Теория горения и взрыва
Покупка
Издательство:
Издательство Уральского университета
Автор:
Королев Владимир Николаевич
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 76
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7996-3339-4
Артикул: 800245.01.99
Доступ онлайн
В корзину
В учебно-методическом пособии кратко излагаются основные понятия по теме и приводятся формулы, необходимые для решения задач по соответствующему разделу курса. Показаны примеры решения задач, а также их условия, предлагаемые студентам для самостоятельной работы на практических занятиях. Приведены домашние задания, которые предусмотрены программой курса. Для удобства расчетов прилагается справочный материал.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 20.03.01: Техносферная безопасность
- ВО - Специалитет
- 20.05.01: Пожарная безопасность
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина В. Н. Королев ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Учебно-методическое пособие Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки 20.03.01 — Техносферная безопасность 20.05.01 — Пожарная безопасность Екатеринбург Издательство Уральского университета 2021
УДК 544:662.61(075.8) ББК 24.54я73+31.35я73 К68 Рецензенты: кафедра энергетики Уральского государственного лесотехнического университета ( завкафедрой д-р техн. наук, проф. С. М. Шанчуров); М. А. Савин, канд. техн. наук, доц., проф. Уральского института государственной противопожарной службы МЧС России Королев, В. Н. К68 Теория горения и взрыва : учебно-методическое пособие / В. Н. Королев ; М-во науки и высш. обр. РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2021. 76 с. ISBN 978-5-7996-3339-4 В учебно-методическом пособии кратко излагаются основные понятия по теме и приводятся формулы, необходимые для решения задач по соответству- ющему разделу курса. Показаны примеры решения задач, а также их условия, предлагаемые студентам для самостоятельной работы на практических занятиях. Приведены домашние задания, которые предусмотрены программой курса. Для удобства расчетов прилагается справочный материал. Библиогр.: 9 назв. УДК 544:662.61(075.8) ББК 24.54я73+31.35я73 ISBN 978-5-7996-3339-4 © Уральский федеральный университет, 2021
Оглавление Предисловие ....................................................................................... 4 ЗАНЯТИЕ № 1. Расчет теплоты сгорания и количества воздуха, требуемого для полного сгорания горючих веществ ......................... 5 ЗАНЯТИЕ № 2. Уравнения состояния идеального и реального газа. Смеси газов .......................................................... 12 ЗАНЯТИЕ № 3. Тепловой эффект реакции. Адиабатная температура горения и взрыва ..................................... 19 ЗАНЯТИЕ № 4. Скорость реакции, зависимость ее от температуры (закон Аррениуса). Константа равновесия. Энергия активации ........................................................................... 28 ЗАНЯТИЕ № 5. Температура самовоспламенения (взрыва). Формулы Семенова и Франк-Каменецкого .................................... 33 ЗАНЯТИЕ № 6. Вынужденное зажигание (воспламенение). Концентрационные границы зажигания (воспламенения) ........... 38 ЗАНЯТИЕ № 7. Зажигание неподвижной смеси. Ламинарный режим распространения фронта пламени ................ 45 ЗАНЯТИЕ № 8. Явление взрыва. Вычисление параметров продуктов взрыва .............................................................................. 56 Контрольные задания по курсу ........................................................ 67 Домашние задания ........................................................................... 68 Приложение ...................................................................................... 70 Список библиографических ссылок ................................................ 74
Предисловие У чебная дисциплина «Теория горения и взрыва» является од- ной из общепрофессиональных дисциплин для подготовки бакалавров в области безопасности жизнедеятельности в тех- носфере, защиты в чрезвычайных ситуациях и пожарной безопасности. Изложение теории горения и взрыва предваряется рассмотрени- ем элементов химической термодинамики и химической кинетики, необходимых для понимания процессов горения и взрыва, предусмо- трены коллоквиумы. В учебно-методическом пособии кратко излагаются основные по- нятия и приводятся формулы по соответствующей теме курса, необ- ходимые для решения задач. Показаны примеры их решения, а также приводятся условия задач, предлагаемые студентам для самостоятель- ного решения на практических занятиях. Работа будет особенно полезна тем студентам, которые по каким- либо причинам пропускают лекционные и практические занятия, так как данное учебно-методическое пособие дает возможность самосто- ятельно изучать дисциплину и нарабатывать практику в решении за- дач, связанных с процессами горения и взрыва.
ЗАНЯТИЕ № 1. Расчет теплоты сгорания и количества воздуха, требуемого для полного сгорания горючих веществ Т еплотворная способность вещества. Количество теплоты, которая выделяется при полном сгорании 1 кг вещества, назы- вается теплотой сгорания или теплотворной способностью ве- щества. Различают высшую (QВ) и низшую (QH) теплотворную способ- ность (теплоту сгорания) вещества. При сгорании образуется водяной пар, который может сконденсироваться в воду. В процессе конденса- ции выделяется теплота. Так при давлении 1,013 бар при конденсации 1 кг или 1 моля пара выделяется соответственно 2257 и 40,626 кДж те- плоты. Высшая теплотворная способность — это теплота, выделяемая при сгорании 1 кг вещества с образованием воды. Низшая теплотвор- ная способность — это теплота, выделяемая при сгорании 1 кг вещества с образованием водяного пара. В продуктах сгорания влага, как пра- вило, находится в виде пара, поэтому более важным является низшая теплота сгорания. В большинстве случаев процесс горения происхо- дит в атмосфере. Мольный состав воздуха выражается соотношени- ем: 21 % О2 и 79 % N2, т. е. на одну молекулу кислорода (О2) приходится 3,76 молекул азота (N2). Поэтому в продуктах полного сгорания орга- нических веществ в воздухе всегда содержится азот. Теплота сгорания вещества зависит от количества горючих элемен- тов в веществе. Горючими элементами являются углерод (С), водород (Н2) и сера (S). Зная массовый состав топлива, можно рассчитать его низшую теплоту сгорания по формуле Менделеева [1]: QН C H O S МДж/кг 33 91 102 99 10 885 2 2 , , , ( ), , (1) где С, Н2, О2 и S — соответственно массовая доля углерода, водорода, кислорода и серы в одном килограмме горючего вещества. Если этот состав неизвестен, а известна химическая формула горючего вещества, то высшую теплоту сгорания можно оценить по методу, предложенному Карашем [2]. Суть метода заключается в том,
В. Н. Королев. Теория гореНия и ВзрыВа что сгорание связано с перегруппировкой химических связей между атомами при переходе вещества из начального состояния в конечное. Согласно этому высшая (qB) теплота сгорания одного моля простейших органических соединений может быть вычислена по формуле q Z В кДж/моль 109 41 , , , (2) где Z — число перемещающихся электронов при сгорании одной молекулы вещества. Для подсчета числа смещающихся электронов (Z) рекомендуются следующие формулы: • для углеводородов типа СnНm: Z = 4n + m; • для всех соединений типа CnHmOk и соединений с трех валентным азотом (не содержащих группы NO2) типа CnHmOkNc: Z = 4n + m – 2k. • для соединений содержащих группу NO2 типа CnHmOkNc (NO2)p: Z = 4n + m – 2k – р. Чтобы рассчитать высшую теплоту сгорания 1 кг вещества, необходимо полученное по формуле (2) значение разделить на молекулярную массу (µ, кг/моль) вещества: Q q В В кДж/кг , . (3) Величину низшей теплоты сгорания вещества можно оценить по формулам: qH = qB – N · 40,626, кДж/моль, QH = QB – N · 2257, кДж/кг, где N — стехиометрический коэффициент, стоящий в урав- нении реакции горения перед Н2 О. Молекулярная масса некоторых газов, их химическая формула и плотность при нормальных физических условиях (н. ф.у) приведе- ны в табл. П. 1 [3]. Замечание. Значения молекулярной массы в табли- це даны с точностью до сотых долей. При расчетах молекулярную мас- су газов будем округлять до целого значения. Значения теплоты сгорания некоторых газообразных веществ при- ведены в табл. П. 2 [4], а в табл. П. 3 [3] — значения теплоты сгорания жидких и твердых веществ.
заНяТие № 1. расчет теплоты сгорания и количества воздуха, требуемого для полного сгорания горючих веществ Количество воздуха, требуемого для полного сгорания. В зависимости от своего состава различные горючие вещества требуют определенного количества окислителя (кислорода) для горения. Кис- лород находится в воздухе. Необходимо знать теоретическое количе- ство воздуха, требуемого для полного окисления 1 кг твердого или жид- кого вещества либо 1 м 3 газообразного. Расход кислорода и количество образующихся продуктов сгорания вычисляют из стехиометрических уравнений реакций горения, записанных для каждого составляющего горючего. При горении твердого и жидкого топлива стехиометрические уравнения для каждого горючего элемента имеют следующий вид: для углерода С + О2 = СО2, серы S + O2 = SO2 и водорода 2H2 + O2 = 2H2O. Молекулярные массы кислорода, углерода, серы и водорода (табл. П. 1) с точностью до целого числа соответственно равны 32, 12, 32 и 2. Плотность кислорода при нормальных физических усло- виях равна 1,43 кг/м 3. Тогда, согласно стехиометрическим уравнени- ям, приведенным выше, для полного сгорания 1 кг углерода кисло- рода требуется (32/12 = 2,7), т. е. 2,7 кг по массе или (2,7/1,43 = 1,89) 1,89 м 3 — по объему, на 1 кг серы требуется (32/32 = 1) 1 кг кислоро- да по массе или (1/1,43 = 0,699) примерно 0,7 м 3 — по объему, на 1 кг водорода требуется (32/4 = 8) 8 кг кислорода по массе или (8/1,43 = = 5,6) 5,6 м 3 — по объему. Учитывая, что содержание кислорода в воз- духе по массе 0,23, а по объему — 0,21, то для полного сгорания 1 кг углерода требуется (2,7/0,23 = 11,4), т. е. 11,4 кг воздуха по массе или (1,89/0,21 = 9) 9 м 3 по объему. Аналогично для полного сгорания 1 кг серы требуется 4,35 кг воздуха по массе или 3,3 м 3 — по объему. Для сгорания 1 кг водорода требуется 34,8 кг воздуха по массе или 26,7 м 3 — по объему. Если в 1 кг органического вещества массовые доли углеро- да, серы, водорода и кислорода составляют соответственно С, S, H2, O2, то суммарный объем кислорода, необходимый для полного окис- ления горючих элементов вещества, составит, м 3/кг: VO O O O O 2 2 2 2 2 С S H O 32 12 32 32 32 4 2 2 . Подставляя в формулу численное значение плотности кислорода, и учитывая, что в объеме воздуха содержится только 21 % кислорода, получим выражение для расчета теоретически необходимого количе- ства воздуха при сжигании твердого или жидкого горючего вещества, м 3/кг:
В. Н. Королев. Теория гореНия и ВзрыВа V 0 2 2 8 8 0 378 26 6 3 33 , , , , C S H O . (4) Теоретически необходимый объем кислорода для окисления 1 м 3 газообразного горючего рассчитывают по стехиометрическим уравне- ниям реакций для газообразных компонентов вещества: 2СО + О2 = 2СО2; 2Н2 + О2 = 2Н2О; 2Н2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O; СН4 + 2 О2 = СО2 + 2 Н2О или СnHm + (n + m/4) O2 = n CO2 + 0,5m H2O. Как видно из уравнений, на 1 м 3 оксида углерода (СО) и водорода (Н2) требуется по 0,5 м 3 кислорода, на окисление одного объема се- роводорода (Н2S) требуется полтора объема кислорода, на окисление одного объема метана (СН4) требуется два объема кислорода и, нако- нец, на окисление одного объема углеводорода состава СnHm требует- ся (n + m/4) объемов кислорода. Зная объемную долю (в относитель- ных единицах) горючих элементов в 1 м 3 горючего газа и, учитывая объемное содержание кислорода в воздухе (0,21), формула для расче- та теоретически необходимого объема воздуха, требуемого для окис- ления 1 м 3 газообразного горючего вещества, м 3/м 3, имеет вид V n m 0 2 2 4 76 0 5 0 5 1 5 4 , , , , H CO H S C H O 2 n m . (5) Для обеспечения полного сгорания топлива воздух подают в коли- честве, всегда несколько большем теоретически необходимого. Отно- шение действительно поданного количества воздуха VB к теоретически необходимому V 0 называют коэффициентом избытка воздуха α = VB/V 0.
заНяТие № 1. расчет теплоты сгорания и количества воздуха, требуемого для полного сгорания горючих веществ Примеры решения задач по теме «Расчет теплоты сгорания и количества воздуха, требуемого для полного сгорания горючих веществ» Пример 1. Определить низшую теплоту сгорания и количество воз- духа, теоретически и действительно необходимого (коэффициент из- бытка воздуха α = 1,2) для сгорания 1 килограмма бензина, массовый состав которого: 15 % водорода (H2) и 85 % углерода (C). Решение. Таким образом, согласно условию задачи, в 1 кг бензина содержится 0,15 кг водорода и 0,85 — углерода. Так как массовый со- став топлива известен, то для расчета теплоты сгорания бензина мож- но воспользоваться формулой (1): QH МДж/кг кД 33 91 0 85 102 99 0 15 44 272 44272 , , , , , ж/кг. Теоретически необходимое количество воздуха определим по вы- ражению (4): V 0 2 8 8 0 378 26 6 3 33 8 8 0 85 26 6 0 1 , , , – , , , , , ( ) С S Н О 2 5 11 47 3 , м /кг. Действительное количество воздуха VB = 11,47. 1,2 = 13,76 м 3/кг. Пример 2. Определить количество воздуха теоретически и действи- тельно необходимого (коэффициент избытка воздуха α = 1,2) для сго- рания 1 м 3 метана (СН4). Решение. Расчет теоретически необходимого объема воздуха, тре- буемого для окисления 1 м 3 газообразного топлива, ведется по форму- ле (5). Так как горючее вещество представляет собой только углеводо- род типа CnHm, то формула (5) упростится и будет иметь следующий вид: V n m n m 0 4 76 4 4 76 1 4 4 4 76 1 4 4 , , , C H CH4 1 9 52 , . м /м 3 3 Действительный объем воздуха для сжигания 1 м 3 газообразного горючего будет VВ 3 3 9 52 1 2 11 42 м /м , , , .Пример 3. Определить высшую и низшую теплоту сгорания 1 кг метана СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О. Сравнить с табличной величиной (табл. П. 2) и рассчитать относительную погрешность.
В. Н. Королев. Теория гореНия и ВзрыВа Решение. Так как известна только химическая формула горючего, то теплоту сгорания определяем по формуле (2). Высшая теплота сгорания одного моля СН4 равна qB = 109,41 · Z кДж/моль. Определим число смещающихся электронов: Z = 4 · 1+ 4 = 8. Высшая теплота сгорания 1 моля метана qB = 109,41 · 8 = 875,28 кДж/моль. Высшая теплота сгорания 1 кг метана определится по формуле (3). Молекулярная масса метана (табл. П.1) µ = 0,016 кг/моль. Q q В В кДж/кг 109 41 8 0 016 54705 , , . Табличная величина высшей теплоты сгорания метана 55516 кДж/кг. Относительная погрешность составляет 55516 54705 55516 0 015 , , т. е. 1,5 %. Определим низшую теплоту сгорания метана. Согласно химическому уравнению, написанному в условии задачи, стехиометрический коэффициент, стоящий перед Н2 О, равен двум. Следовательно, низшая теплота сгорания метана Q Q Н В кДж/кг 2 2257 54705 4514 50191 . Табличная величина низшей теплоты сгорания метана 50029 кДж/кг. Относительная погрешность составляет 50191 50029 50029 0 003 , , т. е. 0,3 %. Задачи по теме для самостоятельного решения Задача 1. Определить низшую теплоту сгорания и количество воздуха, теоретически и действительно необходимого (коэффициент избытка воздуха α = 1,2) для сгорания 1 килограмма дизельного топлива, состоящего (по массе) из, %: 12,5 водорода (Н2), 87 углерода (С) и 0,5 кислорода (О2).
заНяТие № 1. расчет теплоты сгорания и количества воздуха, требуемого для полного сгорания горючих веществ Задача 2. Определить низшую теплоту сгорания и количество воздуха теоретически и действительно необходимого (коэффициент избытка воздуха α = 1,1) для сгорания 1 килограмма сухих дров. Массовый состав сухой древесины независимо от породы содержит, %: 49,5 углерода, 44,2 кислорода, 6,3 водорода. Задача 3. Определить высшую теплоту сгорания 1 моля и 1 килограмма: C H C H OH; C H O C H N O 2 6 2 2 2 5 2 2 6 6 3 ; ; . Задача 4. Определить высшую и низшую теплоту сгорания 1 кг пропана С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О. Сравнить с табличной величиной (табл. П. 2) и рассчитать относительную погрешность. Задача 5. Определить количество воздуха теоретически необходимого для сгорания 1 м 3 природного газа состава по объему, %: Н2 = 4; СН4 = 86; С2Н6 = 2; С3Н8 = 4; С4Н10 = 4.
Доступ онлайн
В корзину