Компонентов продуктов горения смеси газов

Объем и состав продуктов горения газовой смеси переменного состава складывается из объёмов компонентов продуктов горения, образующихся при сгорании газов, входящих в состав смеси. Например, для смеси, состоящей из метана, этана и пропана, горение протекает по уравнениям реакций:

СН₄ + 2О₂ + 2∙3,76 N₂ ® СО₂ + 2Н₂О + 2∙3,76 N₂ (2.9.1а)

С₂Н₆ + 3,5О₂ + 3,5∙3,76 N₂ ® 2СО₂ + 3Н₂О + 3,5∙3,76 N₂ (2.9.1б)

С₃Н₈ + 5О₂ + 5∙3,76 N₂ ® 3СО₂ + 4Н₂О + 5∙3,76 N₂ (2.9.1в)

Объёмы компонентов продуктов горения 1 м³ газовой смеси рассчитываем по формулам:

= [ ]/100 (2.9.2а)

= [ ]/100 (2.9.2б)

= [3,76 ]/100 + 0,79 (2.9.2в)

= 0,21 (2.9.2г)

Здесь , % - содержание i-го горючего газа в смеси,

- стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения i-го горючего газа,

и – стехиометрические коэффициенты СО ₂ и Н ₂ О в реакции горения i-го горючего газа,

, и (%) – содержание СО ₂, Н ₂ О и N ₂ в горючей смеси,

- теоретически необходимый объем воздуха для сгорания смеси газов (формулы (2.7.6 и 2.7.7)),

α – коэффициент избытка воздуха.

Видно, что углекислый газ, водяной пар и азот, присутствующие в смеси, увеличивают объём образующихся продуктов горения. Слагаемое 0,79 и объем 0,21 - это объемы N₂ и О₂, переходящие в продукты горения из избытка воздуха.

Общий объём продуктов горения, выделяющихся при сгорании 1 м³ газа, определяем, суммируя объёмы компонентов продуктов горения:

= + + + (2.9.3)

Затем пересчитываем объемы компонентов продуктов горения и общий объём продуктов горения на заданный объем смеси V_ГСМ:

= V_ГСМ (2.9.4)

= V_ГСМ (2.9.4)

При нахождении процентного состава компонентов продуктов горения их общий объём V_ПГ принимается за 100 % и расчет проводится по формулам (2.4.6).

2.10. Расчёт теплоты сгорания

Для термохимических расчетов часто используют следствие из закона Гесса, которое гласит, что тепловой эффект реакции равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования реагентов с учётом их стехиометрических коэффициентов.

(2.10.1.)

В практике пожарного дела под продуктами реакции понимают продукты горения, а под реагентами - горючее вещество и окислитель.

Различают низшую и высшую теплоту сгорания. При расчёте низшей теплоты сгорания (Q_н) считают, что образующаяся в качестве продуктов горения вода выделяется из зоны реакции в парообразном состоянии. При расчёте высшей теплоты сгорания (Q_в) учитывают теплоту фазового перехода пар - вода. Следовательно, высшая теплота сгорания отличается от низшей на величину теплоты конденсации паров воды (Q_конд).

Q_в= Q_н + Q_конд (2.10.2)

Поскольку в условиях пожара продукты горения имеют температуру, превышающую температуру кипения воды, то при подстановке в уравнение (2.10.1) теплоты образования воды в парообразном состоянии можно рассчитать низшую теплоту сгорания химических соединений по формуле:

кДж/моль (2.10.3)

 

Низшая теплота сгорания может быть вычислена не только для 1моль, 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 (2.10.4)

, кДж/м³ (2.10.5)

Здесь М – молярная масса вещества, кг/моль.

V_t - молярный объём газообразного вещества при заданных условиях, м³/моль.

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

Q_н = 339,4×(С)+1257×(Н)–108,9×[(О) + (N)–(S)] – 25,1×[9×(Н)+(W)], кДж/кг (2.10.6)

где: С, Н, N, S, O – процентное содержание атомов углерода, водорода, азота, серы и кислорода в горючем веществе;

W - процентное содержание влаги в горючем веществе, %.

 

 

Чтобы использовать формулу Менделеева (2.10.6) для расчета теплоты сгорания химических соединений, необходимо рассчитать массовые проценты элементов в молекуле (Э). Для этого используют формулу:

(Э) = (2.10.7)

где: n – число элементов в молекуле,

M_Э –атомная масса элемента в молекуле,

М - молекулярная масса.

 

Низшая теплота сгорания смеси газов рассчитывается по формуле:

кДж/м³ (2.10.8)

Здесь:

Q_{н, i} - низшая теплота сгорания i-ого компонента газовой смеси (кДж/м³)

j_I - объёмное содержание i-ого компонента газовой смеси, (%)

n - число горючих компонентов газовой смеси.

2.11. Расчёт температуры горения

Температурой горения называется максимальная температура, до которой нагреваются продукты горения.

Различают калориметрическую, адиабатическую, теоретическую и действительную температуры горения.

Под калориметрической температурой горения понимается температура, до которой нагреваются продукты горения при условии: начальная температура 273,15 К; коэффициент избытка воздуха α = 1; всё выделяющееся при горении тепло идёт на нагрев продуктов горения.

При определении адиабатической температуры горения учитывается состав горючей смеси, коэффициент избытка воздуха не равен 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:

 

Q_ПГ = (2.11.1)

Здесь: Q_пг - количество тепла, затраченное на нагрев продуктов горения, кДж/моль, кДж/кг, кДж/м³;

V_{ПГ, i} - объём i-го компонента продуктов горения (кмоль/кмоль, м³/кг, м³/м³)

С_Р,i - удельная изобарная теплоёмкость [кДж/(кмоль×К), кДж/(м³×К)] i-го компонента продуктов горения;

Т_г- температура горения, К.

Произведение называется теплосодержанием. Считается, что на практике горение происходит при постоянном давлении. В этих условиях теплосодержание равно энтальпии DН_ПГ,i = .

Следовательно, уравнение (2.11.1) можно записать в виде:

 

Q_ПГ = (2.11.2)

Уравнение (2.11.2) решается методом последовательных приближений.