теория горения-1. Удк 614 б бк я тзз рецензенты
 Скачать 2.36 Mb.
|
Горение, как и любой химический процесс, подчиняется основным законам природы (например, закону сохранения вещества и энергии, что позволяет теоретически оценить количество окислителя, необходимого для горения веществ и материалов состав и объем продуктов горения количество выделившегося тепла температуру горения и др. Главной особенностью реакции горения является выделение большого количества тепла. Основную опасность при горении на пожаре представляют большой тепловой эффект и возникающее в результате повышение температуры в зоне реакции, и, конечно, тепловое взаимодействие очага горения с окружающей средой (с расположенными около него горючим материалами и веществами, строительными конструкциями, организмом человека, технологическими аппаратами, техникой и т.д.). В расчете на единицу количества горючего вещества тепловой баланс зоны горения имеет вид 2.2. Материальный и тепловой балансы процессов горения + йисх - Он ед о ж = Сп.г + Слот- где Q = — — низшая теплота сгорания горючего вещества н а Снедож — количество тепла, не реализуемое в зоне горения вследствие химического и механического недожога Qn т — количество тепла, затрачиваемое на нагрев продуктов горения единицы количества горючего Qn0T — количество тепла, уходящего (теряемого) из зоны горения Слагаемые правой части уравнения (2.2) формируют обстановку зоны горения. За счет Qn r, например, до сравнительно высоких температур (> С) нагреваются продукты горения, создающие опасность для людей, прогревающие горящие и еще не горящие горючие вещества и материалы, а также строительные конструкции до наступления предела их огнестойкости. Нагретые до высоких температур продукты горения создают конвективные потоки, способствующие притоку воздуха к очагу горения и интенсифицирующие процесс распространения горения, а также способствующие переносу горящих частиц на большие расстояния. Тепло, излучаемое зоной горения, прогревает горючие материалы и строительные конструкции, за счет чего возникает опасность перехода огня через противопожарные разрывы между зданиями и сооружениями. Лучистый тепловой поток от очага горения опасен также для людей и пожарной техники. Как показывают расчеты, величина потерь тепла излучаемого зоной горения может достигать <2пот = он Большой практический интерес в уравнении теплового баланса процесса горения ( 2.2) представляет величина Qnr — тепло, расходуемое на нагрев продуктов горения и создание температуры горения n .r Он Он ед о ж Оп от Величина QMCX состоит из теплосодержания горючего и окислителя, поступающих в зону реакции горения, и составляет, например, для горящей на воздухе древесины при Т = 293 К примерно 0,03QH, для метана при тех же условиях — меньше 0,0 Количество тепла (2нед0ж> не реализуемое вследствие химического и механического недожога, зависит от вида горючего материала и условий горения и изменяется в пределах 5—25% Н Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел Таким образом, количество тепла, расходуемое на нагрев продуктов горения, изменяется в зависимости от условий взаимодействия зоны горения с окружающей средой и может составлять 0,4—1,0 В большинстве случаев окислителем в процессах горения является кислород воздуха. Поэтому для решения некоторых практических задач противопожарной защиты необходимо знать количество воздуха, требуемое для полного сгорания единицы количества различных веществ и материалов. Знание этой величины необходимо, например, для того, чтобы определить, какое количество того или иного вещества может выгореть до самопроизвольного потухания в замкнутом помещении, содержащим определенный объем воздуха. Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы количества горючего вещества, называется удельным теоретическим количеством воздуха и обозначается V® (кмоль/кмоль; кмоль/кг; кмоль/м3). При горении вещества в теоретическом количестве воздуха образуются только продукты полного горения ив их составе отсутствует избыточный кислород. Теоретическое количество воздуха (и любого другого окислителя) рассчитывается по уравнению химической реакции горючего сданной окислительной средой с учетом стехиометрических коэффициентов. В случае горения веществ в воздухе уравнение материального баланса может быть представлено в виде а(Г) + Ъ [ 0 2 ] + Ъ ■ 3,76 [N 2 ] = I щ [ПГ] + b ■ 3,76 [N 2 ] + Q, (2.4) i=l где а - число молей горючего вещества b - число молей кислорода воздуха 3,76 — число молей азота, приходящееся на 1 моль кислорода. При оценке количества воздуха, необходимого для горения, все горючие вещества делятся натри группы индивидуальные химические вещества, состав которых выражается химической формулой (С Н, С2Н5ОН и др сложные смеси веществ, состав которых задается весовым процентом содержащихся в них элементов (древесина, торф и т.д.); —смеси газов, такие как природный газ, водяной газ, генераторный газ, коксовый газ и т.п. Формула (2.5) справедлива лишь для индивидуальных веществ, теоретическое количество воздуха определяется по уравнению (2.4). Теоретическое количество воздуха можно рассчитать в кмолях на 1 кмоль горючего или в м нам газа (или пара) по формуле ^в°=4,76р, а в м на 1 кг горючего газа — по формуле _ 4 , 7 6 p y t ^ ( 2 6 ) Иг где Р = —; 4,76 — количество воздуха, кмоль (м, в котором а содержится 1 кмоль кислорода цг — масса 1 кмоля горючего, кг/кмоль; Vt — объем 1 кмоля воздуха при заданных условиях = ^ 9 > , (2.7) t т0р v где Т — температура, КР нормальное давление (101 325 Па Г — нормальная температура (273 КР давление, когда горючий газ (пари воздух находятся вод них и тех же условиях. При других условиях формула принимает вид Т/в Ув°=4>76Р ^ ’ (2-8) v где VtB — объем 1 кмоля газа при температуре и давлении, при которых находится воздух, расходуемый на горение, м3/кмоль; V™ - объем 1 кмоля газа в условиях, при которых находится горючий газ (пар, м3/кмоль. К сложному типу веществ относятся различные естественные и искусственные материалы, такие как древесина, торф, каменный уголь, нефть и продукты ее переработки, резина, пластмассы и др. Состав таких веществ определяется по известным методикам в лабораториях и выражается, как правило, через весовое процентное содержание в них химических элементов. Для распространенных материалов это С, НО. Кроме того, в состав горючих материалов входят также влага W и зола, неорганический остаток А Например, вещество имеет состав С = 50%, НО, А = 10%. Это значит. Материальный и тепловой балансы процессов горения 65 5 Теория горения и взрыва что в 1 кг вещества содержится 0,5 кг углерода, 0,05 кг водорода, столько же серы, по 0,1 кг кислорода и азота, а также по 0,1 кг влаги и золы. Кислород воздуха при горении таких веществ будет расходоваться на окисление С, Ни, причем при этом следует учитывать, что кислород, содержащийся в веществе, уже использован на их частичное окисление. Таким образом, общий объем воздуха, необходимый для горения единицы массы вещества, будет складываться из объемов воздуха, необходимых для горения каждого из названных элементов, за вычетом объема воздуха, соответствующего количеству кислорода, содержащегося в веществе _ у С- , г н , т s ,тл0 Оп пч - V C ) M + 1 b ( H ) I 0 0 + 1 b ( S ) 100 +Vb ( O ) где Н) (S) — количество воздуха, необходимое для горения единицы массы соответствующего элемента, мкг Ув°(о) количество воздуха, в котором содержится 1 кг кислорода, мкг С, НО содержание соответствующего элемента в горючем веществе, вес. Величины и) ^ определяются по формуле (2.6). Для этого, составив уравнения реакций их горения, найдем коэффициенты аи Ь: С + 0 2= С 0 2; Н+ 0,502= Н ; S + 0 2= S 0 2; P(C)= i; Р(н)= о P(s>= !■ 66 Глава. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел Тогда 4,76-lV; о 4,76-1^ n 4,76 0,5Vt п ______ УВ( С) - 12 - в(Н) - 2 ’ B(S) - 3 2 Величина ^в0(О) определяется из следующих соображений 1 кмоль 0 2 (32 кг) занимает объема так как ввоз духе на каждый объем кислорода приходится 79 : 21 = 3,76 объема азота, то 32 кг кислорода будут содержаться в 4,76 Vt м воздуха. Тогда Ув0(О)= 4-76^ - мкг 2.2. Материальный и тепловой балансы процессов горения 67 Подставляя полученные значения ^В °(С)> ^в°(Н)’ ^ b (S) ив уравнение (2.9), получим т в) С „ s - o —+ Н + ------ 3 8 ( 2 Для нормальных условий, когда Vt = 22,4 мкг, уравнение (2.10) примет вид 4 0 ) = 0,2671 - + Н + ^ - ^ | мз/кг. 3 В случае смеси газов объем воздуха, необходимый для ее полного сгорания, можно определить по формулами. Для этого необходимо провести расчет для каждого компонента смеси отдельно и полученные результаты сло жить. Если газовая смесь и воздух находятся в одинаковых условиях, то объем воздуха, необходимый для полного сгорания смеси, определяется по формуле у 0 в, 4’76f VR X Р/Фг Фо М где — содержание г-го горючего компонента в газовой смеси, об. %; п — количество горючих компонентов газовой смеси фр. - содержание кислорода в газовой смеси об. Формулы (2.5)—(2.8), (2.10)—(2.12) можно использовать для расчета объема окислительной среды Vc^ , необходимого для полного сгорания веществ, содержание кислорода в которых отличается от т _тл0 100 ср ф- = V° ув 0 „ 21 Ф00 где Кв — объем воздуха, рассчитанный по формулам (2.5)— ( 2 .8 ), ( 2 .10) —( 2 В реальных условиях количество поступающего в зону горения воздуха отличается от теоретически требуемого для полного сгорания горючего вещества. Для характеристики степени обеспеченности зоны горения окислителем воздухом) вводят коэффициент избытка воздуха а в, который показывает, во сколько раз на практике объем воздуха с р, поступающий в зону горения, больше объема воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания единицы количества горючего вещества: упр а в = -Л р кмоль/кмоль; мкг мм В случае кинетического горения при V^p = V® и а в = 1 смесь горючего с воздухом является стехиометрической. При а в < 1 — смесь богатая, и характерной чертой процесса горения является образование продуктов неполного горения. При а в > 1 — смесь бедная, и часть воздуха, неизрасходованная на горение (избыток воздуха, переходит в продукты горения: А ^ в = С Рва. Существуют предельные значения коэффициента избытка воздуха a min и а тах, соответствующие смесям горючего с воздухом предельного состава. Минимальный коэффициент избытка воздуха a min соответствует верхнему концентрационному пределу воспламенения, а а тах — нижнему концентрационному пределу воспламенения. Для парога зовоздушных смесей их значения могут быть вычислены по формуле — Св ^в(н) где Св(н) — соответственно верхний или нижний концентрационные пределы воспламенения горючего в смеси с воздухом, % (объемные V® - теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания единицы количества горючего, кмоль/кмоль, мм Если известно содержание кислорода в продуктах горения, то а в можно оценить по формуле Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел 21-С й г 2 где Cgr — концентрация кислорода в продуктах горения, об. %. 2 2.2. Материальный и тепловой балансы процессов горения 69 Несмотря на то что в реальных условиях горения в ограниченном объеме коэффициент избытка воздуха, как правило, превышает единицу, наблюдается образование продуктов неполного горения. Это связано стем, что в контакт и реакцию горения с горючими веществами за счет диффузии вступает только часть поступающего в помещение воздуха, а остальной воздух смешивается с продуктами горения. Существенную роль в процессе горения и распространения горения играют продукты горения, под которыми следует понимать продукты химической реакции горючего вещества с окислителем. Существуют продукты полного и неполного горения Если окислителя в зону горения поступает достаточно для полного окисления горючего, то образуются продукты полного горения. Если окислителем является кислород воздуха, а горючим — вещества, содержащие углерод, водород, серу, то продуктами полного горения являются С 0 2, Н 20 , S 0 2, N2. Азот поступает с воздухом, но может и образоваться в результате химической реакции, если он содержался в горючем. Когда в зону горения поступает больше воздуха- чем его требуется для полного сгорания горючего ( а > 1), в состав продуктов горения будет входить кислород. Если в зону горения поступает воздуха меньше, чем необходимо для полного сгорания горючего вещества, образуются продукты неполного горения, к которым относятся оксид углерода, углерод (сажа, различные продукты термоокислительного разложения исходного горючего вещества. При горении веществ и материалов при условии а > \ можно рассчитать состав и объем продуктов горения, который необходим для определения температуры горения веществ и материалов. В общем случае объем продуктов горения определяется по формуле УП.Г=УП 0Г +АУВ> где V®T — теоретический объем продуктов горения, кмоль/кмоль, мкг мм 3; AVB — избыток воздуха, рассчитываемый по формуле (2.13), кмоль/кмоль, мкг, мм Расчетный объем продуктов горения определяется также для трех различных групп веществ и материалов. Объем продуктов горения также, как и воздуха для горения, определяется с помощью уравнения химической реакции (2.4), только все соотношения берутся между количе Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел ством горючего и образующимися в результате реакции продуктами горения. Например, для расчета количества продуктов горения в кмоль на 1 кмоль горючего где V^n r — объем 1 кмоля газа при температуре и давлении продуктов горения, м3/кмоль. В случае сложной смеси химических соединений объем продуктов горения складывается из объемов продуктов, выделяющихся при сгорании каждого из элементов, входящих в состав горючего: С + 0 2 + 3,76N2 = С 0 2 + 3,76N2 S + 0 2 + 3,76N2 = S 0 2 + Н + 0,502 + 0,5 • 3,76N2 = Н + 0,5 Другие компоненты горючих веществ N, W, АО негорючие, однако они будут входить в продукты горения. Кислород, содержащийся в горючем веществе, будет снижать содержание азота в продуктах горения. Продукты горения будут состоять из углекислого газа ( С 0 2), образующегося при горении углерода водяных паров, образующихся при горении водорода и испарений влаги оксида серы IV, образующегося при горении серы азота (N2), образующегося из горючего вещества и из воздуха, израсходованного на горение С, Н, в м на 1 кг горючего (2.17) в м нам горючего газа или пара 2.2. Материальный и тепловой балансы процессов горения 71 л0 3,76-22,4 С | 3,76-22,4 Н | 22,4 N | 3,76-22,4|/ S - Q ^ n 2 12 100+ 2 100+ 28 100+ 32 [ 100 где С, НО содержание компонентов, вес. %, W — содержание влаги, вес. Объем и состав продуктов горения для смеси газов определяются по уравнениям реакции горения для каждого горючего компонента, входящего в смесь. Негорючие компоненты переходят в продукты горения, а содержание кислорода в смеси снижает количество азота в продуктах. Следует также учитывать избыток воздуха. Важными параметрами процесса неуправляемого горения являются теплота горения и температура продуктов горения Под теплотой горения следует понимать количество тепла, выделяющегося при сгорании вещества с образованием продуктов полного горения, измеряемое в кДж/кмоль, кДж кг или кДж м 3. Теплота горения или же тепловой эффект реакции горения индивидуальных веществ определяются последствию из закона Гесса: где АН АН Т — стандартные энтальпии образования продуктов горения и горючего, кДж/моль. В качестве одного из продуктов горения в большинстве случаев бывает вода. Поскольку в процессе горения вода находится в парообразном состоянии, то при расчете Q следует учитывать энтальпию образования паров воды. Для расчета теплоты горения сложных смесей химических соединений следует пользоваться формулой Менделеева или <2н (2.19) а QH = С +Н -108,9(0 + N - S) - Н - ?2?) (2.20) Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел где С, НО содержание компонентов в горючем веществе, вес. Если горючее представляет собой смесь газов, то теплота горения является суммой теплоты сгорания горючих компонентов смеси г ;— , н ; 100 v где Qj — теплота сгорания г-го компонента смеси, кДж м 3, кДж/кмоль; Cj — содержание г-го компонента, %; k — число компонентов. Величину Qi можно определить по формуле (2.14) или по справочнику. Часть тепла, выделяющегося в зоне горения, расходуется на нагрев продуктов горения. Максимальная температура, до которой нагреваются продукты горения, называется температурой горения Учитывая, что теплоемкости продуктов горения несущественно отличаются от теплоемкостей исходных веществ, можно запи сать: Гг = 70 + % r ^ ', (2-22) 1 .4 ср. i=l ,, г где ТТ — температура горения, КГ начальная температура горючего и окислителя, Кг количество тепла, затраченное на нагрев продуктов горения, кДж/моль, кДж/кг, кДж м 3; ИСХ — количество тепла, поступившее в зону горения с горючими окислительной средой, кДж/моль, кДж/кг, кДж м 3; V: — объем г-го компонента продуктов горения, Г кмоль/кмоль, мкг, мм 3; Ср — удельная теплоемкость i г-го компонента продуктов горения при Тт, кДжДкмоль- К, кДж м 3-К). Различают калориметрическую, адиабатическую, теоретическую и действительную температуры горения. Калориметрической температурой горения считается температура, до которой нагреваются продукты горения- при условии: То = 273,5 К ;ав=1;(2„л = е и. При определении адиабатической температуры горения учитывается состав горючей смеси, для которой а вть 1. 2.3. Тепловая и диффузионная теории распространения... 73 Теоретическая температура горения наблюдается в том случае, когда часть тепла расходуется на диссоциацию продуктов горения: Действительной температурой горения называется та температура, до которой нагреваются продукты горения в реальных условиях. Уравнение теплового баланса процесса горения позволяет расчетом определять температуру горения. При этой температуре суммарное теплосодержание (энтальпия) компонентов продуктов горения равно количеству тепла, затраченному на их нагрев: Решить это уравнение относительно ТТ непосредственно нельзя, так как удельная теплоемкость газов является функцией температуры. Поэтому задачу по определению Тт решают методом последовательных приближений задаваясь величиной Т находят теплосодержание (энтальпию) продуктов горения при ней. Та температура продуктов горения, при которой выполняется равенство (2.15), и является температурой горения. Тепловая и диффузионная теории распространения пламени по газообразным смесям Для понимания механизма распространения пламени по смеси газообразного горючего и окислителя рассмотрим рис. 2.1. При распространении горения исходную смесь 1 от продуктов горения 3 отделяет узкая светящаяся зона 2, называемая фронтом пламени Фронт пламени представляет собой трехмерную область, в которой начинается и завершается химическая реакция взаимодействия горючего с окислителем. В этой зоне в виде теплоты сгорания выделяется вся потенциальная (химическая) энергия топлива и температура повышается до максимального значения — температуры горения (рис. В зоне перед фронтом пламени концентрация исходных компонентов почти не меняется, поскольку химического взаимодействия между ними не протекает и температура Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел Рис. 2.1. Схема распространения пламени по газообразной |