Низшая теплота сгорания индустриального масла. Удельная теплота сгорания топлива и горючих материалов

Под теплотворной способностью понимают теплоту полного сгорания единицы массы вещества. В ней учитываются потери тепла, связанные с диссоциацией продуктов сгорания и незавершенностью химических реакций горения. Теплотворная способность – это максимально возможная теплота сгорания единицы массы вещества.

Определяют теплотворную способность элементов, их соединений и топливных смесей. Для элементов она численно равна теплоте образования продукта сгорания. Теплотворная способность смесей является аддитивной величиной и может быть найдена, если известна теплотворная способность компонентов смеси.

Горение происходит не только за счет образования оксидов, поэтому в широком смысле можно говорить о теплотворной способности элементов и их соединений не только в кислороде, а и при взаимодействии с фтором, хлором, азотом, бором, углеродом, кремнием, серой и фосфором.

Теплотворная способность является важной характеристикой. Она позволяет оценить и сравнить с другими максимально возможное тепловыделение той или иной окислительно-восстановительной реакции и определить по отношению к нему полноту протекания реальных процессов горения. Знание теплотворной способности необходимо при выборе компонентов топлив и смесей различного назначения и при оценке их полноты сгорания.

Различают высшую H в и низшую H н теплотворные способности. Высшая теплотворная способность в отличие от низшей включает теплоту фазовых превращений (конденсации, затвердевания) продуктов сгорания при охлаждении до комнатной температуры. Таким образом, высшая теплотворная способность – это теплота полного сгорания вещества, когда физическое состояние продуктов сгорания рассматривается при комнатной температуре, а низшая – при температуре горения. Высшую теплотворную способность определяют сжиганием вещества в калориметрической бомбе или расчетным способом. Она включает в себя, в частности, теплоту, выделяющуюся при конденсации паров воды, которая при 298 К равна 44 кДж/моль. Низшую теплотворную способность рассчитывают без учета теплоты конденсации паров воды, например по формуле

где % Н – процентное содержание водорода в топливе.

Если при значениях теплотворной способности указывается физическое состояние продуктов сгорания (твердое, жидкое или газообразное), в этом случае индексы "высшая" и "низшая" обычно опускаются.

Рассмотрим теплотворную способность углеводородов и элементов в кислороде, отнесенную к единице массы исходного горючего. Низшая теплотворная способность отличается от высшей у парафинов в среднем на 3220-3350 кДж/кг, у олефинов и нафтенов – на 3140-3220кДж/кг, у бензола – на 1590 кДж/кг. При экспериментальном определении теплотворной способности следует иметь в виду, что в калориметрической бомбе вещество сгорает при постоянном объеме, а в реальных условиях – часто при постоянном давлении. Поправка на разность условий горения составляет для твердого топлива от 2,1 до 12,6, для мазута – около 33,5, бензина – 46,1 кДж/кг, а для газа достигает 210 кДж/м3. Практически эту поправку вводят только при определении теплотворной способности газа.

У парафинов теплотворная способность уменьшается с увеличением температуры кипения и увеличением отношения С/H. У моноциклических алициклнческих углеводородов это изменение значительно меньше. В ряду бензола теплотворная способность возрастает при переходе к высшим гомологам за счет боковой цепи. Двуядерные ароматические углеводороды имеют более низкую теплотворную способность, чем ряд бензола.

Всего лишь несколько элементов и их соединений имеют теплотворную способность, превышающую теплотворную способность углеводородных горючих. К числу этих элементов относятся водород, бор, бериллий, литий, их соединения и несколько элементорганических соединений бора и бериллия. Теплотворная способность таких элементов, как сера, натрий, ниобий, цирконий, кальций, ванадий, титан, фосфор, магний, кремний и алюминий, лежит в пределах 9210-32 240 кДж/кг. У остальных элементов периодической системы теплотворная способность не превышает 8374 кДж/кг. Данные по высшей теплотворной способности различного класса горючих приведены в табл. 1.18.

Таблица 1.18

Высшая теплотворная способность различных горючих в кислороде (отнесенная к единице массы горючего)

Вещество
Оксид углерода
изо-Бутан
н-Додекан
н-Гексадекан
Ацетилен
Циклопентан
Циклогексан
Этилбензол
Бериллии
Алюминий
Цирконий
Гидрид бериллия
Пснтаборан
Метаадиборан
Этилдиборан

Для жидких углеводородов, метанола и этанола теплотворная способность приведена для жидкого исходного состояния.

Теплотворная способность некоторых горючих была рассчитана на ЭВМ. Она составляет для магния 24,75 и алюминия 31,08 кДж/кг (состояние оксидов – твердое) и практически совпадает с данными табл. 1.18. Высшая теплотворная способность парафина C26H54, нафталина С10H8, антрацена С14Н10 и уротропина C6H12N4 составляет соответственно 47,00, 40,20, 39,80 и 29,80, а низшая – 43,70, 39,00, 38,40 и 28,00 кДж/кг.

В качестве примера, применительно к ракетным топливам, приведем теплоты сгорания различных элементов в кислороде и фторе, отнесенные к единице массы продуктов сгорания. Теплоты сгорания рассчитаны для состояния продуктов сгорания при температуре 2700 К и приведены на рис. 1.25 и в табл. 1.19.

Puc. 1.25. Теплота сгорания элементов в кислороде (1) и фторе (2), рассчитанная на килограмм продуктов сгорания

Как следует из приведенных данных, для получения максимальных теплот сгорания наиболее предпочтительны вещества, содержащие водород, литий и бериллий, а во вторую очередь – бор, магний, алюминий и кремний. Преимущество водорода вследствие малого молекулярного веса продуктов сгорания очевидно. Следует отметить преимущество бериллия вследствие большой теплоты сгорания.

Есть возможность образования смешанных продуктов сгорания, в частности газообразных оксифторидов элементов. Поскольку стабильными обычно являются оксифториды трехвалентных элементов, большинство оксифторидов не эффективны как продукты сгорания ракетных топлив из-за большого молекулярного веса. Теплота сгорания с образованием COF2 (г.) имеет промежуточное значение между теплотами сгорания СO2 (г.) и CF4 (г.). Теплота сгорания с образованием SO2F2 (г.) больше, чем в случае образования SO2 (г.) или SF6; (г.). Однако в большинстве ракетных топлив содержатся элементы с большой восстанавливающей способностью, которые предотвращают образование подобных веществ.

При образовании оксифторида алюминия AlOF (г.) выделяется меньше тепла, чем при образовании оксида или фторида, поэтому он не представляет интереса. Оксифторид бора BOF (г.) и его тример (BOF)3 (г.) являются довольно важными компонентами продуктов сгорания ракетных топлив. Теплота сгорания с образованием BOF (г.) имеет промежуточное значение между теплотами сгорания с образованием оксида и фторида, по оксифторид термически более стабилен, чем каждое из этих соединений.

Таблица 1.19

Теплоты сгорания элементов (в МДж/кг), отнесенные к единице массы продуктов сгорания (Т = 2700 К)

			оксифторид
Бериллий
Кислород
Алюминий
Цирконий

При образовании нитридов бериллия и бора выделяется достаточно большое количество тепла, что позволяет отнести их к важным компонентам продуктов сгорания ракетных топлив.

В табл. 1.20 приведена высшая теплотворная способность элементов при взаимодействии их с различными реагентами, отнесенная к единице массы продуктов сгорания. Теплотворная способность элементов при взаимодействии с хлором, азотом (кроме образования Ве3N2 и BN), бором, углеродом, кремнием, серой и фосфором значительно меньше теплотворной способности элементов при взаимодействии с кислородом и фтором. Большое разнообразие требований, предъявляемых к процессам горения и реагентам (по температуре, составу, состоянию продуктов сгорания и др.), делает целесообразным использование данных табл. 1.20 при практической разработке топливных смесей того или иного назначения.

Таблица 1.20

Высшая теплотворная способность элементов (в МДж/кг) при взаимодействии с кислородом, фтором, хлором, азотом, отнесенная к единице массы продуктов сгорания

• См. также: Joulin С., Clavin Р. Op. cit.

Что такое топливо?

Это один компонент либо смесь веществ, которые способны к химическим превращениям, связанным с выделением тепла. Разные виды топлива отличаются количественным содержанием в них окислителя, который применяется для выделения тепловой энергии.

В широком смысле топливо является энергоносителем, то есть, потенциальным видов потенциальной энергии.

Классификация

В настоящее время виды топлива подразделяют по агрегатному состоянию на жидкое, твердое, газообразное.

К твердому природному виду причисляют каменный и дрова, антрацит. Брикеты, кокс, термоантрацит это разновидности искусственного твердого топлива.

К жидкостям причисляются вещества, имеющие в составе вещества органического происхождения. Основными их компонентами являются: кислород, углерод, азот, водород, сера. Искусственным жидким топливом будут разнообразные смолы, мазут.

Газообразное топливо является смесью разнообразных газов: этилена, метана, пропана, бутана. Помимо них в составе есть углекислый и угарный газы, сероводород, азот, водяной пар, кислород.

Показатели топлива

Основной показатель сгорания. Формула для определения теплотворной способности рассматривается в термохимии. выделяют «условного топлива», которое подразумевает теплоту сгорания 1 килограмма антрацита.

Бытовое печное топливо предназначается для сжигания в отопительных устройствах незначительной мощности, которые находятся в жилых помещениях, теплогенераторах, применяемых в сельском хозяйстве для сушки кормов, консервирования.

Удельная теплота сгорания топлива - это такая величина, что демонстрирует количество теплоты, которое образуется при полном сгорании топлива объемом 1 м 3 либо массой один килограмм.

Для измерения этой величины используют Дж/кг, Дж/м 3 , калория/м 3 . Чтобы определить теплоту сгорания, используют метода калориметрии.

При увеличении удельной теплоты сгорания топлива, снижается удельный расход топлива, а коэффициент полезного действия остается неизменной величиной.

Теплота сгорания веществ является количеством энергии, выделяющейся при окислении твердого, жидкого, газообразного вещества.

Она определяется химическим составом, а также агрегатным состоянием сгораемого вещества.

Особенности продуктов сгорания

Высшая и низшая теплота сгорания связана с агрегатным состоянием воды в получаемых после сгорания топлива веществах.

Высшая теплота сгорания это количество теплоты, выделяемое при полном сгорании вещества. В эту величину включают и теплоту конденсации водяного пара.

Низшая рабочая теплота сгорания является той величиной, что соответствует выделению тепла при сгорании без учета теплоты конденсации водяных паров.

Скрытой теплотой конденсации считают величину энергии конденсации водяного пара.

Математическая взаимосвязь

Высшая и низшая теплота сгорания связаны следующим соотношением:

Q B = Q H + k(W + 9H)

где W - количество по массе (в %) воды в горючем веществе;

H-количество водорода (% по массе) в горючем веществе;

k - коэффициент, составляющий величину 6 ккал/кг

Способы проведения вычислений

Высшая и низшая теплота сгорания определяется двумя основными методами: расчетным и экспериментальным.

Для проведения экспериментальных вычислений применяют калориметры. Сначала сжигают в нем навеску топлива. Теплота, которая будет при этом выделяться, полностью поглощается водой. Имея представление о массе воды, можно определить по изменению ее температуры, величину ее теплоты сгорания.

Данная методика считается простой и эффективной, она предполагает только владение информацией о данных технического анализа.

В расчетной методике высшая и низшая теплота сгорания вычисляется по формуле Менделеева.

Q p H = 339C p +1030H p -109(O p -S p) - 25 W p (кДж/ кг)

Оно учитывает содержание углерода, кислорода, водорода, водяного пара, серы в рабочем составе (в процентах). Количество теплоты при сгорании определяется с учетом условного топлива.

Теплота сгорания газа позволяет проводить предварительные расчеты, выявлять эффективность применения определенного вида топлива.

Особенности происхождения

Для того чтобы понять, сколько теплоты выделяется при сгорании определенного топлива, необходимо иметь представление об его происхождении.

В природе есть разные варианты твердого топлива, которые отличаются между собой составом и свойствами.

Его образование осуществляется через несколько стадий. Сначала образуется торф, затем получается бурый и каменный уголь, потом формируется антрацит. В качестве основных источников образования твердого топлива выступают листья, древесина, хвоя. Отмирая, части растений при воздействии воздуха, разрушаются грибками, образуют торф. Его скопление превращается в бурую массу, потом получается бурый газ.

При высоком давлении и температуре, бурый газ переходит в каменный уголь, потом топливо накапливается в виде антрацита.

Помимо органической массы, в топливе есть дополнительный балласт. Органической считают ту часть, что образовалась из органических веществ: водорода, углерода, азота, кислорода. Помимо этих химических элементов, в его составе есть балласта: влага, зола.

Топочная техника предполагает выделение рабочей, сухой, а также горючей массы сжигаемого топлива. Рабочей массой называют топливо в исходном виде, поступающем к потребителю. Сухая масса - это состав, в котором отсутствует вода.

Состав

Самыми ценными компонентами считаются углерод и водород.

Эти элементы содержатся в любом виде топлива. В торфе и древесине процентное содержание углерода достигает 58 процентов, в каменном и буром угле - 80%, а в антраците оно достигает 95 процентов по массе. В зависимости от этого показателя меняется количество теплоты, выделяемой при сгорании топлива. Водород это второй по важности элемент любого топлива. Связываясь с кислородом, он образует влагу, которая существенно снижает тепловую ценность любого топлива.

Его процентное содержание колеблется от 3,8 в горючих сланцах до 11 в мазуте. В качестве балласта выступает кислород, входящий в состав топлива.

Он не является теплообразующим химическим элементом, поэтому негативно отражается на величине теплоты его сгорания. Сгорание азота, содержащегося в свободном либо связанном виде в продуктах сгорания, считается вредными примесями, поэтому его количество четко лимитируется.

Сера входит в состав топлива в виде сульфатов, сульфидов, а также в качестве сернистых газов. При гидратации оксиды серы образуют серную кислоту, которая разрушает котельное оборудование, негативно воздействует на растительность и живые организмы.

Именно поэтому сера является тем химическим элементом, присутствие которого в природном топливе является крайне нежелательным. При попадании внутрь рабочего помещения, сернистые соединения вызывают существенные отравления обслуживающего персонала.

Выделяют три вида золы в зависимости от ее происхождения:

• первичную;
• вторичную;
• третичную.

Первичный вид формируется из минеральных веществ, которые содержатся в растениях. Вторичная зола образуется как результат попадания во время пластообразования растительных остатков песком и землей.

Третичная зола оказывается в составе топлива в процессе добычи, хранения, а также его транспортировки. При существенном отложении золы происходит уменьшение теплопередачи на поверхности нагрева котельного агрегата, снижает величину теплопередачи к воде от газов. Огромное количество золы негативно отражается на процессе эксплуатации котла.

В заключение

Существенное влияние на процесс горения любого вида топлива оказывают летучие вещества. Чем больше их выход, тем объемнее будет объем фронта пламени. Например, каменный уголь, торф, легко загораются, процесс сопровождается незначительными потерями тепла. Кокс, который остается после удаления летучих примесей, в своем составе имеет только минеральные и углеродные соединения. В зависимости от особенностей топлива, величина количества теплоты существенно изменяется.

В зависимости от химического состава выделяют три стадии формирования твердого топлива: торфяную, буроугольную, каменноугольную.

Натуральную древесину применяют в небольших котельных установках. В основном используют щепу, опилки, горбыли, кору, сами дрова применяют в незначительных количествах. В зависимости от породы древесины величина выделяемой теплоты существенно изменяется.

По мере снижения теплоты сгорания, дрова приобретают определенные преимущества: быструю воспламеняемость, минимальную зольность, отсутствие следов серы.

Достоверная информация о составе природного либо синтетического топлива, его теплотворной способности, является отличным способом проведения термохимических вычислений.

В настоящее время появляется реальная возможность выявления тех основных вариантов твердого, газообразного, жидкого топлива, которые станут самыми эффективными и недорогими в использовании в определенной ситуации.

Химические реакции сопровождаются поглощением или выделением энергии, в частности тепла. реакции, сопровождающиеся поглощением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются эндотермическими . При эндотермических реакциях нагрев реагирующих веществ необходим не только для возникновения реакции, но и в течение всего времени их протекания. Без нагревания извне эндотермическая реакция прекращается.

реакции, сопровождающиеся выделением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются экзотермическими . Все реакции горения относятся к экзотермическим. Вследствие выделения тепла они, возникнув в одной точке, способны распространяться на всю массу реагирующих веществ.

Количество тепла, выделяемое при полном сгорании вещества и отнесенное к одному молю, единице массы (кг, г) или объема (м 3) горючего вещества называется теплотой сгорания. Теплоту сгорания можно вычислить по табличным данным, пользуясь законом Гесса. Русский химик Г.Г. Гесс в 1840 г. открыл закон, который является частным случаем закона сохранения энергии. Закон Гесса состоит в следующем: тепловой эффект химического превращения не зависит от пути, по которому реакция протекает, а зависит лишь от начального и конечного состояний системы при условии, что температура и давление (или объем) в начале и в конце реакции одинаковы.

Рассмотрим это на примере вычисления теплоты сгорания метана. Метан можно получить из 1 моля углерода и 2 молей водорода. При сжигании метана получаются 2 моля воды и 1 моля диоксида углерода.

С + 2Н 2 = СН 4 + 74,8 кДж (Q 1).

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О + Q гор.

Те же продукты образуются при сгорании водорода и углерода. При этих реакциях общее количество выделяющегося тепла равно 963,5 кДж.

2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О + 570,6 кДж

С + О 2 = СО 2 + 392,9 кДж.

Поскольку начальные и конечные продукты в обоих случаях одинаковы, их общие тепловые эффекты должны быть равны согласно закону Гесса, т.е.

Q 1 + Q гор = Q,

Q гор = Q — Q 1 . (1.11)

Следовательно, теплота сгорания метана будет равна

Q гор = 963,5 — 74,8 = 888,7 кДж/моль.

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

Ниже приведены значения теплот образования некоторых химических соединений:

Оксид алюминия Al 2 O 3 ………		Метан СН 4 ……………………
Оксид железа Fe 2 O 3 …………		Этан С 2 Н 6 ……………………
Оксид углерода CO ………….		Ацетилен С 2 Н 2 ………………
Диоксид углерода CO 2 ………		Бензол С 6 Н 6 …………………
Вода H 2 O …………………….		Этилен С 2 Н 4 …………………
Водяной пар H 2 O ……………		Толуол С 6 Н 5 СН 3 …………….

Пример 1.5 .Определить температуру сгорания этана, если теплота его образования Q 1 = 88,4 кДж. Напишем уравнение горения этана.

С 2 Н 6 + 3,5 O 2 = 2 CO 2 + 3 H 2 O + Q гор .

Для определения Q гор необходимо знать теплоты образования продуктов сгорания. теплота образования диоксида углерода 396,9 кДж, а воды 286,6 кДж. Следовательно, Q будет равно

Q = 2 × 396,9 + 3 × 286,6 = 1653,6 кДж,

а теплота сгорания этана

Q гор = Q - Q 1 = 1653,6 — 88,4 = 1565,2 кДж.

Теплоту сгорания экспериментально определяют в калориметрической бомбе и газовом калориметре. Различают высшую и низшую теплоты сгорания. Высшей теплотой сгорания Q в называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 горючего вещества при условии, что содержащийся в нем водород сгорает с образованием жидкой воды. Низшей теплотой сгорания Q н называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 горючего вещества при условии сгорания водорода до образования водяного пара и испарении влаги горючего вещества.

Высшую и низшую теплоты сгорания твердых и жидких горючих веществ можно определить по формулам Д.И. Менделеева:

где Q в, Q н — высшая и низшая теплоты сгорания, кДж/кг; W – содержание в горючем веществе углерода, водорода, кислорода, горючей серы и влаги, %.

Пример 1.6. Определить низшую температуру сгорания сернистого мазута, состоящего из 82,5 % С, 10,65 % Н, 3,1 % S и 0,5 % О; А (зола) = 0,25 %, W = 3 %. Используя уравнение Д.И. Менделеева (1.13), получаем

=38622,7 кДж/кг

Низшую теплоту сгорания 1 м 3 сухих газов можно определить по уравнению

Низшая теплота сгорания некоторых горючих газов и жидкостей, полученная экспериментально, приведена ниже:

Углеводороды: метан ………………………..
этан …………………………
пропан ………………………
метиловый ………………….
этиловый ……………………
пропиловый …………………

Низшая теплота сгорания некоторых горючих материалов, рассчитанная по их элементному составу, имеет следующие значения:

Бензин ……………………		Каучук синтетический
Бумага ……………………		Керосин ………………
Древесина		Органическое стекло..
воздушно-сухая ………..		Резина ………………..
в конструкциях зданий…		Торф (W = 20 %) …….

Существует нижний предел теплоты сгорания, ниже которого вещества становятся не способными к горению в атмосфере воздуха.

Эксперименты показывают, что вещества являются негорючими, если они не относятся к взрывоопасным и если их низшая теплота сгорания в воздухе не превышает 2100 кДж/кг. Следовательно, теплота сгорания может служить для ориентировочной оценки горючести веществ. Однако следует отметить, что горючесть твердых веществ и материалов в значительной степени зависит и от их состояния. Так, лист бумаги, легко воспламеняющийся от пламени спички, будучи нанесенным на гладкую поверхность металлической плиты или бетонной стены, становится трудногорючим. Следовательно, горючесть веществ зависит также от скорости отвода тепла из зоны горения.

Практически в процессе горения, особенно на пожарах, указанная в таблицах теплота сгорания полностью не выделяется, так как горение сопровождается недожогом. Известно, что нефтепродукты, а также бензол, толуол, ацетилен, т.е. вещества, богатые

углеродом, горят на пожарах с образованием значительного количества сажи. Сажа (углерод) способна гореть и выделять тепло. Если при горении она образуется, то, следовательно, горючее вещество выделяет тепла меньше того количества, которое указано в таблицах. Для веществ, богатых углеродом, коэффициент недожога h составляет 0,8 — 0,9. Следовательно, на пожарах при горении 1 кг резины может выделиться не 33520 кДж, а только 33520´0,8 = 26816 кДж.

Размер пожара обычно характеризуется площадью пожара. Количество тепла, выделяющееся с единицы площади пожара в единицу времени, называют теплотой пожара Q п

Q п = Q н υ м h ,

где υ м – массовая скорость выгорания, кг/(м 2 ×с).

Удельная теплота пожара при внутренних пожарах характеризует тепловую нагрузку на конструкции зданий и сооружений и используется для расчета температуры пожара.

1.6. 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) всё выделяющееся при горении тепло расходуется на нагревание продуктов сгорания (потери тепла равны нулю);

2) начальные температуры воздуха и горючего вещества равны 0 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

2СО 2 2СО + О 2 - 566,5 кДж.

2Н 2 О2Н 2 + О 2 - 478,5 кДж.

Практически диссоциацию продуктов сгорания необходимо учитывать только при температуре выше 1700 0 С. При диффузионном горении веществ 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 н горючего вещества равна энергии q г, необходимой для нагревания продуктов сгорания от 0 0 С до калориметрической температуры горения

, - теплоемкость компонентов продуктов сгорания (теплоемкость СО 2 принимается для смеси СО 2 и SО 2), кДж/(м 3 ?К).

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

Виды теплоты сгорания

Теплота сгорания может быть отнесена к рабочей массе горючего вещества , то есть к горючему веществу в том виде, в каком оно поступает к потребителю; к сухой массе вещества ; к горючей массе вещества , то есть к горючему веществу, не содержащему влаги и золы.

Различают высшую () и низшую () теплоту сгорания.

Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.

Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара. Теплоту конденсации водяных паров также называют скрытой теплотой сгорания .

Низшая и высшая теплота сгорания связаны соотношением: ,

где k - коэффициент, равный 25 кДж/кг (6 ккал/кг); W - количество воды в горючем веществе, % (по массе); Н - количество водорода в горючем веществе, % (по массе).

Расчёт теплоты сгорания

Таким образом, высшая теплота сгорания - это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема (для газа) горючего вещества и охлаждении продуктов сгорания до температуры точки росы. В теплотехнических расчетах высшая теплота сгорания принимается как 100 %. Скрытая теплота сгорания газа - это теплота, которая выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Теоретически она может достигать 11 %.

На практике, не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (QHp), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в веществе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):

(для твердого вещества)

(для жидкого вещества), где:

2514 - теплота парообразования при температуре 0 °C и атмосферном давлении, кДж/кг;

И - содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;

9 - коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.

Теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, так как определяет количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 или 4,19 кДж.

Низшая теплота сгорания определяется экспериментально для каждого вещества и является справочной величиной. Также её можно определить для твердых и жидких материалов, при известном элементарном составе, расчётным способом в соответствии с формулой Д. И. Менделеева, кДж/кг или ккал/кг:

Содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги в % (по массе).

Для сравнительных расчётов используется так называемое Топливо условное, имеющее удельную теплоту сгорания, равную 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг).

В России тепловые расчёты (например, расчёт тепловой нагрузки для определения категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности ) обычно ведут по низшей теплоте сгорания, в США, Великобритании, Франции - по высшей. В Великобритании и США до внедрения метрической системы мер удельная теплота сгорания измерялась в британских тепловых единицах (BTU) на фунт (lb) (1Btu/lb = 2,326 кДж/кг).

Самые высокие значения теплоты сгорания природных газов из различных источников

Эти данные были получены от Международного энергетического агентства .

• Алжир : 42 000 кДж/м³
• Бангладеш : 36 000 кДж/м³
• Канада : 38 200 кДж/м³
• Индонезия : 40 600 кДж/м³
• Нидерланды : 33 320 кДж/м³
• Норвегия : 39 877 кДж/м³
• Россия : 38 231 кДж/м³
• Саудовская Аравия : 38 000 кДж/м³
• Великобритания : 39 710 кДж/м³
• Соединенные Штаты : 38 416 кДж/м³
• Узбекистан : 37 889 кДж/м³
• Беларусь : 33 000 кДж/м³

Необходимое количество топлива для работы лампочки мощностью 100 Вт в течение года (876 кВт·ч )

(Количество топлива, указанное ниже, рассчитано при 100 % эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую. Так как большинство электрогенерирующих установок и распределительных систем достигают эффективности (КПД) порядка 30 % - 35 %, фактическое количество топлива, используемого для питания лампочки мощностью 100 Вт, будет приблизительно в три раза больше указанного количества).

• 260 кг древесины (при 20 % влажности)
• 120 кг угля (антрацит малозольный)
• 73,34 кг керосина
• 78,8 м³ природного газа (используя усредненную величину 40000 кДж/м³)
• 17,5 мкг антивещества

Примечания

Литература

• Физический энциклопедический словарь
• Большая Советская энциклопедия
• Пособие к НПБ 105-03

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

5. Категории зданий по взрывопожарной и пожарной опасности

5.1. Здание относится к категории А, если в нем суммарная площадь помещений категории А превышает 5% площади всех помещений или 200 м 2 .

Допускается не относить здание к категории А, если суммарная площадь помещений категории А в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 1000 м 2), и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения.

5.2. Здание относится к категории Б, если одновременно выполнены два условия:

а) здание не относится к категории А;

б) суммарная площадь помещений категорий А и Б превышает 5% суммарной площади всех помещений или 200 м 2 .

Допускается не относить здание к категории Б, если суммарная площадь помещений категорий А и Б в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 1000 м 2), и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения.

б) суммарная площадь помещений категорий А, Б и В1-В3 превышает 5% (10%, если в здании отсутствуют помещения категорий А и Б) суммарной площади всех помещений.

Допускается не относить здание к категориям В1-В3, если суммарная площадь помещений категории А, Б и В1-В3 в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 3500 м 2), и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения.

5.4. Здание относится к категории Г, если одновременно выполнены два условия:

б) суммарная площадь помещений категории А, Б, В1-В3 и Г превышает 5% суммарной площади всех помещений.

Допускается не относить здание к категории Г, если суммарная площадь помещений категорий А, Б, В1-В3 и Г в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 5000 м 2), и помещения категорий А, Б и В1-В3 оборудуются установками автоматического пожаротушения.

5.5. Здание относится к категории В4, если оно не относится к категориям А, Б, В1-В3 или Г.

5.6. Здание относится к категории Д, если оно не относится к категориям А, Б, В1-В4, Г.

Приложение 1

Исходные данные для расчета удельной временной пожарной нагрузки в помещениях

Таблица 1

Низшая теплота сгорания и плотность ТГМ, ЛВЖ и ГЖ,

обращающихся в помещениях объектов железнодорожного транспорта

Наименование веществ и материалов	Низшая теплота сгорания, МДж·кг -1	Плотность,
Жидкие горючие вещества и материалы
4. Бутиловый спирт
5. Дизельное топливо
6. Керосин
8. Лак изоляционный пропиточный (БТ-99, ФЛ-98) (содержание летучих - 48%)
10. Масло индустриальное
11. Масло трансформаторное
12. Масло турбинное
13. Метиловый спирт
15. Соляровое масло
16. Толуол
17. Уайт-спирит
18. Эмаль ПФ-115 (содержание летучих - 34%)
19. Этиловый спирт
20. Клей (резиновый)
Твердые горючие вещества и материалы
21. Бумага разрыхленная
22. Бумага (книги, журналы)
23. Винилискожа
24. Волокно штапельное
25. Войлок строительный
26. Древесина сосновая (W p = 20%)
27. Древесно-волокнистная плита (ДВП)
28. Древесно-стружечная плита (ДСП)
30. Карболитовые изделия
31. Каучук натуральный
32. Каучук синтетический
33. Кабель (силовой, освещения, управления, автоматики)
34. Картон серый
35. Кинопленка триацетатная
36. Линолеум ПХВ
37. Лен разрыхленный
38. Мипора (резина пористая)
39. Органическое стекло
40. Обтирочный материал
41. Плита столярная
42. Пенополиуретан
43. Плиты пенополистирольные
44. Резина
45. Стеклопластик
46. Ткань хлопчатобумажная (в навал)
47. Ткань шерстяная (в навал)
48. Фанера
49. Резиновая и полихлорвиниловая изоляция проводов