Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Учебное пособие (практикум)
.pdf
МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
(ПРАКТИКУМ)
Направление подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность
Направленность (профиль) «Защита в чрезвычайных ситуациях»
Ставрополь
2018
УДК 614.8.084 (075.8)
ББК 68.9 я73
Т 33
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Северо-Кавказского федерального
университета
канд. техн. наук, доцент Е. Р. Абдулина (СКФУ),
начальник сектора аттестации экспертов С. В. Зорькин
(ФГБУ СЭУ ФПС ИПЛ по Ставропольскому краю)
Т 33 Теория горения и взрыва: учебное пособие (практикум) /
сост.: А.Ю. Даржания, О.В. Клименко. – Ставрополь: Издво СКФУ, 2018. – 107 с.
Пособие составлено в соответствии с требованиями ФГОСВО
и представляет практикум, в котором изложены основные теоретические аспекты, необходимые для выполнения всех практических работ
по курсу, приведены примеры расчетов, задачи для самостоятельного
решения, вопросы для контроля знаний, литература.
Предназначено для студентов, обучающихся по направле-
нию подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность.
канд. техн. наук, доцент А. Ю. Даржания,
ст. преподаватель О. В. Клименко
Рецензенты:
УДК 614.8.084 (075.8)
ББК 68.9 я73
Составители:
© ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский
федеральный университет», 2018
- 2 -
ПРЕДИСЛОВИЕ
Важную роль в деле подготовки бакалавров техносферной
безопасности играет дисциплина «Теория горения и взрыва». В ее
задачу входит: дать современные научные представления об основных понятиях и определениях, характеризующих пожарную
опасность веществ и материалов, закономерностях процессов возникновения и развития устойчивого горения, методики оценки
пожаровзрывоопасности среды.
Глубокое изучение процесса горения является необходимым
условием качественной, фундаментальной подготовки инженерных кадров для МЧС России. Однако глубокое изучение такого
сложного и многофакторного явления, как процесс горения, практически невозможно без выполнения решения задач по расчету
параметров пожарной опасности веществ и материалов.
Овладение методами расчета параметров пожарной опасности веществ необходимо прежде всего для практической деятельности, а так же для более углубленного понимания закономерностей процессов воспламенения, распространения горения
и его прекращения.
Структурно учебное пособие состоит из методических указаний к 17 практическим занятиям, выполнение которых позволит
овладеть бакалаврам общекультурными компетенциями:
- способностью работать самостоятельно (ОК-8);
- способностью использовать законы и методы математики,
естественных, гуманитарных и экономических наук при решении
профессиональных задач (ОК-11);
- способностью применять на практике навыки проведения и
описания исследований, в том числе экспериментальных (ОК-16).
- 3 -
ТЕМА 1. ОСНОВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ГОРЕНИИ
1. Материальный и тепловой балансы процессов горения
Цель практического занятия: изучение основ материального и теплового баланса процессов горения.
Знания и умения, приобретаемые студентом в результате
освоения темы занятия, формируемые компетенции или их части: способность работать самостоятельно (ОК-8); способность ис-
пользовать законы и методы математики, естественных, гуманитарных и экономических наук при решении профессиональных задач
(ОК-11); способность применять на практике навыки проведения и
описания исследований, в том числе экспериментальных (ОК-16).
Актуальность темы практического занятия: овладение ме-
тодами расчета параметров пожарной опасности веществ необходимо для практической деятельности студентов.
Теоретическая часть
Горение – это важнейший из применяемых человеком физи-
ко-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 химиче-
ских реакций, характеризующийся значительной скоростью химического превращения, излучением тепла и света и способностью
реакции к прохождению в самоподдерживающемся или самораспространяющемся режиме.
- 4 -
76.3
21
79
2
2
O
N
22
,
oN
29.3
3221
2879
22
22
OO
NN
M
M
22
,
NO
ММ
Тип горючего веще-
ства
Расчётные формулы
Размерность
Индивидуальное
вещество
Г
NO
В
n
nn
V
22
0
(1.3,а)
Mn
Vnn
V
Г
NO
В
0
0
)(
22
(1.3,б)
3
3
;
м
м
кмоль
кмоль
3
3
м
м
Материальный баланс процесса горения соотношение (ра-
венство) между количеством веществ, которые вступают в реакцию горения, и количеством веществ (продуктов горения), которые получаются вследствие этой реакции.
Теоретической базой для расчётов материального и теплового балансов являются фундаментальные законы сохранения веществ и энергии.
Для практических расчётов принимают, что состав воздуха
состоит из 21 % кислорода и 79 % азота. Таким образом, объёмное
соотношение азота и кислорода в воздухе составит:
(1.1)
где
– соответственно объёмное (% об.) содержание азота и
кислорода в окислительной среде.
Следовательно, на 1 м3 (кмоль) кислорода в воздухе приходится 3,76 м3 (кмоль) азота.
Весовое соотношение азота и кислорода в воздухе составляет
23,3% О2 и 76,7% N2. Его можно определить, исходя из:
(1.2)
где
– молекулярные массы соотношение азота и кислорода.
Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на три
типа (табл.1.1):
индивидуальные химические соединения (метан, уксусная
кислота и т. п.),
вещества сложного состава (древесина, торф, сланцы,
нефть, и т. п.),
смесь газов (генераторный газ и т. п.).
Таблица 1.1
Типы горючих веществ
- 5 -
Вещество сложного
состава
83269.0
0
OS
Р
С
V
В
(1.4)
кг
м
3
Смесь газов
21
22
0
OOГi
В
i
n
V
(1.5)
кмоль
кмоль
м
м
;
3
3
0
В
V
Г
n
2
O
n
2
N
n
Гi
2
O
i
O
n
2
1
11
0
00
T
Vp
T
Vp
0
p
1
p
1
T
1
V
0
В
В
V
V
Здесь
,
лучаемого из уравнения химической реакции горения, кмоль;
М – молекулярная масса горючего;
V0 – объем 1 кмоля газа при нормальных условиях (22,4 м3);
C, H, S, O – весовое содержание соответствующих элементов
в составе горючего, %
– концентрация I – го горючего компонента, % об.;
ного кмоля i- го горючего компонента, кмоль.
Для определения объёма воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются уравнением состояния идеальных газов
– теоретическое количество воздуха;
,
– количество горючего, кислорода и азота, по-
– концентрация кислорода в составе горючего газа, % об.;
– количество кислорода, необходимое для окисления од-
, (1.6)
где
Т
V0 – объём воздуха при нормальных условиях, м3;
Практический объём воздуха Vв, поступивший в зону горения.
Отношение практического объёма воздуха к теоретическому называется коэффициентом избытка воздуха :
– нормальное давление, Па;
– нормальная температура, К;
0
– заданное давление, Па;
– заданная температура, К;
– заданный объём газа, м3.
- 6 -
(1.7)
В
V
О
ВВВ
VVV
)1(0
ВВ
VV
)21(
1
2
2
0
OВ
пгO
V
V
2
O
0
В
V
2
21
21
О
4222
25,05,021
21
CHHCOO
4222
,,,
CHHCOO
)(
1
2
2
2
0
0
O
О
В
пгO
V
V
2
2
0
21
О
О
Разность между практическим и теоретическим объёмами
воздуха называется избытком воздуха
:
(1.8)
Из уравнений (1.7) и (1.8) следует, что
(1.9)
Если известно содержание кислорода в продуктах горения, то
коэффициент избытка воздуха определяется по формуле:
(1.10)
где
– содержание кислорода в продуктах горения, % об.;
– теоретический объём продуктов горения.
(Продукт горения – пг).
Для веществ, у которых объём продуктов горения равен объё-
му исходного воздуха (например, углерод), формула (1.10) упрощается:
. (1.11)
В случае образования продуктов неполного сгорания (CO, H2,
CH4, и др.) формула (1.11) приобретает вид:
(1.12)
где
– содержание соответствующих веществ в
продуктах горения, % об.
Если содержание кислорода в окислительной среде отличает-
ся от содержания его в воздухе, то формулу (1.12) можно записать
в виде:
(1.13)
и соответственно формулу (1.13)
(1.14)
- 7 -
2
0
О
ВВВ
VM
В
10
01
0
2222
TP
TP
V
OONN
T
P
В
3
1047,3
где
% об.
массу воздуха, пошедшего на горение,
– исходное содержание кислорода в окислительной среде,
Часто в пожарно-технических расчётах требуется определить
(1.15)
где
– плотность воздуха, кг/м3.
Очевидно, что
(1.16)
После подстановки постоянных значений в формулу (1.16)
получим
(1.17)
где Р – атмосферное давление, Па;
Т – температура воздуха, К.
Для возникновения процессов горения необходимо наличие
горючего вещества и окислителя. Для инициирования возникновения горения необходимо наличие источника зажигания. Иногда
горение может возникать самопроизвольно без источника зажигания (самовоспламенение и самовозгорание). Для возникновения
горения должны быть соблюдены следующие условия:
непосредственный контакт горючего и окислителя;
горючее и окислитель должны находиться в определенных
количественных соотношениях;
источник зажигания должен обладать достаточной энергией.
При температурах, характерных для горячего пламени, а
именно оно возникает в подавляющем большинстве случаев на
реальных пожарах, скорость химической реакции окисления при
горении потенциально может быть очень высокой. Это вызвано
тем, что согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на каждые 100 скорость реакции увеличивается в 2–4 раза. Но
скорость процесса горения в целом, зачастую, лимитируется ограниченной скоростью того или иного физического процесса, сопровождающего горение.
- 8 -
Основные физические процессы при горении – это тепло- и
масообмен с окружающей средой за счет конвекции, диффузии и
излучения.
При горении органических веществ образуются нагретые до
высокой температуры летучие продукты горения: СО2, Н2О, СО и
др. При горении некоторых неорганических веществ, например,
некоторых металлов могут образовываться наряду с летучими и
нелетучие продукты горения. Плотность летучих продуктов горения в 3-5 раз меньше плотности окружающего воздуха, поэтому
над очагом горения существует конвективный (непрерывно поднимающийся вверх) поток горячей парогазовой смеси продуктов
горения, сопровождающийся всасыванием свежего воздуха снизу
к очагу горения. Эти процессы обуславливают массообмен (газообмен) и теплообмен очага горения с окружающей средой. Кроме
того, теплообмен с окружающей средой осуществляется за счет
теплового (невидимого инфракрасного) светового изучения, Лучистый поток распространятся во все стороны от зоны горения, в том
числе и падает вниз на поверхность горящего вещества. Нагреваясь под воздействием лучистого теплового потока, горючее вещество испаряется или разлагается и испаряется с выделением горючих газообразных продуктов, которые, смешиваясь с воздухом,
поступают в зону горения. Такое горение сопровождается образованием пламени.
Гомогенное горение – это процесс взаимодействия горючего
и окислителя, находящихся в одинаковом агрегатном состоянии.
Наиболее распространено гомогенное горение газов или паров в
воздухе. Гомогенное горение характерно для всех газообразных и
большинства жидких и твердых горючих материалов. Отличительным признаком такого горения является возникновение пла-
мени над поверхностью конденсированного горючего вещества.
Гетерогенное горение – это горение твердых горючих мате-
риалов непосредственно на их поверхности. Характерной особенностью гетерогенного горения является отсутствие пламени.
Примерами его являются горение кокса, древесного угля, нелетучих металлов. Беспламенное горение в ряде случаев называют
тлением.
Часто на пожарах гомогенное горение твердых горючих материалов на заключительной стадии после выгорания летучих ве-
- 9 -
222224
76.3276.322 NOHCONOCH
,1;52.776.32;2
422
CHNO
nnn
52.9
1
52.72
0
В
V
2.1228.152.9
4.22
3221.02876.0
52.9
В
M
5,2
ществ переходит в беспламенное гетерогенное догорание карбонизованных остатков (угля).
Пример
Определить теоретическую массу и объём воздуха, необходимого для сгорания 1 м3 метана при нормальных условиях.
Решение:
Горючее вещество является индивидуальным химическим соединением, поэтому для расчёта его объёма надо пользоваться
формулой (1.3,а), запишем уравнение химической реакции горения
СН
в воздухе
4
.
Из уравнения находим
тогда
м3/м3 или кмоль/кмоль
По формуле (1.15) с учётом уравнения (1.и16) рассчитаем
массу воздуха
кг/м3.
Вопросы и задания
Самостоятельно решить задачи, используя в помощь пример,
приведенный выше.
Задача 1. Определить теоретический объём воздуха, необхо-
димого для горения 1 кг бензола.
Задача 2. Определить объём и массу воздуха, необходимого
для горения 1 кг органической массы состава С – 60%, Н – 5%,
О – 25%, N – 5%, W – 5% (влажность), если коэффициент избытка
воздуха
Задача 3. Определить объём воздуха, необходимого для горения 5 м смеси газов, состоящих из 20% – СН4; 40% – С
10% – СО; 5% – N2 и 25% – O2, если коэффициент избытка воздуха 1,8.
Рекомендуемая литература: [1, 2, 5, 7]
; температура воздуха 305 К, давление 99500 Па.
2Н2
;
- 10 -
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]