Основные понятия энергетического баланса процесса горения

Под тепловым эффектом реакции понимают количество теплоты, которое выделяется или поглощается системой в ходе реакции.

В тех случаях, когда теплосодержание системы после реакции уменьшается (реакция идет с выделением энергии), реакция является экзотермической. Если теплосодержание конечных продуктов выше исходных (реакция идет с поглощением энергии), реакция является эндотермической.

Теплосодержание системы определяется теплотой образования компонентов системы (продуктов горения и исходного вещества). Таким образом тепловой эффект реакции можно записать:

ΔHг = ∑ ΔH ⁰f_пг − ∑ ΔH^of_гв,

где ΔH^of_пг и ΔH^of_гв — теплота образования продуктов горения и исходных горючих веществ соответственно.

Теплота образования веществ определяется по справочникам или рассчитывается исходя из структуры вещества.

Теплотой сгорания называется количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы количества вещества при условии, что начальные и конечные продукты находятся в стандартных условиях.

Различают:

молярную Q — для одного моля (кДж/моль),

массовую Q′ − для одного килограмма (кДж/кг),

объемную Q″ − для одного кубического метра вещества (кДж/м³) теплоту сгорания.

В зависимости от агрегатного состояния воды, образовавшейся в процессе горения, различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания называется количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы количества горючего вещества, включая тепло конденсации водяных паров.

Низшей теплотой сгорания называется количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы количества горючего вещества при условии, что вода в продуктах горения находится в газообразном состоянии.

Молярную теплоту сгорания рассчитывают в соответствии с законом Гесса:

Q_гор= _I ∆H⁰ _{fгв, кДж/моль}

Для расчета молярной теплоты сгорания Q в массовую Q′ можно использовать формулу:

Q ^1`_гор= , _{кДж/моль}

где μ - молярная масса горючего вещества, кг/кмоль.

Для веществ в газообразном состоянии при пересчете из стандартной теплоты сгорания Q в объемную Q″ используют формулу:

Q ²_гор= μ

где Vμ - объем кило моля газа, который при стандартных условиях составляет 22,4 м³/кмоль.

Для сложных горючих веществ или смесей можно вывести формулу определения теплоты сгорания исходя из состава и процентного содержания компонентов.

Достаточно точные результаты дает формула Менделеева для высшей теплоты сгорания:

Qв′ = 339,4·φ С + 1256,8·φН + 108,9(φS − φO – φN),

где φO, φN, φS, φС, φН — процентное содержание кислорода, азота, серы, углерода, водорода в горючем веществе.

Для низшей теплоты сгорания:

Qн′ = Qв′ – 25,1(9·φН + W%), кДж/кг,

где W% − содержимое влаги в горючем веществе.

Теплота сгорания имеет большое практическое значение при расчете пожарной нагрузки и параметров пожара.

Под пожарной нагрузкой (Р_пож) понимают количество тепла, которое может выделиться при сгорании веществ и материалов, приходящихся на один квадратный метр поверхности пола помещения, МДж/м².

Пожарная нагрузка является количественной характеристикой, определяющей тепловое влияние пожара на строительные конструкции. Пожарную нагрузку рассчитывают как сумму произведений масс всех горючих материалов на их низшую теплоту сгорания, отнесенную к единице поверхности пола по формуле:

P= ∙10^-3, МДж/м².

Низшая теплота сгорания также используется для определения пожарной опасности горючих веществ. Экспериментально доказано, что вещества являются негорючими, если они не относятся к взрывоопасным и их низшая теплота сгорания меньше, чем 2100 кДж/кг или 1830 кДж/м³.