Материал: Методические указания по выполнению практических работ студентов по дисциплине «Теория горения и взрыва». Горшков А.Г., Калач А.В

Трудность в определении температуры горения по этой формуле заключается в том, что теплоёмкость газа зависит от температуры. Так как газы нагреваются от температуры Т0 до температуры Тг, то в формулу (32) необходимо подставить среднее значение теплоёмкости именно в этом интервале температур. Но температура горения нам неизвестна и мы хотим её найти. В этом случае можно поступить следующим образом. Среднее значение температуры горения большинства веществ в воздухе составляет примерно 1500 К. Поэтому с небольшой погрешностью в определении Тг для расчётов можно взять среднее значение теплоёмкости в интервале температур 273-1500 К. Эти значения для основных продуктов горения приведены в табл. 6.

Таблица 6 Средние значения теплоёмкостей основных продуктов

горения в интервале температур 273-1500 С

Среднее значение теплоёмкости некоторых газообразных веществ в различных температурных интервалах приведены также в прил. 2.

Рассмотри примеры решения задач на расчёт температуры горения.

19

2.1. Расчёт температуры горения с использованием средних значений теплоёмкостей

Пример 1. Рассчитать действительную температуру горения вещества сложного состава, состоящего из 40 % углерода, 20 % водорода, 30 % азота, 10 % влаги. Горение протекает при коэффициенте избытка воздуха, равном 1,2, а потери тепла на излучение составляют 30 %.

Решение:

1. Рассчитаем низшую теплоту сгорания горючего вещества, используя формулу Д.И. Менделеева (формула

(26)).

Qн 339 40 1257 20 109 30 25 (9 20 10) 30680кДжкг

2. Рассчитаем объёмы продуктов горения при полном сгорании 1 кг горючего вещества сложного состава (см. фор-

мулы 28-30).

N2 100

Всвязи с тем, что горение происходит при избытке

воздуха, то в продуктах горения будет присутствовать избыточный воздух, который не участвовал в горении.

3. Рассчитаем избыточный объём воздуха при полном сгорании 1 кг горючего вещества (формула (9)).

Vвоздизб 0,269 (40 20) (1,2 1) 1,79м3 кг . 3

4. Рассчитаем температуру горения и, т.к. в условии задачи ничего не сказано о начальной температуре горения, будем считать, что горение протекает при нормальных условиях (формула (33) и табл. 6):

20

Ответ: действительная температура горения вещества сложного состава составила 1194 К.

2.2.Расчёт температуры горения методом последовательных приближений

Для более точных расчётов используют метод последовательных приближений по известной зависимости теплосодержания (энтальпии) продуктов горения от температуры.

Если теплосодержание продуктов горения при Т=273 К принять равным нулю, то полное теплосодержание продуктов горения при Тг будет равно количеству теплоты, выделившейся в результате химической реакции.

С учётом теплопотерь:

где НПГi - теплосодержание (энтальпия) i-го продукта горения.

Задача состоит в том, чтобы найти температуру, при которой будет справедливо это равенство.

Пример 2. Найти адиабатную температуру горения этилового спирта в воздухе, если теплота его образования равна - 278,2 кДж/моль.

Решение. Адиабатную температуру горения вещества находят при условии отсутствия теплопотерь ( = 0), для стехиометрической смеси горючего с воздухом, т.е. при = 1.

1. Для определения состава и объёма продуктов горения запишем уравнение химической реакции горения этилового спирта:

С2Н6О + 3(О2 + 3,76 N2) = 2 CО2 + 3 Н2О + 3 3,76 N2

VN2 3 3,76 11,28 моль/моль; объём продуктов горения

VПГ 16,28 моль/моль.

3. Рассчитаем низшую теплоту сгорания этилового спирта по следствию из закона Гесса, формула (24):

Qн (2 ( 396,9) 3 ( 242,2) ( 278,2)) 1242,2 кДж/кмоль. 4. Так как теплопотери отсутствуют, то всё выделив-

шееся тепло идёт на нагрев продуктов горения. Среднее теплосодержание 1 моля продуктов горения Нср будет составлять:

Н 1242,2 76,3 кДж/моль. ср 16,28

5. Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от температуры (прил. 2), можно установить какой температуре соответствует такое теплосодержание. Лучше всего это сделать, ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения. Из прил. 2 видно, что при температуре 2200 С теплосодержание азота 74,1 кДж/моль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры. При Т1

= 2200 С:

Qн1 120,8 2 98,8 3 74,1 11,28 1373,5 кДж/моль.

Но это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горения Qн1 Qн , поэтому можно сказать, что тем-

пература горения меньше, чем 2200 С. Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов горения до

2100 С.

Qн2 114,7 2 93,4 3 70,4 13,16 1303,7 кДж/моль.

Но и Qн2 Qн , значит Тг 2100 С. При температуре 2000 С:

Qн3 180,6 2 88,1 3 66,8 11,28 1217 кДж/кмоль.

Qн3 уже меньше, чем Qн , из этого можно сделать вывод, что температура горения этанола имеет значение между 2000 и 2100 С. Уточним эту температуру линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениями:

22

или Тг 2302 К.

Ответ: адиабатическая температура горения этанола составила 2302 К.

2.3. Задачи для самостоятельного решения

Задача 1. Методом последовательных приближений рассчитать адиабатическую температуру горения для стехиометрической смеси горючего вещества с воздухом (табл. 7).

Таблица 7 Формулы некоторых органических веществ

Задача 2. Вычислить температуру горения горючего вещества (табл. 8), если горение протекает при коэффициенте избытка воздуха , а доля потерь тепла излучением составляет

23