Лесных горючих материалов

Определение фактической теплотворной способности

Лесные материалы реально никогда не бывают абсолютно сухими. Влажность материалов (опад, подстилка), способных гореть, колеблется в широких пределах (9–40 %), и 15–70 % для торфа. Это значит, что часть тепла горючих материалов будет израсходована на испарение воды, так как пиролиз невозможен ниже 180 °С. На испарение 1 кг воды требуется затратить 2470 кДж, или 590 ккал тепла.

Количество тепла, выделяемое ЛГМ вычисляют двумя путями:

1. В 1 кг горючего материала в абсолютно сухом состоянии добавляют воду в соответствии с процентом влажности. В этом случае нижняя теплотворная способность Q_н сохраняет свое постоянное значение, но масса сырого материала всегда будет больше 1 кг.

2. Берут сырой материал массой 1 кг. Масса сухого вещества, естественно, будет меньше 1 кг и нижняя теплотворная способность будет меняться в зависимости от влажности.

Расчеты лучше осуществлять по первому варианту.

Задание:

При том же химическим составе горючего материала (табл. 2.1), влажностью W_отн = 9–17 % и сгорающего не полностью (недожог 10–20 %) необходимо определить:

а) потребность в кислороде и воздухе;

б) низшую теплотворную способность ЛГМ Q_н;

в) общее количество выделяющегося тепла, с учетом испарения и недожога ЛГМ;

г) практическую теплотворную способность ЛГМ Q_пр;

д) массу продуктов сгорания по видам соединений и суммарную;

е) затраты тепла на нагревание газообразных продуктов сгорания по видам соединений, при нагревании их до 1000 °С,и золы до 600–800 °С;

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

Расчеты проводят для 1 кг горючих материалов в абсолютно сухом состоянии, количество воды в горючем материале определяют по заданной влажности согласно вариантам (табл. 2.2, графа 3).

Таблица 2.2. Характеристика интенсивности низовых пожаров

Номер варианта	Запас горючих материалов, кг/м^2	Wотн, %	Скорость ветра под пологом леса Vn	Скорость фронта пожара, Vфр м/мин	Масса горючего, сгорающая в 1 мин, кг	Глубина кромки пожара, м	Пламя
Иысота, м	Толщина, м	Угол наклона оси α, град
	2,0	10,0	1,6	2,1	4,2	1,3	1,1	0,6
	3,2	12,0	2,1	2,3	7,3	2,0	1,3	0,9
	1,8	9,0	1,4	2,0	3,6	1,2	1,0	0,5
	2,2	14,0	1,3	1,5	3,3	1,2	0,9	0,6
	2,1	15,0	1,8	1,7	3,6	1,2	0,9	0,5
	3,6	16,0	2,4	2,2	7,9	2,2	1,5	1,0
	2,1	14,0	0,8	1,4	2,9	1,1	0,8	0,5
	2,0	17,0	1,1	1,4	2,8	1,0	0,8	0,4
	2,1	13,0	1,3	2,0	4,2	1,3	1,0	0,6
	2,3	15,0	1,5	1,8	4,1	1,4	1,0	0,5

Масса воды устанавливается по абсолютной влажности горючего материала:

%, (2.10)

где в – масса воды в образце, кг;

с – масса абсолютно сухого вещества в образце, кг.

Соотношения между W_отн и W_абс выражаются следующим соотношением:

%; %. (2.11)

Например, относительная влажность подстилки W_отн = 20 %, тогда

%, т. е. в 1 кг горючего содержится 0,25 кг воды. Общая масса сырого горючего будет равна 1,25 кг. На испарение 0,25 кг воды будет затрачено тепло. Кроме того, горючий материал из-за влажности полностью не сгорит. Недожог углерода вызовет потерю тепла пропорционально величине несгоревшей части: Q_нед = Q_н (0,1–0,2). Остаток тепла пойдет на нагревание продуктов сгорания и рассеивания. Наличие влаги в ЛГМ ведет к неполноте их сгорания, как следствие, практическая теплотворная способность Q_пр единицы топлива окажется меньше низшей теплотворной способности ЛГМ Q_н.

Поясним на примере. Химический состав 1 кг абсолютно сухой подстилки следующий: С – 48,5 %, Н – 6,1 %, О – 37,8 %, N – 1.3 %, зольность – 6,7 %; влажность подстилки W_отн= 16 %, W_абс= 19,1 %; содержание воды в 1 кг горючего – 0,191 кг; общая масса образца – 1,191 кг; недожог углерода – 14 %, или 0,14.

Студенты для расчетов берут свои варианты (табл. 2.1 и 2.2).

а) Потребность в кислороде приα =1,0 и недожоге 14 % (0,14) составит

.

Потребность в кислороде при α = 1,0 для абсолютно сухого материала и при полном сгорании будет равна 1,386 кг. Различия –13,6 %.

Потребность в воздухе В при недожоге будет равна:

В = = 5,3 кг воздуха.

Потребность в воздухе при полном сгорании составит

В = = 6,06 кг воздуха.

Различия между массами воздуха при полном сгорании и недожоге составляют 13,6 %.

б) Низшая теплотворная потребность Q_н ЛГМ по уравнению И. А. Каблукова при полном сгорании будет равна

Q_н = 3250 · К = 3250 · 1,386 = 4504 ккал · 4,19 = 18 874 кДж;

при неполном сгорании будет равна

Q_н = 3250 · К = 3250 · 1,212= 3939 ккал · 4,19 = 16 504 кДж.

в) общее количество выделяющегося тепла с учетом испарения и недожога ЛГМ составляет соответственно 4504 и 3939 кДж/кг.

г) Практическая теплотворная способность Q_пр при недожоге ЛГМ определяется по следующему алгоритму:

- общий запас тепла в образце при полном сгорании +4504 ккал

- потери тепла на испарение своей воды (0,191 кг · 590 ккал) -113 ккал

- п отери тепла от недожога горючего (14 %) (4504–3939) -565 ккал

- практическая теплотворная способность Q_пр

(остаток тепла для нагревания продуктов сгорания

и рассеивания в пространстве) + 3826 ккал

или +16031 кДж

Таким образом, в процессе горения участвовало 1,191 кг топлива плюс 5,3 кг воздуха. Общая масса М_общ оказалась равной

М_общ = 1,191 + 5,3 = 6,491 кг.

Для дальнейшего понимания процессов горения важно определить, какие виды соединений образуются в результате горения.

д) масса продуктов сгорания по видам соединений и суммарная

В результате горения 6,491 кг горючих материалов образовались новые продукты сгорания: СО₂ воздуха, Н₂О воздуха (пар), оксид азота, аргон, дисперсный углерод (сажа), зола в твердом состоянии. Их расчет показан на том же примере:

СО₂ = (0,485 + · 0,485) · 0,86 + 5,3 · 0,00046

(СО₂ воздуха) = 1,512 кг 23,2 %

Н₂О = 0,061+8 · 0,061 + 0,21 + 5,3 · 0,0053 (Н₂О воздуха) = 0,787 кг 12,2 %

N₂ = 5,3 · 0,753 + 0,0013 (N горючего) =3,990 кг 61,5 %

Аргона 5,3 · 0,0129 = 0,068 кг 1,0%

Дисперсного углерода (сажи) 0,475 · 0,15 = 0,071кг 1,1 %

Итого газов + сажи = 6,428кг 99,0 %

Золы в твердом состоянии = 0,067 кг 1,0 %

Всего продуктов сгорания = 6,495 кг 100,0 %

Вывод: Всего в процессе горения образовалась сумма продуктов сгорания, равная 6,495 кг. Она практически равна сумме веществ, участвовавших в процессе горения. Различия составляют 0,1 %. Следовательно, расчет сделан верно. На 1 кг всех компонентов выделяется тепла: 16031: 6,491 = 2470 кДж вместо 2800 кДж на 1 кг абсолютно сухого материала. Разница 12 %.

Тепло, выделяющееся при горении, не нарушая закон сохранения энергии, расходуется по двум каналам:

- на нагревание газообразных продуктов сгорания;

- на рассеивание газообразных продуктов сгорания в окружающую среду.

е) определение затрат на нагревание газообразных продуктов сгорания

Химический состав процесса горения установлен. Для определения затрат на нагревание газообразных продуктов сгорания необходимо знать количество каждого вещества G, его удельную теплоемкость С_р и температурную ступень ∆t. Удельную теплоемкость каждого вещества берут из справочных материалов по серединам температурных ступеней (табл. 2.3). Затем последовательно считают затраты тепла по каждому соединению и суммарно. ∆t берут в диапазоне 200–400 °С.

Процессы горения в лесу протекают при постоянном давлении. Определение затрат тепла (ккал) на нагревание продуктов сгорания производится по уравнению

, (2.12)

где G – масса газа (СО₂, Н₂О, N, Аr), образовавшаяся от сгорания образца горючего;

С_р – удельная теплоемкость каждого вида газа при постоянном давлении, ккал/кг или кДж/кг (табл. 2.3);

∆t – интервал температуры, для которого берется среднее значение С_р, рекомендуется брать в интервале 200–400 °С.

Таблица 2.3. Удельная теплоемкость

Газ	Удельная теплоемкость Ср при различной температуре
Воздух	0,240	0,240	0,242	0,244	0,246	0,251	0,256	0,261
СО2	0,197	0,208	0,219	0,226	0,234	0,245	0,252	0,260
Н2О пар	0,453	0,458	0,463	0,467	0,471	0,480	0,489	0,499
N2	0,240	0,241	0,242	0,243	0,244	0,246	0,248	0,253
Аргон	0,125	0,125	0,125	0,125	0,125	0,125	0,125	0,125
Зола	0,500	0,500	0,501	0,502	0,503	0,504	0,505	-
Сажа

Затраты тепла на нагревание продуктов горения приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4. Определение затрат тепла на нагревание

Дата добавления: 2015-07-02