Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов
Курсовой проект - Безопасность жизнедеятельности
Другие курсовые по предмету Безопасность жизнедеятельности
ой сгорания (Qс, ?сН). Стандартная энтальпия сгорания кислорода, жидкой воды, газообразного диоксида углерода (СО2) и других высших оксидов в стандартных состояниях равна нулю при любой температуре (), так они не способны окисляться.
Значения теплот сгорания органических соединений можно найти в справочной литературе или рассчитать, используя первое следствие из закона Гесса, которое гласит: тепловой эффект реакции равен сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.
Высшей теплотой сгорания Qсв (?сНв) называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объёма горючего вещества при условии, что вода выделяется в конденсированном состоянии.
Низшей теплотой сгорания Qсн (?сНн) называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объёма горючего вещества при условии, что вода выделяется в виде пара и происходит испарение влаги, содержащейся в горючем веществе.
В пожарно-технических расчетах обычно используют низшую теплоту сгорания, так как в условиях пожарах вода как продукт реакции находится в парообразном состоянии.
Используя справочную литературу для нахождения теплот (энтальпий) образования веществ и проводя теплотехнические расчеты, необходимо помнить, что тепловой эффект реакции ?rН0т и теплота сгорания Qс. имеют одинаковые численные значения, но разный знак, т.е. Qс = ?.
Рассчитаем теплоту сгорания (? = Qн) метана, этана и сероуглерода, опираясь на первое следствие из закона Гесса. Запишем термохимические уравнения реакции их окисления:
- для метана
СН4(г)+ 2О2(г) +23,76N2 = СО2(г) + 2Н2О(г) + 23,76N2 (22)
, кДж/моль ?74,85 0 ?393,51 ?241,81
Согласно первому следствию из закона Гесса, теплоты сгорания метана будет равна:
Qсн=?{+2?} =
= - {(?393,51)+2(?241,81)?(?74,85)} = 802,28 кДж/моль.
Значение низшей теплоты сгорания 1 м3 метана рассчитаем по формуле:
Qнс, об = - Qнс1000/24,45 ,(23)
где 24,45 л - объем одного моля газа при Т=298 К.
Отсюда низшая теплота сгорания 1 м3 метана будет равна:
Qнс, об(СН4) = 802,281000 / 24, 45 = 32813,5 кДж/м3.
для этана:
С2Н6(г) + 3,5О2(г) + 3,53,76N2 = 2СО2(г) + 3Н2О(г)+3,53,76N2 (24)
, кДж/моль ?84,67 ?393,51 ?241,81
Низшая теплота сгорания 1 моля этана составит:
Qсн=?{2+3?} =
= - {2(?393,51) + 3(?241,81) ? (?84,67)} =1427,78 кДж/моль.
Рассчитанная по аналогии с метаном теплота сгорания 1 м3 этана будет равна 58397,1 кДж/м3.
для сероводорода:
H2S(г)+ 3О2 +33,76N2 = 2Н2О(г) + 2SО2(г) + 33,76N2 (25)
, кДж/моль - 20,60 - 241,81 - 296,90
Низшая теплота сгорания 1 моля сероводорода составит:
Qсн=?{2?fН0298(Н2О) + 2?fН0298(SО2) ? 2?fН0298(H2S)} =
= - {(?241,81) + 2(?296,9)? 2(- 20,6)} = 1036,22 кДж/моль.
Рассчитанная по аналогии теплота сгорания 1 м3 сероводорода будет равна 42381,2 кДж/м3.
Поскольку в 1 м3 исходной газовой смеси содержится 84 об. % (0,84) метана, 6 об. % (0.06) этана и 7 об. % (0.07) сероводорода, то общая теплота сгорания 1 м3 смеси составит
Qсн, об = 32813,5 0,84 + 58397,1 0,06 + 42381,20.07 = 34033,9 кДж/м3.
Определим объем (V) и число молей (?) продуктов горения, образовавшихся при сгорании исходной смеси, содержащей 84 об.% СН4, 6 об.% С2Н6, 7% H2S(г), используя приведённые выше химические уравнения реакций их горения. Учтём также, что смесь в соответствии с заданием содержит дополнительно 3 об.% О2:
= (vCO2 / vCH4) (?CH4 /100) + (vCO2 / vC2H6) (?C2H6 /100) = 1/1 84/100 + 2/1 6/100 = 0,96 м3/м3 ;
?CO2 = 0,96/ 0,02445 = 39,26 моль/м3 ;O = (vH20 / vCH4) (?CH4 /100) + (vH20 / vC2H6) (?C2H6 /100) + (vH20 / vH2S) (?H2S /100) = 2/1 84/100 + 3/1 6/100 + 2/2 7/100 = 1,93 м3/м3 ;
?H20 = 1,93/ 0,02445 = 78,94 моль/м3 ;= (vN2 / vCH4) (?CH4 /100) + (vN2 / vC2H6) (?C2H6 /100) + (vN2 / vH2S) (?H2S /100) = (23,76)/1 84/100 + (3,53,76)/1 6/100 + (33,76)/2 7/100 = 7,501 м3/м3 ;
?N2 = 7,501/ 0,02445 = 306,798 моль/м3 ;
VSO2 = (vSO2 / vH2S) (?H2S /100) = 2/2 7/100 = 0,07 м3/м3 ;
?SO2 = 0,07/ 0,02445 = 2,86 моль/м3 ; = ?O2 /100 = 3/100 = 0,03 м3/м3 ;
?O2 = 0,03/ 0,02445 = 1,23 моль/м3 .
Суммарный объем продуктов горения составит:
Vпг = 0,96 + 1,93 + 7,501 + 0,07 +0,03 = 10,49 м3/м3 или 429,04 моль/м3.
После интегрирования уравнения (21) получим выражение для расчёта адиабатической температуры горения:
= T0 + Qнс, об / ? ?i CP,пг = T0 + Qнс, об / (?CO2 CP,CO2 + ?H2O CP,H2O + ?N2 CP,N2 + ?SO2 CP,SO2 + ?O2 CP,O2) (26)
Для расчетов воспользуемся следующими средними значениями теплоемкостей для температурного диапазона 298?2000 K (табл. 3)
=53,14; =42,34; =34,73; =32,76; CP(SO2)=52,57 Дж/моль.K.
Подставив приведенные значения теплоемкостей и числа молей продуктов сгорания в формулу (26), получим:= 298 + 34033,9 103/(39,2653,14 + 78,9642,34+ 1,2334,73 + 306,79832,76 + 2,8652,57 ) = 2470 К.
Действительная температура горения всегда ниже адиабатической, так как часть тепла теряется с излучением. При расчете действительной температуры горения учитываются потери тепла в результате химического недожога в зоне горения, когда образуются продукты неполного сгорания (СО, С, CnHm и др.) и потери тепла за счёт излучения факела пламени.
, (27)
где - общие теплопотери при горении газового фонтана, представляющие собой долю от низшей теплоты сгорания ;
- химический недожог (0,10);
- коэффициент теплопотерь излучением.
Коэффициент теплопотерь излучением от пламени газового фонтана может быть определен в соответствии со следующей формулой:
. (28)
Молекулярную массу фонтанирующего газа (), состоящего из нескольких компонентов, можно определить по формуле:
, (29)
где ? молекулярная масса i-гo горючего компонента газового фонтана;
? доля i-гo горю?/p>