Продуктов сгорания

Продукты сгорания	Масса, кг	Нагревание от 10 до 400 °С	Нагревание от 401 до 800 °С	Нагревание от 801 до 1000 °С	Итого Q, ккал
Ср	D Q	Ср	D Q	Ср	D Q
СО2	1,502	0,219		0,251		0,258
Н2О пар	0,787	0,463		0,480		0,494
N2	3,990	0,242		0,246		0,250
Аргон	0,068	0,125		0,125		0,125
Зола	0,067	0,501		0,504		-	-
Сажа	0,071	0,501		-	-	-	-
Всего	6,485

Количество калорий при сжигании продуктов сгорания или остаток тепла составляет 3939 – 1754 = 2185 ккал, или 9155 кДж.

.

Если расчет выполнить для всей массы газов по средним значениям показателей величина затрат будет ниже на 12 %.

.

ж) суммарные затраты на нагревание продуктов и остаток тепла на другие процессы

При горении продукты сгорания нагреваются неравномерно. В закрытых камерах так оно и происходит: в цилиндрах двигателей температура достигает 2000 °С, в камерах орудий – 2700–2800 °С.

При сгорании лесных горючих материалов температура не поднимается выше 1100 °С. Обусловлено это рассеиванием тепла в окружающее пространство. В результате над пожаром устанавливается свой температурный режим, определяемый динамическим равновесием между выделением и рассеиванием тепла. При лесных низовых пожарах реальные температуры следующие:

Пламя белого цвета 1000–1100 °С

Пламя красного цвета 600–800 °С

Ярко горящие угли 800–1000 °С

Тускло тлеющие угли 550–700 °С

Для сравнения: температура светящейся вольфрамовой нити накаливания электрических ламп мощностью 50 Вт – 2412 °С, 100 Вт – 2487 °С, 300 Вт – 2597 °С.

Рассеивание тепла от источника горения происходит тремя путями: радиацией (лучеиспусканием), конвекцией (с током газов) и теплопроводностью (от слоя к слою).

1. Рассеивание тепла путем лучеиспускания (радиации) нагретого тела

Излучательная способность Е_из нагретого абсолютно черного тела определяется с помощью уравнения Стефана – Больцмана:

, (2.13)

где ψ - постоянная, равная 1,356 ^. 10^-11 = 5,682 · 10^-11 ,

Т - температура тела, К.

Е_из = 1,356 · 10^-11 573⁴ = 1,46 ккал/м².с.

Твердое тело начинает испускать видимый свет при нагреве до 550 °С. Абсолютно черным называется тело, которое полностью поглощает все падающие на него лучи, всех длин волн. К абсолютно черным телам можно отнести древесный уголь при t = 0 – 10 °С. При нагреве до 600 – 1000 °С (873 – 1273 К) черные тела становятся светящимися и их излучение максимально по всему спектру по сравнению с нечерными телами. Абсолютно черным раскаленным телом является Солнце. Нагретые газы имеют спектр излучения прерывистый.

Излучение пламени раскаленных газов (СО₂, Н₂О, СО, N₂, Ar) имеет прерывистый характер. Будучи раскаленными до температуры 800 – 1200 °С они слабо светятся. Лесные пожары сопровождаются недожогом углерода на 10 – 20 %, в результате образуются мелкодисперсные частицы сажи, которые, попадая в пламя, светятся оранжевым светом.

Для использования уравнения Стефана – Больцмана по отношению к газам в него необходимо ввести коэффициент черноты пламени ε. Он представляет отношение интенсивности излучения пламени Е_пл (раскаленных газов) к излучению абсолютно черного тела:

; (2.14)

Е_пл= 0,26 ^.1,46 = 0,38 ккал/м²·с

По исследованиям [4] ε зависит от глубины кромки лесного пожара, определяющей среднюю толщину пламени:

Глубина кромки, м 0,3 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Значение ε 0,10 0,20 0,26 0,30 0,45 0,50 0,60 0,70

Дизельное топливо и смола при сжигании на открытом воздухе имеют коэффициент ε, близкий к 1 (0,85-0,95).

Разноречивость методик оценки излучательной способности пламени привела к тому, что в расчетах наиболее вероятным значением излучения чаще всего принимают ε, равную 0,33 при температуре 700-1000 °С.

2. Рассеивание тепла путем конвенкции

Горение лесных горючих материалов имеет определенную наклонность. При наличии ветра под пологом леса ось пламени имеет наклон к поверхности горения (рис. 2.1). Передняя часть пожара нагревает атмосферу от 800 до 1000 °С. Температура тыльной части пожара на 50-100 °С меньше.

Правая сторона пламени имеет более высокую температуру. Наклон пламени ветром приводит к тому, что большая часть радиации правой стороны падает на подстилку и напочвенный покров, которые на 80 – 90% поглощаются ею. Тыльная сторона пожара имеет меньшую температуру (800 °С).

Задание:

Рассчитать излучательную способность ЛГМ. Исходные данные берутся по вариантам (табл. 4,3, графа 2). Запас горючего материала в абсолютно сухом состоянии равен 1,5 кг/м², его абсолютная влажность: верхняя половина слоя – 13 %, нижняя – 18 %, ширина горящей кромки – 1 м., ветер под пологом – 1,5 м/с, скорость продвижения фронтальной кромки пожара – 1,5 м/мин, количество горючего, сгорающего за 1 мин – 2 кг, его теплотворная способность с учетом влаги и недожога (15 %) равна 13 000 кДж/кг или 3102 ккал/кг. За одну минуту выделяется 26 000 кДж тепла, Т = 1273 К.

Рис. 2.1. Схема рассеивания тепла горящей кромкой пожара: высота пламени 1 м, ширина 1 м. Е_к, Е_из, Е_т – потери тепла соответственно конвенкцией, излучением, теплопроводностью (%). СО – зона

повышенной концентрации угарного газа

Излучение энергии передней стенкой пламени будет равно

Е_из = 0,33ΨТ⁴ = 0,33 · 5,67 ·10^-11·60·1273 ⁴ = 2970 кДж/м² или 11,5 % от общей.

Тыльной стенкой пламени при Т = 1073 К излучается энергии

Е_из = 0,33 · 5,67 · 10^-11 · 60 · 1073⁴ = 1493 кДж/м², или 5,8 %.

Все излучение пламени 17,3 %, или 1288 ккал/м². К этому следует добавить излучение тлеющих углей порядка 4–5 %. Всего на общее рассеивание энергии лучеиспусканием составит около 20 %.

Основная масса тепла (70–77 %) уносится нагретыми газами (воздухом) вверх за счет конвекции. Часть энергии (0,1–0,2%) переходит в кинетическую энергию газового потока.

Скорость газов над низовым пожаром обычно не превышает 5 м/с и в кинетическую энергию переходит только 0,1–0,2 % от выделенного тепла.

3. Рассеивание энергии теплопроводностью Е_Т (кондуктивностью) составляет небольшую долю тепла.В почву уходит порядка 3–4 %. Общее рассеивание тепла низового пожара примерно следующее

а) излучение в стороны – 18–20 %;

б) конвекция – 70–80 %;

в) теплопроводность в почву – 3–4 %

По–разному реагируют на процесс горения частицы топлива. Целое полено только обугливается. Полено, расколотое на множество частиц, связанных в пучок, сгорает полностью.

Интенсивность пожара, помимо скорости движения фронта V_фр, высоты пламени h_пл и глубины горящей кромки l, оценивается тепловыделением с одного погонного метра фронтальной кромки ∆Q.

Зависимость высоты пламени h_пл (м) от количества горючих материалов т (кг/м²) и скорости фронта пожара V_фр ( м/мин) определяется эмпирическим уравнением Байрама:

, (2.15)

где К – коэффициент пропорциональности (сухая ветошь, хвоя – 1,0; опад – 0,7; подстилка в целом – 0,5).

м.

Задание:

Рассчитать потери тепла излучением с длины кромки пожара, равной 1 м за 1 мин. Расчет в ккал/м².

Плотность γ и удельный объем V_газ нагретых газов определяют по массе газов и температуре нагрева с помощью уравнения Клапейрона – Менделеева. С этой целью сначала находят объем газовой смеси, приведенной к t = 15 °С = 288 К и нормальному давлению р = 760 мм ртут. ст., или 1013 мбр. От сгорания 1 кг сухого материала получилось (принять согласно вариантам):

СО₂ = 1,512; Н₂О = 0,787; N₂ = 3,990; Аr = 0,068. Сумма равна 6,357 кг.

Объем продуктов сгорания газов равен:

(2.16)

где G₁, G₂, G₃, G₄ – массы газов (СО₂, N₂, Н₂О, Аr), кг;

γ_1, γ₂, γ_3, γ₄ – плотность газов, кг/м³ (СО₂ – 1,870; Н₂О (пар) – 0,733; оксид азота (N₂) – 1,190; Ar – 1,690)

Удельный объемсмеси газов и плотности смеси:

(2.17)

Для воздуха при t = 15 °С и р = 1013 гПа имеем: V = 0,816 м³/кг,

γ = 1,225 кг/м³. Сравнивая результаты расчетов, видим, что при нормальных условиях продукты сгорания несколько легче воздуха.

Характеристики смеси продуктов сгорания при других температурах определяются также из уравнения Клапейрона – Менделеева:

Pv = RT = . (2.18)

Начальное состояние v_смеси = 0,829 м³/кг, γ _смеси = 1,206 кг/м³. Удельное давление в газовой колонке р одинаковое с атмосферным. Газовая постоянная R от температуры не зависит (Т₁ = 288 К).

Искомые параметры нагретых газов V₂ и γ₂ найдем, зная Т₂ = 1073–1273 К (800–1000 °С) и Т₁ = 288 К (15 °С).

рv₂ = RT₂ = P/γ₂;

рv₁ = RT₁ = P/γ₁. (2.19)

Деля первое равенство на второе, получим

,

отсюда (2.20)

Задаваясь промежуточными значениями Т₂ = 733–373–323°К (500–100–50°С) рассчитать v₂ и γ₂. Вычисления представить в виде табл. 2.5. Анализ таблицы должен показать, насколько нагретые пожаром газы легче воздуха и насколько интенсивно они будут стремиться вверх, создавая конвекционные колонны. Скорости газов над верховыми пожарами могут достигать 20–30 м/с.

Таблица 2.5. Удельные объемы и плотности газовой смеси продуктов

Дата добавления: 2015-07-02