Процессы горения. Материальный и тепловой балансы процессов горения. Учебное пособие для СПО

паяльной лампы – 60–140 кВт/м2. Температурные и временные характеристики некоторых источников тепла приведены в таблице 1 [17].

Таблица 1

Температурные и временные характеристики источников тепла

Интенсивность теплового воздействия открытого пламени gп (Вт/м2) определяется по формуле[17]:

где 5,7 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2∙К4); εпр– приведённая степень черноты системы; Тф– температура факела пламени, К; Тсв – температура горючего вещества, К;

φ1ф – коэффициент облученности между излучающей и облучаемой поверхностями.

Коэффициент облучённости определяется размерами и формой поверхностей, а также их взаимным расположением и расстоянием между ними, то есть является геометрическим параметром. Например, для двух бесконечно параллельных плоскостей φ1ф = 1.

Приведённая степень черноты системы εпр рассчитывается по формуле [17]:

где εф – степень черноты факела, равная 0,7 при горении дерева и 0,85 при горении нефтепродуктов;

εв – степень черноты облучаемого тела, принимается по справочной литературе.

11

В таблице 2 приведены критические значения интенсивности облучения для некоторых веществ и материалов в зависимости от времени облучения [17].

Таблица 2

Критические значения интенсивности облучения

Искры пламени, возникающие, например, из печных труб, труб паровозов или при горении костра опасны только при определённых размерах и температурах. Установлено, что чем меньше размер искры, тем при большей температуре она становится пожароопасной. Например, искра диаметром 2 мм становится пожароопасной при температуре около 10000С, при диаметре 3 мм – 8000С, а при диаметре 5 мм – 6000С.

Обычно диаметр искры, образовавшейся от открытого огня, составляет 3 мм. Скорость её полёта ωи при этом рассчитывают по формуле [17]:

где ωв – скорость ветра, м/с; Н – высота трубы, м.

Длительность остывания такой искры вычисляют по формуле [17]:

= ∙ и ∙Си ∙ и , (1.28)

и

где F0 – критерий Фурье;

Си – теплоёмкость металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества, Дж/(кг∙К);

ρи– плотность металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества, кг/м3;

dи– диаметр искры, м;

12

λи – коэффициент теплопроводности металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества, Вт/(м∙К).

Критерий Фурье определяется по значениям относительной избыточной температуры Θп и критерию БиоBi по графикам, представленным на рисунке.

Нагрев веществ, отдельных узлов и поверхностей оборудования.

Основными узлами и элементами технологического оборудования, где возникает максимальный нагрев поверхности материала, являются электропровода, электроконтакты, компрессоры и подшипники.

Нагрев электропроводов возникает при перегрузках в сети, и температуру нагрева жилы электропровода tж при этом вычисляют по формуле [17]:

где tср.н – нормативная температура среды для прокладки провода, принимаемая в соответствии с правилами эксплуатации электрооборудования, 0С;

tж.н – нормативная температура жилы электропровода, 0С; Iф – фактический ток в проводе, А;

Iдоп – допустимый ток в проводнике, А.

Температура газа в компрессоре при сжатии (Тк) при отсутствии его охлаждения может повыситься до небезопасных значений. Тк можно рассчитать по формуле [17]:

где Тн – температура газа в начале сжатия, К; Рк и Рн – давление газа в конце и начале сжатия, кг/м2;

k – показатель адиабаты, равный 1,67 для одноатомных газов и 1,4 для двухатомных.

Для многоатомных газов показатель адиабаты k рассчитывается по формуле

[17]:

где Ср – изобарная удельная массовая теплоёмкость газа, Дж/(кг∙К); Cv – изохорная удельная массовая теплоёмкость газа, Дж/(кг∙К).

Электрические контакты нагреваются при повышении переходных сопротивлений, например, при их загрязнении. Температуру нагрева контактов tн.к при этом определяют по формуле [17]:

13

где tср – температура среды, 0С;

S – площадь поверхности теплообмена, м2; τ – время, с;

τк – постоянная времени нагрева контактов, с; Р – электрическая мощность, выделяющаяся в контактных переходах, Вт;

αобщ – общий коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2∙К).

Максимальную температуру нагрева электрические контакты приобретают через время:

где I – ток в сети, А;

Ui – падение напряжения в i-той паре контактной пары в электрическом контакте, В;

N – количество контактных пар в контакте.

В таблице 3 приведены значения падения напряжений на контактных парах Ui для деталей из некоторых материалов.

Коэффициент теплообмена αобщ рассчитывают в зависимости от

где C – удельная массовая теплоёмкость металла контактов, Дж/(кг∙К); m– масса контактов, кг.

Порядок вычисления температуры нагрева контактов tн.к следующий:

1. Для заданной температуры tн.к определяют общий коэффициент теплоотдачи αобщ и удельная массовая теплоёмкость металла контактов C, а затем вычисляют tн.к. по формуле [17]:

где tср – температура среды, 0С;

S – площадь поверхности теплообмена, м2; τ – время, с;

τк – постоянная времени нагрева контактов, с; Р – электрическая мощность, выделяющаяся в контактных переходах, Вт;

αобщ – общий коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2∙К)

2.Если выбранное и вычисленное значения tн.к отличаются друг от друга более чем на 5%, необходимо повторить вычисления.

Подшипники скольжения при отсутствии смазки и без принудительного охлаждения могут нагреться до температуры tп.с, значения которой рассчитываются по формуле [17]:

где tср – температура среды, 0С;

α – коэффициент мощности, Вт; αобщ – общий коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2∙К);

S – площадь поверхности теплообмена подшипника, то есть поверхность омываемая воздухом, м2;

τ – время работы подшипника, то есть время его нагрева до заданной температуры, с;

τп – постоянная времени нагрева подшипника, с. Коэффициент мощности α определяют из выражения [17]:

где f – коэффициент трения скольжения (таблица 19); N– сила, действующая на подшипник, кг;

d– диаметр шипа вала, м;

n – частота вращения вала, мин-1.

15

Постоянную времени нагрева подшипника τп определяют по формуле [17]:

где m – масса подшипника, кг;

С – удельная массовая теплоёмкость металла, Дж/(кг∙К), (таблица 4); Sm – площадь поверхности подшипника, м2.

Время нагрева подшипника до заданной температуры τ рассчитывается по формуле [17]:

Практика показывает, что за время τ = 5τп подшипник разогревается до максимальной температуры tmax, значение которой можно определить по формуле

[17]:

где общий коэффициент теплоотдачи αобщ в зависимости от температуры рассчитывают по формулам [17]:

Таблица 4

Значения коэффициента трения f при граничном трении для стального вала по подшипникам из различных материалов

1.2. Концентрационные пределы воспламенения

Для определения концентрационных пределов воспламенения необходимо знать значение так называемого стехиометрического коэффициента β,

показывающего минимальное количество окислителя, необходимое для полного сгорания горючего вещества.

Коэффициент β равен числу молей кислорода, приходящихся на один моль горючего вещества при его полном сгорании, и рассчитывается по формуле [1]:

где mc, ms, mн, mр, mо – число атомов углерода, серы, водорода, фосфора, и кислорода в молекуле соединения;

mх – число атомов галогенов в молекуле соединения, окисляющих водород до галогеноводорода, а углерод до галогеноуглерода СХ4.

Существует несколько методов ориентировочного расчёта концентрационных пределов воспламенения. Наиболее простым является метод, основанный на формуле В.П. Монахова [1]:

где φп – верхний или нижний концентрационный предел воспламенения; м и Вм – универсальные константы, значения которых приведены в таблице 6.

Расчёт нижнего концентрационного предела воспламенения

Нижний концентрационный предел воспламенения веществ, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода, кислорода, серы, кремния, фосфора, хлора и фтора, ориентировочно можно рассчитать через стандартную теплоту образования вещества по формуле [30]:

где – коэффициент при теплоте образования газа, моль/кДж (таблица 7 или 8);

∆– стандартная теплота образования вещества в газообразном состоянии

при температуре 250С, кДж/моль;

hj, hs – коэффициенты соответственно j-го элемента и число s-й структурной группы, влияющих на нижний предел воспламенения (таблица 7 или 8);

mj, ms – число атомов j-го элемента и число s-х структурных групп в молекуле вещества;

n, q – обозначение числа химических элементов и типов структурных групп в молекуле вещества, влияющих на нижний предел воспламенения.

Коэффициенты , hj и hs имеют различные значения в зависимости от состава горючего вещества и в зависимости от температуры среды. Например, для расчёта нижнего концентрационного предела воспламенения индивидуальных веществ, молекулы которого состоят из атомов С,Н, О, N, S, Si, P, F, Cl, при начальной температуре 250С значения коэффициентов и hj выбираются из таблицы 7, а значения hs из таблицы 8[30].

18

Таблица 7

Значения коэффициентов hj и hf для веществ, состоящих из атомов С, Н, О, N, S, Si, P, F, Cl

Для индивидуальных веществ, состоящих из атомов С,Н, О, N и Cl, нижний концентрационный предел воспламенения при начальной температуре 250С рассчитывается по значениям коэффициентов ,hj и hs, приведенным в таблице 8 [30].

Таблица 8

Значения коэффициентов hj, hs и hf для веществ, состоящих из атомов С, Н, О, N, Cl

Относительное среднее квадратическое отклонение расчёта значения нижнего концентрационного предела по данной формуле 4.57 со значениями коэффициентов из таблицы 7 и 8 составляет порядка 9%. Снизить отклонение до 6% позволяет расчёт φн, также произведённый по формуле 4.57, но со значениями hj, учитывающими классы органических соединений и взятыми из таблицы 9, при этом hs считается равным нулю [30].

Таблица 9

Значения коэффициентов hjдля различных классов органических соединений

Для элементоорганических соединений, в которых углерод непосредственно связан с атомами бора, кремния и металлов, нижний концентрационный предел воспламенения рассчитывается по формуле [30]:

где коэффициенты j-го элемента hj выбираются из таблицы 10.

Таблица 10

Значения коэффициентов hj для элементоорганических соединений

Примечание: 1 При mH ≥ mF

2 При mH<mF

…… 3 При наличии в молекуле горючего вещества атомов Вz числитель формулы 4.58 имеет вид: 88,3 + 226 mBz/mc, а при наличии атомов йода числитель рассчитывается как 88,3 + 226 my/mc.

Более упрощенная формула для расчёта нижнего концентрационного предела воспламенения веществ, молекулы которых состоят из атомов С,Н, О, N и Cl при начальной температуре 250С с относительным средним квадратическим отклонением не более 9% имеет вид [30]:

где – коэффициент s-й структурной группы в молекуле горючего вещества (таблица 11);

mS – число s-х структурных групп.