Низшая теплота сгорания древесины в заданные моменты времени

2.8.1 Замечания об образце

Виды образцов:

а)твёрдые вещества

По отношению к подвергаемым сжиганию веществам следует соблюдать несколько правил. Обычно твёрдые виды топлива сжигаются непосредственно в порошкообразном виде. Не допускается сжигать вещества быстрого горения (например, бензойную кислоту) в свободном виде.

Эти вещества склонны давать искру, поэтому полное сгорание далее невозможно гарантировать. Помимо этого, могут быть повреждены внутренние стенки сосуда разложения. Такие вещества следует спрессовать в таблетки перед сжиганием.

Для этой цели особенно подходит пресс для таблеток IKA С 21;

б) жидкие вещества

Большинство жидких веществ могут быть дозированы непосредственно в тигель. Мутные жидкие вещества и воду, в которой образуется осадок, перед дозировкой следует высушить или гомогенизировать. Следует определить содержание воды в этих веществах;

в) вещества с высокой летучестью

Для веществ с высокой летучестью используются желатиновые или ацетобутиратовые ампулы. Общая теплотворность ампул должна быть известна, чтобы её можно было принять в расчёт как внешнюю энергию в измеренной теплоте горения;

г) вспомогательное топливо

Для низкокалорийных веществ и веществ с низкой воспламеняемостью в качестве вспомогательного топлива допускается использовать также вышеуказанные ампулы или изготовленные из полиэтилена горючие пакеты.

Также допускается использовать сгораемый тигель 014. Перед наполнением ампул или пакетов изучаемым веществом, следует взвесить ампулы или пакеты для последующего вычисления (из веса и общей теплотворности) внешней энергии. Эту энергию следует учесть в QExtranl. Следует использовать как можно меньше вспомогательного топлива.

2.8.2 Кислотная поправка

Кислотная поправка:

а) формирование кислот, теплота раствора

Почти все вещества, необходимость в анализе которых может возникнуть, содержат серу и азот. Под влиянием превалирующих в сосуде разложения давлений и температур сера и азот преобразуются S02, S03, и NOx. При взаимодействии с образовавшейся в результате горения водой образуются серная и азотная кислоты, а также теплота раствора. Образовавшаяся теплота раствора учитывается согласно указанию DIN 51900 о вычислении общей теплотворности. Для количественного обнаружения и определения всех образовавшихся кислот в сосуд разложения перед экспериментом помещаются 5 мл дистиллированной воды.

Градуировка прибора должна производиться при таком же помещённом в сосуд разложения количестве воды.

После сжигания следует собрать эту воду и тщательно ополоснуть сосуд разложения дистиллированной водой. Затем вода ополаскивания объединяется с водой, которая была в сосуде во время эксперимента, и титрируется на кислотное содержание. Если содержание в горючем материале серы и поправка на азотную кислоту уже известны, нет необходимости в анализе воды.

Для продления пригодности подверженных износу деталей (кольца О, пломбы) мы рекомендуем Вам всегда работать с измеренным количеством воды в системе;

б) веществ с высоким содержанием галогенов

Для веществ с высоким галогенным содержанием следует использовать сосуд разложения С5012.

2.8.3 Процедура определения общей теплотворности

После того, как Вы включили систему и подтвердили входной экран клавишей ОК, для установления стабильных температурных условий в измерительной камере требуется около 30 минут.

До начала измерений система должна быть градуировано:

а) сосуд разложения должен быть сухим и чистым. В случае необходимости в сосуд следует поместить измеренное количество дистиллированной воды или раствора. Вещества с низкой воспламеняемостью дозируются в тигель вместе со вспомогательным горючим. Должна быть известна теплота горения вспомогательного горючего. "Замечания об образце" Подготовьте сосуд разложения. "Заправка сосуда разложения градировочным веществом". Вместо градировочного вещества сосуд разложения заправляется изучаемым веществом.

В целом, Вам следует использовать дозированное вещество таким образом, чтобы увеличение температуры на превышало 4 К (максимальная подача энергии 40000 Дж). В противном случае можно повредить сосуд разложения. Взрыв сосуда разложения может нанести ущерб Вашему здоровью. При работе с незнакомыми веществами во избежание потенциальной опасности для первой дозировки следует выбирать очень небольшие количества.

Воспроизводимость результатов в значительной мере зависит от того, достигнет ли возрастание температуры (приход энергии) в сосуде разложения во время эксперимента по сжиганию величины, достигнутой в течение градуировки. В случае необходимости, методом проб и ошибок следует определить оптимальное количество образца.

Если в течение эксперимента по сжиганию используется дистиллированная вода или растворы, предварительно следует провести градуировку с некоторым количеством дистиллированной воды или растворов.

При использовании вспомогательного горючего, следует добавить энергию от вспомогательного горючего и ввести её в блок для энергии QExtranl диалогового блока Sample или использовать соответствующую настройку весов в режиме With combustion aid.

Если весы используются в режиме With combustion aid и предварительно была сделана передача веса вспомогательного горючего, в блоке появится вычисленная из веса внешняя энергия;

б) опустите сосуд разложения через открытую крышку измерительной камеры до его соприкосновения со втулкой. Сообщение Bomb в нижней пинии экрана поменяется на экран задачи Start функциональной клавиши. Если назначение Start для функциональной клавиши не появляется, следует проверить зажигательную проволоку. Обратите внимание, показан ли на экране статус в Stable state. После каждого эксперимента измерительная камера настраивается таким образом, что восстанавливаются нормальные начальные условия для нового измерения. В течение этой фазы (от 3-х до 5-и минут) на экране измерительной камеры высвечивается сообщение Unstable!!. Пока на экране высвечивается это сообщение, невозможно проводить измерение в адиабатическом или изопериболическом режиме. Эксперименты в динамическом режиме допускается начинать также в течение фазы настройки.

Помимо требований по настройке, при начале измерения следует соблюдать нижеуказанные условия:

- следует подготовить измерение;

- не допускается активизировать функцию технического обслуживания;

- следует вынуть и снова вставить сосуд разложения;

- контакт зажигания и электровоспламенитель используемого сосуда разложения должны быть в исправном состоянии.

До этого момента кнопка запуска измерительной камеры не активизируется, т.е. на экране появляется сообщение Start;

в) активизируйте Start. Закрывается крышка измерительной камеры. Сосуд разложения наполняется кислородом. Затем внутренний сосуд наполняется водой. Как только система начинает эксперимент, экран высвечивает график изменения во времени температуры внутреннего сосуда.

В случае системы с двумя измерительными камерами (duo-control) теперь возможно выполнить пункты 1-2, т.е. измерение во второй измерительной камере допускается начать в то время, когда ещё длится измерение в первой измерительной камере;

г) образец зажигается и регистрируется изменение температуры в единицу времени во внутреннем сосуде.

После завершения эксперимента, система отображает его результаты;

Рис. 2.27 График температуры, результат измерения и информация пробы на дисплее после окончания измерения

д) сосуд разложения проветривается и открывается крышка измерительной камеры;

е) как только появится сообщение Bomb, выньте сосуд разложения и откройте его;

ж) проверти тигель на предмет остатков горения. Как хлопковая нить, так и образец топлива должны сгореть полностью. При наличии признаков неполного сгорания следует повторить эксперимент.

2.8.4 Очистка сосуда разложения

Если имеются основания опасаться небезопасности для здоровья горючего образца или остатка горения, при работе с этими материалами следует носить защитную одежду (например, защитные перчатки, газовые маски). Остатки экспериментов, которые представляют опасность для здоровья или окружающей среды, следует с особым мусором. Мы ссылаемся на конкретные действующие постановления.

Внутренние стены бомбы:

- большую важность имеет, чтобы сосуд разложения оставался сухим и чистым. Загрязнённость может вызвать изменения теплоёмкости сосуда разложения и привести к неточным результатам измерений. После каждого эксперимента на сжигание следует тщательно очищать внутренние стенки сосуда, внутренние детали (подставки, электроды, и т. п.) и тигель.

Тигель:

- в большинстве случаев следует только удалить конденсацию с внутренних стенок и деталей. Достаточно осторожно протереть детали, не оставляющей впитывающей тканью. Если невозможно очистить сосуд разложения описанным способом (например, из-за сгоревших или коррозийных пятен), вам следует связаться с отделом технического обслуживания.

Остатки горения, например, сажа и пепел, также следует тщательно вытереть впитывающей тканью, которая не оставляет волокон.

2.8.5 Отключение системы

Если Вы хотите отключить калориметрическую систему, откройте меню System и вызовите функцию Exit. В случае системы duo-control, вторая измерительная камера может быть выключена отдельно.

Не допускается опускать в измерительную камеру сосуд разложения.

Если Вы работаете с системой duo-control, активизируйте при помощи TAB первую измерительную камеру. После этого функция Exit выключит всю систему. Если активизирован экран для второй измерительной камеры, отключиться только вторая измерительная камера.

Отключайте прибор только при помощи функции Exit меню System, но не выключателя питания, иначе все данные будут потеряны.

Как только система отключится, на экране появиться сообщение, что вы можете отключить питание калориметра и охладительного прибора.



2.9 Оценка экспериментов

После завершения определения общей теплотворности, Вы можете приступить к оценке результатов. Помимо слежения за ходом эксперимента, калориметрическая система предоставляет возможность последующей обработки результатов и преобразования их в другие эталонные состояния. Вы также можете распечатать или стереть результаты эксперимента. Вы можете найти эти функции в пунктах Evaluation и Library блока меню Experiments.

Последующая обработка экспериментов. Калориметрическая система распределяет сохранённые эксперименты по двум группам: Daily experiments ("Сегодняшние эксперименты") и Library ("Библиотека"). Сегодняшние эксперименты - это эксперименты, которые были выполнены с момента включения системы. Библиотека это долгосрочное хранение.

Последующая обработка сегодняшних экспериментов:

а) активизируйте Eval. В диалоговом блоке появится Experiment list ("Список экспериментов");

Рис. 2.28 Список экспериментов

б) появляется список сегодняшних экспериментов. Значение колонок следующее:

- Experiment . Название и описание сжигаемого образца;

- Result. Определенные в течение эксперимента общая теплотворность или значение С;

- Status. Завершение

Эксперимент был завершён с достижением результата. Способ эксплуатации показан в скобках:

а - адиабатический, i - изопериболический, d - динамический, А -- настройка.

саn -эксперимент был отменён;

+cal - эксперимент выполнялся в целях градуировки;

+sim - выполнялась симуляция эксперимента;

eval - эксперимент был оценен;

wait - образец топлива находится в тигле и были введены все параметры. Можно начинать эксперимент;

рrep - тигель с образцом материала находится на подставке для образцов;

run - в текущий момент эксперимент выполняется в измерительной камере.

Функций клавиш:

1-Sel Выделяет эксперимент в списке, за исключением градуировки;

2-All Выделяет все эксперименты списка;

З-Pri Распечатывает список экспериментов;

4-Del Стирает эксперименты, выделенные при помощи 1-Sel, за

исключением calib. и prep.;

5-lnfo Открывает информационное окно с параметрами эксперимента;

6-Вег Открывает диалоговый блок для преобразования результатов эксперимента в различные эталонные состояния.

При помощи стрелок "вверх" и "вниз" Вы можете выбрать из списка эксперимент, который вы хотите обработать. Затем, при помощи TAB Вы можете переместить курсор из блока списка на клавиши.

Клавиши активизируются от установления на них с помощью TAB курсора и нажатия ОК либо от нажатия соответствующей цифровой кнопки на клавиатуре;

в) установите курсор на только что завершённый эксперимент и активизируйте кнопку 5-lnfo. Появляется информационное окно с результатами эксперимента.

2.10 Основы расчётов

Нижеследующие разделы перечисляют математические формулы для вычисления результатов измерений. Калориметрическая система получает необходимые для измерений данные частично во время процесса горения, и частично из результатов анализов образцов топлива или продуктов горения. Расчёты соответствуют действующим стандартам (DIN 51900, ASTM 240 D, ISO 1928, BSI) вычислений общей и чистой теплотворности.

Нижеприведённые индексы используются для различных исходных состояний:

"raw" --сырое состояние (до горения);

"аn" -- анализ влаги или сушки воздухом;

"waf"-- без воды и пепла.

2.10.1 Расчёты для градуировки

Теплоёмкость (значение С) калориметрической системы:

Среднее значение MW:



Средняя относительная погрешность MRF:

2.10.2 Расчеты в течение эксперимента

Общая теплоемкость образца топлива:

Замечание: Это исходная общая теплотворность без поправки на кислоты и воду.

2.10.3 Способ "стандарт без титрации"

Чистая теплотворность образца топлива:

Энергия образования серной кислоты:

Энергия образования азотной кислоты:

2.10.4 Способ "Стандарт с титрацией"

Процентное содержание серы:



Энергия образования серной кислоты:

Энергия образования азотной кислоты:

Сумма внешней энергии:

Общая теплотворность образца топлива:

Чистая теплотворность образца топлива:

2.10.5 Способ "Углерод: подача водорода без титрации "

Фактор преобразования из исходного состояния "an" в "raw":

Процент серы:



Процент воды:

Процент пепла:

Гигроскопическая влага:

Процент водорода:

Летучие компоненты:

Замечание: Эта формула приблизительного вычисления применяется к минеральному углю с процентным содержанием летучих компонентов от 6% до 40%.

Энергия образования серной кислоты:

Энергия образования азотной кислоты:

Общая теплотворность образца топлива:

Чистая теплотворность образца топлива:

2.10.6 Способ "Углерод: подача водорода с титрации"

Фактор преобразования из исходного состояния "an" в "raw":

Процент серы:



Процент воды:

Процент пепла:

Гигроскопическая влага:

Процент водорода:

Летучие компоненты:

Замечание: Эта формула приблизительного вычисления применяется к минеральному углю с процентным содержанием летучих компонентов от 6% до 40%.

Энергия образования серной кислоты:

Энергия образования азотной кислоты:

Сумма внешней энергии:

Общая теплотворность образца топлива:

Чистая теплотворность образца топлива:

2.10.7 Способ "Углерод: летучая подача без титрацией"

Фактор преобразования из исходного состояния "an" в "raw":



Процент серы:

Процент воды:

Процент пепла:

Гигроскопическая влага:

Летучие компоненты:

Энергия образования серной кислоты:



Энергия образования азотной кислоты:

Общая теплотворность образца топлива:

Чистая теплотворность образца топлива:

2.10.8 Способ "Углерод: летучая подача с титрацией"

Фактор преобразования из исходного состояния "an" в "raw":

Процент серы:



Процент воды:

Процент пепла:

Гигроскопическая влага:

Процент водорода:

Летучие компоненты:

Энергия образования серной кислоты:



Энергия образования азотной кислоты:

Сумма внешней энергии:

Общая теплотворность образца топлива:

Чистая теплотворность образца топлива:

2.11 Символы формул

Ааn - процент пепла в исходном состоянии "анализ влаги" (%);

Araw - процент пепла в сырам состоянии (%);

Ва(0Н)2 - титрированное количество 0?1 N гидрооксида бария (мл);

С - теплоёмкость калориметра;

Dх - разница между средним значением и отдельным значением измерения т х;

F1 - фактор преобразования из исходного состояния "аn" в "raw";

fBan - летучие компоненты в сыром состоянии (%);

fBraw - летучие компоненты в исходном состоянии "анализ влаги" (%);

fBwaf - летучие компоненты в исходном состоянии "без воды и пепла"(%);

gFraw - необработанная влага;

Ноаn - общая теплотворность в исходном состоянии "анализ влаги"(Дж/г);

НОВ - общая теплотворность градировочного вещества ;

Horaw - общая теплотворность образца в сыром состоянии (Дж/г) ;

Howaf - общая теплотворность образца в исходном состоянии "без воды и пепла" (Дж/г);

Ниаn - чистая теплотворность в исходном состоянии "анализ влаги"(Дж/г);

Huraw - чистая теплотворность образца в сыром состоянии (Дж/г);

Huwaf - чистая теплотворность образца в исходном состоянии "без воды и пепла" (Дж/г);

HCI - титрированное количество хлороводородной кислоты (мл);

Hfan - гигроскопическая влага (%);

Н2аn - процент водорода в исходном состоянии "анализ влаги" (%);

H2raw - процент водорода в сыром состоянии (%);

H2waf - процент водорода в исходном состоянии "без воды и пепла" (%);

Н2O - процент всей воды (сумма воды горения, неочищенной влаги и гигроскопической влаги) (%);

H2Oraw - процент всей воды в сыром состоянии (%);

т - масса образца топлива (г);

тх - измеренное значение № х;

MRF - средняя относительная погрешность;

MW - среднее значение;

n - номер градировочных измерений;

Nan - азот в исходном состоянии "анализ влаги" (%);

Na2C03 - содержание соды (мл);

SQ - сумма внешней энергии как функция способа расчёта;

QN - внешняя энергия от образования азотной кислоты;

QS - внешняя энергия от образования серной кислоты;

QZ - внешняя энергия от зажигания, горения хлопкового фитиля, вспомогательного топлива. По умолчанию задаётся значение 120 Дж, это значение может быть изменено посредством ручного ввода в блок QExtran1 (Дж);

Q1 - внешняя энергия от электрического зажигания и горения хлопкового фитиля (Дж);

San - процент серы в исходном состоянии "анализ влаги" (%);

Sraw - процент серы в сыром состоянии (%);

T - возрастание температуры калориметрической системы в течение эксперимента на сжигание.



3. РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НИЗШЕЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ

При расчетах теплового баланса на пожаре определяют, как правило, низшую теплоту сгорания (таблица 3.1). Количество тепла, выделяющегося при сгорании единицы массы (объема) горючего при газообразном состоянии воды:

Qв - Qн = Qис, (3.1)

где Qв - высшая теплота сгорания; Qн - низшая теплота сгорания; Qис - теплота испарения воды, образующейся при сгорании вещества.

Таблица 3.1- Расчетные методы определения низшей теплоты сгорания

Тип горючего вещества	Расчетные формулы	Размерность
Индивидуальные вещества		кДж/моль
Вещества сложного состава (формула Д.И. Менделеева)		кДж/кг
Смесь газов		кДж/моль; кДж/м3

Здесь - соответственно теплота образования одного кмоля i - го конечного продукта горения и j - го исходного вещества; ni, nj - соответственно количество кмолей i - го продукта реакции и j - го исходного вещества в уравнении реакции горения; C, H, S, W - соответственно содержание, % (масс.) углерода, водорода, серы и влаги в составе вещества; О - сумма кислорода и азота, % (вес.); QHi - низшая теплота сгорания i - го горючего компонента газовой смеси, кДж/кмоль; - содержание i - го горючего компонента в газовой смеси, % (об.).

Расчет теплоты сгорания газовоздушных смесей проводят по формуле:



, (3.2)

где Qнсм - теплота сгорания газовоздущной смеси, кДж/м3, кДж/кмоль; QH - низшая теплота сгорания низшего вещества, кДж/м3, кДж/кмоль; цR - концентрация горючего в смеси с окислителем, %(об.).

Удельная скорость (интенсивность) тепловыделения при горении равна:

q = QH - UM, (3.3)

где q - удельная интенсивность тепловыделения, кВт/м2; UM - массовая скорость выгорания, кг/(м2с).

Скорость тепловыделения при горении (теплота пожара) равна:

qП = QHUMF (3.4)

где qП - интенсивность тепловыделения, кВт; F - площадь горения, м2.

С условием того, что средний состав древесины следующий:

- углерод (С) = 49 %;

- водород (Н) = 8%;

- кислород (О) = 43%.

Расчетная низшая теплота сгорания древесины составит:



4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для определения низшей теплоты сгорания мы провели опыты на калориметре. Были взяты образцы разных пород древесины: березы, дуба, сосны, осины и груши. Первые образцы древесины, каждой породы, оставляли влажными. Вторую партию образцов - поместили в печь и обезвожили под температурой 100оС. Третью партию образцов - в печи под температурой 250 оС довели до потери в образцах гемицеллюлозы. Четвертую партию - до потери в образцах гемицеллюлозы и целлюлозы. Пятую партию разлагали до углеродистого остатка. После разложения образцов древесины, для каждого образца в отдельности определялась низшая теплота сгорания:

а) подключаем калориметр к источнику энергии. Включаем кнопку включения измерительной камеры. Система начинает загружаться. Створка измерительной камеры автоматически открывается и на табло пульта управления появляется вступительное окно;

б) ждем 3-5 мин., мы подтверждаете вступительное окно клавишей ОК, проконтролируем визуально уровень воды во внутреннем сосуде. Если уровень воды выше, чем 1 см от дна сосуда, насос откачает остаток воды из внутреннего сосуда в расширительный резервуар. После чего следует долить 50 мл жидкости в расширительный резервуар;

в) включаем кнопку включения охлаждающего блока, для установления стабильных температурных условий в измерительной камере требуется около 30 минут;

г) открываем подачу кислорода из баллона. Давление кислорода должно составлять 30 бар, но ни в коем случае не должно превышать 40 бар. (Используем кислород сорта 3.5 99,95%-ый чистый кислород);

д) выбираем нужный Нам процесс: для этого устанавливаем курсор в строке меню на Conf., открываем окно меню и вызываем диалоговый блок Settings ("Настройки"). Окно показывает конфигурационные блоки Operation (эксплуатация), Operating mode (способ эксплуатации), Reference gross calorific value (эталонная общая теплотворность), Experiment init (инициализация эксперимента) и Unit (единица). При помощи TAB передвигаем курсор в конфигурационный блок Operating mode и при помощи стрелок "вверх"/"вниз" выбираем настройку Adiabatic и нажимаем клавишу "пробел", в Experiment init - Standard, в Unit - Joule/g. Нажимаем ОК;

Рис. 4.1 Диалоговое окно "Настройки"

е) заправляем сосуд разложения образцом древесины.

Рис. 4.2 Составные части бомбы

Выполняем следующие шаги по подготовке кодированного сосуда разложения:

1) отвинчиваем ввёртыш и при помощи рукоятки снимаем;



Рис. 4.3 Сосуд разложения

2) хлопковый фитиль с петлёй зафиксируем на середине зажигательной проволоки;

Рис. 4.4 Зажигательная проволока

3)взвешиваем образцы древесины и помещаем в тигель;

4) открываем диалоговое окно Sample для введения параметров;

5)вводим вес сжигаемого образца в блок Weighed in quantity ("Дозированное количество"). При помощи клавиши TAB Мы перемещаем курсор в нижеперечисленные вводные блоки:

- QExtran 1:

По умолчанию здесь появляется величина 120 Дж. Она соответствует тепловой энергии, образованной электрическим зажиганием, и теплоте сгорания хлопкового фитиля, который можно приобрести от IKA.



Рис. 4.5 Диалоговое окно Sample

- Bomb: вводим 1/1

ОК побуждает систему принять введённые в диалоговый блок данные. 5.

С этого момента внизу экрана появляется сообщение Воmb . Это означает, что теперь можно погрузить сосуд разложения в измерительную камеру;

6) поместите тигель в тигельный зажим;

7) при помощи пинцета направляем хлопковый фитиль так, чтобы он погрузился в тигель и соприкоснулась с образцом. Это гарантирует зажигание образца хлопковым фитилём;

Рис. 4.6 Тигель в тигельном зажиме

8) налить в сосуд разложения 50 мл дистиллированной воды;

9)устанавливаем крышку сосуда разложения и заворачиваем ввёртыш.

ж) осторожно направляем сосуд разложения, пока он не сомкнётся с наполняющей головкой открытой измерительной крышки.

Теперь сосуд разложения погружён в вертикально в принимающую деталь (для полной уверенности проверьте визуально).



Рис. 4.7 Правильность установки сосуда разложения

термохимия калориметр пожар сгорание

Как только электрическая цепь сосуда разложения замыкается через зажигательную проволоку, калориметр приходит в состояние готовности. Сообщение Bomb изменится на табло задания Start функциональной клавиши;

з) активизируем Start. Закрывается крышка измерительной камеры. Затем сосуд разложения наполняется кислородом. Далее внутренний сосуд наполняется водой. Как только система начинает эксперимент, табло отображает график изменения в единицу времени температуры во внутреннем сосуде;

и) при завершении измерения открывается крышка измерительной камеры, и из сосуда разложения выпускается давление. В то же время опорожняется внутренний сосуд. После этого полностью открывается крышка измерительной камеры. Как только внизу экрана появится сообщение Bomb N, Вы можете вынуть сосуд разложения;

к) открываем сосуд разложения и проверяем тигель на предмет неполного сгорания. Если сгорание было неполным, не допускается использовать результаты эксперимента для градуировки, и следует повторить эксперимент. Если сгорание было полным, записываем полученные значения низшей теплоты сгорания образца древесины;

л) аналогично проводим опыты для других образцов древесины, полученные результаты заносим в таблицу 5.2.



5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НИЗШЕЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ ОТ СТЕПЕНИ ЕЕ РАЗЛОЖЕНИЯ НА ПОЖАРЕ

В качестве исследуемых образцов использовали следующие породы древесины: береза, дуб, сосна, осина, груша. Содержание органических веществ в древесине разных пород указаны в табл. 5.1.

Таблица 5.1 - Содержание органических веществ в древесине

Органические вещества.	Содержание органических веществ, % от массы абсолютно сухой древесины.
	береза	дуб	сосна	осина	груша
Целлюлоза, свободная от пентозанов	47,20	47,75	56,50	47,80	48,40
Лигнин	19,10	27,72	27,05	21,67	29,89
Пентозаны	28,70	23,40	10,45	23,52	5,30

В среднем можно принять, что в древесине хвойных пород содержится 48-56% лигнина, 23-26% гемицеллюлоз (10-12% пентозанов и около 13% гексозанов); в то же время древесина лиственных пород содержит 46-48% целлюлозы, 19-28% лигнина, 26-35% % гемицеллюлоз (23-29% пентозанов и 3-6% гексозанов.

Зависимость разложения массы и степени разложения во времени древесины показаны на рисунках 5.1 и 5.2.



Результаты проведенного калориметрического анализа для исследуемых пород древесины сведены в таблицу 5.2



Таблица 5.2- Результаты эксперимента

Низшая теплота сгорания/ Порода	Низшая теплота сгорания QH, МДж/кг
	свежая (влажная)	сухая (обезвоженная)	без гемицеллю лозы	без гемицеллю лозы и целлюлозы	распад древесины 90-95%
Береза	12,885 (20% влажн.)	19,421	20,443	18,724	18,609
Дуб	15,559 (16% влажн.)	19,1	20,745	18,416	19,203
Сосна	14,618 (15% влажн.)	19,472	19,314	18,066	17,844
Осина	13,448 (18% влажн.)	18,269	17,167	15,936	16,301
Груша	14,083 (16% влажн.)	18,713	20,416	18,165	18,452
Состав	влага, гемицеллюлоза, целлюлоза, лигнин.	гемицеллюлоза, целлюлоза, лигнин.	целлюлоза, лигнин.	лигнин	углерод

По полученным результатам построены гистограммы низшей теплоты сгорания для исследуемых пород древесины при разной степени термического разложения:

Условные обозначения:



6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЛУЧЕННОГО РЕЗУЛЬТАТА

6.1 Формирование задач и выбор базового варианта

Данная работа посвящена низшей теплоты сгорания древесины. Актуальность данной работы заключается в том, что низшая теплота сгорания древесины является важным показателем для прогнозирования параметров пожара. Однако, в настоящее время есть только одно значение низшей теплоты сгорания древесины (Qн), что не дает точного определения параметров пожара.

В результате проделанной работы получены результаты низших теплот сгорания для разных пород древесины и при разной степени разложения. В практике же для получения этих показателей необходимо проводить эксперименты, для которых требуются определенные затраты. Поэтому для оценки эффективности полученного результата в данной работе сделаем сравнение двух вариантов:

1) Определение (Qн) для древесины экспериментальным путем в лабораторных условиях "ВНИИПО" ;

2) Определение (Qн) для древесины экспериментальным путем в Академии ГПС МЧС России.

6.2 Определение основных показателей и экономический эффект

В технико-экономическом анализе решение вопросов определения параметров пожара принято использовать следующие основные показатели:

- капитальные затраты, (К);

- эксплуатационные расходы, (С);

- ущерб от пожара, (У).

Известно, что одинаковые показатели, входящие в оба варианта, из расчетов можно исключить, что не повлияет на их точность.

В нашем случае к таким одинаковым показателям будут относиться эксплуатационные расходы и ущерб от пожаров.

Следовательно, С1С2=0; У1-У2=0

Необходимо определить К, т.е. стоимость проведения экспериментов.

Из опыта проведенных экспериментов следует, что, например, для ВНИИПО и Академии ГПС МЧС России в приобретении нового оборудования для проведения данных экспериментов нет необходимости, следовательно, стоимость проведения эксперимента может определяться по следующему выражению:

К=КА+КМ+Кзп , (6.1)

где: КА - амортизационные отчисления (амортизация оборудования);

КМ - стоимость материалов;

Кзп - заработная плата исследователей.

где: С - стоимость оборудования используемого в процессе эксперимента(тыс. руб) ;

НА - средняя норма амортизации используемого оборудования (%/год), принимается НА = 3,5%;

П - период проведения эксперимента;

365 - количество дней в году.

Для проведения эксперимента используется кварцевый стаканчик, стоимость которого составляет четыре тысячи рублей (по бухгалтерским данным).

Период проведения такого эксперимента составляет примерно 30 дней



Для проведения эксперимента используются следующие вещества (КМ):

- кислород (О2) в количестве 714,5 гр. стоимостью 25 руб.;

- дистиллированная вода, необходимое ее количество 2,5л стоимостью 200 руб.

КМ = 25 + 200 = 225 руб.,

ЗП - величина заработной платы.

Для проведения эксперимента на базе ВНИИПО в составе 2 человек (научный сотрудник и лаборант) величина заработной платы составит:

где: зпl - заработная плата научного сотрудника; зпll - заработная плата лаборанта: (по данным ВНИИПО зпl = 15250 руб., зпll = 9250 руб);

1,38 - коэффициент отчисления по социальному страхованию;

1,45 - коэффициент различного рода надбавок.

Следовательно:

К1 = 11 + 225 + 24512 = 24748 руб.

А так как Кзп слушателя Академии ГПС МЧС России равна 0, то:

К2 = 11 + 225 = 236 руб.



Экономический эффект по проведенным экспериментам составил:

Э = К1 - К2 = 24748 - 236 = 24512 руб.

Вывод: Определение низшей теплоты сгорания древесины экономически целесообразнее при проведении экспериментов в Академии ГПС МЧС России.



7. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТОКСИЧНОСТИ ВЕЩЕСТВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ РАЗЛОЖЕНИИ ДРЕВЕСИНЫ

В данной работе рассматривается экологический ущерб от загрязнения атмосферного воздуха при сжигании древесины в калориметрической установке. Для экспериментов в качестве окислителя используется кислород. В результате этого, в продуктах горения объемная доля СО невелика. Рассмотрим опасность этих веществ с позиций токсикологии.

7.1 Кислород

Кислород - элемент главной подгруппы шестой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 8. Обозначается символом O (лат. Oxygenium). Кислород - химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов. Простое вещество кислород (CAS-номер: 7782-44-7) при нормальных условиях - газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O2), в связи с чем его также называют дикислород.

Термодинамические свойства:

- плотность (при н. у.): 0,00142897 г/см?;

- температура плавления: 54,8 K;

- температура кипения: 90,19 K;

- теплота плавления: 0,444 кДж/моль;

- теплота испарения: 3,4099 кДж/моль;

- молярная теплоёмкость: 29,4 Дж/(K·моль);

- молярный объём: 14,0 см?/моль.

При нормальных условиях кислород - это газ без цвета, вкуса и запаха.

1 л его имеет массу 1,429 г. Немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100 г при 0°C, 2,09 мл/100 г при 50 C) и спирте (2,78 мл/100 г при 25 C). Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O2 в 1 объёме Ag при 961 C). Является парамагнетиком.

7.1.1 Токсичность кислорода

Как правило, говорят о двух основных видах токсического действия кислорода:

- легочная форма кислородного отравления;

- токсическое воздействие кислорода на центральную нервную систему (или ЦНС).

7.1.2 Легочная форма токсического отравления

При легочной форме кислородного отравления, также называемой эффектом Лорейна Смита, происходит непосредственное токсическое воздействие на легкие. За исключением редких случаев (как правило, они являются результатом игнорирования ранних симптомов), легочная форма не представляет серьезной опасности. Ее легко предотвратить, соблюдая установленные ограничения длительности/значения повышенного РО2 (парциального давления кислорода).

У большинства людей легочная форма кислородного отравления проявляется при воздействии РО2 выше 0,5 бар/аtа (где АТА - единица абсолютной атмосферы) в течение длительного времени (чем выше значение РО2, тем скорее возникает отравление).

Токсическое воздействие кислорода на центральную нервную систему

Симптомы токсического поражения ЦНС включают: нарушения зрения (туннельное зрение, неспособность сфокусироваться), нарушение слуха (звон в ушах, появление посторонних звуков), тошноту, судорожные сокращения (особенно мышц лица), повышенную чувствительность к внешним раздражителям и головокружение.



7.2 Состав продуктов горения

При горении древесины и древесных материалов образуется водяной пар, теплота, двуокись и окись углерода. Основную опасность для экипажа представляют недостаток кислорода и присутствие окиси углерода. Кроме того, при горении древесины образуются альдегиды, кислоты и различные газы. Эти вещества сами по себе или в сочетании с водяным паром могут, как минимум, оказывать сильное раздражающее воздействие. Вследствие токсичности большинства этих газов при работе в зоне пожара или вблизи, необходимо применение дыхательных аппаратов.

7.2.1 Окись углерода

Физические и химические свойства. Бесцветный газ без запаха и вкуса, вес 1 л при 0° и 760 мм рт. ст. 1,2500 г. Температура плавления -205°; температура кипения -191,5°, плотность -0,97. Горит синим пламенем до образования СО2 с выделением тепла. Пределы воспламеняемости в смеси с воздухом 12,5-74,2%. Смесь двух объемов СО в одного объема О2 взрывается при зажигании. При низких температурах СО достаточно инертна; при высоких температурах и в присутствии катализаторов легко вступает в различные реакции, особенно в реакции присоединения СО в процессе органического синтеза.

СО способна оказывать непосредственное токсическое действие на клетки, нарушая тканевое дыхание и уменьшая потребление тканями О2. СО соединяется не только с гемоглобином, но и с геминовыми ферментами (цитохромами и цитохромоксидазой и с миоглобином), с восстановленной формой пероксидазы, давая соединение, напоминающее карбоксигемоглобин, и с каталазой. Угнетает активность тирозиназы и сукцинатдегидрогеназы в печени, сердце и в мозге. Подтверждением цитотоксического действия СО являются многочисленные сведения о токсическом эффекте (преимущественно при длительном отравлении малыми концентрациями), когда содержание СОНb не превышает нормального. В ряде острых отравлений СО смерть также наступала при относительно невысоком содержании СОНb - 45-55%. Хроническое отравление СО может развиваться без аноксемии. СО влияет на углеводный обмен, повышая уровень сахара в крови (до 300 мг%), в ликворе (до 120 мг%) и вызывая появление, сахара в моче, что, вероятно, связано не с аноксемией, а со специфическим токсическим действием. СО нарушает фосфорный обмен, сильно возбуждает каротидные химиорецепторы; нарушение азотистого обмена вызывает азотемию, изменение содержания белков плазмы, снижение активности холинэстеразы крови и уровня витамина В6.

Таблица 7.1 - Токсические концентрации и симптомы при отравления людей СО

Концентрация, мг/л	Длительность воздействия	Содержание СОНb, %	Симптомы отравления
0,006	25 мин		Снижение цветовой и световой чувствительности глаз.
0,031	3 ч	-	Снижение точности зрительного восприятия пространства и ночного зрения.
0,05-0,06	2 ч	-	Снижение слуха. Изменения ЭЭГ.
	5 ч	-	Ухудшение выполнения психологических тестов.
0,08-0,11	3,5-5 ч	7-10	Снижение скорости зрительного восприятия, ухудшение выполнения психологических и психомоторных тестов, координации мелких точных движений и аналитического мышления.
0,22	2-3 ч	-	Легкая боль в области лба.
0,23	6 ч	16-20	Боль в области лба, ощущение давления на лоб, быстро исчезающие на свежем воздухе; расширение кожных кровеносных сосудов; снижение физической работоспособности.
0,23-0,34	5-6 ч	23-30	Головная боль. Ощущение пульсации в висках. Головокружение.
0,34	4 ч	22-24	То же.
	5 ч	26-27	-
0,44-0,46	1 ч	15-19	Боли в области лба и затылка.
	2 ч	21-28	То же.
	2,5-3 ч	-	-
0,46-0,69	4-5 ч	36-40	Сильная головная боль, слабость, головокружение туман перед глазами, тошнота и рвота, коллапс.
0,8-1,0	20-30 мин		Головная боль, общая мышечная слабость, тошнота; потери трудоспособности не было.
0,88	45 мин	-	Головная боль, головокружение, тошнота.
	2 ч	-	Потеря сознания, коллапс.
0,8-1,15	3-4 ч	47-53	Сильная головная боль, слабость головокружение, туман перед глазами, тошнота.

Вывод: в связи с тем, что во время эксперимента используется кислород в количестве 29 грамм и сжигается древесина массой 0,1-0,5 грамм с образованием небольшого количества продуктов горения, токсичность этих веществ не опасна для человека.



ВЫВОДЫ

1. Разные породы древесины имеют разную низшую теплоту сгорания. Разница составляет 20 - 30 %, что желательно учитывать при использовании математических моделей прогнозирования пожара.

2. В процессе термического разложения (при потере влаги, гемицеллюлозы, целлюлозы) низшая теплота сгорания древесины меняется, что приводит к изменению динамики развития пожара в разные моменты времени.

3. Не до конца прогоревшая древесина (частично разложившаяся) при повторном возгорании может привести к увеличению класса пожара, что потребует увеличение сил и средств для борьбы с пожаром.

РЕКОМЕНДАЦИИ

По полученным результатам, можно сделать корректировку табличных значений низшей теплоты сгорания для древесины Учитывая разнообразие древесных пород при различной степени влажности, желательно создать базу данных значений низшей теплоты сгорания для различных видов древесины. Полученная база данных поможет сделать более точный прогноз пожара в математических моделях, оценить значение опасных факторов на различных стадиях пожара.



ЛИТЕРАТУРА

Абдурагимов И. М., Говоров В.Ю.,. Макаров В.Е. Физико - химические основы развития и тушения пожаров. М., 1980.

Андросов А.С., Бегишев И.Р., Салеев Е.П. Теория горения и взрыва М. 2007 г.

СНиП 2.01.02-85 Противопожарные нормы. М - 1986 г

Справочник руководителя тушения пожара. - М. Стройиздат, 1987 г.

Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справ, изд.: в 2 кн. / Баратов А.Н., Корольченко А.Я., Кравчук Г.Н. и др. - М.: Химия, 1990.

Пособие по применению НПБ 105-95 "Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности" при рассмотрении проектно-сметной документации / Шебеко Ю.Н., Смолин И.М., Молчадский И.С. и др. - М.: ВНИИПО, 1998. - 119 с.

Андросов А.С., Салеев Е.П. Примеры и задачи по курсу "Теория горения и взрыва" М. 2008 г.

Кузмичев И.И. Расчетный способ определения ущерба от пожара .-В сб. Экономика и управление в пожарной охране.- М.: ВНИИПО, 1983.

Размещено на Allbest.ru