1.2.4. Расчет объема воздуха, необходимого для горения

При расчете объема воздуха, необходимого для горения, выделяют горение индивидуальных химических соединений (твердые горючие вещества и жидкости, газы, смеси газов) и сложных смесей химических соединений.

Понятия индивидуальных химических соединений и сложной смеси химических соединений подробно рассмотрены в [21].

Используемые при расчетах формулы достаточно просто выводятся из уравнения материального баланса процесса горения. Покажем это на примере горения m кг твердого вещества А (углеводород).

Составим уравнение реакции горения в воздухе:

А + (О₂+3,76N₂) = m СО₂ + n Н₂О+3,76N₂, (1.2)

где  – стехиометрический коэффициент перед кислородом в реакции горения; m, n – число кмоль диоксида углерода и воды;

3,76 – число киломоль азота, который перешел из воздуха в продукты горения.

Из уравнения видно, что для сгорания киломоля горючего вещества А расходуется (4,76) киломоль воздуха (4,76 киломоля воздуха это 1 киломоль кислорода + 3,76 киломоль азота). Одна киломоль газа при заданных условиях температуры и давлении занимает объем, равный V_t [м³].

Таким образом, на сгорание одной кг/киломоль горючего вещества (М кг вещества А) расходуется (4,76V_t) м³ воздуха.

Теперь определим, какой объем воздуха потребуется для сгорания m кг вещества А.

Пропорции имеют вид

М кг  (4,76V_t);

m кг  V_в м³

Отсюда получим формулу для определения объема воздуха, необходимого для сгорания m (кг) вещества А (твердого или жидкого):

[м³], (1.3)

где m – масса вещества, кг;

β – стехиометрический коэффициент;

– объем одного кмоля вещества, см. формулу (1.6);

M – молекулярная масса.

Порядок расчета приведен в [21].

В расчетах избыток воздуха при горении учитывается с помощью коэффициента избытка воздуха, формула для расчета общего количества воздуха для сгорания заданного количества горючего вещества будет иметь вид

[м³]. (1.4)

Поясним физический смысл коэффициента избытка воздуха . Различают теоретически необходимое количество воздуха – минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы массы или объема горючего вещества. Но на пожаре горение чаще всего происходит с избытком воздуха, и, чтобы учесть этот факт, вводится понятие коэффициента избытка воздуха  (отношение фактического количества воздуха, пошедшего на горение, к теоретически необходимому). Так, если фактическое количество воздуха, пошедшего на горение, в два раза больше теоретически необходимого, то  = 2. Если =1, то объем воздуха, необходимый для горения V_в, равен теоретически необходимому, и такая концентрация воздуха и горючего называется, как мы знаем, стехиометрической.

Если количество жидкости дано в литрах, то для решения задачи по формуле (1.4) необходимо перевести литры в килограммы по формуле

m = V [кг], (1.5)

где m – масса вещества, кг;

V – объем вещества, м³, (в 1 м³ – 1000 литров);

 – плотность вещества, принимая по справочной литературе.

Если давление и температура по условиям задачи не соответствуют нормальным, то объем одного кмоля вещества рассчитывают по формуле, которая также выводится из уравнения материального баланса процесса горения:

[м³], (1.6)

где V_o – объем кмоля вещества при нормальных условиях Р_о = 101,3 кПа,

Т_о = 0 С или 273 К;

V_o= 22,4 м³.

Для газов формула для расчета V_в выглядит так:

[м³]. (1.7)

Для смесей газов:

[м³]. (1.8)

Для сложных смесей химических соединений:

[м³]. (1.9)

Под сложными смесями химических соединений мы будем понимать вещества, не имеющие химической формулы. Так, например, состав древесины будет задан следующим образом: углерода С – 45 %, водорода Н – 6 %, кислорода О₂ – 42 %.

Анализ формул показывает, что решение задач с их использованием сводится фактически к составлению уравнения горения и определению стехиометрического коэффициента .

Вопросы для самоконтроля

1. Для каких видов веществ имеются формулы для расчета объема воздуха, необходимого для горения?

2. Выведите формулу из уравнения материального баланса горения для расчета объема воздуха, необходимого для горения горючего газа.

3. Что понимают под сложными смесями химических соединений?