ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ МАТЕРІАЛЬНОГО БАЛАНСУ. РОЗРАХУНОК ОБЪЕМУ ПОВІТРЯ ТА ПРОДУКТІВ ЗГОРЯННЯ ПРИ ГОРІННІ РЕЧОВИН ТА МАТЕРІАЛІВ

План лекції.
1. Основні поняття матеріального балансу процесу горіння
2. Розрахунок об’єму повітря та продуктів згоряння при горінні індивідуальних речовин.
2.1. Горіння горючого газу індивідуального складу
2.2. Горіння індивідуальних речовин у рідкому або твердому агрегатному стані
3. Розрахунок об’єму повітря та продуктів згоряння при горінні матеріалів складного складу
3.1. Горіння суміші газів.
3.2. Горіння твердих і рідких матеріалів складного складу.

1. Основні поняття матеріального балансу процесу горіння
Матеріальний баланс реакції горіння – рівність між кількістю речовин, що вступають у реакцію, та кількістю речовин, що утворюються внаслідок цієї реакції.
Узагальнений запис матеріального балансу реакції горіння в повітрі:
ГР + β О2 + β 3,76 N2 = ΣniПГi
Стехіометричний коефіцієнт β показує скільки молів кисню необхідно для повного згоряння одного молю горючої речовини.

Розрізняють питомі та повні, теоретичні та дійсні кількості повітря, що витрачається на згоряння горючої речовини, та продуктів згоряння.
питома кількість повітря - кількість повітря, яка необхідна для згоряння одиниці кількості горючої речовини (1 моль, 1 м3, 1 кг);
nпов [моль/моль] або vпов [м3/м3], [м3/кг]
питома кількість продуктів згоряння - кількість продуктів горіння, що утворюється при згоряння одиниці кількості горючої речовини (1 моль, 1 м3, 1 кг);
nпг [моль/моль] або vпг [м3/м3], [м3/кг]
повна кількість повітря - кількість повітря, яка необхідна для згоряння певної кількості горючої речовини;
Nпов = nпов ·nгр [моль] або Vпов = vпов ·vгр [м3]
Vпов = vпов ·mгр [м3]

теоретична кількість повітря - мінімальна кількість повітря, яка необхідна для повного згоряння горючої речовини (noпов, voпов , Noпов, Voпов);
дійсна кількість повітря - кількість повітря, яка витрачається на згоряння горючої речовини за даних умов (nпов, vпов , Nпов, Vпов).
Різниця між кількістю повітря, що дійсно іде на горіння, і теоретично необхідною кількістю повітря, називається надлишком повітря.

Коефіцієнт надлишку повітря (αп) показує у скільки разів кількість повітря, що дійсно надходить до зони горіння, відрізняється від теоретично необхідної кількості повітря для повного згоряння горючої речовини.

кінетичне горіння
α = 1 (vпов = vопов) - суміш ГР з повітрям є стехіометричною.
α < 1 (vпов < vопов) - суміш багата (надлишок ГР і нестача Ок), утворюються продукти неповного згоряння.
ϕв - найбільший вміст ГР в суміші з повітрям, за якого ще може виникнути горіння;
α > 1 (vпов > vопов) - суміш бідна (нестача ГР і надлишок Ок), продукти горіння містять в собі надлишок повітря.
ϕн - найменший вміст ГР в суміші з повітрям, за якого вже може виникнути горіння.

1- зона горючих парів та газів
2 - зона горіння (ЗГ)
3 - зона продуктів горіння (ПГ)
4 - зона повітря
Повітря, яке надходить до ЗГ, проходить через зону ПГ і змішується з ними. Це упові-льнює процес дифузії Ок, швидкість реакції горіння зменшується. Повної витрати кисню під час дифузійного горіння немає.
Коефіцієнт надлишку повітря під час дифузійного горіння - відношення вмісту кисню у повітрі до його вмісту, що залишився у продуктах горіння.
дифузійне горіння

Продукти горіння – це газоподібні, тверді та рідкі речовини, що утворюються при взаємодії окисника з горючою речовиною у процесі горіння.
Склад продуктів горіння залежить від складу горючої речовини та умов протікання реакції горіння.
Класифікація продуктів горіння:
за агрегатним станом
за повнотою згоряння
за реакційною спроможністю

Дим - дисперсна система, що складається з твердих і рідких часток (дисперсної фази), завислих у газовому дисперсійному середовищі.
Небезпека диму обумовлена:
непрозорість (обумовлена присутністю твердих продуктів горіння)
знижена концентрація кисню (φкр < 14%);
підвищена температура (tкр = 70°С);
можливість утворення вибухонебезпечних концентрацій продуктів неповного згоряння;
токсичність продуктів горіння
Середньосмертельна концентрація диму L50 - вміст диму, що викликає загибель 50 % піддослідних тварин при заданій експозиції.

2. РОЗРАХУНОК ОБ’ЄМУ ПОВІТРЯ ТА ПРОДУКТІВ ЗГОРЯННЯ
ПРИ ГОРІННІ РЕЧОВИН ІНДИВІДУАЛЬНОГО СКЛАДУ

1 ГР + β (О2 + 3,76 N2) = Σ niПГi
питоме теоретичне число молів
повітря: nопов=(1+3,76)·β=4,76·β, моль/моль;
продуктів горіння:
nоПГ = Σ nПГi, моль/моль;
питоме дійсне число молів
повітря: nпов = nопов ·α , моль/ моль
продуктів горіння:
nпг = nопг + ∆nопов= nопг+(α-1)nопов моль/ моль

2.1. ГОРІННЯ ГАЗУ ІНДИВІДУАЛЬНОГО СКЛАДУ
1 кмоль газу за даних Р і Т займає об’єм Vμ м3.
Визначення об’єму повітря:
1 кмоль ГР — nопов = 4,76·β, кмолів повітря
VμГР м3 ГР — nопов · Vμпов, м3 повітря
1 м3 ГР — vопов , м3 повітря
, м3/м3

Якщо ГР і повітря знаходяться за однакових умов, то Vµгр = Vµ пов.
питомі об’єми повітря
теоретичний: vопов = 4,76β, м3/м3;
дійсний: vпов = 4,76β·α, м3/м3
При горінні заданої кількості горючого газу Vгг м3 визначають
повні об’єми повітря
теоретичний: Vопов = vопов ·Vг.г, м3;
дійсний: Vпов = vпов ·Vг.г, м3

Визначення об’єму продуктів горіння
1 ГР + β (О2 + 3,76 N2) = Σ niПГi
1 кмоль ГР — , кмолів ПГ
м3 ГР — , м3 ПГ
1м3 ГР — , м3 ПГ
, м3/м3.
Якщо ГР і ПГ знаходяться за однакових умов, то
питомі об’єми ПГ
теоретичний : , м3/м3
дійсний : , м3/м3

Під час горіння ПГ мають підвищену температуру (температуру горіння), при цьому відбувається їх розширення:

2.2. ГОРЮЧА РЕЧОВИНА ІНДИВІДУАЛЬНОГО СКЛАДУ У КОНДЕНСОВАНОМУ СТАНІ
1 кмоль ГР важить μ кг
Визначення об’єму повітря
1 ГР + β (О2 + 3,76 N2) = Σ niПГi
1 кмоль ГР — nопов = 4,76·β, кмолів повітря
μ кг ГР — nопов · Vµ пов, м3 повітря
1 кг ГР — vопов , м3 повітря

питомі об’єми повітря:
теоретичний , м3/кг;
дійсний : , м3/кг.
повні об’єми повітря:
теоретичний Vопов = vопов · mГР, м3;
дійсний : Vпов = vпов · mГР, м3

Визначення об’єму продуктів горіння
1 кмоль ГР — , кмолів ПГ
μ кг ГР — , м3 ПГ
1 кг ГР — , м3 ПГ
, м3/кг.

питомий теоретичний об’єм ПГ:
, м3/кг,
питомий дійсний об’єм ПГ:
vпг = vопг + (α - 1) vопов, м3/кг
повний теоретичний об’єм ПГ
Vопг = vопг⋅mгр, м3;
повний дійсний об’єм ПГ
Vпг = vпг⋅ mгр, м3

3. РОЗРАХУНОК ОБ’ЄМУ ПОВІТРЯ ТА ПРОДУКТІВ ЗГОРЯННЯ
ПРИ ГОРІННІ МАТЕРІАЛІВ
СКЛАДНОГО СКЛАДУ

3.1. РОЗРАХУНОК ОБ’ЄМУ ПОВІТРЯ ТА ПРОДУКТІВ ЗГОРЯННЯ СУМІШІ ГАЗІВ
Визначення об’єму повітря:
питомий теоретичний: ,м3/м3
якщо присутній кисень:

Визначення об’єму продуктів згоряння
Питомий теоретичний:
vопг = ΣnПГi, м3
Негорючі компоненти вихідної суміші переходять у продукти горіння.
При горінні 1 м3 метану
CH4 + 2(О2 + 3,76 N2) = CO2 + 2H2O +2·3,76N2
утворюються
1 м3 CO2, 2 м3 H2O та 7,52 м3 N2

Питомі об’єми продуктів згоряння деяких газів

Визначення з використанням таблиці зводиться до перемноження об’ємних часток компонентів ri на відповідні коефіцієнти таблиці з наступним їхнім додаванням по колонках.

питомий дійсний:
об'єм повітря , м3/м3
об'єм ПГ , м3/м3
повний теоретичний:
об'єм повітря , м3
об'єм ПГ , м3
повний дійсний:
об'єм повітря , м3
об'єм ПГ , м3

3.2. РОЗРАХУНОК ОБ’ЄМУ ПОВІТРЯ ТА ПРОДУКТІВ ЗГОРЯННЯ
ПРИ ГОРІННІ СКЛАДНИХ РЕЧОВИН
В КОНДЕНСОВАНОМУ СТАНІ
Визначення об’єму повітря:
питомий теоретичний
Загальний об’єм повітря складається із об’ємів повітря, що витрачається на горіння кожного елементу, за вирахуванням кількості повітря, що відповідає кількості кисню в речовині.

1 кмоль кисню (32кг) міститься в 4,76 кмолях повітря (4,76Vμ м3), тоді 1 кг кисню відпо-відає об’єму повітря:
, м3/кг.
Реакції горіння елементів речовини (С, Н, S).
С + (О2 + 3,76N2) = СО2 + 3,76N2
12 кг – 4,76 Vµ м3
1 кг – voпов (C) м3
, м3/кг.

Н2 + 0,5 (О2 + 3,76 N2) = Н2О + 0,5⋅3,76 N2 2 кг — 0,5⋅ 4,76 Vμ м3
1 кг —
, м3/кг.
S + (О2 + 3,76 N2) = SО2 + 3,76 N2
32 кг — 4,76 Vμ м3
1 кг —
, м3/кг.

Якщо ГР складається з С, Н, О, S, то
м3/кг.
Якщо прийняти, що Vμ = 22,4 м3/кмоль
м3/кг.

Визначення об’єму продуктів горіння
питомий теоретичний
С + (О2 + 3,76N2) = СО2 + 3,76N2
12 кг 22,4 м3 3,76·22,4 м3
1 кг voCO2 voN2
м3/кг.
м3/кг.

Якщо в ГР міститься оксиген, то повітря для горіння знадобиться менше. Це означає, що до зони реакції, а потім і в ПГ надійде менше азоту.
В повітрі на 1 кмоль кисню (32 кг) приходиться 3,76 кмолів або 3,76Vμ м3 азоту, тоді наявність 1 кг оксигену зменшує об’єм азоту в ПГ на величину:
, м3/кг.
Якщо в складі ГР міститися нітроген та волога, то при горінні вони переходять у газоподібні ПГ. Об’єм 1 кг азоту і пари води за нормальних умов дорівнює:
; .

Питомий об’єм продуктів горіння елементів

Визначення з використанням таблиці зводиться до перемноження масових часток компонентів gi на відповідні коефіцієнти таблиці з наступним їхнім додаванням по колонках.

питомий дійсний:
об'єм повітря , м3/м3
об'єм ПГ , м3/м3
повний теоретичний:
об'єм повітря , м3
об'єм ПГ , м3
повний дійсний:
об'єм повітря , м3
об'єм ПГ , м3