Материальный баланс процесса горения

 

Горение - это важнейший из применяемых человеком физико-химических процессов. Роль огня в возникновении и развитии цивилизации необычайно велика. Своеобразное отражение этого факта – миф о Прометее или гениальные догадки философов древности о том, что "огонь" является одним из немногих основных "элементов природы", в настоящее время можно сказать состояний вещества. До сих пор, несмотря на интенсивное развитие атомной, гидро-, гелио- и геотермальной энергетики, за счёт сжигания топлива производится основная доля энергии, обеспечивающей потребности человеческого общества. Все остальные источники, включая продукты питания, дают человечеству менее десяти процентов необходимой ему энергии.

Что же такое горение, роль которого в жизни человеческого общества так велика?

Горение – это режим протекания экзотермических химических реакций, характеризующийся значительной скоростью химического превращения, излучением тепла и света и способностью реакции к прохождению в самоподдерживающемся или самораспространяющемся режиме.

Материальный баланс процесса горения — соотношение (равенство) между количеством веществ, которые вступают в реакцию горения, и количеством веществ (продуктов горения), которые получаются вследствие этой реакции.

Расход воздуха на горение

При горении происходит взаимодействие между молекулами горючего вещества и окислителя, при этом получаются продукты сгорания.

Горючее вещество + Окислитель = Продукты сгорания

Как правило, окислителем при горении выступает кислород воздуха. Схематично химическую реакцию сгорания одного моля вещества в воздухе можно представить уравнением:

ГВ + β(О₂ + 3,76 N₂) = ∑ n_i·ПГ_i + β·3,76N₂,

в котором символами ГВ, О₂, N₂, ПГ_i обозначены молекулы, соответственно горючего вещества, кислорода, азота и i-го продукта горения; n_i — количество молекул i–го продукта горения, приходящееся на одну молекулу горючего; β — стехиометрический коэффициент реакции горения.

Это лишь суммарная реакция, но она достаточна для проведения практических расчетов и является обобщенной записью материального баланса реакции горения.

Минимальный объем воздуха, который необходим для полного сгорания единицы количества горючего вещества, называется удельным теоретическим объемом воздуха и обозначается V⁰в.В зависимости от единиц измерения количества горючего вещества (1 моль, 1 м³, 1 кг) удельный объем измеряется в м³/моль, м³/м³, м³/кг.

Действительное количество воздуха, который поступает в зону горения, отличается от теоретического. Соответствующий объем называется удельным действительным объемом воздуха и обозначается v_в. Разность между количеством воздуха, который идет на горение и теоретически необходимым, называется избытком воздуха. Для характеристики процесса горения используют понятие коэффициент избытка воздуха - α_в., который показывает, во сколько раз количество воздуха, который действительно поступает в зону горения, отличается от теоретически необходимого количества для полного сгорания единицы количества горючего вещества.

Таким образом, действительный удельный объем воздуха равняется:

V_в = v⁰_в · α_в.

Часть воздуха, неизрасходованная на горение, переходит в продукты горения.

В случае кинетического горения, при α_в = 1, смесь горючего с воздухом является стехиометрической. Величина тепловыделения на единицу продуктов сгорания при этом максимальна, вследствие чего температура в зоне горения также максимальна.

При α_в< 1 в смеси недостаток окислителя и излишек горючего вещества. Такая смесь называется богатой. Характерной особенностью процесса горения в этом случае является образование продуктов неполного сгорания.

При αв > 1 смесь называется бедной. В ней недостаток горючего вещества и излишек окислителя. При этом продукты горения включают в себя избыток воздуха.

Продукты горения - это газообразные, твердые и жидкие вещества, образующиеся в процессе горения.

Состав продуктов горения зависит от состава горючего вещества и условий протекания реакции горения. Продукты горения образуют дым.

Дым - дисперсная система, состоящая из твердых и жидких частиц (дисперсной фазы), находящихся в газовой дисперсионной среде.

Свойства дыма характеризуются следующими параметрами:

- Концентрация дыма - это масса продуктов горения, находящихся в единице объема. В зоне задымления концентрация продуктов горения находится в интервале от 1·^10–4 до 5·^10–3 кг/м³.

- Наличие конденсированной фазы обуславливает непрозрачность дыма. Степень снижения прозрачности зависит от концентрации, размера и природы частиц дисперсной фазы. Параметром, характеризующим оптические свойства дыма, является плотность задымления.

- Плотность задымления — отношение интенсивности света Iп, прошедшего через слой дыма, к интенсивности падающего света Ij.

- Dд = Iп/Iо

- Содержание кислорода. В обычных условиях содержание кислорода в воздухе составляет 21% (объемный). Снижение концентрации кислорода в воздухе приводит к кислородному голоданию людей. Так, при снижении концентрации ниже 16%, работа без индивидуальных средств защиты органов дыхания невозможна.

- Токсичность продуктов горения - способность продуктов горения вызвать отравления людей, находящихся без индивидуальных средств защиты органов дыхания.

- Температура дыма. Температура продуктов горения непосредственно возле зоны горения может достигать 1000°С, но в помещениях температура дыма обычно существенно ниже. Основным фактором, влияющим на температуру дыма, являются условия газообмена. При увеличении коэффициента избытка воздуха температура продуктов горения снижается. Опасной для людей, считается температура выше 70°С. Продолжительное пребывание людей при такой температуре, связано с риском для жизни из-за перегрева организма.

Стойкость дыма определяют такие параметры дымовых частиц, как:

- маленькая масса;

- высокая удельная поверхность;

- броуновское движение, в котором они находятся;

- наличие на их поверхности электрического заряда.

Продукты неполного сгорания, образующиеся при горении веществ и материалов в закрытых помещениях, при поступлении свежего воздуха могут образовывать горючую смесь. Горение при этом происходит в кинетическом режиме (взрыв).

Практическая работа №1

Тема: «Расчёт количества воздуха, необходимого для горения веществ»

Цель работы: Ознакомиться с классификацией процессов горения, сформировать представления про основные параметры, характеризующие пожарную опасность веществ в разных агрегатных состояниях, освоить способы определения этих параметров. Освоить расчеты необходимого количества воздуха для горения.