Вопрос № 1. Расчет объема воздуха, необходимого для горения (100 мин.)

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ

по дисциплине "ХИМИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ"

Для специальности 280705.65 – пожарная безопасность

СМК-УМК 4.4.2-40-2012

Тема 1.: Физико-химическая природа процессов горения

Занятие № 1.3: Материальный баланс процесса горения (6 час.)

	Должность	Фамилия/ Подпись	Дата
Разработал	Проф.каф.ФХОПГиТ, к.х.н., доц.	Коробейникова Е.Г.
Проверил	Зам. начальника каф. ФХОПГиТ, к.т.н	Кожевин Д.Ф.

I. Цели занятия

1. Учебная: обучение и закрепление основных принципов расчетов по уравнениям реакций горения.

2. Воспитательная: воспитывать у обучаемых ответственность за подготовку к практической деятельности; стремление к углубленному освоению материала по теме занятия; обучение методам самостоятельной работы с учебными материалами.

II. Расчет учебного времени

№	Основные вопросы	Содержание вопросов, методика проведения	Время
	ВВОДНАЯ ЧАСТЬ	Принятие доклада, проверка наличия слушателей, объявление темы занятия и основных вопросов. Тестирование, опрос.
	ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
	Учебные вопросы
1.	Расчет объема воздуха, необходимого для горения	Преподаватель объясняет алгоритм решения задач 1.1 Расчет объема воздуха, необходимого для горения индивидуальных веществ; 1.2. Расчет объема воздуха для веществ сложного элементного состава. Далее курсанты самостоятельно решают подобные задачи
2.	Расчет объема продуктов горения	Преподаватель объясняет алгоритм решения задач 2.1 Расчет объема продуктов горения индивидуальных веществ; 2.2. Расчет объема ПГ для веществ сложного элементного состава. Далее курсанты самостоятельно решают подобные задачи
	ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ	Преподаватель характеризует работу курсантов на занятии, отвечает на вопросы. Курсанты записывают в тетрадь задание на самоподготовку по теме занятия. Преподаватель объявляет правила выполнения задания и срок его сдачи.

III. Учебно-материальное обеспечение

1. Технические средства обучения: мультимедийная система, компьютерная техника, интерактивная доска.

2. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева, демонстрационные плакаты, схемы.

IV. Методические рекомендации преподавателю

По подготовке и проведению практического занятия

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ (23 мин.)

Преподаватель проверяет наличие слушателей (курсантов), объявляет тему, учебные цели и вопросы занятия, последовательность их отработки, ориентировочное время выполнения задания и напоминает, что к концу занятия каждый слушатель должен выполнить.

Проводится тестирование, опрос.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ (235 мин.)

Вопрос № 1. Расчет объема воздуха, необходимого для горения (100 мин.)

Баланс – (от фр. balance – буквально “весы”) – количественное выражение сторон какого-либо процесса, которые должны уравновешивать друг друга. Другими словами, баланс – это равновесие, уравновешивание. Процессы горения на пожаре подчиняются фундаментальным законам природы, в частности, законам сохранения массы и энергии.

Для решения многих практических задач, а также для выполнения пожарно-технических расчетов необходимо знать количество воздуха, необходимого для горения, а также объем и состав продуктов горения. Эти данные необходимы для расчета температуры горения веществ, давления при взрыве, избыточного давления взрыва, флегматизирующей концентрации флегматизатора, площади легкосбрасываемых конструкций.

Методика расчета материального баланса процессов горения определяется составом и агрегатным состоянием вещества. Свои особенности имеет расчет для индивидуальных химических соединений, для смеси газов и для веществ сложного элементного состава.

Расчет объема воздуха, необходимого для горения, предполагает вычисление

а) теоретического объема воздуха V_в^теор и

б) практического объема воздуха V_в^пр, затраченного на горение (с учетом коэффициента избытка воздуха).

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 (V_в^теор ).

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 DV_в в реакции горения не расходуется и удаляется из зоны реакции вместе с продуктами горения. Таким образом, практический объем воздуха равен

V_в^пр = V_в^теор + DV_в (1)

и, следовательно, избыток воздуха будет равен

DV_в= V_в^пр - V_в^теор (2)

Обычно в расчетах избыток воздуха при горении учитывается с помощью коэффициента избытка воздуха (a). Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз в зону горения поступило воздуха больше, чем это теоретически необходимо для полного сгорания вещества:

(3)

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) коэффициент избытка воздуха a = 1, при этом 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. В технике эти понятия имеют очень большое значение для правильного управления организованным горением (двигатели внутреннего сгорания, теплогенерирующие агрегаты и т.д.).

Сгорание богатых смесей, как правило, приводит к перерасходу горючего и возникновению экологических загрязнений атмосферы. Бедные смеси не обеспечивают оптимальных режимов работы машин и приводят к снижению их КПД.

Избыток воздуха имеется только в смеси, бедной по горючему компоненту. Из формул (2) и (3) следует

DV_в= V_в^теор(a -1) (4)

Для неорганизованного горения характерен диффузионный режим горения, потому большинство горючих материалов на пожаре могут гореть только в этом режиме. Однородные смеси, конечно, могут образовываться и при реальном пожаре, однако их образование скорее предшествует пожару или обеспечивает начальную стадию развития.

В закрытом объеме диффузионное горение большинства горючих материалов возможно только до определенной пороговой концентрации кислорода, так называемой остаточной концентрации кислорода в продуктах горения j (О₂)^ПГ.

Для большинства органических веществ она составляет 12 – 16 % О₂. Для некоторых веществ, например, ацетилена С₂Н₂, ряда металлов, горение возможно и при значительно меньшем содержании кислорода (до 5 % объемных О₂).

Зная содержание кислорода в продуктах горения, можно определить коэффициент избытка воздуха (коэффициент участия воздуха в горении) на реальном пожаре:

(5)

Анализ уравнения (5) показывает, что a не может быть меньше 1, и, в среднем, для для диффузионных режимов горения находится в интервале от 2 до 5.