4.1. Расчет низшей теплоты сгорания

Для сложных веществ переменного состава, находящихся в твёрдом и жидком агрегатных состояниях, а также сложных веществ постоянного состава, теплоту сгорания рассчитывают по формуле Д.И. Менделеева (4.1.1). Вычисления проводят с использованием массовых процентов элементов, входящих в состав молекулы горючего вещества.

= 339.4ω_С + 1257ω_Н – 108.9[ω_О + ω_N – ω_S – 25.1[9ω_Н + ω_W], кДж/кг (4.1.1)

где: 339.4; 1257; 108.9; 25.1; 9 – постоянные безразмерные коэффициенты;

ω_С, ω_Н, ω_О, ω_N, ω_S, ω_W - массовые проценты углерода, водорода, кислорода, азота, серы и влаги в горючем веществе, %.

4.2. Расчет температуры горения

Максимальная температура, до которой нагреваются продукты горения, называется температурой горения.

Пример расчета температуры горения.

Рассчитать действительную температуру горения каменного угля следующего состава, масс. %: углерод - 75; водород – 4.5; кислород – 3.5; азот - 2; сера- 4.5; влага - 3; зола (A) – 7.5. Горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1.3. Потери тепла излучением составляют 15 % от низшей теплоты сгорания.

Дано: Каменный уголь: ω_C = 75 %, _Н = 4.5 %, _О = 3.5 %, _N = 2 %, _S = 4.5 %, _W = 3 %, _A = 7.5 %;  =1.3. Q_пот = 0.15

Найти: Т_г

Решение:

По формуле Д.И.Менделеева находим низшую теплоту сгорания каменного угля.

Q_н= 339.4ω_С + 1257ω_Н – 108.9[ω_О + ω_N – ω_S – 25.1(9ω_Н + ω_W)] = 339.475 + 12574.5 – 108.9 [3.5 + 2 – 4.5 – 25.1(94.5 + 3)] = 29910.8 кДж/кг

Определяем количество тепла, затраченного на нагрев продуктов горения.

Q_ПГ = Q_Н - Q_пот = Q_Н - 0.15 = 0.75 Q_Н = 0.85 29910.8 = 25424 кДж/кг

Рассчитываем объём компонентов продуктов горения 1кг каменного угля при нормальных условиях по формулам (3.3.1 – 3.3.4).

= 1.86 75/100 = 1.39 м³/кг

= 0.7 4.5/100 = 0.03 м³/кг

= (11.2 4.5 + 1.24 3)/100 = 0.54 м³/кг

= [7 75 + 21 4.5 +

+ 2.63(4.5 – 3.5) + 0.8 2]/100 = 6.25 м³/кг

= 0.267[75/3 + 4.5 + (4.5 –

- 3.5)/8] (1.3 – 1) = 2.37 м³/кг

Определяем общий объем продуктов горения.

= 1.39 + 0.54 + 0.03 +

+ 6.25 + 2.37 = 10.58 м³/кг.

Рассчитываем среднюю энтальпию единицы объёма продуктов горения:

Рассчитываем температуру горения каменного угля, используя данные таблицы приложения 8, методом последовательных приближений. Проведенный расчет показал, что в продуктах горения наибольшее количество составляет N₂ (6.25 м³/кг). Поэтому принимаем, что именно ему соответствует расчётное значение средней энтальпии (2403 кДж/м³). По таблице находим ближайшее значение (2335.5 кДж/м³), которому соответствует температура горения 1873 К. Наличие в продуктах горения СО₂, SO₂, H₂O понижает температуру горения (приблизительно на 100 К). Таким образом, в первом приближении принимаем температуру горения, равную 1773 К. При этой температуре проводим расчёт энтальпий компонентов продуктов горения.

Т_г,1 = 1773 К.

= 1.39  3505.7 = 4872 кДж/м³

= 0.54  2781.3 = 1502 кДж/м³

= 0.03  3488.2 = 104. кДж/м³

= 6.25  2176.7 = 13604 кДж/м³

= 2.37  2194.7 = 5201 кДж/м³

Определяем общую энтальпию продуктов горения.

∆Н_пг,1 = 4872 + 1502 + 104 + 13604 + 5201 = 25285 кДж/м³

Общая энтальпия продуктов горения при температуре 1773 К меньше значения Q_пг (25424 кДж/м³). Поэтому повышаем температуру на 100 К и повторяем расчёт во втором приближении при Т_г,2 = 1873 К.

= 1.39  3771.4 = 5242 кДж/м³

= 0.54  3004.2 = 1622 кДж/м³

= 0.03  3747.5 = 112 кДж/м³

= 6.25  2335.5 = 14597 кДж/м³

= 2.37  2355.2 = 5582 кДж/м³

∆Н_пг,2 = 27156 кДж/м³

Общая энтальпия продуктов горения при температуре 1873 К больше значения Q_пг (25424 кДж/м³).

Таким образом, найдены два значения общей энтальпии продуктов горения каменного угля, одно из которых больше значения теплоты, пошедшей на нагрев продуктов горения, а другое – меньше ее. При этом разность соответствующих температур составляет 100 К.

Температуру горения каменного угля находим методом линейной интерполяции по формуле

= 1780 К.

Ответ: действительная температура горения каменного угля в заданных условиях составляет 1780 К.

5. Расчет параметров пожара