Как рассчитать теплоту сгорания

Расчет теплоты сгорания веществ

Расчетные формулы. При расчетах теплового баланса на пожаре определяют, как правило, низшую теплоту сгорания (табл.2.1):

где Q_B—высшая теплота сгорания; Q_H-низшая теплота сгорания;

Q_ИС— теплота испарения воды, выделяющейся при сгорании вещества.

Тип горючего вещества	Расчет теплоты сгорания	Размерность
Индивидуальное вещество	Qн= (2.2)	кДж/моль;
Вещества сложного Состава (формула Д.И.Менделеева)	Qн=339,4С+1257Н-108,9(О-S)-25,1(9H+W)(2.3)	кДж/кг
Смесь газов	Qн= Hi∙φri (2.4)	кДж/моль; кДж/м 3

где — соответственно теплоты образования одного кмоля i-го конечного продукта горения и исходного вещества;

, — соответственно количество кмолей -гопродукта реакции и исходного вещества в уравнении реакции горения;

С, Н,S,W- соответственно содержание, %вес, углерода, серы, водорода, влаги в составе вещества;

Q_Hi—низшая теплота сгорания -го горючего компонента газовой смеси, кДж/моль; кДж/м 3

Расчет теплоты сгорания газовоздушных смесей проводят по формуле по формуле

Q см _н= Q_нφ_r (2.5),

φ_ri— концентрация горючего в смеси, % об.

Удельная скорость (интенсивность) тепловыделения при горении:

q-удельная интенсивность тепловыделения,кВт/м 3 ;

m-массовая скорость выгорания, кг/(м 2 ∙с).

Скорость тепловыделения при горении:

где Q-интенсивность тепловыделения, кВт;

F-площадь горения, м 3.

Примеры решения задач

Определить низшую теплоту сгорания уксусной кислоты, если теплота ее образования 485,6 кДж/моль;

Решение: Для расчета по формуле (2.2)запишем уравнение горения уксусной кислоты в кислороде:

Q_H=(2∙396,9+2∙242,2-1∙485,6)=792,6 кДж/моль=792,6∙10 3 кДж/моль;

Для расчета количества тепла, выделяющегося при горении 1кг горючего, необходимо полученную величину разделить на его молекулярную масса (64):

Q_H=792,6∙10 3 /64=12384кДж/кг.

Рассчитать низшую теплоту сгорания органической массы состава:

С-62%, Н-8%, О-28%, S-2%.

Решение: По формуле Д.И.Менделеева(2.3)

Определить низшую теплоту сгорания газовой смеси, состоящей из

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

По формуле (2.4)определим теплоту сгорания газовой смеси:

Q_H=1/100∙(547.8∙40+2666,1∙20+338,6∙5+317,2∙10)10 3 =1020∙10 3 кДж/кг.

Для определения теплоты сгорания 1м 3 газовой смеси необходимо полученное значение разделить на объем, занимаемый 1 Кмолем газа при стандартных условиях(24,4м 3 ):

Q_H=1020∙10 3 /24,4=41803 кДж/кг.

Рассчитать теплоту сгорания 1м 3 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) принимаем за 100%,а количество горючего(1кмоль)будет соответствовать стехиометрической концентрации:

Φ_ст=

Теплоту сгорания 1м 3 гексана определим по формуле (2.2) или по табл. Приложения 3.

Q_H= 10 3 =170,1 10 3 кДж/м 3

Теплоту сгорания 1м 3 стехиометрической гексано- воздушной смеси определим по формуле (2.5.):

Q_H см =170,1∙10 3 ∙2,2/100=3742 кДж/м 3

Определить интенсивность тепловыделения на пожаре органической массы (состав в примере 2), если скорость выгорания 0,015кг/(м 2 /с), а площадь пожара 150м 2.

Решение: согласно формуле (2.7): Q_H=26460,0∙0,15∙150=59,5∙10 3 кВт

Контрольные задачи

1. Определить низшую теплоту сгорания 1м 3 этана, пропана, пентана, гексана. Построить график зависимости от молекулярной массы горючего. Теплоты образования горючих веществ: этан-88,4кДж/моль, пропан-109,4 кДж/моль, бутан-132,4 кДж/моль, пентан-184,4 кДж/моль, гексан-211,2 кДж/моль.

3. Определить низшую теплоту сгорания 2кг древесины состава: С-49%, Н-8%, О-43%. Какова удельная интенсивность тепловыделения на пожаре, если массовая скорость выгорания составляет 0,01кг/(м 2 /с)?

4. Для условия предыдущей задачи определить изменения теплоты и удельной интенсивности тепловыделения при содержании влаги в древесине(сверх 100%)в количестве 3,5,10,15%. Скорость выгорания влажной древесины соответственно снизиться до 0,009; 0,008; 0,006; 0,005 кг/(м 2 /с). Построить график зависимости Q_H,q

от содержания влаги в горючем материале. Примечание:для решения задачи необходимо пересчитать состав древесины с учетом влаги таким образом, чтобы содержание всех компонентов равнялось100%.

5. Определить интенсивность тепловыделения кВт, при горении газовой смеси состава: СО-15%, С₄Н₈-40%, О₂-20%, Н₂-14%, СО₂-11%., если скорость истечения 0,8м 3 /с.

Расчет температуры горения

Температура горения определяется из уравнения я теплового баланса:

Q_H= _рi∙V_пri(T_r-T_o) (2.8)

При этом адиабатическая температура горения:

Т_r * =Т_а + Q_H/ _рi∙V_пri+C_pB∆V_B; (2.9)

А действительная температура горения:

Т_r=Т_а+ Q_пr/ pi∙V_пri+ C_pB∆V_B;

где, Т_r * и Т_r –соответственно адиабатическая и действительная температуры горения;

Т₀ –начальная температура;

V_пri –объем i-го продукта горения;

∆V_B –избыток воздуха;

Q_H –низшая теплота горения вещества;

𝛈 –доля теплопотерь в результате излучения энергии, химического и механического недожога.

Расчет температуры горения по формуле (2.9) или (2.10)может быть проведен только методом последовательных приближений, поскольку теплоемкость газов зависит от температуры горения (табл.2.3.)

Определяемые параметры	Примечание
1	Объем и состав продуктов горения	(§1.2) кмоль, м 3
2	Низшая теплота горения или количество тепла, пошедшего на нагрев продуктов горения (при наличии тепло потерь)	QпrQH кДж/моль, кДж/кг
3	Среднее значение энтальпии продуктов горения	∆Нср= Qн(пr)/ Vпri (2.12)
4	По средней энтальпии с помощью табл.1 ( если ∆Нср выражена к кДж/кмоль) или табл.2 ( если ∆Нср выражена к кДж/м 3 ), ориентируясь на азот ( наибольшее содержание в продуктах горения), определяем приближенно температуру горения Т1( табл.1, 2)
5	Рассчитываем теплосодержание продуктов горения с температурой, равной Т1(табл. 1, 2)	Qпr= i∙Vi (2.13)
6	Сравниваем QпrcQн(пr), если Qпr Т2( в этом случае, если Qпr>Qн(пr),то задается Т1 1 пr 2 (пr),
9	Интерполяцией определяем температуру горения	Тr=Т1+ .(2.14)

Действительная температура горения на пожаре для большинства газообразных, жидких и твердых веществ изменяется в достаточно узких пределах(1300+1800К).

В связи с этим расчет действительной температуры горения может быть значительно упрощен, если теплоемкость продуктов горения выбирать при температуре 1500К:

Тr=Т₀+ ; (2.15)

где – теплоемкость i-го продукта горения при 1500К (табл. 2.4)

Вещество

Теплоемкость

Примеры решения задач

Дата добавления: 2018-08-06 ; просмотров: 13547 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Электронная библиотека

Химические реакции сопровождаются поглощением или выделением энергии, в частности тепла. реакции, сопровождающиеся поглощением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются эндотермическими. При эндотермических реакциях нагрев реагирующих веществ необходим не только для возникновения реакции, но и в течение всего времени их протекания. Без нагревания извне эндотермическая реакция прекращается.

реакции, сопровождающиеся выделением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются экзотермическими. Все реакции горения относятся к экзотермическим. Вследствие выделения тепла они, возникнув в одной точке, способны распространяться на всю массу реагирующих веществ.

Количество тепла, выделяемое при полном сгорании вещества и отнесенное к одному молю, единице массы (кг, г) или объема (м 3 ) горючего вещества называется теплотой сгорания. Теплоту сгорания можно вычислить по табличным данным, пользуясь законом Гесса. Русский химик Г.Г. Гесс в 1840 г. открыл закон, который является частным случаем закона сохранения энергии. Закон Гесса состоит в следующем: тепловой эффект химического превращения не зависит от пути, по которому реакция протекает, а зависит лишь от начального и конечного состояний системы при условии, что температура и давление (или объем) в начале и в конце реакции одинаковы.

Те же продукты образуются при сгорании водорода и углерода. При этих реакциях общее количество выделяющегося тепла равно 963,5 кДж.

Поскольку начальные и конечные продукты в обоих случаях одинаковы, их общие тепловые эффекты должны быть равны согласно закону Гесса, т.е.

Следовательно, теплота сгорания метана будет равна

Q_гор = 963,5 — 74,8 = 888,7 кДж/моль.

Таким образом, теплота сгорания химического соединения (или их смеси) равна разности между суммой теплот образования продуктов сгорания и теплотой образования сгоревшего химического соединения (или веществ, составляющих горючую смесь). Следовательно, для определения теплоты сгорания химических соединений необходимо знать теплоту их образования и теплоту образования продуктов, получающихся после сгорания.

Ниже приведены значения теплот образования некоторых химических соединений:

Диоксид углерода CO₂ ………

Пример 1.5.Определить температуру сгорания этана, если теплота его образования Q₁ = 88,4 кДж. Напишем уравнение горения этана.

Для определения Q_гор необходимо знать теплоты образования продуктов сгорания. теплота образования диоксида углерода 396,9 кДж, а воды 286,6 кДж. Следовательно, Q будет равно

а теплота сгорания этана

Теплоту сгорания экспериментально определяют в калориметрической бомбе и газовом калориметре. Различают высшую и низшую теплоты сгорания. Высшей теплотой сгорания Q_в называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 горючего вещества при условии, что содержащийся в нем водород сгорает с образованием жидкой воды. Низшей теплотой сгорания Q_н называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 горючего вещества при условии сгорания водорода до образования водяного пара и испарении влаги горючего вещества.

Высшую и низшую теплоты сгорания твердых и жидких горючих веществ можно определить по формулам Д.И. Менделеева:

где Q_в, Q_н — высшая и низшая теплоты сгорания, кДж/кг; W – содержание в горючем веществе углерода, водорода, кислорода, горючей серы и влаги, %.

Пример 1.6. Определить низшую температуру сгорания сернистого мазута, состоящего из 82,5 % С, 10,65 % Н, 3,1 % S и 0,5 % О; А (зола) = 0,25 %, W = 3 %. Используя уравнение Д.И. Менделеева (1.13), получаем

Низшую теплоту сгорания 1 м 3 сухих газов можно определить по уравнению

Низшая теплота сгорания некоторых горючих газов и жидкостей, полученная экспериментально, приведена ниже:

Низшая теплота сгорания некоторых горючих материалов, рассчитанная по их элементному составу, имеет следующие значения:

в конструкциях зданий…

Существует нижний предел теплоты сгорания, ниже которого вещества становятся не способными к горению в атмосфере воздуха.

Эксперименты показывают, что вещества являются негорючими, если они не относятся к взрывоопасным и если их низшая теплота сгорания в воздухе не превышает 2100 кДж/кг. Следовательно, теплота сгорания может служить для ориентировочной оценки горючести веществ. Однако следует отметить, что горючесть твердых веществ и материалов в значительной степени зависит и от их состояния. Так, лист бумаги, легко воспламеняющийся от пламени спички, будучи нанесенным на гладкую поверхность металлической плиты или бетонной стены, становится трудногорючим. Следовательно, горючесть веществ зависит также от скорости отвода тепла из зоны горения.

Практически в процессе горения, особенно на пожарах, указанная в таблицах теплота сгорания полностью не выделяется, так как горение сопровождается недожогом. Известно, что нефтепродукты, а также бензол, толуол, ацетилен, т.е. вещества, богатые

углеродом, горят на пожарах с образованием значительного количества сажи. Сажа (углерод) способна гореть и выделять тепло. Если при горении она образуется, то, следовательно, горючее вещество выделяет тепла меньше того количества, которое указано в таблицах. Для веществ, богатых углеродом, коэффициент недожога h составляет 0,8 — 0,9. Следовательно, на пожарах при горении 1 кг резины может выделиться не 33520 кДж, а только 33520´0,8 = 26816 кДж.

Размер пожара обычно характеризуется площадью пожара. Количество тепла, выделяющееся с единицы площади пожара в единицу времени, называют теплотой пожара Q_п

где υ_м – массовая скорость выгорания, кг/(м 2 ×с).

Удельная теплота пожара при внутренних пожарах характеризует тепловую нагрузку на конструкции зданий и сооружений и используется для расчета температуры пожара.

1.6. Температура горения

Выделяющееся в зоне горения тепло воспринимается продуктами сгорания, поэтому они нагреваются до высокой температуры. Та температура, до которой в процессе горения нагреваются продукты сгорания, называется температурой горения. Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры горения. Действительная температура горения для условий пожара называется температурой пожара.

Под калориметрической температурой горения понимают ту температуру, до которой нагреваются продукты полного сгорания при следующих условиях:

1) всё выделяющееся при горении тепло расходуется на нагревание продуктов сгорания (потери тепла равны нулю);

2) начальные температуры воздуха и горючего вещества равны 0 0 С;

3) количество воздуха равно теоретически необходимому (a = 1);

4) происходит полное сгорание.

Калориметрическая температура горения зависит только от состава горючего вещества и не зависит от его количества.

Теоретическая температура, в отличие от калориметрической, характеризует горение с учетом эндотермического процесса диссоциации продуктов сгорания при высокой температуре

Практически диссоциацию продуктов сгорания необходимо учитывать только при температуре выше 1700 0 С. При диффузионном горении веществ в условиях пожара действительные температуры горения не достигают таких значений, поэтому для оценки условий пожара используют только калориметрическую температуру горения и температуру пожара. Различают температуру внутреннего и наружного пожара. Температура внутреннего пожара – это средняя температура дыма в помещении, где происходит пожар. Температура наружного пожара – температура пламени.

При расчете калориметрической температуры горения и температуры внутреннего пожара исходят из того, что низшая теплота сгорания Q_н горючего вещества равна энергии q_г, необходимой для нагревания продуктов сгорания от 0 0 С до калориметрической температуры горения

Величину q_г назовем условно теплосодержанием продуктов сгорания

q_г = ,

Поскольку продукты сгорания состоят из нескольких газообразных веществ, теплоемкость которых различна, суммарное теплосодержание их может быть выражено следующим образом:

,

В действительности не вся теплота, выделяющаяся при горении в условиях пожара, расходуется на нагревание продуктов сгорания. Большая часть её расходуется на нагревание конструкций, подготовку горючих веществ к горению, нагревание избыточного воздуха и др. Поэтому температура внутреннего пожара значительно ниже калориметрической. Методика расчета температуры горения предполагает, что весь объем продуктов сгорания нагрет до одной и той же температуры. В действительности температура в различных точках очага горения неодинакова. Наиболее высокой является температура в области пространства, где протекает реакция горения, т.е. в зоне горения (пламени). Значительно ниже температура в местах, где находятся горючие пары и газы, выделившиеся из горящего вещества и продуктов сгорания, смешавшихся с избытком воздуха.

Чтобы судить о характере изменения температуры при пожаре в зависимости от различных условий горения, введено понятие среднеобъемной температуры пожара, под которой понимают среднее значение из величины температур, измеренных термометрами в различных точках внутреннего пожара. Эта температура определяется из опыта.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Источник