Состав и теплота сгорания горючих веществ

12 3

Министерство образования и науки РФ

Северный (Арктический) федеральный университет

Имени М.В. Ломоносова

ТЕОРИЯ

ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

Методические указания к выполнению

Расчётно-графической работы

Архангельск

2013

УДК 536.7

ББК

К 26

Рецензенты:

В.К. Любов, д-р техн. наук, проф., зав. каф. ПТЭ

Е.Г. Царев, канд. техн. наук, проф., зав. каф. БТПиП

Карпов С.В.

К 26Теория горения и взрыва: Методические указания к выполнению расчетно – графической работы. –Архангельск: изд. САФУ, 2013. - 30 с.

ISBN

Методические указания предназначены для студентов II курса института комплексной безопасности (ИКБ), обучающихся по направлению подготовки 280700.62 «Техносферная безопасность» (бакалавр), профилям «Защита в чрезвычайных ситуациях», «Пожарная безопасность», «Промышленная безопасность» дневной формы обучения при изучении курса «Теория горения и взрыва». Могут быть полезны студентам технических специальностей при изучении курса «Теплотехника».

Табл.13. Ил. 1. Библиогр. 12 назв.

УДК 536.7

ББК

Рекомендовано к изданию методической комиссией

Института энергетики и транспорта

ISBNÓ Северный (Арктический) федеральный университет

имени М.В. Ломоносова, 2013

Ó Карпов С.В., 2013

Введение

Теория горения и взрыва (ТГВ) – комплексная общепрофессиональная дисциплина, изучающая физико-химические, гидрогазодинамические и тепломассообменные основы процессов горения и взрыва.

Горение – сложный быстропротекающий самоускоряющийся процесс физико-химических и структурных превращений горючих веществ в среде окислителя, сопровождающийся выделением значительного количества тепловой энергии, образованием продуктов сгорания и световым излучением.

Взрыв – частный случай процесса горения, отличающийся высокой скоростью распространения пламени (до значений порядка 1000 м/с), резким повышением давления (до 10…20 МПа и более), температуры (до 2000…3500°С) и свечением.

В настоящее время горение и взрыв рассматриваются как важная интенсивно развивающаяся область научно-технического прогресса [1], имеющая прочные научные основы и многочисленные практически важные приложения.

Так процессы горения играют исключительно важную роль в энергетике, технике, различных теплотехнологиях и реализуются в топочных и печных устройствах, камерах сгорания газотурбинных, реактивных и ракетных двигателей, генераторах сушильных газов, энерготехнологических химических реакторах и других устройствах. Горючими веществами являются твердые, жидкие и газообразные виды ископаемого топлива, древесина, пластмасса, синтетические виды моторного топлива, пожаровзрывоопасные материалы.

Процессы взрыва широко используются в военном деле для поражения военной техники, инженерных фортификационных сооружений и живой силы противника, в строительстве при выемке грунта и дроблении скальных пород, при обрушении старых зданий и конструкций. Взрывные технологии нашли применение при обработке металлов сверхвысоким давлением, получении материалов с особыми свойствами и в других случаях.

ТГВ базируется на фундаментальных сведениях из физико-химии, гидрогазодинамики, теории тепло – и массообмена, термодинамики, теплотехники. Значительный вклад в развитие ТГВ внесли российские ученые: Д.И. Менделеев, академики Г.Г. Гесс, Я.Б. Зельдович, Н.Н. Семенов, профессора Д.А. Франк–Каменецкий, Г.Ф. Кнорре, В.В. Померанцев, Л.Н. Хитрин, К.И. Щелкин, Е.С. Щетинков, А.В. Талантов и др. Из зарубежных специалистов в области горения и взрыва следует отметить К.М. Гульдберга, П. Вааге, Я.Х. Вант-Гоффа, В. Нернста, Д. Драйздейла, Г. Дамкёлера, Д. Сполдинга, Б. Льюиса, Г. Эльбе и многих других.

При подготовке специалистов по защите в чрезвычайных ситуациях, безопасности жизнедеятельности, пожарной безопасности она дает необходимый инструментарий при оценке динамики развития пожаров, расследовании последствий техногенных взрывов, разработке противовзрывных устройств, средств пожаротушения и др.

Основные понятия и определения

Горючая система – совокупность материальных тел, находящихся между собой в энергетическом (тепловом, термохимическом) взаимодействии. Она включает в себя горючие вещества, окислители, источники воспламенения (зажигания), катализаторы, флегматизаторы (замедлители химических реакций) и др. компоненты.

Тела, находящиеся вне границ горючей системы, но могущие оказывать на нее воздействие, относятся к окружающей среде (о.с).

Горючие вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном.

К твердым горючим веществам относятся ископаемые угли, торф, горючие сланцы, древесина и древесные отходы, различные синтетические материалы.

Жидкие горючие вещества – это нефть и продукты ее переработки (бензин, керосин, мазут, моторные топлива), газовый конденсат и др.

Газообразные горючие вещества – это природные углеводородные и искусственные газы, попутный газ нефтяных месторождений.

В качестве окислителей в горючих системах используются воздух, кислород, хлор, фтор, а также различные газовые смеси, содержащие воздух.

Источники зажигания – открытое пламя, факелы, фитили, смоченные горючей жидкостью, спички, электроискровые разрядники, молния.

Горючие системы могут быть открытыми и закрытыми, одно– и многокомпонентными, одно – и многофазными, гомогенными и гетерогенными, конденсированными (газожидкостными). Наибольшее значение имеют открытые системы.

Открытыми называются системы, через границы которых может проходить (протекать) масса вещества. Примерами открытых горючих систем могут являться газо – и нефтепроводы, вентиляционные системы, открытые пожары, канальные пламяпреградители, взрывные клапаны и др.

Закрытые системы – это, например, газовые баллоны со сжатым горючим газом, большие емкости для хранения газов (газгольдеры) и нефтепродуктов (цистерны), закрытые помещения при утечке бытового газа.

Гомогенные горючие системы – однородные по своим физико – химическим свойствам во всем объёме системы, например, смеси горючего газа с кислородом или воздухом.

Гетерогенные горючие системы – разнородные по своим физико – химическим свойствам во всем объеме системы, например, твердое горючее вещество + окислитель, жидкое горючее вещество + окислитель.

Гомогенная часть гетерогенной системы называется фазой. Фазы отделяются друг от друга поверхностями раздела.

Состав и теплота сгорания горючих веществ

В состав твердых и жидких горючих веществ входят горючие компоненты: углерод C, водород H, летучая сера (сумма содержания органической и колчеданной серы в виде пирита FeS₂ и халькопирита CuFeS₂) S_л = S_ор + S_к. Сульфатная и сульфитная сера, входящая в состав солей: сульфатов и сульфитов, не участвует в горении и переходит в золу. Полный состав может быть задан на различные массы: рабочую

C^р + H^р + S_л^р + O^р + N^р + W^р + A^р = 100%, (1)

где O^р, N^р, W^р, A^р – процентное содержание соответственно кислорода, азота, влаги (воды) и золы;

горючую

C^г + H^г + S_л^г + O^г + N^г = 100%, (2)

сухую

C^с + H^с + S_л^с + O^с + N^с + A^с = 100%, (3)

аналитическую (исключающую внешнюю влагу W_вн)

C^а + H^а + S_л^а + O^а + N^а + A^а + W^a = 100% (4)

и другие.

Пересчет с одной массы горючего вещества на другую проводится умножением содержания соответствующего компонента на один из сомножителей K, представленных в табл. 1.

Таблица 1. Пересчетные сомножители K

Заданная масса	Пересчетная масса
рабочая	горючая	сухая	аналитическая
рабочая
горючая
сухая
аналитическая

Например, для углерода пересчет горючей массы на рабочую проводится по формуле

(5)

Состав газообразных горючих веществ обычно задается в % на сухой объём. Компонентами горючей смеси могут являться водород H₂, сероводород H₂S, углеводороды C_mH_n (метан CH₄, этан С₂H₆, пропан С₃H₈ и др.), оксид углерода СO, диоксид углерода CO₂, азот N₂ и прочие газы

H₂ + H₂S + ∑C_mH_n + CO + CO₂ + N₂ +…= 100% . (6)

Важнейшая характеристика горючих веществ – теплота сгорания (теплотворная способность) Q. Под теплотой сгорания понимают количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы количества горючего вещества. Для твердых и жидких горючих веществ теплота сгорания задаётся на рабочую массу Q^р, для газообразных – на сухой объём Q^с. Различают высшую (Q_в^р) и низшую (Q_н^р) теплоты сгорания, связанные между собой уравнением, кДж/кг

Q_в^р = Q_н^р + Q_пар = Q_н^р + 25(W^p + 9H^р) , (7)

где Q_пар – теплота, затрачиваемая на испарение влаги горючего вещества и воды, образующейся при окислении водорода по стехиометрической реакции 2H₂ + O₂ =2H₂O; W^р, H^р – в %.

В качестве расчетной характеристики в теплотехнике и теории горения обычно используется низшая теплота сгорания Q_н^р.

Теплоту сгорания горючих веществ можно определить (оценить) двумя способами:

1. Экспериментально путем сжигания в среде кислорода небольшого количества горючего в специальных калориметрических установках.

2. Расчетным путем по тепловым эффектам химических реакций окисления горючих компонентов (формулы Д.И. Менделеева).

Для твердых и жидких горючих веществ

Q_н^р = 338C^р +1250H^р +109(S_л^р – O^p) – 25(W^p + 9H^р); (8)

Для газообразных горючих веществ, кДж/м³

(9)