Розрахунок кількості та складу продуктів горіння
Склад продуктів горіння залежить від хімічної природи пального матеріалу та умов його горіння. Практично завжди органічні речовини горять із утворенням продуктів повного та неповного горіння.
Допродуктів повного згоряннявідносяться: вуглекислий газ, що утворюється при горінні вуглецю, розкладанні карбонатів; водяна пара, що утворюється при горінні водню та випаровуванні вологи у вихідній речовині; оксид сірки (IV) SO2 та азот – продукти горіння сполук, що містять сірку та азот.
Продукти неповного згоряння– це оксид вуглецю (II) – чадний газ СО, сажа С, продукти термоокислювального розкладання – смоли.
Неорганічні речовини згоряють зазвичай до відповідних оксидів.
Вихід продуктів горіння кількісно встановити неможливо через надзвичайну складність їх складу, тому матеріальний баланс процесу горіння розраховується з припущення, що речовина повністю згоряє до кінцевих продуктів. При цьому до складу продуктів горіння включають азот повітря, витраченого на горіння, і надлишок повітря при a > 1.
Як і у разі розрахунку обсягу повітря, необхідного для горіння, свої особливості має розрахунок продуктів горіння для індивідуальних речовин, суміші газів та речовин з відомим елементним складом.
Рівняння теплового балансу процесу горіння
Теплова дія - один з найбільш небезпечних факторів пожежі, що викликає основні руйнування, знищує матеріальні цінності, викликає загибель людей, визначає обстановку на пожежі, створює величезні труднощі при її ліквідації. Розрахунок теплових явищ, що супроводжують горіння, дозволяє вжити правильних та своєчасних заходів протипожежного захисту.
Розглянемо теплові процеси, що протікають під час горіння.Статті теплового балансу складаються з таких складових:
Qіcx - ентальпія вихідних товарів, тобто. внутрішня теплота
пального та окислювача, приходить разом з ними в зону
горіння. Залежить від агрегатного стану та хімічної
Витрата:Qпг - теплота, що йде з продуктами горіння. Оскільки продукти
горіння створюють конвективний потік над полум'ям, то Qпг
називають також Qконв - теплотою конвекції або
конвективною теплотою. Qпг коливається не більше 35-95 %
Qнедож - це частина потенційної хімічної енергії вихідного
пального речовини, що міститься в продуктах неповного
горіння, що йдуть з полум'я. Залежно від умов
газообміну та виду пального Qнедож становить 5-25 % від
Qі – теплота випромінювання полум'я. Невелика частина її йде з
конвективним потоком, а також падає на палаючу
поверхня, основна частина випромінюється в навколишню
середу. Величина Qі досягає до 40% від Qгор.
З урахуванням перерахованих складових рівняння теплового балансу процесу горіння буде виглядати так:
Аналіз цього рівняння показує, що майже єдиним джерелом теплової енергії будь-якого процесу горіння, отже, і будь-якого пожежі, є тепловий ефект хімічних реакцій окислення полум'я, тобто. теплота горіння, що відноситься до найважливіших характеристик пожежної небезпеки речовин та матеріалів.
Теплота горіння
Питома теплота горіння -це кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні одиниці маси або об'єму паливної речовини.Розмірність - кДж/моль, кДж/кг або кДж/м 3 .
Залежно від агрегатного стану води в продуктах горіння розрізняють нижчу та високутеплоту горіння. Якщо вода знаходиться в пароподібному стані, тотеплота горіння нижча Qн,якщо пари води конденсуються в рідину, тотеплота горіння вища Qв.
Температура полум'я досягає 1000 К і вище, а вода кипить при 373 К, тому в продуктах горіння на пожежі вода завжди знаходиться в пароподібному стані, і для теплових розрахунків у пожежній справі використовується нижча теплота горіння.
Теплота горіння індивідуальної хімічної сполукирозраховується як тепловий ефект хімічної реакції за наслідком із закону Гесса:
де DНгор - тепловий ефект реакції горіння, кДж/моль;
S(DНi) вих – сума теплот утворення вихідних речовин з елементів, кДж/моль;
S(DНi)пг - сума теплот утворення продуктів горіння з елементів речовини, кДж/моль.
Значення нижчої теплоти згоряння речовин і матеріалів можуть бути розраховані за формулою Д. І. Менделєєва. Ця формула може бути використана для розрахунківQнречовин складного елементного складу, а також для будь-яких індивідуальних речовин, якщо попередньо розрахувати масову частку кожного елемента в поєднанні:
Теплота горіння суміші газів або пари -визначається як сума творів теплот горіння кожного пального компонента на його об'ємну частку в суміші.
Температура горіння
У техніці та пожежній справі розрізняють теоретичну, калориметричну, адіабатичну та дійсну температуру горіння.
Теоретична температура горіння -це температура, при якій теплота горіння, що виділилася, суміші стехіометричного складу витрачається на нагрівання і дисоціацію продуктів горіння. Практично дисоціація продуктів горіння починається за температури вище 2000 До.
Калориметрична температура горіння -це температура, яка досягається при горінні стехіометричної горючої суміші, з початковою температурою 273 К і за відсутності втрат у навколишнє середовище.
Адіабатична температура горіння -це температура повного згоряння сумішей будь-якого складу за відсутності теплових втрат у навколишнє середовище.
Справжня температура горіння -це температура горіння, що досягається в умовах реальної пожежі. Вона набагато нижча від теоретичної, калориметричної та адіабатичної, т.к. в реальних умовах до 40% теплоти горіння зазвичай втрачається на випромінювання, недопал, нагрівання надлишку повітря тощо.
Слід зазначити, що зі збільшенням коефіцієнта надлишку повітря в продуктах горіння з'являється додаткове (порівняно з теоретичним) кількість повітря, на підігрів якого витрачається теплота. Це призводить до зменшення температури:
Експериментальне визначення температури горіння для більшості горючих речовин становить значні труднощі, особливо для рідин та твердих матеріалів. Однак у ряді випадків теорія дозволяє з достатньою для практики точністю обчислити температуру горіння речовин, ґрунтуючись лише на знанні їхньої хімічної формули, складу вихідної горючої суміші та продуктів горіння.
У випадку для обчислень використовується наступна залежність (наближена, оскільки ср = f(T)):
де Qпг – ентальпія продуктів горіння;
Vпг - кількість продуктів горіння, м3/кг;
Ср - середня об'ємна теплоємність суміші продуктів горіння
інтервалі температур від Т0 до Тг, кДж/(м 3 К);
Тг – температура горіння, До.
Ентальпія продуктів горіння визначається рівнянням теплового балансу:
Залежно від роду врахованих втрат теплоти в зоні горіння (на випромінювання,недопал, дисоціацію продуктів горіння) обчислюється та чи інша температура.
При кінетичному горінні газопароповітряних сумішей втрати теплоти із зони горіння дуже малі, тому для цих сумішей дійсна температура горіння близька до адіабатичної, яку і використовують у пожежно-технічних розрахунках.
Для розрахунку температури горіння використовують середню теплоємність суміші продуктів горіння, яку дуже складно визначити. Орієнтовно ентальпія суміші продуктів горіння може бути виражена як сума ентальпій її компонентів. Температура горіння при цьому розраховується методом ітерацій (послідовних наближень), оскільки теплоємність залежить від температури.
При розрахунку калориметричної температури горіння виходять з того, що тепловтрати в навколишнє середовище відсутні, і в цьому випадку нижча теплота згоряння паливної речовини (Qн)дорівнює тепловмісту продуктів горіння (QПГ), т. е. енергії, яка потрібна для нагрівання продуктів горіння від 0 0 З до теоретичної температури горіння.
В реальних умовах температура горіння залежить не тільки від складу пального матеріалу, а й від умов горіння: розведення продуктів горіння надлишковим повітрям (що враховується коефіцієнтом надлишку повітря a), початкової температури повітря, повноти згоряння вихідного пального матеріалу та наявності тепловтрат (коефіцієнт тепловтрат h) .
Залежно від роду врахованих втрат теплоти із зони горіння обчислюється та чи інша температура горіння.
Методика розрахунку адіабатичної температури горіння стехіометричної суміші регламентується Додатком 11 ГОСТ 12.1.044-89*.
Завдання обчислення адіабатичної температури горіння зводиться до знаходження такої температури(Т'),при якій спостерігаєтьсярівність внутрішніх енергій вихідних речовин та продуктів їх горіння.
З енергетичного боку процеси горіння характеризуються двома основними факторами: теплотою та температурою горіння. Ці фактори характеризують і енергетику пожежі. Розмір їх залежить від пожежного навантаження об'єкта.
Пожежне навантаження будь-якого об'єкта можна розглядати як джерело потенційної хімічної енергії Е0, яка здатна виділятися у вигляді теплової енергії або теплоти пожежі за його виникнення. Потенційна теплота пожежі може бути виражена через сумарну масу горючих речовин та матеріалів Р та їх теплоту горіння Qh. Якщо горючий матеріал неоднорідний, то потенційну теплоту пожежі можна виразити так:
Оскільки при горінні речовина згоряє не повністю, а має місце хімічний недопал, то для його обліку вводиться коефіцієнт повноти горіння:
де Кп – коефіцієнт повноти горіння (зазвичай Кп = 0,76 – 0,95).
Для окремих реальних об'єктів Е0 визначатиметься сумою теплот горіння всіх видів пожежного навантаження:
Для полегшення розрахунків у пожежній справі використовують так зване наведене пожежне навантаження.
Наведене пожежне навантаження – це пожежне навантаження реального об'єкта, виражене масою умовної деревини, при повному згорянні якої виділяється еквівалентна кількість теплоти. В цьому випадку потенційна теплота пожежі визначається наступним виразом:
де Qн пр - наведена теплота горіння пожежного навантаження (тобто питома
теплота горіння умовної деревини), кДж/кг;
Рпн пр - наведене пожежне навантаження, кг/м 2 ;
Fп - площа вигородки, приміщення тощо. з негорючими
огорожами, м 2 .
Для прогнозування теплового режиму пожежі важливе значення маєінтенсивність тепловиділення, яку прийнято називати питомою теплотою пожежі.
Питома теплота пожежі qo- це кількість теплоти, що виділяється з одиниці площі пожежі за одиницю часу, МДж/м 2 ×с або МВт/м 2 :
де Um - питома швидкість вигоряння пожежного навантаження, кг/м 2 с.
Хімізація народного господарства постійно веде до розширення сфери використання синтетичних матеріалів та, як наслідок, до неминучого зростання пожежної небезпеки об'єктів, зростання теплоти пожежі на них. Дослідження показали, що питома теплота пожежі на об'єктах із пожежним навантаженням із полімерів приблизно в півтора рази вища, ніж із традиційним матеріалом – деревиною.
ВИСНОВОК
На цій лекції ми розглянули дуже коротко і лише основні поняття, закономірності та характеристики процесів горіння. Кожен із розглянутих питань є досить складним та об'ємним, їх неможливо повністю розкрити в рамках однієї лекції. Ряд із розглянутих питань ми глибше вивчатимемо на наступних заняттях, проте, недогляди у вивченні викладеного матеріалу не дозволять освоїти наступний матеріал. Тому для повного вивчення та розуміння матеріалу, а також його закріплення вам необхідно вивчити запропоновану на початку заняття літературу.