Методические рекомендации по выполнению курсовой работы по дисциплине «Теория горения и взрыва»

Введение в предмет и постановка задачи

Теория горения и взрыва является фундаментальной инженерной дисциплиной, знание которой необходимо для обеспечения безопасности на промышленных объектах, в энергетике и на транспорте. Понимание физико-химической сущности этих быстропротекающих экзотермических реакций позволяет разрабатывать эффективные системы пожаровзрывозащиты и предотвращать катастрофические последствия аварий.

Курсовая работа по этой дисциплине — это не просто учебное задание, а ключевой этап в освоении предмета, позволяющий применить теоретические знания на практике. В рамках данной работы объектом исследования выступает изобутан (C4H10), типичный представитель углеводородных горючих газов.

Цель работы — освоение и практическое применение методик расчета основных показателей пожаровзрывоопасности индивидуального химического вещества. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Рассчитать адиабатическую температуру горения (Тад) и температуру взрыва (Твзр).
• Определить концентрационные (КПР) и температурные (ТПР) пределы распространения пламени.
• Провести анализ флегматизации горючей смеси азотом, рассчитав минимальную флегматизирующую концентрацию (МФК) и минимально взрывоопасное содержание кислорода (МВСК).
• Оценить мощностные характеристики взрыва через максимальное давление (Pmax) и тротиловый эквивалент (ηТНТ).
• Сравнить полученные расчетные данные со справочными значениями.

Глава 1. Теоретические основы процессов горения и взрыва

Для успешного выполнения расчетов необходимо владеть базовым понятийным аппаратом. Горение — это сложный физико-химический процесс, представляющий собой высокотемпературную экзотермическую реакцию окисления горючего вещества, которая способна к самораспространению. В свою очередь, взрыв характеризуется экстремально быстрым выделением энергии и образованием ударной волны, что является следствием дефлаграционного (дозвукового) или детонационного (сверхзвукового) горения.

Ключевыми показателями, определяющими способность вещества к горению, являются:

1. Концентрационные пределы распространения пламени (КПР): Диапазон концентраций горючего в смеси с окислителем, в котором возможно воспламенение и дальнейшее распространение пламени. Этот диапазон ограничен нижним (НКПР) и верхним (ВКПР) пределами. За их границами смесь либо слишком «бедная», либо слишком «богатая» для горения.
2. Адиабатическая температура горения: Это теоретический максимум температуры, который могут развить продукты сгорания при условии полного отсутствия тепловых потерь в окружающую среду.
3. Температура самовоспламенения: Минимальная температура окружающей среды, при которой происходит самопроизвольное воспламенение горючей смеси без внешнего источника зажигания.
4. Максимальное давление взрыва: Наибольшее избыточное давление, возникающее при сгорании горючей смеси в замкнутом объеме.

Эти процессы зависят от множества факторов, включая начальную температуру и давление, соотношение компонентов смеси и наличие турбулентности. Механизм распространения пламени может быть тепловым (передача тепла от фронта пламени к непрореагировавшей смеси) или диффузионным (диффузия активных центров реакции).

Глава 2. Структура работы и методология проведения расчетов

Расчетно-пояснительная записка курсовой работы должна иметь четкую и логичную структуру, позволяющую последовательно изложить все этапы исследования. Стандартная структура включает следующие разделы:

• Титульный лист
• Содержание
• Введение (постановка цели и задач)
• Глава 1. Теоретические основы
• Глава 2. Расчетная часть (с подразделами по каждому параметру)
• Глава 3. Сравнительный анализ результатов
• Заключение (выводы по работе)
• Список использованных источников

Ядром всей работы, безусловно, является расчетная часть. Методология вычислений основывается на фундаментальных законах термодинамики и химической кинетики. В качестве основного инструментария используются стехиометрические уравнения реакций, энтальпийные методы для расчета тепловых эффектов и температур, а также эмпирические и полуэмпирические формулы, зарекомендовавшие себя в инженерной практике.

В качестве нормативной базы для методик расчета и определения понятий следует использовать государственные стандарты, в первую очередь ГОСТ 12.1.044-89 и ГОСТ 30852.19-2002.

Для всех расчетов, связанных с горением в воздушной среде, принимается упрощенный состав воздуха: один моль кислорода (O2) на 3.76 моля азота (N2), который рассматривается как инертный разбавитель.

Глава 3. Расчет тепловых характеристик горения изобутана

Первый шаг в анализе любого процесса горения — определение его энергетического потенциала, который выражается через максимальные температуры. Расчет начинается с составления уравнения реакции.

Составление стехиометрического уравнения

Для полного сгорания изобутана (C4H10) в воздухе реакция выглядит следующим образом:

C4H10 + 6.5(O2 + 3.76N2) -> 4CO2 + 5H2O + 24.44N2

Это уравнение является основой для всех дальнейших термодинамических расчетов, так как оно определяет мольные соотношения между реагентами и продуктами.

Расчет адиабатической температуры горения (Тад)

Расчет Тад производится с помощью энтальпийного метода. Его суть заключается в составлении уравнения теплового баланса, согласно которому вся теплота, выделившаяся в ходе реакции, идет на нагрев продуктов сгорания. Уравнение имеет вид:

Q_{реакции} = ΔH_{продуктов}(Тад) — ΔH_{продуктов}(Т_нач)

Для решения этого уравнения необходимо использовать справочные данные по стандартным энтальпиям образования веществ (для расчета Q_{реакции}) и зависимостям теплоемкости продуктов (CO2, H2O, N2) от температуры. Расчет является итерационным: задаваясь значением Тад, вычисляют энтальпию продуктов, пока она не сравняется с теплотой реакции.

Расчет температуры взрыва (Твзр)

Температура взрыва отличается от адиабатической тем, что она учитывает диссоциацию продуктов сгорания. При температурах свыше 2000 К такие молекулы, как CO2 и H2O, начинают распадаться на более простые соединения (CO, O2, H2, OH). Эти реакции диссоциации эндотермические, то есть они поглощают часть тепла, из-за чего реальная максимальная температура (Твзр) всегда ниже теоретической адиабатической (Тад). Расчет Твзр значительно сложнее и требует решения системы уравнений химического равновесия, поэтому в рамках учебных работ часто используются упрощенные методики или готовые программные комплексы.

Глава 4. Определение концентрационных пределов распространения пламени

Концентрационные пределы (НКПР и ВКПР) — это важнейшая характеристика, определяющая, при каких условиях смесь газа с воздухом становится взрывоопасной. Их физический смысл заключается в балансе между скоростью тепловыделения в реакции и скоростью теплопотерь в окружающую среду.

Для углеводородов существуют эмпирические формулы, позволяющие с достаточной для инженерных расчетов точностью определить КПР. Одна из наиболее распространенных методик (правило Джонса) связывает пределы со стехиометрической концентрацией (φ_ст):

• Нижний предел (НКПР): Часто принимается как доля от стехиометрической концентрации. Для многих углеводородов НКПР ≈ 0.5 * φ_ст. Расчет начинается с определения φ_ст из уравнения реакции.
• Верхний предел (ВКПР): Определяется условием, при котором в смеси не хватает окислителя для поддержания горения. Расчет также может быть привязан к стехиометрии.

После проведения пошаговых расчетов по формулам, регламентированным ГОСТ или методическими указаниями, полученные значения НКПР и ВКПР для изобутана необходимо сравнить с типичными значениями для алканов. Это позволяет оценить адекватность результатов и правильность выполненных вычислений.

Глава 5. Анализ флегматизации горючей смеси и минимального содержания кислорода

Флегматизация — это процесс добавления в горючую смесь инертного компонента (флегматизатора), например, азота или диоксида углерода, с целью ее перевода в негорючее состояние. Этот метод является одним из ключевых способов обеспечения взрывобезопасности.

Ключевыми параметрами здесь являются:

1. Минимальная флегматизирующая концентрация (МФК): Это наименьшая концентрация флегматизатора в тройной смеси (горючее-окислитель-флегматизатор), при которой распространение пламени становится невозможным при любой концентрации горючего.
2. Минимально взрывоопасное содержание кислорода (МВСК): Максимальная концентрация кислорода в смеси, разбавленной инертом, при которой горение еще невозможно.

Расчет этих параметров удобно проводить с использованием графического метода на основе так называемого «треугольника горючести». По осям откладываются концентрации горючего, окислителя и флегматизатора. Построив область горючих смесей, ограниченную линиями КПР, можно графически определить точку флегматизации (вершину области горения) и на ее основе вычислить значения МФК и МВСК. Эти параметры имеют огромное практическое значение для проектирования систем инертного разбавления технологических аппаратов.

Глава 6. Расчет температурных пределов и температуры самовоспламенения

Помимо концентрационных, существуют и температурные пределы распространения пламени (ТПР). Они напрямую связаны с КПР через давление насыщенных паров горючего вещества.

Физический смысл ТПР заключается в определении температурного диапазона, в котором над поверхностью жидкого горючего образуется паровоздушная смесь с концентрацией, попадающей в область воспламенения (между НКПР и ВКПР). Расчет нижнего (НТПР) и верхнего (ВТПР) пределов выполняется по формулам, связывающим парциальное давление паров при искомой температуре с ранее рассчитанными значениями КПР.

Температура вспышки, определяемая экспериментально, по своему физическому смыслу очень близка к рассчитанному нижнему температурному пределу (НТПР).

В отличие от ТПР, температура самовоспламенения (Тсв) — это параметр, который характеризует способность вещества воспламеняться без внешнего источника зажигания (искры, пламени). Этот процесс инициируется медленными реакциями окисления в объеме смеси, которые самоускоряются с ростом температуры. Тсв очень сильно зависит от объема, формы сосуда и давления, поэтому ее точное значение определяется исключительно экспериментально. Для курсовой работы это значение обычно берется из справочной литературы.

Глава 7. Оценка параметров взрыва

Если горение происходит в замкнутом или частично замкнутом пространстве, оно приводит к значительному росту давления. Оценка этого роста является критически важной задачей при проектировании промышленных объектов.

Максимальное давление взрыва (Pmax)

Pmax — это пиковое избыточное давление, которое развивается при сгорании стехиометрической смеси в герметичном объеме. Его можно рассчитать по простой формуле, исходя из законов идеального газа:

Pmax = P_нач * (Твзр / Т_нач) * (n_прод / n_реаг)

где P_нач и Т_нач — начальные давление и температура, Твзр — ранее рассчитанная температура взрыва, а n_прод / n_реаг — отношение числа молей продуктов к числу молей реагентов из стехиометрического уравнения.

Тротиловый эквивалент (ηТНТ)

Для сравнения разрушительной мощности взрыва различных веществ используется понятие тротилового эквивалента. Он показывает, какая масса тротила (ТНТ) выделит при взрыве такое же количество энергии, что и 1 кг исследуемого вещества. Расчет ηТНТ основан на сравнении теплоты сгорания вещества (Q_сгор) с удельной теплотой взрыва тротила (Q_ТНТ):

ηТНТ = Q_{сгор_вещества} / Q_ТНТ

Этот параметр позволяет быстро оценить потенциальные последствия аварийного взрыва и рассчитать безопасные расстояния.

Глава 8. Сравнительный анализ результатов и обсуждение

Заключительным этапом расчетной части является критический анализ полученных данных. Для этого все рассчитанные и справочные значения сводятся в единую таблицу для наглядного сопоставления.

Сводная таблица расчетных и справочных параметров для изобутана

Параметр	Расчетное значение	Справочное значение
Адиабатическая температура горения, К
НКПР, % об.
ВКПР, % об.
МВСК, % об.
Максимальное давление взрыва, МПа

Как правило, расчетные и справочные значения имеют некоторые расхождения. Важно не просто констатировать этот факт, а проанализировать его причины. Основными источниками погрешностей являются:

• Идеализированные модели: Расчеты часто не учитывают диссоциацию, тепловые потери, неполноту сгорания.
• Погрешности эмпирических формул: Многие формулы (особенно для КПР) являются аппроксимациями и имеют ограниченную точность.
• Различия в начальных условиях: Справочные данные могут быть получены при условиях (температура, давление), отличающихся от стандартных, принятых в расчете.

В заключении этого раздела необходимо сделать вывод о том, что, несмотря на расхождения, полученные результаты являются приемлемыми для учебных целей и демонстрируют верное понимание методик расчета.

Заключение и рекомендации по оформлению

В ходе выполнения курсовой работы были решены все поставленные задачи: на примере изобутана (C4H10) освоены и применены методики расчета ключевых параметров пожаровзрывоопасности, включая тепловые, концентрационные, температурные и мощностные характеристики. Проведенный сравнительный анализ показал адекватность использованных расчетных моделей.

Таким образом, основная цель работы — закрепление теоретических знаний и приобретение практических навыков в области теории горения и взрыва — была успешно достигнута.

При финальном оформлении расчетно-пояснительной записки уделите внимание следующим моментам:

• Список литературы должен быть оформлен в соответствии с требованиями ГОСТ.
• Все страницы, таблицы и рисунки должны иметь сквозную нумерацию.
• Перед сдачей необходимо тщательно вычитать текст на предмет опечаток, грамматических и стилистических ошибок.

Аккуратное оформление и грамотное изложение материала являются важной составляющей итоговой оценки.

` с содержимым HTML-блока.

Список использованной литературы

1. Андросов А.С., Бегишев И.Р., Салеев Е.П. Теория горения и взрыва: Учебное пособие. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2007. – 240 с.
2. Андросов А.С., Салеев Е.П. Примеры и задачи по курсу «Теория горения и взрыва»: Учебное пособие. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2008. – 80 с.
3. Баратов А.Н., Корольченко А.Я., Кравчук Г.Н и др.Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочн. Изд. В 2-х книгах, 1990. — М.: Химия. – 384 с.
4. Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник в 2-х частях. – М.: Асс. «Пожнаука», 2000. – 709 с.