Коэффициент избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха используется в различных областях науки и техники, связанных с процессами горения. При этом, при решении различных задач он может принимать несколько различный физический смысл, т.е. под одним и тем же параметром понимают разные понятия. Поэтому целесообразно сразу разобрать коэффициент избытка воздуха по его применению. Условно это можно представить в виде схемы на рис.1

Рис. 1. Коэффициент избытка воздуха

В замкнутых объемах без доступа воздуха т.е. приток воздуха Gвозд=0 Физический смысл заключается в том, на сколько не полностью может быть (или был) задействован кислород воздуха при горении   может быть только Применение: инженерные расчеты горения в замкнутых объемах

Показывает отклонение газопаровоздушной смеси от стехиометрическго состава.   При стехиометрической концентрации горючего α=1 Возможные значения ограничены КПР         Применение: двигатели внутреннего сгорания

В закрытых объемах с доступом воздуха через проемы т.е. приток воздуха Gвозд>0   Показывает отношение расхода поступающего воздуха в помещение к требуемому расходу воздуха на горение пожарной нагрузки         значение может быть и больше и меньше единицы   Применение: расчет параметров развития внутренних пожаров, наступления ОФП

Коэффициент избытка воздуха при кинетическом горении показывает отклонение газопаровоздушной смеси от стехиометрической концентрации. При стехиометрической концентрации α=1. В данном случае коэффициент избытка воздуха может быть как больше, так и меньше 1, но ограничен область воспламенения.

Величина a является важной характеристикой машин и агрегатов, в которых осуществляется организованное горение.

Для горючих смесей стехиометрического состава (т.е. состава, соответствующего уравнению реакции горения), где коэффициент избытка воздуха a = 1, реальный расход воздуха равен теоретическому. В этом случае обеспечивается оптимальный режим горения. Однако добиться полной однородности смеси чрезвычайно трудно. Существующие для этой цели технические средства не позволяют в полной мере обеспечить стехиометрическое соотношение компонентов при реакции горения и создать однородную смесь. Регулирование значения коэффициента избытка воздуха дает возможность максимально приблизиться к оптимальным условиям сжигания.

Почти всегда a несколько больше единицы и находится в интервале значений:

1,02 – 1,3 в зависимости от характера сжигаемого вещества. Именно этим обусловлено название коэффициента a - коэффициент избытка воздуха. В действительности для кинетического горения его значения могут быть как больше, так и меньше 1.

При a > 1 горючую смесь называют бедной по горючему компоненту, а при a < 1 – богатой по горючему компоненту. В технике эти понятия имеют очень большое значение для правильного управления организованным горением (двигатели внутреннего сгорания, теплогенерирующие агрегаты и т.д.).

Сгорание богатых смесей, как правило, приводит к перерасходу горючего и возникновению экологических загрязнений атмосферы. Бедные смеси не обеспечивают оптимальных режимов работы машин и приводят к снижению их КПД.

Избыток воздуха имеется только в смеси, бедной по горючему компоненту. Избыток воздуха равен:

DV_в= V_в^теор(a -1)

В условиях пожара обычно преобладает диффузионный режим горения. В закрытом объеме диффузионное горение большинства горючих материалов возможно только до определенной пороговой концентрации кислорода, так называемой остаточной концентрации кислорода в продуктах горения. Т.е. при диффузионном горении, кислород воздуха не весь задействуется на горение. Для различных веществ и материалов остаточное содержание кислорода в продуктах сгорания может составлять 8-16%. Таким образом, на горение расходуется только часть кислорода, поэтому для полного сгорания рассматриваемого вещества потребуется воздуха больше, чем теоретически необходимое.

Следует отметить, что прекращение горения в закрытых объемах обусловлено не только снижением концентрации кислорода, но и флегматизирующим действием дыма.

Коэффициент избытка воздуха для диффузионного горения в закрытых объемах без доступа воздуха, правильнее назвать коэффициент участия воздуха в горении. Эта характеристикаболее полно отражает суть процесса горения на пожаре и не дает ошибочных представлений и понятий. Это важный параметр, определяющий динамику развития пожара и, как следствие, развитие его опасных факторов.

Отношение объема воздуха, практически пошедшего на горение при диффузионном горении, к теоретически необходимому, называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается греческой буквой α (альфа):

его можно определить также по выражению:

где концентрация кислорода в воздухе до начала горения, в объемных %, обычно, если не задано иное, принимают 21%;

- концентрация кислорода в воздухе, при которой прекращается горение данного вещества (остаточное содержание кислорода), в объемных %.

Физический смысл коэффициента избытка воздуха при диффузионном горении в закрытом объеме без доступа воздуха заключается в том, на сколько не полностью может быть (или был) задействован кислород воздуха при горении.

Формула для расчета практического объема воздуха для сгорания заданного количества горючего вещества имеет вид:

, м³;

где α - коэффициент избытка воздуха.

При этом, очевидным является, что при горении в диффузионном режиме, коэффициент избытка воздуха может иметь значения более 1. На практике значение этого коэффициента обычно составляет 2-5.

Расчет объема воздуха, необходимого для горения, предполагает вычисление:

а) теоретического объема воздуха V_в^теор и б) практического объема воздуха V_в^пр, затраченного на горение (с учетом коэффициента избытка воздуха).

Алгоритм расчета теоретического количества воздуха зависит от агрегатного состояния вещества и его химической природы. Для удобства вычислений горючие вещества подразделяют на три основные группы:

· индивидуальные химические соединения с известной химической формулой (метан, ацетон, спирты и т.д.);

· конденсированные горючие вещества неизвестного химического строения, но с известным элементным составом (элементный состав отражает содержание в веществе химических элементов С, Н, О, S, N, C1 и др. в % масс.);

· смесь газов или паров.