20 примеров реакции горения основные моменты

Действия продуктов горения на организм человека

Степень токсичности веществ связана с их физической и химической природой. Взаимодействуя с организмом, продукты горения вызывают патологические синдромы.

По механизму действия на человека отравляющие компоненты в составе дыма делятся на пять групп.

Вещества, которые вызывают поражение кожного покрова и слизистой оболочки. Симптомы такого отравления продуктами горения — зуд, жжение кожи и её воспаление, боль в области глаз, век, слезотечение, кашель. Примеры — пары дёгтя, сернистый газ, формальдегид.

Продукты горения, которые вызывают острые ингаляционные отравления. Пострадавшие жалуются на одышку, кашель

При осмотре обращает на себя внимание частое дыхание, синюшность. При высокой концентрации токсичного газа может произойти остановка дыхания

Так, признаки отравления продуктами горения ПВХ могут проявиться через несколько часов. Ингаляционные отравления вызывает хлор, аммиак, оксид азота.
Продукты горения с образованием токсичных веществ, которых называют «ядами крови». Связывая гемоглобин, они нарушают доступ кислорода к тканям и запускают патологические реакции, охватывающие весь организм. Примеры — угарный газ, диоксид азота.
Продукты горения, для которых органом-мишенью является нервная система. Это бензол, сероводород.
Ферментные яды, которые воздействуют на тканевое дыхание, блокируя процессы активации кислорода. Это сероводород, синильная кислота.

Многие токсины, образующие в продуктах горения «универсальны», так как вызывают поражение сразу нескольких систем организма.

Удельная теплоемкость: понятие и формула для расчета

Формулы количества теплоты для нагревания и охлаждения мы уже разбирали, но давайте еще раз:

Нагревание Q = cm(tконечная — tначальная) Охлаждение Q = cm(tначальная — tконечная) Q — количество теплоты c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] m — масса tконечная — конечная температура tначальная — начальная температура

В этих формулах фигурирует такая величина, как удельная теплоемкость. По сути своей — это способность материала получать или отдавать тепло.

С точки зрения математики удельная теплоемкость вещества — это количество теплоты, которое надо к нему подвести, чтобы изменить температуру 1 кг вещества на 1 градус Цельсия:

Удельная теплоемкость вещества c= Q/m(tконечная — tначальная) Q — количество теплоты c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] m — масса tконечная — конечная температура tначальная — начальная температура

Также ее можно рассчитать через теплоемкость вещества:

Удельная теплоемкость вещества c= C/m c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] C — теплоемкость вещества [Дж/˚C] m — масса

Величины теплоемкость и удельная теплоемкость означают практически одно и то же. Отличие в том, что теплоемкость — это способность всего вещества к передаче тепла. То есть формулу количества теплоты для нагревания тела можно записать в таком виде:

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела Q = C(tконечная — tначальная) Q — количество теплоты c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] m — масса tконечная — конечная температура tначальная — начальная температура

Исторические факты

Кислород был открыт в первых годах 1770-х. Совершили открытие К. Шееле и Дж. Пристли. До этого события существовала теория флогистона, которая утверждала, что тела, подвергающиеся процессу горения, обладают особым началом «флогистоном». Спустя пять лет — в 1775 г., Лавуазье доказал, что горючее вещество не обладает такими элементами, а только присоединяет к себе кислородные молекулы, черпаемые из воздуха.

Буркеном и Шуманном в 1928 году была рассмотрена задача о явлении диффузионного пламени. Они показали, что при наличии скорости сгорания веществ, участвующих в реакции, выше скорости подвода реагентов, поставляемых диффузией, зона горения становится тонкой до бесконечности. Это значит, что в такой области процессов происходит автоматическое установление стехиометрического соотношения между веществами, отвечающими за окисление, и горючими материалами. Максимальные температурные показатели приближаются к адиабатическим.

Теория горения в своем современном виде началась с трудов Н.Н. Семенова, который изучал явление теплового взрыва. Это произошло в 1920 году. Через восемнадцать лет, в 1938 году, Д.А. Франком-Каменецким была развита теория тепловых взрывов.

Уже в 1940 году была развита общая теория детонации – ZND. Ее основателем считается Я.Б. Зельдович. Название происходит от имен З. Неймана, Деринга и, собственно, Зельдовича. Это связано с тем, что независимо друг от друга исследователи пришли к схожим итогам и выводам на основе своих экспериментов и вычислений.

Пламя

Отвечая на вопрос о том, что такое горение, человек смог выделить в нем явление пламени, которое представляет собой зону, излучающую свет и образующуюся в ходе реакций горения. Ее температурные показатели определяются составом смесей и условиями, при которых протекает процесс. Сгорание природных газов позволяет разгонять температуру до двух тысяч кельвинов и выше.

Пламя многих видов топлива, основанных на углеводородах, обладает способностью к взаимодействию с электромагнитными полями. Это обуславливается наличием собственных частиц в заряженном состоянии. Посредством проведения экспериментов было доказано, что количество ионов в пламени может превышать в шесть порядков концентрацию анионов и катионов в процессах чистой термической ионизации. Главный механизм, отвечающий за образование ионов, — хемоионизация. Это сложный физико-химический процесс, который превращает исходные в продукты сгорания. В ходе экзотермической реакции выделяется большое количество тепла.

Этиология и патогенез

Первая помощь должна быть оказана максимально оперативно, так как угарный газ быстро диффундирует через легочную капиллярную мембрану и связывается с железной частью гемма. Это происходит с примерно в 240 раз большей аффинностью, чем с кислородом.

Степень гемоглобинемии окиси углерода (CO-Hb) является функцией относительного количества СО и кислорода в воздухе, продолжительности воздействия и объема дыхания в минуту.

Некурящие могут иметь до 3% СО в крови, в то время как курильщики имеют уровни 10-15%.

Когда СО связывается с гемом, способность выделять кислород непосредственно в периферическую ткань организма снижается. Таким образом, дефицит кислорода происходит в тканях. CO влияет на периферическое потребление кислорода несколькими способами.

Концентрация СО в атмосфере обычно ниже 0,001%, но она выше в городских районах и в закрытых помещениях.

Большинство смертельных отравлений угарным газом происходит из-за пожаров, утечек в печах, портативных источников питания, работающих на бензине, гриля в помещении, выхлопных газов автомобилей. Угарный газ быстро всасывается в легкие. Выделение зависит от степени оксигенации и, в меньшей степени, минутного объема.

• Период полувыведения СО, когда человек дышит обычным воздухом, составляет около 300 минут.
• Если вы дышите богатым кислородом воздухом через маску, которая фильтрует выдыхаемый воздух, период полураспада составляет около 90 минут.
• При 100% гипербарическом кислороде это около 30 минут.

Вероятность смертельного исхода отравления возрастает при отсутствии своевременной помощи.

Продукты горения углеводородов

Пропан — газообразное вещество, которое относится к группе алканов. В результате неполного горения образуется сажа и бесцветный токсичный газ — оксид углерода (СО). Попадая в кровь, угарный газ образует соединение с гемоглобином. Нарушается транспортная функция эритроцитов. Возникшая гипоксия вызывает поражение центральной нервной системы, различной степени тяжести — от головной боли до развития судорог, комы, остановки кровообращения.

Продукты горения бензина содержат отработанные газы. К ним относятся окись углерода, окислы азота, углеводороды, альдегиды, оксид серы, бензапирен, сажа. Наибольшую опасность представляют оксиды азота. Диоксид азота связывается с гемоглобином, образуя метгемоглобин. Нарушение транспорта кислорода блокирует тканевое дыхание. Угнетается сознание, развивается токсический отёк лёгкого. Действие монооксида азота сопровождается одышкой, рвотой, падением артериального давления.

Влияние нагара на двигатель

Все было бы достаточно просто, если бы аномалии, о которых говорилось,
существовали каждая сама по себе. Однако тот факт, что на стенках камеры сгорания
в той или

иной степени всегда есть нагар, существенно искажает «классическую»
картину.

Дело в том, что отложения на стенках, во-первых, ухудшают теплообмен,
а во-вторых — увеличивают фактическую степень сжатия. Иными словами, создают более
благоприятные условия для срыва нормального процесса горения. Более того, нагар
может оказывать известное каталитическое действие и вызывать самовоспламенение рабочей
смеси, а это во многом затрудняет диагностирование аномалий.

И еще. При переходных режимах работы двигателя нагар иногда начинает
разрыхляться и расслаиваться; тогда частицы, потерявшие плотный контакт со стенкой,
легко перегреваются и могут провоцировать калильное зажигание. Бывает и так, что
чешуйки нагара отрываются, но какое-то время не выносятся из камеры сгорания, а
остаются в ней. Они легко нагреваются и поджигают рабочую смесь в самый неопределенный
момент даже на впуске. Так порождаются «дикие» стуки, не поддающиеся никакой логике
и классификации. Правильно учитывать все эти явления могут помочь только опыт и
вдумчивый подход к вопросу.

Для борьбы с отложениями (нагаром) в мировой практике получили
широкое распространение специальные добавки к бензину, которые периодически вливают
в бак. Ведется работа по созданию такой добавки и у нас. Пока же наиболее доступным
средством борьбы с нагаром без разборки мотора остается «прожигание» камер сгорания
при форсированном движении по автомагистрали. В качестве профилактической меры полезно
строить свои повседневные маршруты так, чтобы городская езда чередовалась со скоростным
шоссе.

Что следует из теории

Вряд ли есть необходимость в каких-то развернутых выводах — они
естественно следуют из самой сути рассмотренных положений. Но, видимо, краткое и
пусть несколько упрощенное резюме все же может быть полезным. Оно сводится к следующему.

Если во время форсированной езды по автомагистрали в двигателе
прослушиваются какие-то непонятные стуки — это не детонация. Логичнее объяснить
их самовоспламенением топлива из-за перегрева двигателя или обильного нагара в камерах
сгорания.

Если стуки появляются на переменных режимах, скажем, при городской
езде, то не калильное зажигание тому виной.

И, наконец, не нужно панически бояться вспышек в моторе после
выключения зажигания. Но и терпимо относиться к ним не следует; способы прекратить
их были перечислены в тексте.

Кандидат технических
наук В. БАСС.

Следы ударов на головке поршня (дизельный двигатель)

Описание повреждения

На головке поршня (рис. 1) видны сильные следы удара. В этой зоне масляный нагар почти полностью удален вследствие металлического контакта поршня с головкой блока цилиндров. Изза ударов отложения масляного нагара вдавлены в днище поршня, что оставило свои следы. Поршневые кольца имеют очень сильный износ. Особенно на маслосъемном кольце невооруженным глазом видны сильные следы износа.

Поршень на рис. 2 имеет на передней кромке днища отпечаток вихревой камеры, а на правой стороне днища сильный отпечаток клапана. Рядом с вихревой камерой во время эксплуатации клапан входил в контакт с днищем поршня и в течение времени проникал все глубже в днище поршня. На юбке поршня видны первые признаки начинающихся задиров от работы всухую (рис. 4).

Оценка повреждения

Поршни ударяли в работе о головку цилиндра или о вихревую камеру и один из клапанов. Поломки в результате этого воздействия больших усилий еще не появились. Износ на поршневых кольцах, а также на юбке поршня, однако, указывает на то, что в результате этих ударов возникло нарушение режима сгорания из-за переполнения топливом. Удары поршня вызывают более или менее сильные сотрясения на головке цилиндра. В результате этих сотрясений в форсунке также возникают вибрации. Поэтому форсунка в закрытом состоянии не может поддерживать давление и впрыскивает топливо неконтролированно. Увеличенный объем впрыска топлива в цилиндр приводит к переполнению топливом. Следствием этого является повреждение масляной пленки что влечет за собой сначала полусухое трение и тем самым износ в зоне поршневых колец. В связи с этим повышается также расход масла. Лишь если масляная пленка настолько сильно повреждена, что смазка становится недостаточной, то образовываются характерные задиры от попадания топлива (см. также пункт «3.2.3 Задиры от работы без смазки из-за переполнения топливом»). Юбка поршня в начальной стадии меньше страдает, потому что она кривошипношатунным механизмом все вновь и вновь снабжается свежим маслом, имеющим еще смазочные свойства. Лишь после перемешивания абразивных частиц из зоны хода поршня со смазочным маслом и после того, как смазочное масло все больше теряет смазочную способность из-за разбавления масла износ распространяется по всем сопряженным деталям скольжения двигателя.

Возможные причины повреждения

• неправильный размер выступа поршня. Размер выступа поршня не проверен или не поправлен в рамках капитального ремонта двигателя.

• не соосно просверленная втулка нижней головки шатуна в ходе замены втулки нижней головки шатуна

• эксцентричное шлифование коленчатого вала

• эксцентричная доработка базового отверстия подшипника (при доработке крышек подшипников коленчатого вала)

• монтаж уплотнений головки блока цилиндров недостаточной толщины

• отложения масляного нагара на головке поршня и в результате этого уменьшение или полное исчезновение зазора.

• неправильные фазы газораспределения из-за неправильной регулировки, удлинения цепи, соскакивания зубчатых ремней.

• неправильная доработка торцевых поверхностей головки блока цилиндров и возникающее из-за этого смещение фаз газораспределения, (изменяется расстояние между ведущим и ведомым колесом, что в определенных конструкциях невозможно поправить в рамках регулировки ремня или цепи)

• при замене колец седла клапана не обратили внимание

на правильное положение седел клапана. Если поверхность седла клапана при обработке размещается в головке блока цилиндров недостаточно глубоко, клапаны могут выходить за кромку головки блока цилиндров.

• превышение максимально допустимого числа оборотов. Из-за повышенных динамических сил клапаны несвоевременно закрываются и сталкиваются с поршнем.

• слишком большой зазор в опорах шатунов или изношенный подшипник шатуна, особенно при очень высокой частоте вращения при движении в спусках.

Пожарная опасность жидких горючих веществ

Пожарная опасность горючих жидкостей определяется температурой вспышки паров испаряющейся жидкости при (внесении источника тепла. Температура вспышки представляет собой наименьшую температуру, при которой пары горючего вещества создают над его поверхностью паровоздушную смесь, воспламеняющуюся при внесении источника тепла (например, открытого огня).

За время вспышки поверхность горючей жидкости не прогревается до температуры, достаточной для интенсивного испарения жидкости, и дальнейшее горение прекращается. Если температура жидкости в момент вспышки окажется достаточной для того, чтобы вслед за вспышкой последовало горение, то такую температуру называют температурой воспламенения горючей жидкости.

Чем ниже температура вспышки горючей жидкости, тем больше пожарная опасность По существующей классификации все горючие жидкости разделяются на два класса. К I классу относятся жидкости с температурой вспышки менее 45°С (например, бензин, спирт, эфир, керосин и др.), а ко II классу—жидкости с температурой вспышки более 45С (например, масла, мазуты и др.). Огнеопасные жидкости I класса относят к легковоспламеняющимся жидкостям, а жидкости II класса — к горючим.

Следует отметить, что пожарная опасность ряда твердых веществ (например, нафталин, фосфор, камфора и др., которые испаряются при нормальной температуре) также характеризуется температурой вспышки.

У легковоспламеняющихся жидкостей небольшая (1—2°С) разница между температурой вспышки паров и температурой воспламенения. У горючих жидкостей эта разница достигает 30 С и более.

Пожарная опасность жидкостей увеличивается с понижением температуры вспышки, температуры воспламенения и самовоспламенения, а также с увеличением скорости испарения и уменьшением нижнего предела концентрации взрывоопасной смеси паров жидкости с воздухом.

Лечение

Различные продукты горения при отравлении имеют влияние на свои органы-мишени. Интенсивная терапия зависит от того, какие системы организма поражены.

Принципы лечения отравлений продуктами горения, следующие:

• применение антидотов, если они существуют;
• при нарушении дыхания — ингаляция увлажнённого кислорода, искусственная вентиляция лёгких;
• применение противосудорожных препаратов;
• инфузионная терапия;
• стимуляция диуреза;
• мониторинг артериального давления, частоты сердечных сокращений, ЭКГ, лабораторных анализов.

В зависимости от показаний применяют методы эфферентной терапии — гемодиализ, гемосорбция. При отравлении «ядами крови» показана гипербарическая оксигенация.

Топливо и его горение

Основным источником энергии для металлургической промышленности является топливо.

Под топливом понимают вещество, горение которого сопровождается выделением значительного количества тепла и которое отвечает следующим требованиям:

1. запасы должны быть достаточными для того, чтобы их было экономически выгодно добывать и попользовать;

2. продукты сгорания должны легко удаляться из  зоны горения;

3. продукты сгорания должны быть безвредны для окружающего мира и самих тепловых устройств;

4. процесс горения должен быть легко управляем.

Этим требованиям отвечают органические соединения, содержащие углерод С и водород Н и их соединения.

Все виды топлива подразделяют на естественное и искусственное, каждое из которых в свою очередь подразделяются на твердое, жидкое, газообразное.

Химический состав топлива.

Топливо состоят из горючей массы и балласта. К горючим компонентам относятся С, Н, S (сера органическая и колчеданная). В состав топлива входят азот N (не горит, теплоноситель), кислород О (окисляет горючие компоненты).

Кроме этого в топливе всегда присутствуют вода и зола. Вода, содержащаяся в топливе, подразделяется на гигроскопическую, химически связанную и внешнюю, которая механически удерживается в топливе и теряется при сушке.

Зола – это негорючая минеральная часть топлива, состоящая из Al2O3, Fe2O3, Si2O3, CaO и др.

Элементарный анализ топлива.

Индекс	Состав
C	H	O	N	S	A	W
О	органическая масса
Г	горючая масса
С	сухая масса
Р	рабочая масса

Состав рабочего топлива:

СР + HР + OР + NР + SР + AР + WР = 100%

Пересчет состава топлива с любой массы на рабочее топливо выполняется по одному из следующих выражений:

Теплота сгорания топлива.

Количество выделившегося тепла при сжигании топлива связано с химическим составом топлива.

Количество тепла, которое выделяется при сжигании единицы топлива, называется теплотой сгорания топлива Q. Ее размерности: кДж/кг (ккал/кг), кДж/м3 (ккал/м3) или кДж/кмоль (ккал/кмоль).

В технике различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания топлива. Под низшей теплотой сгорания понимают то количество тепла, которое выделяется при сжигании единицы топлива до продуктов полного сжигания при условии, что вода, содержащаяся в продуктах сгорания, находится в виде пара, охлажденного до 20оС.

Теплота сгорания топлива определяется по следующим формулам:

для твердого и жидкого топлива:

для газообразного:

,

где CP, HP, CO, H2 и т.д. – составляющие топлив, %;

4, 187кДж = 1ккал.

Условное топливо.

Для удобства планирования, учета и сравнения различных видов топлива введено понятие условного топлива, которое характеризуется низшей теплотой сгорания

.

Для перевода натурального топлива в условное находится эквивалент данного топлива:

для твердого и жидкого:

для газообразного:

.

Перерасчет расхода натурального топлива Вр на условное Ву осуществляется по формуле:

Газообразное топливо.

Газообразное топливо по сравнению с твердым и жидким топливом обладает следующими преимуществами:

1. возможностью лучшего смешения газа с воздухом и, следовательно, сжиганием с меньшим избытком воздуха;

2. легкостью подогрева перед сжиганием;

3. отсутствием золы;

4. транспортабельностью и удобством учета расхода газа;

5. простотой обслуживания горелочных устройств.

Недостатки: взрывоопасность, малая объемная масса (требуются большие емкости для хранения).

Природный газ – наиболее дешевое топливо. Его основным горючим компонентом является метан CH4 = 95%.

Искусственные газы:

1. коксовый газ – продукт коксования углей;

горючие компоненты – Н2 = 46-60%; СН4 = 20-30%; МДж/м3;

1. доменный (колошниковый) газ получают в процессе доменной плавки, содержит около 30% СО; МДж/м3.

Жидкое топливо.

Естественное жидкое топливо – нефть. Как топливо ее используют редко.

Искусственное жидкое топливо – это продукты переработки нефти: бензин, лигроин, керосин, газойль и др. Остаток переработки – мазут. Мазут – топливо металлургической промышленности и энергетики. Перед сжиганием мазут нагревают до 70-80оС с целью понижения его вязкости. Состав мазута – это соединения углеродов. С = 85-88%; Н2 = 10%; МДж/кг.

Твердое топливо.

Это каменный и бурый угли, антрацит, горючие сланцы, торф.

Основной метод переработки угля – коксование, заключающийся в сухой перегонке топлива путем нагрева угля без доступа воздуха при температурах 900-1100оС в коксовых печах. Получается спекшийся кокс, пористый, механически прочный, применяемый в металлургии, в основном для выплавки чугуна. Содержание С=75-85%; МДж/кг.

Теория горения

Суть процесса горения, несмотря на большой практический опыт и применение, исследовалась в течение многих лет и остается одной из самых сложных загадок человечества. Наука, изучающая явление горения, является междисциплинарной и располагается на стыке газодинамики, химической термодинамики, химкинетики, молекулярной и химической физики, а также материаловедения и моделирования с использованием компьютерных технологий.

Рассмотрим следующие положения теории горения: полноту сгорания и его термодинамический механизм. Положение полноты сгорания включает в себя информацию о том, что исходные компоненты горючих смесей характеризуются молярной и массовой долей элемента, а также начальными показателями давления и температуры. Подобрав вещество, способное в ходе сгорания и окисления полностью превратиться в продукт рассматриваемого явления, можно получить стехиометрическую реакцию. Смесь, обладающая избытком горючего вещества, что не может полностью разложиться из-за нехватки окислителей, именуется богатой. Вещество с нехваткой топливного ресурса называют бедным.

Термодинамические данные позволяют нам утверждать, что горение, протекающее адиабатическим путем при наличии постоянного показателя объема, сохранит полную энергию внутренней системы. Если имеется постоянное давление, то наблюдается энтальпия структурных компонентов. Условия, при которых протекает адиабатическое давление, практически применяются и реализуются в пламени, что распространяется свободными путями. При этом расчетом теплопотери пренебрегают.