§2.5. Температура горения

Выделяющееся в зоне горения тепло передается продуктам сгорания, которые нагреваются до высокой температуры.

Продуктами сгорания называют газообразные, жидкие и твердые вещества, образующиеся в результате соединения горючего вещества с кислородом воздуха в процессе горения. При пожарах чаще всего горят органические вещества (древесина, ткани, бензин, нефть, резина и др.), в состав которых входят главным образом углерод, водород, азот, кислород, сера. При их полном сгорании образуются СО₂, Н₂О, N₂, SO₂, при неполном (при недостатке кислорода воздуха), - кроме продуктов полного сгорания, образуются СО и С.

Реже при пожарах горят неорганические вещества, такие как фосфор, натрий, калий, кальций и др. Продуктами их сгорания, как правило, являются твердые вещества, например, Р₂О₅ , СаО , Na₂O₂. Образуются они в дисперсном состоянии, поэтому поднимаются в воздух в виде плотного дыма. Дым – дисперсная система, состоящая из мельчайших твердых частиц, взвешенных в смеси продуктов сгорания с воздухом. Диаметр частиц дыма колеблется от 1 до 0,01 мкм.

Продукты сгорания называют влажными, если при расчёте их состава учитывают пары воды, и сухими, если содержание паров воды не учитывается.

Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры горения.

Под калориметрической температурой горения понимают ту температуру, до которой нагреваются продукты сгорания при следующих условиях: происходит полное сгорание; всё выделяющееся при горении тепло расходуется на нагревание продуктов сгорания (потери тепла равны нулю); начальные температуры горючего вещества и воздуха равны 0^оС.

Теоретическая температура в отличие от калориметрической характеризует горение с учётом эндотермического процесса диссоциации продуктов сгорания при высокой температуре. Диссоциацию продуктов сгорания учитывают при t>1700⁰.

Действительная температура горения характеризует условия реальных пожаров. При пожарах не вся теплота, выделяющаяся при горении, расходуется на нагревание продуктов сгорания. Значительная её часть затрачивается на подготовку горючих веществ к горению, нагрев окружающего воздуха и ограждающих конструкций. Действительная температура горения ниже калориметрической.

При определении калориметрической температуры горения можно воспользоваться рекомендациями [6]. Принимается, что энергия Q_т, необходимая для нагревания продуктов сгорания от 0^оС до калориметрической температуры, равна низшей температуре сгорания Q_н

, (2.19)

где V_пi - объём i-го продукта сгорания, ; -средняя объёмная теплоёмкость i-го продукта сгорания при постоянном давлении и изменении температуры от 0^оС до t_г, ; t_г-температура горения, ^оС. Величину Q_т называют теплосодержанием продуктов сгорания.

Если горючее вещество задано формулой , объём продуктов сгорания, определяемых по уравнению (1.34) , можно найти по соотношениям:

; ; , (2.20)

где , , - объём углекислого газа, паров воды, азота, ;

, , - число киломолей углекислого газа, паров воды, азота в уравнении реакции горения;

М- масса горючего вещества, численно равная молекулярной массе, кг.

Пусть горючее вещество – сложное химическое соединение. Если известен его элементный состав, то состав и количество продуктов сгорания 1кг данного вещества можно определить по уравнениям реакции горения определенных элементов.

Реакции горения углерода, водорода, серы имеют вид:

С+О₂+ N₂=CО₂+ N₂+Q_сг

Н₂+ О₂+ ·3,76N₂=Н₂О + 1,88 N₂+Q_сг (2.21) S+О₂+ N₂=SO₂+ N+Q_сг

При сгорании 1кг углерода получается м³ СО₂ и 22,4·3,76/12=7,0м³ N₂; при сгорании 1кг серы образуется 0,7 м³ SO₂ и 2,63м³ N₂; при сгорании 1 кг водорода образуется 11,2 м³ H₂O (паров воды) и 21 м³ N₂.

В состав горючего вещества могут входить азот и влага, которые в процессе горения переходят в продукты сгорания. Для их учёта необходимо знать объём 1кг азота и 1кг паров воды при нормальных условиях, а именно 0,8 м³ N₂ и 1,24 м³ Н₂О.

Если в состав горючего вещества входит кислород, который также участвует в горении, то воздуха на горение расходуется соответственно меньше. Следует отметить, что в воздухе при 0оС и давлении 101,3 кПа на 1кг кислорода приходится м³ азота.

С учётом приведенных данных определяют состав и объём продуктов сгорания 1кг горючего вещества. В качестве примера в табл.10 приведены результаты расчёта состава и объёма продуктов сгорания при сгорании 1кг каменного угля, в состав которого входят: углерод - 75,8%, водород - 3,8%, кислород - 2,8%, азот - 1,1%, сера - 2,5%, влага - 3%, зола - 11% [6].

Таблица 10