Движение пламени по газовой смеси
называется распространением пламени. В зависимости от скорости распространения пламени горение может быть дефлаграционным со скоростью несколько м/с, взрывным – скорость порядка десятков и сотен м/с и детонационным – тысячи м/с.
Для дефлаграционного или нормального распространения горения
характерна передача тепла от слоя к слою, а пламя, возникающее в нагретой и разбавленной активными радикалами и продуктами реакции смеси, перемещается в направлении исходной горючей смеси. Это объясняется тем, что пламя, как бы становится источником, который выделяет непрерывный поток тепла и химически активных частиц. В результате этого фронт пламени и перемещается в сторону горючей смеси.
Дефлаграционное горение
подразделяется на ламинарное и турбулентное.
Ламинарному горению присуща нормальная скорость распространения пламени.
Нормальной скоростью распространения пламени, согласно ГОСТ 12.1.044 ССБТ, называется скорость перемещения фронта пламени
относительно несгоревшего газа, в направлении, перпен-дикулярном к его поверхности.
Значение нормальной скорости распространения пламени, являясь одним из показателей пожаро- и взрывоопасности веществ, характеризует опасность производств, связанных с использованием жидкостей и газов, оно применяется в расчетах скорости нарастания взрывного давления газо-, паровоздушных смесей, критического (гасящего) диаметра и при разработке мероприятий, обеспечи-вающих пожаро- и взрывобезопасность технологических процессов в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010 ССБТ.
Нормальная скорость распространения пламени – физико-химическая константа смеси – зависит от состава смеси, давления и температуры и определяется скоростью химической реакции и молекулярной теплопроводностью.
Температура относительно слабо увеличивает нормальную скорость распространения пламени, инертные примеси уменьшают ее, а повышение давления ведет либо к повышению, либо к снижению скорости.
В ламинарном газовом потоке
скорости газов малы, а горючая смесь образуется в результате молекулярной диффузии. Скорость горения в этом случае зависит от скорости образования горючей смеси. Турбулентное пламя
образуется при увеличении скорости распространения пламени, когда нарушается ламинарность его движения. В турбулентном пламени завихрение газовых струй улучшает перемешивание реагирующих газов, так как увеличивается поверхность, через которую происходит молекулярная диффузия.
В результате взаимодействия горючего вещества с окислителем образуются продукты сгорания, состав которых зависит от исходных соединений и условий реакции горения.
При полном сгорании органических соединений образуются СО 2 , SО 2 , Н 2 О, N 2 , а при сгорании неорганических соединений – оксиды. В зависимости от температуры плавления продукты реакции могут либо находиться в виде расплава (Аl 2 О 3 , ТiO 2), либо подниматься в воздух в виде дыма (Р 2 О 5 , Nа 2 O, МgО). Расплавленные твердые частицы создают светимость пламени. При горении углеводородов сильная светимость пламени обеспечивается свечением частиц технического углерода, который образуется в больших количествах. Уменьшение содержания технического углерода в результате его окисления уменьшает светимость пламени, а снижение температуры затрудняет окисление технического углерода и приводит к образованию в пламени копоти.
Для того чтобы прервать реакцию горения, необходимо нарушить условия ее возникновения и поддержания. Обычно для тушения используют нарушение двух основных условий устойчивого состояния – понижение температуры и режим движения газов.
Понижение температуры
может быть достигнуто путем вве-дения веществ, которые поглощают много тепла в результате испарения и диссоциации (например, вода, порошки).
Режим движения газов
может быть изменен путем сокращения и ликвидации притока кислорода.
Взрыв, согласно ГОСТ 12.1.010 «Взрывобезопасность
», – бы-строе превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить работу.
Взрыв, как правило, приводит к возникновению интенсивного роста давления. В окружающей среде образуется и распространяется ударная волна.
Ударная волна
имеет разрушительную способность, если из-быточное давление в ней выше 15 кПа. Она распространяется в газе перед фронтом пламени со звуковой скоростью – 330 м/с. При взрыве исходная энергия превращается в энергию нагретых сжатых газов, которая переходит в энергию движения, сжатия и разогрева среды. Возможны различные виды исходной энергии взрыва – электрическая, тепловая, энергия упругого сжатия, атомная, химическая.
Основные параметры, характеризующие опасность взрыва в соответствии с ГОСТ 12.1.010 – давление на фронте ударной волны, максимальное давление взрыва, средняя и максимальная скорость нарастания давления при взрыве, дробящие или фугасные свойства взрывоопасной среды.
Общее действие взрыва
проявляется в разрушении оборудования или помещения, вызываемых ударной волной, а также в выделении вредных веществ (продуктов взрыва или содержащихся в оборудовании).
Максимальное давление взрыва
(Р max) – наибольшее давление, возникающее при дефлаграционном взрыве газо-, паро- или пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси 101,3 кПа.
Скорость нарастания давления при взрыве
(dР/dt) – произ-водная давления взрыва по времени на восходящем участке зависимости давления взрыва газо-, паро-, пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде от времени. При этом различают максимальную и среднюю скорости нарастания давления при взрыве. При установлении максимальной скорости используют приращение давления на прямолинейном участке зависимости давления взрыва от времени, а при определении средней скорости – участок между максимальным давлением взрыва и начальным давлением в сосуде до взрыва.
Обе эти характеристики являются важными факторами для обеспечения взрывозащиты. Их используют при установлении категории помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, при расчетах предохранительных устройств, при разработке мероприятий по пожаро- и взрывобезопасности технологических процессов.
Детонация
есть процесс химического превращения системы окислитель – восстановитель, представляющий собой совокупность ударной волны, распространяющейся с постоянной скоростью и превышающей скорость звука, и следующей за фронтом зоны химических превращений исходных веществ. Химическая энергия
, выделяющаяся в детонационной волне, подпитывает ударную волну, не давая ей затухать. Скорость детонационной волны есть характеристика каждой конкретной системы.
Теория утверждает, что врывгазо- или паровоздушной смеси -явление не мгновенное. При внесении источника зажигания в горючую смесь начинается реакция окисления горючего с окислителем в зоне действия источника зажигания. Скорость реакции окисления в каком-то элементарном объеме этой зоны достигает максимума - возникает горение. Горение награнице элементарного объема со средой называется фронтом пламени. Фронт пламени имеет вид сферы. Толщина фронта пламени, по вычислениям Я.Б. Зельдовича, равна 1-100 мкм. Хотя толщина зоны горения и невелика, однако достаточна для протекания реакции горения. Температура фронта пламени за счет тепла реакции горения составляет 1000-3000°С и зависит от состава горючей смеси.
При перемещении фронта пламени температура несгоревшей части горючей смеси возрастает, так как повышается давление смеси. Вблизи фронта пламени температура смеси также повышается, что обусловлено не-
сдачей тепла теплопроводностью, диффузией нагретых молекул и излучением. На наружной поверхности фронта пламени эта температура равна температуре самовоспламенения горючей смеси.
После воспламенения горючей смеси сферическая форма пламени очень быстро искажается и все более вытягивается в сторону еще не воспламененной смеси. Вытягивание фронта пламени и быстрое увеличение его поверхности сопровождается увеличением скорости движения центральной части пламени. Это ускорение длится до тех пор, пока пламя не коснется стенок труб или, во всяком случае, не приблизится близко к стенке трубы. В этот момент размер пламени резко уменьшается, и от пламени остается только небольшая его часть, перекрывающая все сечение трубы. Вытягивание фронта пламени,
и его интенсивное ускорение сразу после зажигания искрой, когда пламя еще не достигло стенок трубы, вызываются увеличением объема продуктов сгорания. Таким образом, в начальной стадии процесса образования фронта пламени, независимо от степени горючести газовой смеси, возникает ускорение и последующее торможение пламени, причем это торможение будет тем больше, чем больше скорость пламени.
На процесс развития последующих стадий горения оказывает влияние длина трубы. Удлинение трубы приводит к появлению вибраций и образованию ячеистой структуры пламени, ударной и детонационных волн.
Ширину зоны нагрева (в см) можно определить из зависимости
1 = а/ v
где а - коэффициент температуропроводности; v - скорость распространения пламени.
Линейную скорость перемещения v (в м/с) можно определить по формуле
V = V т /
где V т - массовая скорость горения, г/(с м 3); - плотность исходной горючей смеси, кг/м 3 .
Линейная скорость перемещения фронта пламени непостоянна, она изменяется в зависимости от составов. Смеси и примеси инертных (негорючих) газов, температуры смеси, диаметра труб и др. Максимальная скорость распространения пламени наблюдается не при стехиометрической концентрации смеси, а в смеси с избытком горючего. При введении в горючую смесь инертных газов скорость распространения пламени снижается. Объясняется это снижением температуры горения смеси, так как часть тепла расходуется на нагрев не участвующих в реакции инертных примесей.
С увеличением диаметра труб скорость распространения пламени растет неравномерно. При увеличении диаметра труб до 0,1-0,15 м скорость растет довольно быстро. Увеличение температуры происходит до тех пор, пока диаметр не достигнет некоторого предельного диаметра,
выше которого увеличение скорости не происходит. При уменьшении диаметра трубы скорость распространения пламени уменьшается, и при некотором малом диаметре пламя в трубе не распространяется. Это явление можно объяснить увеличением тепловых потерь через стенки
трубы.
Следовательно, чтобы прекратить распространение пламени в горючей смеси, необходимо тем или иным способом понизить температуру смеси, охлаждая сосуд (в нашем примере трубу) извне или разбавляя смесь холодным инертным газом.
Нормальная скорость распространения пламени сравнительно невелика (не более десятков метров в секунду), но в некоторых условиях пламя в трубах распространяется с огромной скоростью (от 2 до 5 км/с), превышающей скорость звука в данной среде. Это явление назвали детонацией . Отличительные особенности детонации следующие:
1) постоянная скорость горения независимо от диаметра трубы;
2) высокое давление пламени, вызванное детонационной волной, которое может превышать 50 МПа в зависимости от химической природы горючей смеси и начального давления; причем вследствие большой скорости горения развиваемое давление не зависит от формы, емкости и герметичности сосуда (или трубы).
По мере ускорения пламени растет и амплитуда ударной волны, температура сжатия достигает температуры самовоспламенения смеси.
Увеличение общего количества сгорающего в единицу времени газа объясняется тем, что в струе с переменной по сечению скоростью фронт пламени изгибается, в результате этого увеличивается его поверхность и пропорционально возрастает количество сгорающего вещества.
При горении газовых смесей в замкнутом объеме продукты горения не совершают работу; энергия взрыва расходуется только на нагрев продуктов взрыва. В этом случае полная энергия определяется как сумма внутренней энергии взрывчатой смеси Q вн.эн.см. и теплоты горения данного вещества ΔQ г. Величина Q вн.эн.см. равна сумме произведений теплоемкостей компонентов взрывчатой смеси при постоянном объеме на начальную тем-
пературу смеси
Q вн.эн.см. = С 1 Т + С 2 Т + …+ С п Т
где С 1, С 2, С п - удельные теплоемкости компонентов, составляющих
взрывчатую смесь, кДж/(кг К); Т -
начальная температура смеси, К.
Температуру взрыва газовых смесей при постоянном объеме вычисляют по тому же методу, что и температуру горения смеси при постоянном давлении.
По температуре взрыва находят давление взрыва. Давление при взрыве газо-воздушной смеси в закрытом объеме зависит от температуры взрыва и отношения числа молекул продуктов горения к числу молекул по взрывчатой смеси. При взрыве газо-воздушных смесей давление обычно не превышает 1,0 МПа, если первоначальное давление смеси было нормальным. При замене воздуха во взрывчатой смеси кислородом резко увеличивается давление взрыва, поскольку увеличивается температура горения.
Давление взрыва стехиометрических смесей метана, этилена, ацетона и
метилового эфира с кислородом составляет 1,5 - 1,9 МПа, а стехиометрических смесей их с воздухом 1,0 МПа.
Максимальное давление взрыва используют в расчетах взрывоустойчивости аппаратуры, а также в расчетах предохранительных клапанов, взрывных мембран и оболочек взрывонепроницаемого электрооборудования. Давление взрыва р взр (в МПа) газо-воздушных смесей рассчитывают по формуле
р взр =
где р 0 - начальное давление взрывчатой смеси, МПа; Т 0 и Т взр - начальная температура взрывчатой смеси и температура взрыва, К;
Число молекул газов продуктов сгорания после взрыва;
- число молекул газов смеси до взрыва.
1 Метод заключается в определении верхних границ для максимальной и средней скорости нарастания давления взрыва газо-и паровоздушных смесей в сферическом реакционном сосуде постоянного объема.
Верхнюю границу для максимальной скорости нарастания давления в кПа·с -1 вычисляют по формуле
где p i -начальное давление, кПа;
S и. i -нормальная скорость распространения пламени при начальных давлении и температуре, м·с -1 ;
a -радиус сферического реакционного сосуда, м;
Безразмерное максимальное давление взрыва;
р -максимальное абсолютное давление взрыва, кПа;
и -показатель адиабаты для исследуемой смеси;
-термокинетический показатель степени в зависимости нормальной скорости распространения пламени от давления и температуры. Если значение неизвестно, его принимают равным 0,4.
Верхнюю границу для средней скорости нарастания давления в кПа·с -1 вычисляют по формуле
, (98)
где -функция от параметров е , и , , значения которой находят с помощью номограмм, приведенных на черт. 26 и 27.
Значения е и и находят термодинамическим расчетом или, в случае невозможности расчета, принимают равным соответственно 9,0 и 1,4.
Относительная средняя квадратическая погрешность расчета по формулам (97) и (98) не превышает 20 %.
2. Максимальную скорость нарастания давления взрыва газо-и паровоздушных смесей для веществ, состоящих из атомов C, H, O, N, S, F, Cl вычисляют по формуле
, (99)
где V -объем реакционного сосуда, м 3 .
Относительная средняя квадратическая погрешность расчета по формуле (99) не превышает 30 %.
Метод экспериментального определения условий теплового самовозгорания твердых веществ и материалов
1. Аппаратура .
Аппаратура для определения условий теплового самовозгорания включает в себя следующие элементы.
1.1. Термостат вместимостью рабочей камеры не менее 40 дм 3 с терморегулятором, позволяющим поддерживать постоянную температуру от 60 до 250 °С с погрешностью не более 3 °С.
1.2. Корзиночки из коррозионностойкого металла кубической или цилиндрической формы высотой 35, 50, 70, 100, 140 и 200 мм (по 10 шт. каждого размера) с крышками. Диаметр цилиндрической корзиночки должен быть равен ее высоте. Толщина стенки корзиночки-(1,0±0,1) мм.
1.3. Термоэлектрические преобразователи (не менее 3) максимальным диаметром рабочего спая не более 0,8 мм.
2. Подготовка к испытанию.
2.1. Проводят тарировочное испытание с целью определения поправки (t T ) к показаниям термоэлектрических преобразователей 2 и 3 . Для этого в термостат, нагретый до заданной температуры, помещают корзиночку с негорючим веществом (например, прокаленным песком). Устанавливают термоэлектрические преобразователи (черт. 2) таким образом, чтобы рабочий спай одного термоэлектрического преобразователя контактировал с образцом и располагался в его центре, второго-соприкасался с внешней стороной корзиночки, третьего-находился на расстоянии (30±1) мм от стенки корзиночки. Рабочие спаи всех трех термоэлектрических преобразователей должны располагаться на одном горизонтальнoм уровне, соответствующем средней линии термостата.
1 , 2 , 3 -рабочие спаи термоэлектрических преобразователей.
Корзиночку с негорючим веществом выдерживают в термостате до установления стационарного режима, при котором показания всех термоэлектрических
преобразователей в течение 10 мин остаются неизменными или колеблются с постоянной амплитудой около средних температур t 1 , t 2 , t 3 . Поправку t T вычисляют по формуле
, (100)
2.2. Образцы для испытания должны характеризовать средние свойства исследуемого вещества (материала). При испытании листового материала его набирают в стопку, соответствующую внутренним размерам корзиночки. В образцах монолитных материалов предварительно высверливают до центра отверстие диаметром (7,0±0,5) мм для термоэлектрического преобразователя.
