5.78M
Category: chemistrychemistry

Материальные и тепловые эффекты горения топлива (лекция 3)

1.

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
РГУ им. А. Н. Косыгина
Кафедра ЭТПЭБ
Лекция 3.
Материальные и тепловые эффекты
горения топлива
Акатьев В.А.
лауреат премии Правительства РФ
в области науки и техники
1

2.

Учебные вопросы
1. Стехиометрия горения
2. Теплофизика горения
3. Объемы воздуха и продуктов сгорания
2

3.

1. Стехиометрия горения
Стехиометрия – часть химии, изучающая законы количественных
соотношений между реагирующими веществами.
В большинстве случаев в основе горения лежат реакции
соединения горючих веществ с кислородом воздуха и только в
отдельных случаях, когда горят взрывчатые вещества,
пиротехнические изделия и другие материалы с положительным
кислородным балансом, горение происходит за счет кислорода,
содержащегося в молекуле горючего вещества или кислорода
окислителя.
3

4.

Горение в атмосфере воздуха
Вещество
Объемный процент
Массовый процент
Кислород
21
23
Азот
79
77
Уравнение реакции горения вещества в воздухе составляют с учетом того,
что на каждый киломоль кислорода приходится по 3,76 киломолей азота.
Например, реакции горения спирта, метана и водорода запишутся в виде
следующих уравнений:
C2 H 5OH 3O2 3 3,76 N 2 2CO2 3H 2O 3 3,76 N 2
CH 4 2O2 2 3,76 N 2 CO2 2 H 2O 2 3,76 N 2
2 H 2 O2 3,76 N 2 2 H 2O 3,76 N 2
4

5.

0

Стехиометрия горения топлива
.
Азот в уравнениях химических реакций горения учитывается потому, что
он поглощает часть теплоты, выделяемой в результате реакций горения, и
входит в состав продуктов сгорания – дымовых газов.
По уравнениям химических реакций горения рассчитывается количество
воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы или единицы
объема горючего вещества, а также состав и количество продуктов сгорания.
Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания
единицы массы (кг) или объема (м3) горючего вещества, называется
Так, для индивидуального вещества:
теоретически необходимым и обозначается
4,76 O
V
Z
O
B
О – количество киломолей кислорода;
Z – количество киломолей горючего газа;
4,76 – количество кмолей воздуха в расчете на кмоль кислорода
5

6.

Теоретически необходимый объем воздуха
Теоретически необходимый объем воздуха на горение веществ,
представляющих смесь химических соединений (древесина, торф,
нефть, газы и др.), определяется по следующим формулам:
– для сгорания 1 кг жидких и твердых веществ:
V =0,269(С/З+Н+S/8–О/8),
С, Н, S, О – процентное содержание соответствующего элемента в
веществе по массе
0
в
6

7.

Расчет теоретически необх. объема воздуха для горения водорода
Решение. Составляем уравнение реакции горения водорода в воздухе:
2Н2+О2+3,76N2=2Н2О+3,76N2.
Согласно уравнению на горение двух молей водорода необходимо 4,76 молей
воздуха, следовательно:
, м3 воздуха/м3 водорода
7

8.

Теоретически необходимый объем воздуха
Формула для смеси газов, состоящей из метана, водорода,
оксида углерода, сероводорода и кислорода может быть
представлена с учетом значений коэффициентов Кi:
Vво = (2СН4+0,5Н2+0,5Н2S–О2) / 21, м3 воздуха/м3 смеси
газов,
где СН4, Н2, СО, Н2S, О2 – процентное содержание
соответствующего газа в смеси газов;
Ki=2; 0,5; 0,5; 1 – коэффициенты при формулах газов –
количество молей кислорода на 1 моль соответствующего
газа.
8

9.

Теоретически необходимый объем воздуха
на горение веществ, представляющих смесь химических соединений
(древесина, торф, нефть, газ и др.), определяется по следующим формулам:
– для сгорания 1 кг жидких и твердых веществ:
0
Vв =0,269(С/З+Н+S/8–О/8), м3 воздуха/кг горючего,
где С, Н, S, О – процентное содержание соответствующего элемента в
веществе по массе;
К iГi
0
– для сгорании 1 м3 смеси газов: Vв
м3 воздуха/м3 смеси газов
21
где Кi – количество молей кислорода, расходуемых на 1 моль i–го газа;
Гi – процентное содержание i–го газа в смеси газов, % об.
9

10.

для сгорании смеси газов:
КГ
V
0
в
i
21
i
Кi – количество киломолей кислорода, расходуемых на 1
киломоль i–го газа;
Гi – процентное содержание i–го газа в смеси газов, % об.
Формула для смеси газов, состоящей из метана, водорода, оксида
углерода, сероводорода и кислорода может быть представлена с учетом
значений коэффициентов Кi:
КГ
= (2СН4+0,5Н2+0,5Н2S–О2) / 21,
V
0
в
i
i
21
СН4, Н2, СО, Н2S, О2 – процентное содержание соответствующего газа в смеси
газов; 2; 0,5; 0,5. Коэффициенты при формулах газов – количество кмолей
кислорода на 1 кмоль соответствующего газа.
10

11.

коэффициент избытка воздуха
Отношение количества воздуха, практически расходующегося при горении
(Vв) к теоретически необходимому количеству, называется коэффициентом
избытка воздуха :
VB
αB O
VB
в
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
, мин.
11

12.

Теплота сгорания топлива
Под удельной теплотой сгорания понимают количество теплоты, выделяющейся при сгорании единицы массы
или единицы объема вещества.
Различают высшую и низшую удельную теплоту сгорания. Высшая удельная теплота сгорания (Qв) представляет
собой количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы массы (объема) вещества с образованием
воды в жидкой фазе. Низшая удельная теплота сгорания (Qн) – количество теплоты, выделяющейся при сгорании
единицы массы (объема) вещества с образованием воды в парообразном состоянии.
При расчетах количества теплоты, выделяющейся при пожарах, исходят из низшей теплоты сгорания. Высшая и
низшая удельные теплоты сгорания связаны соотношением:
Qн=Qв – 25,1(9Н+W), кДж/кг,
где 25,1(9Н+W) – теплота, затраченная на испарение влаги W вещества и воды, образующейся при сгорании
водорода H горючего вещества, кДж/кг.
12

13.

Оценка теплоты сгорания (по формулам Д. И. Менделеева)
Qв=339,4С+1257Н – 108,9 (О – S), кДж/кг;
Qн=339,4С+1257Н – 108,9 (О – S) – 25,1 (9Н+W), кДж/кг,
где C, H, W, S – содержание углерода, водорода, влаги и серы в рабочей массе горючего вещества, %;
О – суммарное содержание кислорода и азота в рабочей массе горючего вещества, %.
Пример. Определить низшую удельную теплоту сгорания Qн мазута, имеющего состав:
С – 82,5 %, Н – 10,65 %, S – 3,1 %, (О – N) – 0,5 %, А (зола) – 25 %, W – 3 %.
Решение. Используя формулу Д. И. Менделеева, получим:
Qн=339,4 82,5 + 257 10,65 – 108,9(0,5 – 3,1) – 25,1(9 10,65 + 3)=38622,7 кДж/кг.
Низшая удельная теплота сгорания 1 м3 сухих газов может быть определена по формуле:
Qн=126,5СО+107,7Н2+358,2СН4+590,8С2Н4+636,9С2Н6+913,4С3Н8+1185,8С4Н10+
+1462,3С5Н12+234,6Н2S, кДж/м3,
где СО, Н2 и т. д. – содержание отдельных компонентов газа в процентах по объему.
13

14.

Условное топливо
Теплота сгорания условного топлива принята равной 29,31 МДж/кг
14

15.

Тепловой баланс реакции горения
Тепловой баланс внутреннего пожара на любой стадии развития может быть приведен
к единице площади пожара:
Q w M QФ Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
H
P
Q – низшая удельная теплота сгорания вещества, кДж/кг; QФ – энтальпия горючих
H
P
веществ и воздуха, поступающих на горение в единицу времени на 1 м2 площади пожара,
кДж/(м2 с); wм – массовая скорость выгорания горючего вещества с 1 м2 горящей
поверхности в единицу времени, кг/(м2 с); Q1– энтальпия продуктов сгорания, уходящих из
зоны горения с 1 м2 площади в единицу времени, кДж/(м2 с); Q2 – энтальпия избытка
воздуха, поступающего на горение, кДж/(м2 с); Q3 – количество теплоты, излучаемой
пламенем, кДж/(м2 с); Q4 – количество теплоты, затрачиваемой на нагрев реагирующих
веществ, кДж/(м2 с); Q5 – количество теплоты, затрачиваемой на нагрев строительных
конструкций, кДж/(м2 с); Q6 – потери теплоты вследствие неполноты химического
сгорания, кДж/(м2 с).
15

16.

Тепловой баланс открытого пожара
Тепловой баланс открытого пожара отличается от внутреннего тем, что в правой
части уравнения отсутствует величина Q5. На открытом пожаре наибольшее значение
имеет теплота, уносимая с продуктами сгорания и излучаемая зоной горения.
Последнее обстоятельство способствует распространению пожара и затрудняет
действия пожарных.
Количество теплоты, излучаемой пламенем факела в единицу времени с единицы
поверхности, может быть определено по формуле Стефана–Больцмана:
Q 3 ε о σ Т
4
пл
ε o – степень черноты пламени;
– постоянная Стефана-Больцмана,
= 5,67 10-11 кВт/( м2К4);
Тпл – температура пламени, К.
16

17.

Площадь пожара и площадь поверхности пламени
Если форму пламени принять конической, то отношение поверхности
пламени Fпл к площади пожара Fп для случая горения нефтепродуктов в
резервуарах (при H = 4R) составит :
A
F π R R (4R)
π R
F
2
2
ПЛ
Fпл
H
2
R
П
0
Fп
FПЛ‘
17

17

18.

Для случая горения бензина
Применяя соотношение (6.12) к бензину, для которого =0,05,
Q рн =43785 кДж/кг
wм=0,0533 кг/(м2 с), Тпл=1400 К, получим долю
теплоты, излучаемую пламенем по отношению к
удельной теплоте пожара:
11
17 σ Т
17 5,7 10 1400
Q3 FПЛ
H
0, 41
Q П FП Q P w M (1 η) 43785 0,0533 0,95
4
ПЛ
4
Таким образом, на внутренних пожарах доля теплоты, теряемой
излучением, меньше половины теплоты, выделяющейся в результате горения.
18

19.

Удельная теплота сгорания горючих веществ
Вещество
кДж/кг кДж/м3 Вещество
Антрацит
кДж/кг
Пропан
46442 91350
Ацетилен
48273 56092
Бумага
13408
Спирт этиловый
29875 61350
Оргстекло
25140
Ацетон
30848 79425
Резина
33520
Бензин
43500
-
Сланцы
5800…11564
Керосин
42900
-
Древесина сухая
26104
13500
19

20.

Температура горения
• Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры
горения.
• Действительной
температурой
горения
называется
температура,
реально
устанавливающаяся в условиях пожара.
• Под калориметрической температурой понимается температура, которую приобретают
продукты полного сгорания, когда вся теплота расходуется на их нагревание.
• При вычислении теоретической температуры пренебрегают потерями теплоты в
окружающую среду, но учитывают расход теплоты на диссоциацию продуктов реакции (при
температурах выше 1970 К).
Калориметрическую температуру горения вычисляют для следующих постоянных
условий:
воздух и горючее вещество находятся при нормальных условиях (273 К);
коэффициент избытка воздуха равен единице;
вещество полностью сгорает (недожог отсутствует);
потери теплоты отсутствуют (процесс адиабатный).
20

21.

Максимальная температура пожара в зависимости
от количества древесины, приходящейся
на единицу площади поверхности пожара
T, K
1300
q=
100
1100
900
q=25
700
кг/
м2
q=50
кг/
м2
кг/м 2
500
300
100
0
20
40
60
80
100
120
140
, мин.
21

22.

Объемы продуктов сгорания
Теоретический объем продуктов сгорания твердых и жидких горючих веществ определяется по
формуле:
M
M
M
M
(
СО
Н
О
N
SO 2 ) 22,4
O
2
2
2
VПС
M
мСО , мН О, мN , мSО – число кмолей соответствующего вещества в уравнении реакции горения
2
2
2
2
одного кмоля горючего вещества; М – молярная масса горючего вещества, кг/кмоль.
Если горение протекает при избытке воздуха Vв, то этот избыток воздуха равен: Vв = ( в – 1)VВ0 ,
Полное количество азота в продуктах сгорания составит:
VN2 VNO2 0,79(αB 1) VBO
Количество избыточного кислорода:
Полное количество продуктов сгорания:
VO2 0,21(αB 1) VВ0
0
VПС VПС
VB0
22

23.

Дымообразование
Зная массовую скорость выгорания топлива wм, можно
определить интенсивность дымообразования: Vпс wм,
где wм – массовая скорость выгорания, кг/(м2 с).
Таким образом, в лекции рассмотрены теоретические
основы для расчета удельной теплоты сгорания горючих
веществ, калориметрической температуры горения,
теоретически необходимых расходов воздуха на горение,
объемов продуктов сгорания, истекающих из зоны горения.
23
English     Русский Rules