 |
Тепловой баланс процессов горения
|
|
|
|
Тепловое воздействие – один из наиболее опасных факторов пожара, который вызывает основные разрушения, уничтожает материальные ценности, вызывает гибель людей, определяет обстановку на пожаре, создает огромные трудности при его ликвидации. Расчет тепловых явлений, сопровождающих горение, позволяет принять правильные и своевременные меры противопожарные защиты.
Практически единственным источником тепловой энергии любого процесса горения, а значит, и любого пожара, является тепловой эффект химических реакций окисления в пламени, т.е. теплота горения, которая относится к важнейшим характеристикам пожарной опасности веществ и материалов.
Расчет теплоты горения
Энтальпией горения (DНгор, кДж/моль) вещества называется тепловой эффект реакции окисления 1 моль горючего вещества с образованием высших оксидов.
Теплота горения (Qгор) численно равна энтальпии горения, но противоположна по знаку.
Для индивидуальных веществ тепловой эффект реакции может быть рассчитан по
I следствию закона Гесса.
| Расчет теплового эффекта реакции горения индивидуального вещества | Пример 3.1. Рассчитать тепловой эффект реакции горения 1 моль бутана С4Н10. |
1. Запишем уравнение реакции горения бутана.
С4Н10 + 6,5(О2 +3,76 N2) = 4СО2 + 5Н2О + 6,5×3,76 N2
2. Выражение для теплового эффекта этой реакции по I следствию закона Гесса
DН0р-и = 4DН0(СО2) + 5DН0(Н2О) - DН0(С4Н10).
3. По таблице 1 приложения находим значения энтальпий образования углекислого газа, воды (газообразной) и бутана.
DН0(СО2) = -393,5 кДж/моль; DН0(Н2О) = - 241,8 кДж/моль;
DН0(С4Н10) = - 126, 2 кДж/моль.
Подставляем эти значения в выражение для теплового эффекта реакции
DН0р-и = 4×(–393,5) + 5×(–241,8) – (- 126,2) = - 1656,8 кДж
|
|
|
DН0р-и = DН0гор = - 1656,8 кДж/моль или Qгор = + 1656,8 кДж/моль.
Таким образом, при сгорании 1 моля бутана выделяется 1656,8 кДж тепла.
В пожарно-технических расчетах часто пользуются понятием удельной теплоты горения. Удельная теплота горения – это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества. Размерность удельной теплоты горения – кДж/кг или кДж/м3.
В зависимости от агрегатного состояния воды в продуктах горения различают низшую и высшую теплоту горения. Если вода находится в парообразном состоянии, то теплоту горения называют низшей теплотой горения Qн. Если пары воды конденсируются в жидкость, то теплота горения – высшая Qв.
Температура пламени достигает 100 К и выше, а вода кипит при 373 К, поэтому в продуктах горения на пожаре вода всегда находится в парообразном состоянии, и для расчетов в пожарном деле используется низшая теплота горения Qн.
Низшая теплота горения индивидуальных веществ может быть определена переводом значения DНгор, кДж/моль в Qн, кДж/кг или кДж/м3. Для веществ сложного элементного состава низшая теплота горения может быть определена по формуле Д.И. Менделеева. Кроме того, для многих веществ значения низшей теплоты горения приведены в справочной литературе, некоторые данные представлены в приложении 2.
| Перевод значения энтальпии горения из кДж/моль в кДж/кг | Пример 3.2. Энтальпия горения этилацетата СН3СООС2Н5 равна DНгор = - 2256,3 кДж/моль. Выразить эту величину в кДж/кг. |
Значение DНгор = - 2256,3 кДж/моль показывает, что при сгорании 1 моля этилацетата выделяется 2256,3 кДж тепла, т.е. Qгор = + 2256,3 кДж/моль.
1 моль СН3СООС2Н5 имеет массу 88 г. Можно составить пропорцию
М (СН3СООС2Н5) = 88 г/моль ¾ Qгор = 2256,3 кДж/моль
1 кг = 1000 г ¾ Qн кДж/кг
кДж/кг
В общем виде формула для перевода из размерности кДж/моль в кДж/кг выглядит следующим образом:
|
|
|
; кДж/кг (3.1)
Если необходимо осуществить перевод из размерности кДж/моль в кДж/м3, то можно воспользоваться формулой
, кДж/м3. (3.2)
| Расчет низшей теплоты сгорания Qн по формуле Д.И. Менделеева | Пример 3.3. Вычислить низшую теплоту сгорания сульфадимезина С12Н14О2N4S по формуле Д.И. Менделеева. |
Значения низшей теплоты сгорания веществ и материалов могут быть рассчитаны по формуле Д.И.Менделеева. Данная формула может быть использована для расчетов Qн веществ сложного элементного состава, а также для любых индивидуальных веществ, если предварительно рассчитать массовую долю каждого элемента в соединении (w).
QН = 339,4×w(C) + 1257×w(H) - 108,9 [(w(O) +w(N)) -w(S)] - 25,1[9×w(H) +w(W)], кДж/кг,
(3.3)
где
w (С), w (Н), w (S), w (О),w (N) – – массовые доли элементов в веществе, %; w (W) – содержание влаги в веществе, %.
1. Для того, чтобы воспользоваться данной формулой, необходим расчет процентного состава каждого элемента в веществе (массовой доли).
Молярная масса сульфадимезина С12Н14О2N4S составляет 278 г/моль.
w(C) = (12×12)/278 = 144/278 = 0,518 ×100 = 51,8 %
w(H) = (1×14)/278 = 14/278 = 0,05 ×100 = 5,0 %
w(O) = (16×2)/278 = 32/278 = 0,115 ×100 = 11,5 %
w(N) = (14×4)/278 = 56/278 = 0,202 ×100 = 20,2 %
w(S) = 100 – (51,8 + 5,0 + 11,5 + 20,2) = 11,5 %
2. Подставляем найденные значения в формулу Д.И. Менделеева.
QН = 339,4×51,8+1257×5,0-108,9×(11,5+20,2-11,5)-25,1×9×5,0 = 22741 кДж/кг.
Теплота горения смеси газов и паров определяется как сумма произведений теплот горения каждого горючего компонента (Qн) на его объемную долю в смеси (jоб):
Qн = 
, кДж/м3. (3.4)
Можно воспользоваться эмпирической формулой для расчета Qн для газовой смеси:
Qн = 126,5×j(СО) + 107,7×j(Н2) + 358,2×j(СН4) + 590,8×j(С2Н4) + 636,9×j(С2Н6) + 913,4×j(С3Н8) + 1185,8×j(С4Н10) + 1462,3×j(С5Н12) + 234,6×j(Н2S), кДж/м3(3.5)
|
|
|
