1.6. Материальный и тепловой баланс процессов горения

Основой процесса горения является быстро протекающая химическая реакция превращения исходных компонентов горючей смеси в продукты горения, имеющая положительный тепловой эффект. Как и любой химический процесс, горение подчиняется основным законам природы, таким как законы сохранения вещества и энергии. Это позволяет расчётным путём определить количество воздуха или другой окислительной среды, необходимое для горения веществ и материалов, объём и состав продуктов полного сгорания, температуру горения и другие параметры процесса.

При горении происходят активные соударения молекул горючего и окислителя, в результате которых образуются молекулы новых веществ, называемых продуктами реакции или продуктами горения, и выделяется тепло. Обобщённая запись брутто-уравнения материального и теплового баланса реакции горения имеет вид:

n_гГ + n_oОк = n_пг ПГ + Q, (1.19)

где: n_г – стехиометрический коэффициент горючего, моль или кмоль;

n_о – стехиометрический коэффициент окислителя, моль или кмоль;

n_пг – стехиометрический коэффициент продуктов сгорания, моль или кмоль;

Q – тепловой эффект химической реакции, Дж или кДж.

Для составления материального баланса процесса горения используют уравнения элементарных реакций окисления, входящих в состав горючего, выраженных в массовых процентах каждого химического элемента на единицу массы горючего вещества. Для индивидуальных соединений запись уравнения материального баланса осуществляется сразу, но принцип остаётся тот же. Для смесей горючих газов записывают уравнение материального баланса для каждого газа.

Во время горения реакции между горючим и продуктами его термического разложения протекают в объёме пламени, т. е. в зоне горения.

Минимальное (теоретическое) количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг твёрдого или жидкого горючего материала или 1 м³ горючего газа – называется теоретическим количеством воздуха и обозначается V⁰_в. Действительное количество воздуха V_в^пр является произведением коэффициента избытка воздуха α (альфа) и теоретического количества воздуха V_в⁰.

V_в^пр = αV_в⁰. (1.20)

Коэффициент избытка воздуха α показывает, во сколько раз объём воздуха, поступивший на горение, больше теоретического объёма воздуха, необходимого для полного сгорания единицы количества вещества в стехиометрической смеси.

Объём продуктов горения, образовавшихся при сжигании единицы горючего (1 кг, 1 м³, 1кмоль) в теоретическом количестве воздуха, равен:

, (1.21)

где V_RO – объём продуктов полного окисления i-х химических элементов в горючем веществе, м³/кг, м³/м³ горючего газа, м³/кмоль, кмоль/кмоль;

–объём азота, м³;

–объём паров воды, м³.

Полный действительный объём продуктов горения находится с учётом избытка воздуха (α1):

V_пг = V⁰_пг + V⁰_в, (1.22)

где V⁰_пг – теоретический объем продуктов горения, кмоль/кмоль, м³/кг, моль, м³/м³;

V⁰_в – избыток воздуха, кмоль/кмоль, м³/кг, моль, м³/м³.

Расчёт ведётся на 1 кг, (1 кмоль, 1 м³) твёрдого, жидкого или газообразного горючего.

Тепловой баланс процесса горения составляется или рассчитывается для определения температуры горения. Температура горения на пожаре зависит от скорости, полноты горения, величины избытка воздуха, температуры горючего материала и воздуха.

Теплота сгорания, используемая в расчётах температуры горения – количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы горючего материала.

Различают низшую (Q_н) и высшую теплоту (Q_в) сгорания. Высшая теплота сгорания включает теплоту конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах горения.

Низшую теплоту сгорания простых веществ определяют по закону Гесса, взяв значения теплоты образования веществ из справочной литературы, а для веществ сложного состава используют уравнение Д. И. Менделеева.

Q_н = 339,4С + 1256Н – 109(О + N - S) – 25(9Н + W), (1.23)

Q_в = 339,4С + 1256Н – 109(О + N - S), (1.24)

где С, Н, О, N, S – число атомов элементов, входящих в соединение;

W – влажность соединения.

Согласно закону Гесса теплота сгорания химического соединения (или их смеси) равна разности между суммой теплот образования продуктов сгорания и теплотой образования сгоревшего химического соединения (или веществ, составляющих горючую смесь).

Q_гор = Q - Q₁, (1.25)

где Q – суммарная теплота образования продуктов сгорания;

Q₁ – теплота образования горючего вещества.

Следовательно, для определения теплоты сгорания химических соединений необходимо знать теплоту их образования и теплоту образования продуктов, получающихся после сгорания.

Практическое применение теплоты горения необходимо для оценки обстановки на пожарах, при расчёте сил и средств на его тушение, при прогнозировании времени устойчивости различных строительных конструкций в условиях пожара.