Расход воздуха при горении

 

Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы массы (кг) или объема (м³)горючего вещества, называется теоретически необходи­мым и обозначается _.

Таблица 1.2 - Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания веществ

 

Горючее вещество	Количество воздуха для сгорания 1 кг вещества при 101,3 кПа	Горючее вещество	Количество воздуха для сгорания 1 кг вещества при 101,3 кПа
кг	м3	кг	м3
Ацетон	9,45	7,35	Ацетилен	15,4	11,9
Бензол	13,2	10,25	Бутан	39,8	30,94
Бензин	14,3	11,1	Водород	3,08	2,38
Древесина	5,4	4,18	Водяной газ	2,84	2,2
Керосин	14,85	11,5	Метан	12,3	9,52
Нефть	13,9	10,8	Окись углерода	3,08	2,38
Толуол	12,9	10,0	Пропан	30,6	23,8
Торф (воз-душно-сухой)	7,5	5,8	Природ-ный газ	6,45	5,0

 

Примечание - Объем воздуха приведен к нормальным условиям.

 

В таблице 1.2 приведены значения теоретически необхо­димых количеств воздуха для полного сгорания различ­ных веществ при 0 °С и 101,3 кПа. Значения величин, приведенных для древесины, тор­фа, бензина, керосина, нефти и водяного газа, являются средними, так как состав этих горючих материалов непо­стоянен.

Вид формулы для расчета теоретически необходимо­го количества воздуха зависит от состава горючего ве­щества. Горючее вещество - индивидуальное химическое соединение. Для таких горючих веществ, вне зависимости от их агрегатного состояния, теоретически необходимое количество воздуха определяется из уравнений реакции горения. На m кмольгорючего вещества приходится m кмоль кислорода и 3,76 mкмоль азота. Обозначив массу (в кг) горючего вещества, численно равную его молеку­лярному весу, через М, составляют пропорцию:

 

m×М (кг) - (n +3,76 n)×22,4 (м³)

1 (кг) - (м³),

 

где 22,4 м³ - объем 1 кмоль газов при 0 °С и 101,3 кПа.

 

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг вещества равно (из пропорции):

 

, (1.2)

 

Подобным образом выводится уравнение для опре­деления теоретически необходимого количества воздуха для сгорания 1 м³ горючих газов:

 

, (1.3)

 

Если объемы воздуха, полученные по формулам (1.2) и (1.3), необходимо привести к иным условиям температу­ры и давления, то пользуются формулой:

 

, (1.4)

 

где - заданная температура газов, К;

- заданное давление, Па.

 

Такие вещества, как древесина, торф, каменный уголь, нефть, являясь горючими веществами, представляют собой сложную смесь химических соединений. При определении теоретически необходимого для их сгорания объема воз­духа нужно знать элементарный состав горючего веще­ства, выраженный в весовых процентах, т. е. содержание углерода, водорода, кислорода, серы, азота, золы и влаги. Элементарный состав вещества определяют в анали­тических лабораториях.

Для вывода уравнения расчета запишем уравне­ние реакции горения углерода, водорода и серы и ве­совое соотношение реагирующих веществ:

 

С + О₂ = СО₂; 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; S + О₂ = SO_{2 ;}

12 + 32 = 44; 4 + 32 = 36; 32 + 32 = 64;

 

Если для сгорания 12 кг углерода требуется 32 кгкислорода, то для 0,01 кг углерода (1 весовой процент) потребуется кислорода 0,01·32/12 = 0,01·8/3 (кг), для во­дорода соответственно потребуется 0,01·32/4 = 0,01·8 (кг) кислородаи для серы 0,01·32/32 = 0,01·1 (кг) кислорода.

Для полного сгорания 1 кг горючего вещества по­требуется кислорода (в кг):

,

 

где [С], [Н], [S] и [О] — содержание углерода, водорода, серы и кислорода в горючем веществе; весовой процент.

 

На вычисленное количество кислорода в воздухе приходится в 77/23 раза больше азота. Сумма азота и кис­лорода составляет количество воздуха (в кг). Количество воздуха , необ­ходимое для горения 1 кг вещества:

 

.

 

Проведя преобразования, получим:

 

. (1.5)

 

Чтобы выразить количество воздуха в объемных еди­ницах, нужно выражение (1.6) разделить на массу 1 м³ воздуха при 0 °С и давлении 101,3 кПа, т. е. 1,293 кг/м³. В результате получим:

 

.

 

Рассмотрим горючее вещество, как смесь газов. К этой группе веществ относятся горючие газы, например, природный, доменный, коксовый и др. Все они в том или ином ко­личестве содержат СО, СН₄, H₂, H₂S, C₂Н₄ и другие ком­поненты. Состав горючих газов обычно выражают в объ­емных процентах.

Для вывода формулы расчета напишем уравне­ние реакции горения наиболее распространенных газов:

 

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О H₂S + 1,5О₂ = Н₂О + SO₂

2СО + О₂ = 2СО₂; 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

 

Если на сгорание 1 м³ метана требуется 2 м³ кисло­рода, как это видно из уравнения, то на сгорание 0,01 м³ метана, т. е. 1 объемный процент, потребуется 0,01·2 м³ кисло­рода. Для окиси углерода на это же количество потребуется 0,01/2 м³, для водорода 0,01/2 м³, а для сероводоро­да 0,01/1,5 м³.

Для полного сгорания 1 м³ горючего газа потребует­ся кислорода (в м³):

 

,

 

где [СН₄], [Н₂], [СО], [H₂S] и [О₂] — содержание метана, водорода, окиси углерода, сероводорода и кислорода, объемный процент.

В воздухе на этот объем кислорода приходится в 79/21 раза больше азота. Сумма азота и кислорода состав­ляет объем (м³) воздуха, необходимый для сгорания 1 м³ газа:

 

Сделав преобразования, получим:

 

.

 

Практически при горении во время пожара расхо­дуется воздуха значительно больше теоретически необ­ходимого. Разность между количеством воздуха, прак­тически расходуемым на горение и теоретически необ­ходимым, называется избытком воздуха. Отношение же количества воздуха, практически расходуемого на горение ( ), к теоретически необходимому называет­ся коэффициентом избытка воздуха и обозначается :

 

. (1.6)

 

Для ориентировочных расчетов необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг горючего вещества можно рассчитать по формуле:

 

(м³), (1.7)

 

где - тепловая способность горючего вещества, кДж/кг.

Тепловая способность горючего вещества вычисляют по формуле:

 

, (1.8)

 

где - теплота сгорания, кДж;

- молекулярная масса горючего, кг.

Расчетами установлено, что для сгорания древесины необходимо 5,04 м³ воздуха, а для нефтепродукта – 11, 6 м³ .

В условиях пожара, когда горение протекает с естественным притоком воздуха, коэффи­циент избытка воздуха в большинстве случаев больше единицы и колеблется в широких пределах.

Температура горения

 

Выделяющееся в зоне горения тепло воспринимается продуктами сгорания, вследствие чего они нагреваются до высокой температуры. Та температура, до которой в процессе горения нагреваются продукты сгорания, на­зывается температурой горения. Различают калориметри­ческую, теоретическую и действительную температуры горения. Действительная температура горения для усло­вий пожара называется температурой пожара.

Под калориметрической температурой горения пони­мают ту температуру, до которой нагреваются продукты полного сгорания при следующих условиях:

1) все вы­деляющееся при горении тепло расходуется на нагре­вание продуктов сгорания (потери тепла равны нулю);

2) начальная температура воздуха и горючего вещества равна 0 °С;

3) количество воздуха равно теоретически необходимому ( = 1);

4) происходит полное сгорание.

Калориметрическая температура горения зависит толь­ко от состава горючего вещества и не зависит от его ко­личества.

Теоретическая температура, в отличие от калоримет­рической, характеризует горение с учетом эндотермиче­ского процесса диссоциации продуктов сгорания при высокой температуре:

 

2СОз → 2СО + О₂ — 570,2 кДж

2Н₂О → 2Н₂ + О₂ — 478,2 кДж

 

Практически диссоциацию продуктов сгорания необ­ходимо учитывать только при температурах выше 1700 °С. При диффузионном горении веществ в услови­ях пожара действительные температуры горения не до­стигают таких значений, поэтому для оценки условий пожара используют только калориметрическую темпе­ратуру горения и температуру пожара. Различают тем­пературу внутреннего и наружного пожара.

Температура внутреннего пожара - это средняя тем­пература дыма в помещении, где происходит пожар. Температура наружного пожара - температура пла­мени.

В действительности не вся теплота, выделяющаяся при горении в условиях пожара, расходуется на нагрева­ние продуктов сгорания. Большая часть ее расходуется на нагревание конструкций, подготовку горючих веществ к горению, нагревание избыточного воздуха и др. В свя­зи с этим температура внутреннего пожара значительно ниже калориметрической. Так, через 10 мин после

раз­вития внутреннего пожара температура пожара состав­ляет примерно от 0,1 до 0,2 части калориметрической темпе­ратуры, через 20 мин от 0,2 до 0,3, через 30 мин от 0,3 до 0,35, через 40 мин от 0,35 до 0,4. Пользуясь этими данными, можно по калориметрической температуре находить температу­ру внутреннего пожара.

 

 

Рисунок 1.2 - Температурный режим пожара при горении различных веществ

На рисунке 1.2 показано изменение температуры внутрен­него пожара (температурный режим пожара) при горе­нии различных твердых материалов. Как показывает ход кривых, температура пожара при горении всех ве­ществ первоначально растет, достигая максимума, а за­тем по мере выгорания материала постепенно понижает­ся.

Диффузионное пламя

Пространство, где сгорают пары и газы, называется пламенем или факелом. Пламя может быть кинетиче­ским или диффузионным в зависимости от того, горит ли заранее подготовленная смесь паров или газов с воз­духом или такая смесь образуется непосредственно в пламени в процессе горения. В условиях пожара га­зы, жидкости и твердые вещества горят диффузионным пламенем.

Структура диффузионного пламени существенно за­висит от сечения потока горючих паров и газов и его скорости. По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя. Ламинарное пла­мя возникает при малых сечениях потока паров или га­зов, движущихся с небольшой скоростью (пламя свечи, спички, газа в горелке небольшого диаметра и т. д.). На пожарах при горении всех веществ образуется тур­булентное пламя. Оно меньше изучено, и для объяснения этого явления используют положения теории ламинарно­го пламени. На рисунке 1.3 показано строение ламинарного диффузионного пламени на примере пламени жидкости, горящей в сосуде небольшого диаметра. Пламя состоит из зоны горения и зоны паров, последняя занимает почти весь объем пламени.

 

 

Зона \горения

 

 

Воздух

Воздух

 

Рисунок 1.3 - Строение ламинарного диффузионного пламени

 

Подобное по строению пламя образуется также при горении газов и твердых веществ, если скорость движения газов и паров находится в ламинарном режиме. Зона горения в диффузионном пламени представляет очень тонкий слой, в котором протекает реакция горения. Превращение веществ и выделение тепла в этом слое вызывает возникновение молекулярной диффузии в прилегающих к нему слоях воздуха и горючего. Причиной молекулярной диффузии является разность парциальных давлений и температур газов, участвующих в горении.

Сажа

 

 

 

 

 

Рисунок 1.4 - Температура зон пламе­ни при горении керосина

Температура в зоне паров значительно ни­же, чем в зоне горения. Так, в пламени керосина (рисунок 1.4) температура потока паров около поверхности жидкости равна температуре ее кипения. По мере движения пото­ка к зоне горения температура паров (на рисунке 1.4 - точки на вертикальной линии) повышается сначала за счет излучения зоны горения, а затем диффузии из нее на­гретых продуктов сгорания. В результате нагрева про­исходит термическая диссоциация паров около зоны го­рения и образуются свободные атомы и радикалы совместно с продуктами горения.

Атомы углерода, поступая в зону горения, воз­буждаются и, будучи некоторое время в свободном со­стоянии, светятся. Если вместо углерода вводить в пламя частицы других твердых веществ, пламя приобретает иной, чем при горении углерода, цвет. Так, если в несветящее пламя метилового спирта ввести соль строн­ция, то пламя окрасится в красный цвет, при введении соли меди - в синий или зе­леный.

Температура зо­ны горения пламени ме­няется по его высоте. Объ­ясняется это изменением со­става стехиометрической смеси в зоне горения и за­тратой тепла на нагрев по­ступающего в нее воздуха. В нижней части пламени, хотя и образуется стехиометрическая смесь с наи­большей теплотой горения, однако, температура горе­ния не является здесь мак­симальной, так как значи­тельное количество тепла затрачивается на нагрев хо­лодного воздуха. В средней части пламени теплота горе­ния стехиометрической смеси меньше, чем в нижней, за счет диффузии в нее продуктов сгорания, однако, по­ступающий в зону горения нагретый воздух компенси­рует потери тепла, и температура горения в этой части пламени является максимальной. В верхней части диф­фузионного пламени стехиометрическая смесь имеет еще меньшую теплоту горения, и нагретый воздух, посту­пающий для ее образования, не может компенсировать всех потерь тепла, поэтому температура горения здесь минимальная. В связи с этим в верхней части пламени часто образуется сажа.

Турбулентное пламя отличается от ламинарного тем, что не имеет четких очертаний и постоянного положения фронта пламени. Температура его при горении нефтепродуктов составляет: бензина 1200 °С, керосина 1100 °С, нефти 1100 °С, мазута 1000 °С. При горении древесины в штабелях температура турбулентного пламени достигает от 1200 до 1300 °С.

Горение может осуществляться в двух режимах:

- самовоспламенения, заключающемся в самопроизвольном возникновении пламенного горения предварительно нагретой до некоторой критической температуры горючей смеси (называемой температурой самовоспламенения) и проявляющегося в одновременном (в виде вспышки) сгорании всей горючей смеси;

- режиме распространения волны горения (распространения фронта пламени) по холодной смеси при ее локальном зажигании (воспламенении) внешним источником.

Для получения представлений о распространении волны горения поместим гомогенную горючую смесь в стеклянную трубку, открытую с одного конца, и воспламеним ее внешним источником у открытого конца.

Распространяющееся вначале сферически, пламя при достижении стенок трубки преобразуется в плоский, узкий (толщиной менее 10^{-6 м) фронт, распространяющийся в сторону свежей смеси. Продукты сгорания, объем которых в результате повышения температуры в несколько раз превышает объем исходной смеси, истекает из трубки через открытый конец. Скорость перемещения фронта пламени по нормали к его поверхности называется нормальной скоростью распространения пламени. Нормальная скорость распространения пламени имеет минимально возможную величину, не зависит от условий, а зависит лишь от химического состава горючей смеси и соотношения горючего окислителя (максимальное значение нормальной скорости распространения пламени соответствует стехиометрическому соотношению компонентов горючей смеси). Этот показатель, строго говоря, является единственным из всех многочисленных характеристик пламени, имеющим характер физико-химической константы.}

Если же закрыть свободный конец трубки, то горячие продукты сгорания будут, как поршень, давить на пламя и увеличивать скорость его перемещения. Суммарная скорость такого перемещения фронта пламени называется видимой скоростью пламени , м/с и определяется выражением:

 

, (1.9)

 

где - нормальная скорость распространения пламени, м/с;

- степень расширения продуктов сгорания.

Степень расширения продуктов сгорания , вычисляют по формуле:

 

, (1.10)

 

где , – температура горения и начальная температура, ^oС;

- отношение числа молей продуктов сгорания к числу молей исходной смеси (величина для углеводородных горючих веществ близка к единице).

 

В случае диффузионного горения, пламя как бы стоит на месте, а в него втекают с одной стороны горючие пары, с другой стороны – воздух. Наиболее характерным примером диффузионного пламени является горящая свеча.

Распространение пламени происходит путем переноса их фронта пламени в свежую горючую смесь потоков тепла молекулярной теплопроводностью и активных центров диффузий. Соотношение между этими потоками зависит от химической природы горючей смеси, развиваемой во фронте пламени температуры и условий распространения пламени. Для обычных горючих веществ и материалов (органических, т.е. на основе углеводородов и их производных), нижняя температурная граница пламени которых составляет около 1030 °С , максимальная температура горения может достигать 2230 °С, доминирующее значение приобретает перенос тепла.

Тепловая теория пламени, разработанная Я.Б.Зельдовичем, исходит из подобия полей концентраций и температур во фронте пламени.

Многочисленные опытные данные свидетельствуют, что скорость пламени углеводородо-воздушных смесей с давлением уменьшается по закону:

 

, (1.11)

 

где - давление, Па.

Анализируя это выражение, можно видеть, что порядок реакции при горении таких смесей имеет дробную величину. Это свидетельствует о сложном немолекулярном механизме химических превращений в пламени.