Тепловой баланс процесса горения

 1. Теплота горения. Закон Гесса

Процесс горения происходит с выделением тепла, поэтому он относится к экзотермическим реакциям.

В 1840 г. Г. И. Гесс, обобщив имеющиеся экспериментальные данные по тепловым эффектам химических реакций, сформулировал закон, являющийся основным законом термохимии:

Тепловой эффект реакции при постоянных давлении или объёме зависит только от природы, состояния реагентов и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания. Тепловой эффект реакции равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования реагентов с учётом их стехиометрических коэффициентов.

Следовательно:

D = S(n×D )_п.г- S(n×D )_г.в                        (3.1)

где

(D )_п.г. – теплоты образования продуктов реакции, кДж/моль;

(D )_г.в. – теплота образования горючего вещества, кДж/моль;

n – стехиометрические коэффициенты.

Теплотой образования называется тепловой эффект химической реакции образования данного соединения из простых веществ, отвечающих наиболее устойчивому состоянию простого вещества при стандартных условиях.

При этом теплота образования простых веществ (например, С, S, N₂, O₂) равна нулю.

Теплотой сгорания называется тепловой эффект химической реакции взаимодействия горючего вещества с кислородом с образованием продуктов полного окисления.

Различают низшую и высшую теплоту сгорания.

Низшая теплота сгорания – количество тепла, выделившееся при полном сгорании 1 кг, 1 м³, 1 кмоль вещества при условии, что водород, содержащийся в горючем веществе, сгорает с образованием воды, которая выделяется из зоны реакции в парообразном состоянии.

Высшая теплота сгорания – количество тепла, выделившееся при полном сгорании 1 кг, 1 м³, 1 кмоль вещества при условии, что водород, содержащийся в горючем веществе, сгорает с образованием воды, которая выделяется в жидком состоянии.

Поскольку в условиях пожара продукты горения имеют температуру, превышающую температуру кипения воды, то в дальнейшем будут приведены методики расчёта низшей теплоты сгорания.

D = Q_н = S(n×D )_п.г- S(n×D )_г.в, кДж/моль             (3.2)

Низшая теплота сгорания может быть вычислена не только для 1 моль, но и для 1 кг или 1 м³ вещества. Для перевода значения низшей теплоты сгорания из кДж/моль в кДж/кг и кДж/м³ используют формулы:

, кДж/кг

где

М – молярная масса вещества, г/моль

 ,кДж/м³

где

V_t – объем 1 кмоль газа при заданных условиях, м³/моль.

 

Формула Менделеева

 

Для сложных веществ переменного состава, находящихся в твёрдом и жидком агрегатных состояниях, а также сложных веществ постоянного состава, для которых отсутствует справочное значение теплоты образования, теплоту сгорания рассчитывают по формуле Д. И. Менделеева. В этом случае вычисления проводят с использованием массовых долей (%) элементов в горючем веществе.

Q_н = 339.4×(С) +1257×(Н) –108.9×[(О)+(N)–(S)] – 25.1×[9×(Н) +(W)], кДж/кг 

где (W) — массовая доля влаги в горючем веществе, %.

 

Сравнение расчетных и опытных данных по теплотворной способности разных веществ (дерево, торф, уголь, нефть) показало, что расчет по формуле Менделеева дает погрешность, не превышающую 10 %.

Для смеси газов низшая теплота сгорания рассчитывается по формуле:

, кДж/м³

где

— низшая теплота сгорания i-ого компонента газовой смеси, кДж/м³;

j_i — объёмное содержание i-ого компонента газовой смеси, %(об);

n — число горючих компонентов газовой смеси.

 

Температура горения

Максимальная температура, до которой нагреваются продукты горения, называется температурой горения.

Различают калориметрическую, адиабатическую, теоретическую и действительную температуры горения.

Под калориметрической температурой горения понимается температура, до которой нагреваются продукты горения при следующих условиях:

- начальная температура 273.15 К;

- коэффициент избытка воздуха 1;

- всё выделяющееся при горении тепло идёт на нагрев продуктов горения.

При определении адиабатической температуры горения учитывается состав горючей смеси, коэффициент избытка воздуха отличен от 1.

Теоретическая температура горения рассчитывается с учётом затрат тепла, расходуемых на диссоциацию продуктов горения.

Под действительной температурой горения понимают температуру, до которой нагреваются продукты горения в реальных условиях с учетом состава горючей смеси и теплопотерь.

Расчёт адиабатической и действительной температур горения основан на решении уравнения теплового баланса процесса горения.

где Q_ПГ – количество тепла, затраченное на нагрев продуктов горения, кДж/моль, кДж/кг, кДж/м³;

 V_ПГi – удельный объём продуктов горения, м³/кг;

 С_{Р i} – среднее значение объёмной теплоёмкости продуктов горения, кДж/м³ К;

Т_г – температура горения, К,

Т₀ – начальная температура, равная 273 К.

 

Рассчитав энтальпию продуктов горения при нескольких температурах, методом линейной интерполяции определяют температуру горения.

 

Вопросы для самостоятельного изучения темы

1. Опытное определение тепловых эффектов [5, с. 94-97]

2. Термохимия процесса горения [1, с. 50-52]

Литература к теме 3: [1-5]

 

Лекция № 4. Самовоспламенение и самовозгорание

 

Возникновение горения

Детальное изучение механизмов возникновения горения очень важно для всех видов и аспектов профилактики пожаров.

Горение всех веществ начинается с их воспламенения. У большинства горючих веществ момент воспламенения характеризуется появлением пламени. У тех веществ, которые горят без пламени, например, у термитных составов, использующихся для сварки металлов, момент воспламенения характеризуется появлением свечения (накала).

Известны два вида воспламенения веществ – самовоспламенение и зажигание (вынужденное воспламенение). При самовоспламенении равномерно нагревается вся горючая смесь. При зажигании используется явление распространения фронта пламени от местного относительного небольшого по размерам источника зажигания (пламя, искра, и т.п.) и, затем распространение пламени от источника по всему объему горючей смеси.