Состав продуктов горения зависит от химической природы горючего материала и условий его горения. Практически всегда органические вещества горят с образованием продуктов полного и неполного горения.
К продуктам полного сгорания относятся: углекислый газ, образующийся при горении углерода, разложении карбонатов; водяной пар, образующийся при горении водорода и испарении влаги в исходном веществе; оксид серы (IV) SO2 и азот – продукты горения соединений, содержащих серу и азот.
Продукты неполного сгорания – это оксид углерода (II) – угарный газ СО, сажа С, продукты термоокислительного разложения – смолы.
Неорганические вещества сгорают, как правило, до соответствующих оксидов.
Выход продуктов горения количественно установить невозможно из-за чрезвычайной сложности их состава, поэтому материальный баланс процесса горения рассчитывается из предположения, что вещество сгорает полностью до конечных продуктов. При этом в состав продуктов горения включают также азот воздуха, израсходованного на горение, и избыток воздуха при a > 1.
Как и в случае расчета объема воздуха, необходимого для горения, свои особенности имеет расчет продуктов горения для индивидуальных веществ, смеси газов и веществ с известным элементным составом.
Уравнение теплового баланса процесса горения
Тепловое воздействие - один из наиболее опасных факторов пожара, который вызывает основные разрушения, уничтожает материальные ценности, вызывает гибель людей, определяет обстановку на пожаре, создает огромные трудности при его ликвидации. Расчет тепловых явлений, сопровождающих горение, позволяет принять правильные и своевременные меры противопожарной защиты.
Рассмотрим тепловые процессы, протекающие при горении. Статьи теплового баланса складываются из следующих составляющих:
Приход: Qгop - теплота горения. Это основная статья приходной части
теплового баланса.
Qиcx - энтальпия исходных продуктов, т.е. внутренняя теплота
горючего и окислителя, приходит вместе с ними в зону
горения. Зависит от агрегатного состояния и химической
природы горючего.
Расход: Qпг - теплота, уходящая с продуктами горения. Так как продукты
горения создают конвективный поток над пламенем, то Qпг
называют также Qконв - теплотой конвекции или
конвективной теплотой. Qпг колеблется в пределах 35-95 %
от Qгop.
Qнедож - это часть потенциальной химической энергии исходного
горючего вещества, заключенная в продуктах неполного
горения, уходящих из пламени. В зависимости от условий
газообмена и вида горючего Qнедож составляет 5-25 % от
Qгop.
Qи - теплота излучения пламени. Небольшая часть ее уходит с
конвективным потоком, а также падает на горящую
поверхность, основная часть излучается в окружающую
среду. Величина Qи достигает до 40 % от Qгop.
С учетом перечисленных составляющих уравнение теплового баланса процесса горения будет выглядеть следующим образом:
Qисх + Qгор =Qгор + Qи + Qнедож.
Анализ этого уравнения показывает, что практически единственным источником тепловой энергии любого процесса горения, а значит, и любого пожара, является тепловой эффект химических реакций окисления в пламени, т.е. теплота горения, которая относится к важнейшим характеристикам пожарной опасности веществ и материалов.
Теплота горения
Удельная теплота горения - это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества. Размерность - кДж/моль, кДж/кг или кДж/м3.
В зависимости от агрегатного состояния воды в продуктах горения различают низшую и высшую теплоту горения. Если вода находится в парообразном состоянии, то теплота горения низшая Qн, если пары воды конденсируются в жидкость, то теплота горения высшая Qв.
Температура пламени достигает 1000 К и выше, а вода кипит при 373 К, поэтому в продуктах горения на пожаре вода всегда находится в парообразном состоянии, и для тепловых расчетов в пожарном деле используется низшая теплота горения.
Теплота горения индивидуального химического соединения рассчитывается как тепловой эффект химической реакции по следствию из закона Гесса:
DНгор = S(DНi)пг - S(DНi)исх, кДж/моль,
где DНгор - тепловой эффект реакции горения, кДж/моль;
S(DНi)исх – сумма теплот образования исходных веществ из элементов, кДж/моль;
S(DНi)пг - сумма теплот образования продуктов горения из элементов вещества, кДж/моль.
Значения низшей теплоты сгорания веществ и материалов могут быть рассчитаны по формуле Д.И.Менделеева. Данная формула может быть использована для расчетов Qн веществ сложного элементного состава, а также для любых индивидуальных веществ, если предварительно рассчитать массовую долю каждого элемента в соединении:
где %С, %Н, %S, %О и %W - содержание в веществе углерода, водорода, серы, кислорода и влаги, % масс.
Теплота горения смеси газов или паров - определяется как сумма произведений теплот горения каждого горючего компонента на его объемную долю в смеси.
Температура горения
В технике и пожарном деле различают теоретическую, калориметрическую, адиабатическую и действительную температуру горения.
Теоретическая температура горения - это температура, при которой выделившаяся теплота горения смеси стехиометрического состава расходуется на нагрев и диссоциацию продуктов горения. Практически диссоциация продуктов горения начинается при температуре выше 2000 К.
Калориметрическая температура горения - это температура, которая достигается при горении стехиометрической горючей смеси, с начальной температурой 273 К и при отсутствии потерь в окружающую среду.
Адиабатическая температура горения - это температура полного сгорания смесей любого состава при отсутствии тепловых потерь в окружающую среду.
Действительная температура горения - это температура горения, достигаемая в условиях реального пожара. Она намного ниже теоретической, калориметрической и адиабатической, т.к. в реальных условиях до 40 % теплоты горения обычно теряется на излучение, недожог, нагрев избытка воздуха и т.д.
Следует отметить, что с увеличением коэффициента избытка воздуха a в продуктах горения появляется дополнительное (по сравнению с теоретическим) количество воздуха, на подогрев которого затрачивается теплота. Это приводит к уменьшению температуры:
Экспериментальное определение температуры горения для большинства горючих веществ представляет значительные трудности, особенно для жидкостей и твердых материалов. Однако в ряде случаев теория позволяет с достаточной для практики точностью вычислить температуру горения веществ, основываясь только на знании их химической формулы, состава исходной горючей смеси и продуктов горения.
В общем случае для вычислений используется следующая зависимость (приближенная, так как ср = f(T)):
Qпг = Vпг×Ср×Тг,
где Qпг - энтальпия продуктов горения;
Vпг - количество продуктов горения, м3/кг;
Ср - средняя объемная теплоемкость смеси продуктов горения в
интервале температур от Т0 до Тг, кДж/(м3×К);
Тг - температура горения, К.
Энтальпия продуктов горения определяется из уравнения теплового баланса:
Qпг = Qh + Qисх - Qпot,
где Qпот = Qи + Qнедож + Qдисс.
В зависимости от рода учитываемых потерь теплоты в зоне горения (на излучение, недожог, диссоциацию продуктов горения) вычисляется та или иная температура.
При кинетическом горении газопаровоздушных смесей потери теплоты из зоны горения пренебрежимо малы, поэтому для этих смесей действительная температура горения близка к адиабатической, которую и используют в пожарно-технических расчетах.
Для расчета температуры горения используют среднюю теплоемкость смеси продуктов горения, определить которую очень сложно. Ориентировочно энтальпия смеси продуктов горения может быть выражена как сумма энтальпий ее компонентов. Температура горения при этом рассчитывается методом итераций (последовательных приближений), так как теплоемкость сильно зависит от температуры.
При расчете калориметрической температуры горения исходят из того, что теплопотери в окружающую среду отсутствуют, и в этом случае низшая теплота сгорания горючего вещества (Qн) равна теплосодержанию продуктов горения (QПГ), т.е. энергии, необходимой для нагревания продуктов горения от 00С до теоретической температуры горения.
В реальных условиях температура горения зависит не только от состава горючего материала, но и от условий горения: разбавления продуктов горения избыточным воздухом (что учитывается коэффициентом избытка воздуха a), начальной температуры воздуха, полноты сгорания исходного горючего материала и наличия теплопотерь (коэффицент теплопотерь h).
В зависимости от рода учитываемых потерь теплоты из зоны горения вычисляется та или иная температура горения.
Методика расчета адиабатической температуры горения стехиометрической смеси регламентируется Приложением 11 ГОСТ 12.1.044-89*.
Задача вычисления адиабатической температуры горения сводится к нахождению такой температуры (Т'), при которой наблюдается равенство внутренних энергий исходных веществ и продуктов их горения.
С энергетической стороны процессы горения характеризуются двумя основными факторами: теплотой и температурой горения. Эти же факторы характеризуют и энергетику пожара. Величина их зависит от пожарной нагрузки объекта.
Пожарную нагрузку любого объекта можно рассматривать как источник потенциальной химической энергии Е0, которая способна выделяться в виде тепловой энергии или теплоты пожара при его возникновении. Потенциальная теплота пожара может быть выражена через суммарную массу горючих веществ и материалов Р и их теплоту горения Qh. Если горючий материал неоднороден, то потенциальную теплоту пожара можно выразить следующим образом:
Е0 = QнР, кДж.
Поскольку при горении вещество сгорает не полностью, а имеет место химический недожог, то для его учета вводится коэффициент полноты горения:
Е0 = Кп×Qн×Р,
где Кп - коэффициент полноты горения (обычно Кп = 0,76 - 0,95).
Для отдельных реальных объектов Е0 будет определяться суммой теплот горения всех видов пожарной нагрузки:
Е0 = Fп S(Кп,i×Qн,i×Рi).
Для облегчения расчетов в пожарном деле используют, так называемую, приведенную пожарную нагрузку.
Приведенная пожарная нагрузка - это пожарная нагрузка реального объекта, выраженная массой условной древесины, при полном сгорании которой выделяется эквивалентное количество теплоты. В этом случае потенциальная теплота пожара определяется следующим выражением:
Е0 = Fп Кп QнпрРпнпр,
где Qнпр - приведенная теплота горения пожарной нагрузки (т.е. удельная
теплота горения условной древесины), кДж/кг;
Рпнпр - приведенная пожарная нагрузка, кг/м2;
Fп - площадь выгородки, помещения и т.п. с негорючими
ограждениями, м2.
Для прогнозирования теплового режима пожара важное значение имеет интенсивность тепловыделения, которую принято называть удельной теплотой пожара.
Удельная теплота пожара qo - это количество теплоты, выделяющейся с единицы площади пожара в единицу времени, МДж/м2×с или МВт/м2:
qo = Qн Um,
где Um - удельная скорость выгорания пожарной нагрузки, кг/м2×с.
Химизация народного хозяйства постоянно ведет к расширению сферы использования синтетических материалов и, как следствие, к неминуемому росту пожарной опасности объектов, росту теплоты пожара на них. Исследования показали, что удельная теплота пожара на объектах с пожарной нагрузкой из полимеров примерно в полтора раза выше, чем с традиционным материалом - древесиной.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На этой лекции мы рассмотрели очень кратко и только основные понятия, закономерности и характеристики процессов горения. Каждый из рассмотренных вопросов является достаточно сложным и объемным, их невозможно полностью раскрыть в рамках одной лекции. Ряд из рассмотренных вопросов мы будем более глубоко изучать на последующих занятиях, однако, упущения в изучении изложенного материала не позволят освоить последующий материал. Поэтому, для полного изучения и понимания материала, а также его закрепления, вам необходимо изучить предложенную в начале занятия литературу.