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) все выделяющееся при горении тепло расходуется на нагревание продуктов сгорания (потери тепла равны нулю); 2) начальные температуры воздуха и горючего вещества равны 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

2СО₂ à 2CO+ О₂ — 566,5 кДж

2Н_аО à 2Н₂+О₂—478,5 кДж.

Практически диссоциацию продуктов сгорания необходимо учитывать только при температурах выше 1700°С. При диффузионном горении веществ (см. п. 1.2) 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_H горючего вещества равна энергии q_T, необходимой для нагревания продуктов сгорания от 0°С до калориметрической температуры горения

Величину q_T назовем условно теплосодержанием продуктов сгорания

где V_п.с.—объем продуктов сгорания, м³/кг; С _pm—средняя объемная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м³К); Т_г.— температура горения, °С.

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

,

где Vro₂. Vh₂o—объемы компонентов продуктов сгорания (RO₂=CO₂+SO₂); , — теплоемкость компонентов про­дуктов сгорания (теплоемкость СО₂ принимается для смеси СО₂ и SO₂).

Теплосодержания различных газообразных веществ, которые обычно являются продуктами сгорания, приведены в табл. 1 приложений. Для определения Т_г. рассчитывают теплосодержание продуктов сгорания при нескольких температурах и выбирают два значения, между которыми находится значение низшей теплоты сгорания вещества. Искомую температуру определяют затем интерполяцией. Пример расчета приведен ниже.

Пример 12. Определить калориметрическую температуру горения керосина, состоящего из 86% С, 13,7% Н и 0,3% S. Опредляем низшую теплоту сгорания керосина по уравнению Д. И. Менделеева

Q_H = 339,4^.86 + 1257^.13,7+ 108,9^.0,3 — 25,1^. 13,7^.9 = = 43347,1 кДж/кг

Вычисляем объем продуктов сгорания, м³

V(Н₂О) = 11,9^.0,137= 1,53

Vco₂ = 1,86^. 0,86 = 1,6

Vso₂ = 0,7 ^. 0,003 = 0,002

V (H₂O) = 7^.0,86 + 21^. 0,137 + 2,63^. 0,003 = 8,905

Объем продуктов сгорания керосина равен:

Vп.с.= 1,53+ 1,6 + 0,002 + 8,905= 12,037 м³/кг.

Теплосодержание 1 м³ продуктов сгорания составляет

q_r= 43347,1/12,037 = 3601 кДж/м³

Продукты сгорания в большей степени состоят из азота, следовательно, на его теплосодержание необходимо ориентироваться при подборе температуры горения. Поскольку теплосодержание диоксида углерода и паров воды выше, чем азота, их присутствие в продуктах сгорания несколько понижает температуру горения, поэтому ее нужно принимать несколько ниже, чем по азоту. В табл. 1 приложений вычисленному теплосодержанию (3601 кДж/м³) по азоту соответствует температура, находящаяся в пределах 2300— 2400 °С. Принимаем температуру горения 2200 °С, так как присутствие в продуктах сгорания диоксида углерода и паров воды несколько понижает температуру горения. Определяем при этой температуре теплосодержание продуктов сгорания, кДж:

Н₂О—1,53^.4405,8 = 6740,8

СО₂, SO₂—1,602 ^. 5392,5=8638,7

N₂—8,905 ^. 3306,3 = 29442,6

44822,1

При горении керосина теплосодержание продуктов сгорания не может превышать 43347,1 кДж/кг, следовательно истинная температура горения ниже 2200 ^СС. Принимаем температуру горения 2100 °С. Теплосодержание продуктов сгорания керосина при этой температуре равно, кДж:

Н_аО—1,53^.4166,1 = 6374,1

СО_а, SO₄—1,602 ^.5118,2 = 8199,3

N_a—8,905^.3142,9 = 27987,5

42560,9

Как видно из значений теплосодержания продуктов сгорания, температура их находится между 2100—2200 °С. Истинную температуру продуктов сгорания находим интерполяцией, принимая теплоемкость их в интервале 2100—2200 °С постоянной. На разность температур 100 °С теплосодержание продуктов сгорания изменяется на 44822,1—42560,9=2261,2 кДж. Разность между теплотой сгорания керосина и теплосодержанием продуктов сгорания при 2100 °С равна: 43347,1—42560,9 = 786,2 кДж. Следовательно, истинная калориметрическая температура горения равна

Т_г. = 2100+ 786,2^.100/2261,2 = 2100 + 34 = 2134 °С

В действительности не вся теплота, выделяющаяся при горении в условиях пожара, расходуется на нагревание продуктов сгорания. Большая часть ее 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 термопарами в различных точках внутреннего пожара. Эта температура определяется из опыта.

В Российском научно-исследовательском институте противопожарной обороны (РНИИПО) среднеобъемную температуру пожара определяли в помещении площадью 10 м², где было установлено восемь термопар, фиксирующих температуру в различных точках помещения. Через определенный промежуток времени показания всех термопар одновременно фиксировали, сумму показаний делили на число термопар. По полученным средним температурам в координатах температура — время строили график, который отражал температурный режим пожара. На рис. 8 показано изменение температуры внутреннего пожара (температурный режим пожара) пpи горении различных твердых материалов. Как показывает ход кривых, температура пожара при горении всех веществ первоначально растет, достигая максимума, затем по мере выгорания материала постепенно понижается. С увеличением количества горючего вещества на единицу площади (горючая загрузка) повышаются максимальная температура и продолжительность пожара (рис.9).

Рис. 8. Температурный режим пожара при горении различных

веществ:1 — каучук; 2 —резина; 3 —триацетатная пленка; 4 — древесина.

Лекция 4

Дата добавления: 2014-01-07