2015-03-27
4261
Удельным теоретическим расходом воздуха Vв° называется минимальное его количество, необходимое для полного сгорания единицы массы горючего вещества при нормальных условиях.
Теоретическое количество воздуха (или другого окислителя) рассчитывается по уравнению материального баланса горения с учетом стехиометрических коэффициентов, то есть когда горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении.
Стехиометрическое количество воздуха в уравнении реакции горения предполагает, что при данном соотношении компонентов, участвующих в реакции горения, воздух расходуется полностью. Объем воздуха в данном случае называется теоретическим (Vвтеор ).
Горение может происходить не только при стехиометрическом соотношении компонентов, но и при значительном отклонении от него. Как правило, в условиях пожара на сгорание вещества воздуха затрачивается больше, чем определяется теоретическим расчетом. Избыточный воздух DVв в реакции горения не расходуется и удаляется из зоны реакции вместе с продуктами горения. Таким образом, практический объем воздуха равен:
Vвпр = Vвтеор + DVв (1)
и, следовательно, избыток воздуха будет равен
DVв= Vвпр - Vвтеор (2)
Обычно в расчетах избыток воздуха при горении учитывается с помощью коэффициента избытка воздуха (a). При этом следует помнить, что в избыток воздуха входит только кислород и азот.
Коэффициент избытка воздуха при кинетическом горении показывает отклонение газопаровоздушной смеси от стехиометрической концентрации. При стехиометрической концентрации α=1. В данном случае коэффициент избытка воздуха может быть как больше, так и меньше 1, но ограничен область воспламенения.
Величина a является важной характеристикой машин и агрегатов, в которых осуществляется организованное горение.
Для горючих смесей стехиометрического состава (т.е. состава, соответствующего уравнению реакции горения), где коэффициент избытка воздуха a = 1, реальный расход воздуха равен теоретическому. В этом случае обеспечивается оптимальный режим горения. Однако добиться полной однородности смеси чрезвычайно трудно. Существующие для этой цели технические средства не позволяют в полной мере обеспечить стехиометрическое соотношение компонентов при реакции горения и создать однородную смесь. Регулирование значения коэффициента избытка воздуха дает возможность максимально приблизиться к оптимальным условиям сжигания.
Почти всегда a несколько больше единицы и находится в интервале значений:
1,02 – 1,3 в зависимости от характера сжигаемого вещества. Именно этим обусловлено название коэффициента a - коэффициент избытка воздуха. В действительности для кинетического горения его значения могут быть как больше, так и меньше 1.
При a > 1 горючую смесь называют бедной по горючему компоненту, а при a < 1 – богатой по горючему компоненту.
Избыток воздуха имеется только в смеси, бедной по горючему компоненту. Избыток воздуха равен:
DVв= Vвтеор(a -1) (3)
В условиях пожара обычно преобладает диффузионный режим горения. В закрытом объеме диффузионное горение большинства горючих материалов возможно только до определенной пороговой концентрации кислорода, так называемой остаточной концентрации кислорода в продуктах горения. Т.е. при диффузионном горении, кислород воздуха не весь задействуется на горение. Для различных веществ и материалов остаточное содержание кислорода в продуктах сгорания может составлять 8-16%. Таким образом, на горение расходуется только часть кислорода, поэтому для полного сгорания рассматриваемого вещества потребуется воздуха больше, чем теоретически необходимое.
Коэффициент избытка воздуха для диффузионного горения правильнее назвать коэффициент участия воздуха в горении. Эта характеристикаболее полно отражает суть процесса горения на пожаре и не дает ошибочных представлений и понятий. Это важный параметр, определяющий динамику развития пожара и, как следствие, развитие его опасных факторов.
Отношение объема воздуха, практически пошедшего на горение при диффузионном горении, к теоретически необходимому, называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается греческой буквой α (альфа):
(4)
его можно определить также по выражению:
(5)
где:
концентрация кислорода в воздухе до начала горения, в объемных %, обычно, если не задано иное, принимают 21%;
- концентрация кислорода в воздухе, при которой прекращается горение данного вещества (остаточное содержание кислорода), в объемных %.
Физический смысл коэффициента избытка воздуха при диффузионном горении заключается в том, на сколько не полностью может быть (или был) задействован кислород воздуха при горении.
Формула для расчета практического объема воздуха для сгорания заданного количества горючего вещества имеет вид:
, м3; (6)
где:
α - коэффициент избытка воздуха.
Очевидным является, что при горении в диффузионном режиме, коэффициент избытка воздуха может иметь значения более 1. На практике значение этого коэффициента обычно составляет 2-5.
Расчет объема воздуха, необходимого для горения, предполагает вычисление:
а) теоретического объема воздуха Vвтеор и б) практического объема воздуха Vвпр, затраченного на горение (с учетом коэффициента избытка воздуха).
Алгоритм расчета теоретического количества воздуха зависит от агрегатного состояния вещества и его химической природы. Для удобства вычислений горючие вещества подразделяют на три основные группы:
· индивидуальные химические соединения с известной химической формулой (метан, ацетон, спирты и т.д.);
· конденсированные горючие вещества неизвестного химического строения, но с известным элементным составом (элементный состав отражает содержание в веществе химических элементов С, Н, О, S, N, C1 и др. в % масс.);
· смесь газов или паров.
