Температура горения. Виды температур горения: калориметрическая, теоретическая и практическая

 

 

Содержание

 

 

 

Введение

 

Актуальность темы. Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и свечением.

В зависимости от скорости протекания процесса, горение может происходить в форме собственно горения и взрыва.

Взрыв – это частный случай горения, протекающего мгновенно с кратковременным выделением значительного количества тепла и света.

Для процесса горения необходимо:

1) наличие горючей среды, состоящей  и в горючего вещества и  окислителя;

2) источника воспламенения.

Чтобы возник процесс горения, горючая среда должна быть нагрета до определенной температуры при помощи источника воспламенения (пламя, искра электрического или механического происхождения, накаленные тела, тепловое проявление химической, электрической или механической энергий).

После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения. Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения.

Различают следующие виды горения:

- полное - горение при достаточном количестве или избытке кислорода;

- неполное - горение при недостатке кислорода.

При полном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CO2), вода (H2O), азот (N), сернистый ангидрид (SO2), фосфорный ангидрид. При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды.

Горение веществ может протекать не только в среде кислорода, но также в среде некоторых веществ, не содержащих кислорода, хлора, паров брома, серы и т.д.

Горение дифференцируется также по скорости распространения пламени и в зависимости от этого параметра может быть дефлаграционным (порядка десятка метров в секунду), взрывным (порядка сотни метров в секунду) и детонационным (порядка тысячи метров в секунду). Пожарам свойственно дефлаграционное горение.

Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов.

Вспышка - быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов.

Возгорание - возникновение горения под воздействием источника зажигания.

Воспламенение - возгорание, сопровождающееся появлением пламени.

Самовозгорание - явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения вещества (материала, смеси) при отсутствии источника зажигания.

Целью представленной работы является рассмотрение основ развития и прекращения горения.

Для достижения поставленной цели, при написании работы, автор предполагал решить ряд задач:

1) дать общую характеристику  температуры горения (рассмотреть виды температур горения и способы определения температуры горения);

2) изучить химическое самовозгорание, причины, условия и факторы, влияющие на скорость самовозгорания сульфитов, железа и меры профилактики. Самовозгорание при контакте с кислородом воздуха, меры профилактики;

3) рассмотреть предупреждение взрывов пылевоздушных смесей в производственных помещениях.

 

1. Температура горения. Виды температур горения: калориметрическая, теоретическая и практическая. Способы определения температуры горения

 

Тепло, образующееся при горении топлива в печи, в первую очередь нагревает продукты горения, т. е. дымовые газы, и образует известное всем пламя. Другая часть тепла идет на нагрев окружающих предметов: стен и свода печи. Через щели и окна тепловые лучи нагревают окружающее пространство. Чем больше объем дымовых газов, получается от сгорания 1 кг топлива, тем меньше тепла приходится на единицу объема дымовых газов (на 1 м3), значит тем ниже будет температура пламени.

Чем больше окружающих предметов, легко принимающих тепло, тем ниже температура пламени. Но температура пламени будет выше, если теплотворная способность топлива высокая. Таким образом, температура пламени зависит от теплотворной способности топлива, от объема дымовых газов и их способности поглощать тепло, от количества загруженного в печь металла, от конструкции печи, от режима ее работы.

Температуру пламени можно замерить приборами, которые называются пирометрами, поэтому практическая температура пламени, получающаяся от сгорания топлива печи, называется пирометрической температурой горения tn. Если бы все тепло, которое выделяется при сгорании топлива шло на нагрев его продуктов горения, то температура пламени была бы значительно выше.

Эта возможная температура называется теоретической температурой горения tm. Если разделить практическую температуру горения на теоретическую, то получим число, меньшее единицы.1

Эта величина называется пирометрическим коэффициентом горения. Значения пирометрического коэффициента горения следующие:

Для кузнечной щелевой печи 0,65 – 0,70

Для кузнечной камерной печи, хорошо изолированной, с хорошими заслонками 0,75 – 0,80

Для методической печи 0,70 – 0,75

Замерив температуру пламени пирометром и взяв из таблицы значение пирометрического коэффициента, легко найти теоретическую температуру топлива.

Теоретическую температуру можно также определить путем расчета по теплотворной способности топлива. Знать заранее, какая будет температура в печи, очень важно, так как не всяким топливом в кузнечных печах можно нагреть металл до температуры ковки и штамповки.

Например, сколько бы мы ни сжигали в кузнечной печи доменного газа с холодным воздухом, никогда не нагрели бы заготовки до температуры 1200°. Бурый уголь при сжигании с холодным воздухом также не даст температуры выше 1250°.2

На температуру горения оказывает влияние режим работы топливосжигающих устройств. Если печь работает с недостатком воздуха, топливо полностью не сгорает, теплотворная способность используется не полностью, следовательно, температура в печи будет ниже возможной.

Если печь работает с большим избытком воздуха, увеличивается объем дымовых газов, а для нагрева их потребуется тепло, следовательно, температура в печи тоже будет ниже возможной. Поэтому топливо сжигать нужно с минимальным избытком воздуха. Однако такое сжигание требует хороших топливосжигающих устройств.

Температура продуктов горения - температура, которую приобретают продукты горения, при сжигании топлива. Различают 3 вида температур продуктов горения:

- калориметрическая tк;

- теоретическая tт;

- действительная tд;

Калориметрическая температура - температура, которая предполагает, что тепло, выделенное от сгорания топлива, идет только на нагрев продуктов горения.

tк = Qнр / (Vпг * c), где

Qнр -рабочая низшая теплота сгорания топлива;

Vпг - объем продуктов горения;

с - теплоемкость.

При подогретом топливе или воздухе калориметрическая температура определяется с учетом этого тепла:

tк = (Qнр + Qф)/ (Vпг * c), где

Qф - фактически введенное тепло.

Теоретическая температура - температура, которая предполагает, что часть тепла, выденного в процессе сжигания топлива, расходуется на диссоциацию.

tт = (Qнр - qдис)/ (Vпг * c), где

qдис - тепло, пошедшее на диссоциацию.

Действительная температура - предполагает, что часть тепла, выделенного при нагреве или сжигании топлива, затрачивается на теплообмен с окружающей средой.

tд = η tт, где

η - пирометрический коэффициент (зависит от конструкции печи и теплоизоляции).

Печь	η
Кузнечная щелевая печь	0,65..0,7
Кузнечная методическая печь	0,7..0,75
Кузнечная камерная механизированная карусельная печь	0,85

 

Температуру горения можно определить: 1.) Вычислением по формуле (смотри далее). При этом используется общеизвестное положение, что температура горения равна её теплоте, делённой на суммарную теплоёмкость продуктов реакции горения. 2.) Непосредственным измерением при помощи оптических пирометров или термопар. Известно, что в разных зонах пламя имеет разную температуру. Расчётным путём может быть найден только верхний предел температуры или, иначе говоря, максимальная температура пламени. Однако этот способ определения температуры не всегда приемлем из-за отсутствия точных данных о теплоёмкости многих соединений при высоких температурах (выше 2000оС); для многих соединений не определены с достаточной точностью скрытые теплоты испарения. Кроме того, в действительности, температура горения должна быть значительно ниже вследствие затраты тепла на термическую диссоциацию продуктов горения, а также вследствие тепловых потерь в окружающее пространство. Но все же этот способ даёт представление о температурах горения пиросоставов, а также для сравнения новых составов. Только следует помнить, что хорошие результаты вычисления температуры горения описываемые ниже способом могут быть получены в том случае, если искомая температура не превышает 2000оС. в противном случае данные могут быть только ориентировочные. Значения средней теплоёмкости газов Ср (кал/град). Интервал температуры Н2, О2, СО,N2Н2ОСО2 0-100 оС7,08,09,1 0-500 оС7,18,310,3 0-1000 оС7,38,811,3 0-1500 оС7,59,511,9 0-2000 оС7,710,312,3 0-2500 оС7,811,412,5 0-3000 оС8,012,812,7 Для простых веществ, находящихся в твердом состоянии, грубо приближенно можно считать, что их грамм-атомная теплоёмкость при высоких температурах равна или больше 6,4кал/г (26,8кДж/г). Для соединений, находящихся в твёрдом состоянии при высоких температурах, молекулярная теплоёмкость приближенно равна сумме атомных теплоёмкостей составляющих его элементов (правило Неймана-Коппа).

 

2. Самовозгорание химическое. Причины, условия и факторы влияющие на скорость самовозгорания сульфитов, железа и меры профилактики. Самовозгорание при контакте с кислородом воздуха, меры профилактики

 

Химическое самовозгорание возникает в месте контакта взаимодействующих веществ, реагирующих с выделением тепла. В зависимости от характера окислителя, вступающего в реакцию с горючим материалом, этот вид самовозгорания можно подразделить на самовозгорание при контакте с кислородом воздуха, при контакте с водой и при контакте с химическим окислителем.

Самовозгорание присуще всем твердым горючим веществам и материалам. Сущность этого процесса заключается в том, что при продолжительном воздействии на материал тепла происходит аккумуляция (накопление) его в материале, и, при достижении температуры самонагревания, происходит тление или воспламенение последнего. При этом продолжительно; аккумуляции тепла в материале может продолжаться от нескольких дней до нескольких месяцев. Наиболее распространенными источниками тепла являются:3

- тепло, выделяемое различными нагревательными приборами;

- тепло химических реакций;

- тепло микробиологических реакций.

Самовозгорание, происходящее в процессе самонагревания материалов под действием постороннего источника нагревания, называется тепловым самовозгоранием.

Тепло обыкновенного трубопровода горячей воды или пара может явиться тем источником тепла, которого достаточно для самовозгорания изделий из ткани, бумаги или древесины. Напомним, что температура горячей воды в системе отопления достигает +150°С, а пара - +130°С. Поэтому в правилах пожарной безопасности записано, что трубопроводы горячей воды или пара необходимо ограждать только экранами из негорючих материалов. В общественных зданиях допускаются декоративные решетки, но и в первом и во втором случаях расстояние от трубопроводов до экранов, а равно и до любого сгораемого материала (занавески, например) должно быть не менее 100 мм.

Часто мы становимся свидетелями тления и горения угля в кучах, торфа и хлопка, неоднократно отмечены случаи самовозгорания толи в рулонах, целофана и целлулоида, бумаги, а также материалов, содержащих нитроцеллюлозную основу, при хранении в больших кипах и пакетах. Температура самонагревания торфа и бурого угля составляет 50-60°С, хлопка - 120°С, бумаги - 100°С, поливинилхлоридного линолеума -80°С и т.д.

Как видите, для большинства самовозгорающихся веществ температура самонагревания не превышает 150°С.

Общее требование пожарной безопасности для случаев теплового самовозгорания формулируется довольно просто: безопасной температурой длительного нагрева вещества считается температура, не превышающая 90% температуры самонагревания.

Химическое самовозгорание связано со способностью веществ и материалов вступать в химическую реакцию с воздухом или другими окислителями при нормальных условиях с выделением теплоты, достаточной для их возгорания. Наиболее характерными примерами являются случаи самовозгорания промасленной ветоши или фосфора на воздухе, легковоспламеняющихся жидкостей при контакте с марганцовкой, древесных опилок с кислотами и пр. Поэтому мы говорим: "Окислителям - бой!" - и подразумеваем, что хранение веществ и материалов должно отвечать требованиям их совместимости.

Другой вид химических реакций веществ связан с взаимодействием воды или влаги. При этом также выделяется достаточная для самовозгорания веществ и материалов температура. Примерами могут служить такие вещества, как калий, натрий, карбид кальция, негашеная известь и др. Особенностью щелочноземельных металлов является их способность гореть и без доступа кислорода. Необходимый для реакции кислород они добывают сами, расщепляя под действием высокой температуры влагу воздуха на водород и кислород. Вот почему тушение водой таких веществ приводит к взрыву образующегося водорода.