Теоретический и практический расход водуха на горение

Удельным теоретическим расходом воздуха V_в° называется минимальное его количество, необходимое для полного сгорания единицы массы горючего вещества при нормальных условиях.

Теоретическое количество воздуха (или другого окислителя) рассчитывается по уравнению материального баланса горения с учетом стехиометрических коэффициентов, то есть когда горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении.

Стехиометрическое количество воздуха в уравнении реакции горения предполагает, что при данном соотношении компонентов, участвующих в реакции горения, воздух расходуется полностью. Объем воздуха в данном случае называется теоретическим (V_в^теор).

Горение может происходить не только при стехиометрическом соотношении компонентов, но и при значительном отклонении от него. Как правило, в условиях пожара на сгорание вещества воздуха затрачивается больше, чем определяется теоретическим расчетом. Избыточный воздух V_в в реакции горения не расходуется и удаляется из зоны реакции вместе с продуктами горения. Таким образом, практический объем воздуха равен :

V_в^пр = V_в^теор + V_в (1).

и, следовательно, избыток воздуха будет равен.

V_в= V_в^пр — V_в^теор (2).

Обычно в расчетах избыток воздуха при горении учитывается с помощью коэффициента избытка воздуха (). При этом следует помнить, что в избыток воздуха входит только кислород и азот.

Коэффициент избытка воздуха при кинетическом горении показывает отклонение газопаровоздушной смеси от стехиометрической концентрации. При стехиометрической концентрации б=1. В данном случае коэффициент избытка воздуха может быть как больше, так и меньше 1, но ограничен область воспламенения.

Величина является важной характеристикой машин и агрегатов, в которых осуществляется организованное горение.

Для горючих смесей стехиометрического состава (т.е. состава, соответствующего уравнению реакции горения), где коэффициент избытка воздуха = 1, реальный расход воздуха равен теоретическому. В этом случае обеспечивается оптимальный режим горения. Однако добиться полной однородности смеси чрезвычайно трудно. Существующие для этой цели технические средства не позволяют в полной мере обеспечить стехиометрическое соотношение компонентов при реакции горения и создать однородную смесь. Регулирование значения коэффициента избытка воздуха дает возможность максимально приблизиться к оптимальным условиям сжигания.

Почти всегда несколько больше единицы и находится в интервале значений:

1,02 — 1,3 в зависимости от характера сжигаемого вещества. Именно этим обусловлено название коэффициента — коэффициент избытка воздуха. В действительности для кинетического горения его значения могут быть как больше, так и меньше 1.

При > 1 горючую смесь называют бедной по горючему компоненту, а при < 1 — богатой по горючему компоненту.

Избыток воздуха имеется только в смеси, бедной по горючему компоненту. Избыток воздуха равен:

V_в= V_в^теор(1) (3).

В условиях пожара обычно преобладает диффузионный режим горения. В закрытом объеме диффузионное горение большинства горючих материалов возможно только до определенной пороговой концентрации кислорода, так называемой остаточной концентрации кислорода в продуктах горения. Т. е. при диффузионном горении, кислород воздуха не весь задействуется на горение. Для различных веществ и материалов остаточное содержание кислорода в продуктах сгорания может составлять 8−16%. Таким образом, на горение расходуется только часть кислорода, поэтому для полного сгорания рассматриваемого вещества потребуется воздуха больше, чем теоретически необходимое.

Коэффициент избытка воздуха для диффузионного горения правильнее назвать коэффициент участия воздуха в горении. Эта характеристика более полно отражает суть процесса горения на пожаре и не дает ошибочных представлений и понятий. Это важный параметр, определяющий динамику развития пожара и, как следствие, развитие его опасных факторов.

Отношение объема воздуха, практически пошедшего на горение при диффузионном горении, к теоретически необходимому, называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается греческой буквой б (альфа):

(4).

его можно определить также по выражению:

(5).

где: концентрация кислорода в воздухе до начала горения, в объемных %, обычно, если не задано иное, принимают 21%;

— концентрация кислорода в воздухе, при которой прекращается горение данного вещества (остаточное содержание кислорода), в объемных %.

Физический смысл коэффициента избытка воздуха при диффузионном горении заключается в том, на сколько не полностью может быть (или был) задействован кислород воздуха при горении.

Формула для расчета практического объема воздуха для сгорания заданного количества горючего вещества имеет вид:

м³; (6).

где: б — коэффициент избытка воздуха.

Очевидным является, что при горении в диффузионном режиме, коэффициент избытка воздуха может иметь значения более 1. На практике значение этого коэффициента обычно составляет 2−5.

Расчет объема воздуха, необходимого для горения, предполагает вычисление:

а) теоретического объема воздуха V_в^теор и б) практического объема воздуха V_в^пр, затраченного на горение (с учетом коэффициента избытка воздуха).

Алгоритм расчета теоретического количества воздуха зависит от агрегатного состояния вещества и его химической природы. Для удобства вычислений горючие вещества подразделяют на три основные группы:

• · индивидуальные химические соединения с известной химической формулой (метан, ацетон, спирты и т. д.);
• · конденсированные горючие вещества неизвестного химического строения, но с известным элементным составом (элементный состав отражает содержание в веществе химических элементов С, Н, О, S, N, C1 и др. в % масс.);
• · смесь газов или паров.

Расчет объема воздуха для горения индивидуальных соединений

Расчет объема воздуха для горения индивидуальных соединений выполняется в следующей последовательности:

1. Составляется уравнение реакции горения вещества в воздухе Необходимо иметь в виду, что углерод © сгорает с образованием диоксида углерода СО₂, водород (Н) при сгорании образует воду (Н₂О) сера (S) сгорает до диоксида серы SО₂.

Азот (N), входящий в состав вещества, не окисляется, а выделяется в виде молекулярного азота N₂.

Галогены: фтор (F), хлор (Сl), бром (Вr), йод (I), входящие в состав вещества, образуют галогенводороды (HF, HC1, HBr, NI).

Следует иметь в виду, что кислород, входящий в состав вещества нужно учитывать при определении стехиометрического коэффициента при воздухе в левой части уравнения.

Рассчитывается молярная масса горючего вещества Определяем молярный объем V_M кмоля воздуха при заданных температуре и давлении Один кмоль любых газов при одинаковой температуре и одинаковом давлении занимает один и тот же объем.

Объем одного кмоля V_M⁽⁰⁾ любого газа при нормальных условиях равен 22,4 м³ и называется молярным объемом.

Нормальные условия: температура t₀=0 °С или Т₀=273 К; давление Р_о=101,325 КПа или 760 мм рт.ст.

Молярный объем газа можно привести к любым другим условиямтемпературе и давлению по формуле:

м³/кмоль ;

где Р_о — нормальное давление, Р₀=101,3 кПа или Р₀=760 мм рт.ст.;

Т_о — нормальная температура, Т₀=273 К;

V_M⁽⁰⁾ — объем одного кмоля газа при нормальных условиях,.

V_M⁽⁰⁾=22,4 м³ /кмоль;

Р₁ — заданное давление, кПа или мм рт.ст.;

Т₁ — заданная температура, К;

Подсчитывается количество кмолей воздуха по уравнению реакции горения .

Составляется пропорция:

Для сгорания кмоля вещества расходуется в 4.76 кмоля воздуха (4,76 кмоля воздуха = 1 кмоль O₂ + 3,76 кмоль N₂). Один кмоль газа при заданных условиях занимает объем, равный V_M. Таким образом, на сгорание одного кмоля горючего вещества (М кг) расходуется 4,76· в·V_M м³ воздуха.

Отсюда пропорция будет иметь вид:

М кг/кмоль сгорает в (4,76· в·V_M) м³/кмоль воздуха,.

m кг сгорает в —— м³.

Из нее можно получить формулу для определения теоретического объема воздуха, необходимого для сгорания m кг вещества:

м³

Задача 2.

Условие.Какой теоретический объем воздуха необходим для полного сгорания 1 кг тулола С₇Н₈?Температура 10⁰С, давление 780ммРтст, остаточное содержание кислорода в продуктах сгорания 16,4%.

Решение:

1. Записывают уравнение реакции горения в воздухе С₇Н₈ +9(О₂ + 3,76N₂) =7СО₂ + 4Н₂О +93,76N₂

Коэффициент перед воздухом обозначается. В данном случае =9.

2. Определяют сколько киломолей воздуха необходимо для сжигания одного килограмма горючего. Из уравнения горения получаем, что для сжигания 1 кмоля горючего требуется:

Зная молярную массу горючего можно сказать, что 1 киломоль весит М кг. В рассматриваемом случае М=7· 12+8·1= 92 кг.

Можно записать следующую пропорцию:

Для сжигания М кг (1 кмоль) горючего — требуется кмолей воздуха Для сжигания 1 кг горючего — требуется n кмолей воздуха ОТСЮДА:

.

для рассматриваемого случая:

То есть, для сжигания 1 тулола требуется 0,46 кмоль воздуха.

3. Определяют какой объем занимает найденное количество киломолей воздуха при заданных условиях.

Известно, что 1 кмоль любого газа или пара при нормальных условиях занимает объем равный 22,4 м³, т. е. молярный объем при Н.У.

Если условия отличаются от нормальных, то необходимо определить, какой объем будет занимать 1 кмоль любого газообразного вещества при данных условиях. Расчет V_М ведут по формуле объединенного газового закона:

.

где:

Р и Т — данные в задаче температура и давление,.

P₀, V₀, T₀ — cоответственно давление, молярный объем и температура при нормальных условиях.

Для заданных в задаче условий:

V_M22,61 м³/кмоль Исходя из этого, 0,39 кмоль воздуха при заданных условиях займут следующий объем:

• 4. Поскольку согласно условий задачи, при горении расходуется не весь кислород воздуха, то коэффициент избытка воздуха, поэтому следует учесть избыток воздуха при горении.
• 5. Практический расход воздуха равен:

Ответ: Удельный теоретический расход воздуха при горении диэтилового эфира при заданных условиях составляет 10,4 м³/кг, практический расход 46,8 м³/кг Расчет расхода воздуха по элементному составу вещества Состав таких веществ выражается в массовых долях (, %) каждого элемента. При горении кислород воздуха расходуется на окисление углерода С, водорода Н, серы S и других горючих составляющих.

Рассчитаем, какой теоретический объем воздуха необходим для сгорания 1 кг каждого элемента при нормальных условиях.

1 кг х м³

С + (О₂ + 3,76N₂) = СО₂ + 3,76N₂

12 кг/кмоль 4,7622,4 м³

V_в(С)^теор = х = = 8,885 м³ — объем воздуха для сгорания 1 кг углерода.

1 кг х м³

Н + 0,25(О₂ + 3,76N₂) = 0,5Н₂О + 0,253,76N₂

1 кг/кмоль 0,254,7622,4 м³

V_в(Н)^теор = х = = 26,656 м³ — объем воздуха для сгорания 1 кг водорода.

• 1 кг х м³
• S + (О₂ + 3,76N₂) = SО₂ + 3,76N₂
• 32 кг/кмоль 4,7622,4 м³

V_в(S)^теор = х = = 3,332 м³ — объем воздуха для сгорания 1 кг серы.

Углерод, водород и сера являются основными составляющими большинства органических соединений. Значительное число органических веществ имеют в своем составе кислород, и, следовательно, воздуха на горение будет затрачено меньше.

Рассчитаем объем воздуха, в котором содержится 1 кг кислорода.

• 32 кг О₂ 4,7622,4 м³ воздуха
• 1 кг х м³

V_в(О)^теор = х = = 3,332 м³ — объем воздуха, содержащий 1 кг кислорода.

Сопоставим полученные значения.

V_в(Н)^теор: V_в(С)^теор: V_в(S)^теор :V_в(О)^теор = 26,665:8,885:3,332:3,332=1:1/3:1/8:1/8.

Теоретическое количество воздуха для сгорания 1 кг вещества сложного элементного состава в общем виде можно записать следующим образом:

V_в^теор = V_в(С)^теор + V_в(Н)^теор + V_в(S)^теор V_в(О)^теор, м³

Где ©, (Н), (S), (О) — массовые доли элементов в веществе, %.

После подстановки в последнюю формулу полученных выше расчетных значений теоретический объем воздуха при нормальных условиях для сгорания заданной массы (m) вещества сложного элементного состава при нормальных условиях определяется по формуле:

V_в^теор =m 0,267, м³/кг. (7).

В случае, когда горение происходит при избытке воздуха, т. е. коэффициент избытка воздуха, формула примет следующий вид:

V_в^практ =m 0,267, м³/кг. (8).

Задача 3.

Условие: Представить толуол С₇Н₈ в виде вещества сложного элементного состава и рассчитать теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг этого вещества? Температура 10⁰С, давление 780 мм Ртст, остаточное содержание кислорода в продуктах сгорания 16,4%.

Решение:

1. Вычислим массовые доли элементов в веществе:

Молярная масса толуола составляет М (С₇Н₈) = 127 + 8 = 92 кг/кмоль.

© = = 91,3%;

(Н) = = 8,7%;

2. Условия отличаются от нормальных, следовательно, необходимо определить, какой объем будет занимать 1 кмоль любого газообразного вещества при данных условиях (расчет VМ).

Для заданных в задаче условий:

V_М = = 22,61 м³/кмоль.

• 3. Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания, составит: V_в^теор = 1 0,267 = 10,4 м³
• 4. Коэффициент избытка воздуха по условию задачи
• 5. Практический расход воздуха равен:

V_в^практ =10,4 4,5 = 46,8 м³

Ответ: удельный теоретический расход воздуха при горении толуола при заданных условиях составляет 10,4 м³/кг, практический расход 46,8 м³/кг.

Расчет расхода воздуха в единицу времени Для решения технических задач может потребоваться определить требуемый удельный расход воздуха на горение в единицу времени. Для этого необходимо по справочной литературе определить массовую скорость выгорания и удельный расход воздуха (см. выше).

(9).

где:

— массовая скорость выгорания, кг/м²· с;

— требуемый объем воздуха для полного сжигания 1 кг горючего — теоретический или практический, в зависимости от условий задачи.

В курсовой работе необходимо рассчитать и теоретический и практический удельный расход воздуха в единицу времени.