания газов равен:

(2.16)

где G₁, G₂, G₃, G₄ – массы газов (СО₂, N₂, Н₂О, Аr), кг;

γ_1, γ₂, γ_3, γ₄ – плотность газов, кг/м³ (СО₂ – 1,870; Н₂О (пар) – 0,733; оксид азота (N₂) – 1,190; Ar – 1,690)

Удельный объем смеси газов и плотности смеси:

(2.17)

Для воздуха при t = 15 °С и р = 1013 гПа имеем: V = 0,816 м³/кг,

γ = 1,225 кг/м³. Сравнивая результаты расчетов, видим, что при нормальных условиях продукты сгорания несколько легче воздуха.

Характеристики смеси продуктов сгорания при других температурах определяются также из уравнения Клапейрона – Менделеева:

Pv = RT = . (2.18)

Начальное состояние v_смеси = 0,829 м³/кг, γ _смеси = 1,206 кг/м³. Удельное давление в газовой колонке р одинаковое с атмосферным. Газовая постоянная R от температуры не зависит (Т₁ = 288 К).

Искомые параметры нагретых газов V₂ и γ₂ найдем, зная Т₂ = 1073–1273 К (800–1000 °С) и Т₁ = 288 К (15 °С).

рv₂ = RT₂ = P/γ₂;

рv₁ = RT₁ = P/γ₁ . (2.19)

Деля первое равенство на второе, получим

,

отсюда (2.20)

Задаваясь промежуточными значениями Т₂ = 733–373–323°К (500–100–50°С) рассчитать v₂ и γ₂ . Вычисления представить в виде табл. 2.5. Анализ таблицы должен показать, насколько нагретые пожаром газы легче воздуха и насколько интенсивно они будут стремиться вверх, создавая конвекционные колонны. Скорости газов над верховыми пожарами могут достигать 20–30 м/с.

Таблица 2.5. Удельные объемы и плотности газовой смеси продуктов