Теплота горения, ее виды и расчеты

Вопрос №6. Теплота горения, ее виды и расчеты.

 

Теплота́ сгора́ния — (теплота горения) это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания (дж или кал на 1 кг, м³ или моль).

 

Для её измерения пользуются методами калориметрии. Теплота сгорания определяется химическим составом горючего вещества. Содержащиеся в горючем веществе химические элементы обозначаются принятыми символами С, Н, О, N, S, а зола и вода — символами А и W соответственно.

 

Теплоту сгорания можно вычислить, используя закон Гесса. Русский химик Г.Г. Гесса в 1840 году открыл закон, который является частным случаем закона сохранения энергии.

 

Закон Гесса формируется следующим образом.

 

Тепловой эффект химического превращения не завис от пути, по которому протекает реакция, а зависит лишь от начального и конечного состояния системы при условии,что температура и давление (или объем) в начале и в конце реакции одинаковые.

 

Виды теплоты сгорания

 

Теплота сгорания может быть отнесена к рабочей массе горючего вещества QP, то есть к горючему веществу в том виде, в каком оно поступает к потребителю; к сухой массе вещества QC; к горючей массе вещества QΓ, то есть к горючему веществу, не содержащему влаги и золы.

 

Различают высшую (QB) и низшую (QH) теплоту сгорания.

 

Высшей теплотой сгорания QВ называется количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы горючего вещества при условии, что образующиеся в продуктах горения пары конденсируются с образованием жидкой воды.

 

Низшая теплота горения QН горючего вещества называется количество теплоты,которая выделяется при полном сгорании единицы горючего вещества и условии, что влага, содержащаяся в продуктах горения, находиться в парообразном состоянии.

 

Низшая и высшая теплота сгорания связаны соотношением: QB=QH+k(W+9H),

 

где k — коэффициент, равный 25 кДж/кг (6 ккал/кг); W — количество воды в горючем веществе, % (по массе); Н — количество водорода в горючем веществе, % (по массе).

Расчёт теплоты сгорания

 

Таким образом, высшая теплота сгорания — это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема (для газа) горючего вещества и охлаждении продуктов сгорания до температуры точки росы. В теплотехнических расчетах высшая теплота сгорания принимается как 100 %. Скрытая теплота сгорания газа — это теплота, которая выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Теоретически она может достигать 11 %.

На практике, не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (QHp), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в веществе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):

 

QPH=QPB−2514⋅((9HP+WP)/100) (для твердого вещества)

 

или

 

QPH=QPB−600⋅((9HP+WP)/100) (для жидкого вещества), где:

 

 • 2514 — теплота парообразования  при температуре 0 °C и атмосферном  давлении, кДж/кг;

 

 • HP и WP — содержание водорода  и водяных паров в рабочем  топливе, %;

 

 • 9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода  в соединении с кислородом  образуется 9 кг воды.

 

Теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, так как определяет количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 или 4,19 кДж.

 

Низшая теплота сгорания определяется экспериментально для каждого вещества и является справочной величиной. Также её можно определить для твердых и жидких материалов, при известном элементарном составе, расчётным способом в соответствии с формулой Д. И. Менделеева, кДж/кг или ккал/кг:

 

QPH=339⋅CP+1256⋅HP−109⋅(OP−SPL)−25.14⋅(9⋅HP+WP)

или

 

QPH=81⋅CP+246⋅HP−26⋅(OP+SPL)−6⋅WP, где:

 

CP, HP, OP, SPL, WP — содержание в рабочей  массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги  в % (по массе).

 

Для сравнительных расчётов используется так называемое Топливо условное, имеющее удельную теплоту сгорания, равную 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг).

 

В России тепловые расчёты (например, расчёт тепловой нагрузки для определения категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности[1]) обычно ведут по низшей теплоте сгорания, в США, Великобритании, Франции — по высшей. В Великобритании и США до внедрения метрической системы мер удельная теплота сгорания измерялась в британских тепловых единицах (BTU) на фунт (lb) (1Btu/lb = 2,326 кДж/кг).

 

Вещества и материалы	Низшая теплота сгорания QPH, МДж/кг
Бензин	41,87
Керосин	43,54
Бумага: книги, журналы	13,4
Древесина (бруски W = 14 %)	13,8
Каучук натуральный	44,73
Линолеум поливинилхлоридный	14,31
Резина	33,52
Волокно штапельное	13,8
Полиэтилен	47,14
Пенополистирол	41,6
Хлопок разрыхленный	15,7
Пластмасса	41,87

 

 

 

 

Вопрос №36. Общая характеристика взрывчатых веществ.

 

Взры́вчатое вещество́ (ВВ) — химическое соединение или их смесь, способное в результате определённых внешних воздействий или внутренних процессов взрываться, выделяя тепло и образуя сильно нагретые газы. Комплекс процессов, который при этом происходит в таком веществе, называется детонацией. Традиционно к взрывчатым веществам также относят соединения и смеси, которые не детонируют, а горят с определенной скоростью (метательные пороха, пиротехнические составы). Взрывчатые вещества относятся к энергетическим конденсированным системам[2].

 

Существует ряд веществ, также способных к взрыву (например, ядерные и термоядерные материалы, антивещество). Также существуют методы воздействия на различные вещества, приводящие к взрыву (например, лазером или электрической дугой). Обычно такие вещества не называют «взрывчатыми»

 

Любое взрывчатое вещество обладает следующими характеристиками:

 

        способность  к экзотермическим химическим  превращениям

        способность  к самораспространяющемуся химическому превращению

 

Важнейшими характеристиками взрывчатых веществ являются:

 

        скорость взрывчатого  превращения (скорость детонации  или скорость горения)

        давление детонации

        теплота (удельная  теплота) взрыва

        состав и  объём газовых продуктов взрывчатого  превращения

        максимальная  температура продуктов взрыва (температура  взрыва).

        чувствительность  к внешним воздействиям

        критический  диаметр детонации

        критическая  плотность детонации

 

При детонации разложение взрывчатых веществ происходит настолько быстро (за время от 10−6 до 10−2 сек), что газообразные продукты разложения с температурой в несколько тысяч градусов оказываются сжатыми в объёме, близком к начальному объёму заряда. Резко расширяясь, они являются основным первичным фактором разрушительного действия взрыва.

 

Различают 2 основных вида действия взрывчатых веществ: бризантное (местного действия) и фугасное (общего действия).

 

Существенное значение при обращении и хранении взрывчатых веществ имеет их стабильность.

 

Промышленное применение.

 

Взрывчатые вещества широко используются и в промышленности для производства различных взрывных работ. Ежегодно в мире производится несколько миллионов тонн взрывчатых веществ[2]. Ежегодный расход взрывчатых веществ в странах с развитым промышленным производством даже в мирное время составляет сотни тысяч тонн. В военное время расход взрывчатых веществ резко возрастает. Так, в период 1-й мировой войны в воюющих странах он составил около 5 миллионов тонн, а во 2-й мировой войне превысил 10 миллионов тонн. Ежегодное использование взрывчатых веществ в США в 1990-х годах составляло около 2 миллионов тонн.

 

В Российской Федерации запрещена свободная реализация взрывчатых веществ, средств взрывания, пороха, всех видов ракетного топлива, а также специальных материалов и специального оборудования для их производства, нормативной документации на их производство и эксплуатацию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос №44.Метод расчета интенсивности теплового излучения  «ОГНЕННОГО ШАРА»

 

ОГНЕННЫЙ ШАР-крупномасштабное диффузионное горение, реализуемое при разрыве резервуара с горючей жидкостью или газом под давлением с воспламенением содержимого резервуара.

 

Огненный шар зарождается в момент контакта облака с источником зажигания.

Поднимаясь , шар образует грибовидное облако. Ножка которого- восходящие конвективные потоки воздуха.

 

Д. 1 Расчет интенсивности теплового излучения «огненного шара» q, кВт/м2, проводят по формуле

 

q = Ef · Fq · t,                                       (Д.1)

 

где Ef — среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени, кВт/м2;

 

— угловой коэффициент облученности;

 

t   коэффициент пропускания атмосферы.

 

Д.2  Ef определяют на основе имеющихся экспериментальных данных. Допускается принимать Ef  равным 450 кВт/м2.

 

Д.3 Fq  рассчитывают по формуле

 

• Fq=(H/Ds+0,5)/4[(H/Ds+0,5)2,              (Д.2)

 

где Н— высота центра «огненного шара», м;

 

Ds — эффективный диаметр «огненного шара», м;

 

r — расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром «огненного шара», м.

 

Д.4 Эффективный диаметр «огненного шара» Ds рассчитывают по формуле

 

Ds =5,33 m 0,327,                              (Д.3)

 

где т — масса горючего вещества, кг.

 

Д.5 H определяют в ходе специальных исследований. Допускается принимать H равной Ds/2.

 

Д.6 Время существования «огненного шара» ts, с, рассчитывают по формуле

 

ts = 0,92 m 0,303.                                              (Д.4)

 

Д.7 Коэффициент пропускания атмосферы т рассчитывают по формуле

 

t = ехр [-7,0 · 10-4 (- Ds / 2)].                          (Д.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 1. Определите объем воздуха, необходимого для полного сгорания вещества при заданной температуре T и давлении P в следующих единицах: кмоль/кмоль, м3/м3, м3/кг.

Дано:

н-Гексан

Т-240К

Р-80000ПА

М-86,178

Найти:

VB-?

 

Решение:

С6Н14+9,5О2=6СО2+7Н2О

С6Н14+9,5О2+9,5*3,76N=6СО2+7Н2О+9,5*3,76N

VB0=β*(1+3,76)=4,76β

VB0=9,5*(1+3,76)=45,22кмоль/кмоль, м3/ м3

Вычисляем молярный V газа при заданных условиях:

Vt===28,06 м3/моль

 

VB===14,72 м3/кг

 

 

Задача 2. В помещении объемом V в результате сгорания сложной смеси органических веществ, состоящей из углерода С, водорода Н, кислорода О, азота N, серы S, влаги W и золы A, концентрация кислорода снизилась на х%. Определите массу сгоревшей смеси органических веществ при заданной температуре Т и давлении Р.

Дано:       

V-500 м3  C-45%

H-6%  O-15%

N-10% S-4%

W-7% A-13%

x-10%  T-310K

P-80000ПА

Найти:

m-?

Решение:

 

VB===342,3 м3

 

VBO=0,2673/кг

 

m= VB/ VBO=342,3/5,24=65,32кг

 

Задача 3. Определите объем и состав продуктов горения вещества в кмоль/кмоль и м3/кг при заданном коэффициенте избытка воздуха α, температуре продуктов горения Тп.г. и давлении Р.

Дано:

н-С6Н14

α-1,45

ТПГ-1350К

Р-95000ПА

mCO2-6

mH2O-7

a-1

β-9,5

Найти:

Vt-?

 

Решение:

Находим расчетный объем продуктов

 

V0ПГ= кмоль/кмоль

 

Определяем избыточный объем воздуха

 

V0B=β*4,76=9,5*4,76=45,22 кмоль/кмоль

VB= V0B(α-1)=45,22(1,45-1)=20,35 кмоль/кмоль

 

Рассчитываем объем продуктов горения

 

VПГ= V0ПГ+VB=48,72+20,35=69,07 кмоль/кмоль

ССО2=

СН2О=

 

Vt=м3/кмоль

V0ПГ=м3/кг

VB= м3/кг

VПГ= V0ПГ+VB=66,79+27,90=94,69 м3/кг

V0ПГ= VB=м3/м3

 

VПГ= V0ПГ+VB=256,95+108,09=365,04м3/м3

 

 

 

Задача 4. Определите концентрационные и температурные пределы воспламенения этанола С2Н5ОН при атмосферном давлении 101325 Па.

Решение:

Запишем термохимическое уравнение горения этанола.

С2Н5ОН+3О2*3,76N→2CO2+3H2O*3,76N

НКПВ а=8,684  в=4,679

ВКПВ а=1,55  в=0,56

П=3

Определяем значения констант верхнего и нижнего концентрационного предела воспламенения

СН(В)=

СН=%

СВ=%

Находим давление насыщенных паров

 

Рн=3293,06Па

Рв=Па

Методом линейной интерполяции определяем нижний и верхний температурные пределы воспламениния

ТН=Тmin+283.58K

ТB=Тmin+=299,0318.1K

 

 

 

 

Задача 5. Определите действительную температуру горения вещества при заданном коэффициенте избытка воздуха α.

Дано:

С2Н4     QH-1411,91кДж

α-1,36    Qнед-10%

Qпот-6%

Найти : Тг-?

Решение:

Уравнение химической реакции горения.

С2Н4+О2+3,76N2→2CO2+2H2O+3*3.76N2

Продукты сгорания состоят:

VCO2=2кмоль, VH2O=2кмоль, VN2=11,28кмоль