2. Тепловой баланс процессов горения

2.1. Расчет теплоты сгорания веществ Расчетные формулы

При расчетах теплового баланса на пожаре определяют низшую теплоту сгорания (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Расчет теплоты сгорания

Тип горючего вещества	Расчет теплоты сгорания	Размерность
Индивидуальное вещество	(2.1)	кДж/моль
Вещество сложного состава (формула Д.И. Менделеева)	(2.2)	кДж/кг
Смесь газов	(2.3)	кДж/моль; кДж/м3

где , - соответственно теплота образования одного моля i-го конечного продукта горения и j-го исходного вещества;

C, H, O, N, S, W – содержание (% масс.) углерода, водорода, кислорода, азота, серы, влаги в составе вещества;

- низшая теплота сгорания i-го горючего компонента газовой смеси (кДж/моль, кДж/м³);

- содержание i-го горючего компонента в газовой смеси (% об.).

Расчет теплоты сгорания газо-воздушных смесей проводят по формуле:

, (2.4)

где - теплота сгорания газо-воздушной смеси (кДж/моль, кДж/м³);

- низшая теплота сгорания горючего вещества (кДж/моль, кДж/м³);

- концентрация i-го горючего в смеси (% об.).

Предельная скорость (интенсивность) тепловыделения при сгорании:

, (2.5)

где q – удельная интенсивность тепловыделения (кВт/м²);

- низшая теплота сгорания горючего вещества (кДж/моль, кДж/м³);

- массовая скорость выгорания (кг/(м²·с)).

Скорость тепловыделения при горении:

, (2.6)

где Q – интенсивность тепловыделения, кВт;

S – площадь горения, м².

Низшая теплота сгорания математически связана с нижним концентрационным пределом воспламенения вещества следующим образом

,

где - нижний концентрационный предел воспламенения вещества;

- предельная теплота сгорания, равная 1830 кДж/м³.

Примеры

Пример 1. Определить низшую теплоту сгорания уксусной кислоты (кДж/моль, кДж/кг), если теплота ее образования составляет 485,6 кДж/моль.

Решение.

Для расчета по формуле (2.1) запишем уравнение реакции горения уксусной кислоты в кислороде:

,

.

Для расчета количества тепла, выделяющегося при сгорании 1 кг горючего, необходимо полученную величину разделить на его молекулярную массу, равную 64:

Пример 2. Рассчитать низшую теплоту сгорания органической массы состава: C – 62 %, H – 8 %, O – 28 %, S – 2 %.

Решение.

По формуле Д.И. Менделеева (2.2) находим:

Пример 3. Определить низшую теплоту сгорания газовой смеси состава, % об.: CH₄ – 40, C₄H₁₀ – 20, O₂ – 15, H₂S – 5, NH₃ – 10, CO₂ – 10.

Решение.

Для каждого горючего компонента смеси по формуле (2.1) находим теплоты сгорания (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Теплоты сгорания некоторых горючих газов

Уравнение реакции горения	Теплота образования горючего, кДж/моль	Теплота сгорания .10-3, кДж/кмоль
	333,5
	132,5
	201,1
	46,1

По формуле (2.3) определим теплоту сгорания газовой смеси:

Для определения теплоты сгорания 1м³ газовой смеси необходимо полученное значение разделить на объем, занимаемый 1 кмолем газа при стандартных условиях (24,5 м³):

Пример 4. Рассчитать теплоту сгорания 1 м³ стехиометрической гексано-воздушной смеси.

Решение.

Находим стехиометрический состав горючей смеси по уравнению реакции горения:

Весь объем вступивших в реакцию компонентов (1 + 9,5 + 9,5^.3,76) примем за 100 %, а количество горючего (1 кмоль) будет соответствовать стехиометрической концентрации:

Теплоту сгорания 1 м³ гексана определим по формуле (2.1) или по табл. 3 приложения:

Теплоту сгорания 1 м³ стехиометрической гексано-воздушной смеси определим по формуле (2.4):

Пример 5. Определить низшую теплоту сгорания ацетона, если неизвестна стандартная теплота его образования.

Решение.

Представим ацетон, как сложную смесь химических элементов, и определим процентный состав этой смеси:

Определяем низшую теплоту сгорания ацетона по формуле Д.И. Менделеева: