Нормальная скорость распространения пламени. Воспламеняющая энергия н концентрационные пределы воспламенения. Скорость распространения волны гидравлического удара

51. Скорость истечения в сужающемся канале, массовая скорость перемещения потока Скорость истечения в сужающемся каналеРассмотрим процесс адиабатного истечения вещества. Предположим, что рабочее тело с некоторым удельным объемом (v1) находится в резервуаре под

Горение -это интенсивные химические окислительные реакции, которые сопровождаются выделением тепла и свечением. Горение возникает при наличии горючего вещества, окислителя и источника воспламенения. В качестве окислителей в процессе горения могут выступать кислород, азотная кислота. В качестве горючего - многие органические соединения, сера, сероводород, колчедан, большинство металлов в свободном виде, оксид углерода, водород и т.д.

В условиях реального пожара окислителем в процессе горения обычно является кислород воздуха. Внешнее проявление горения-пламя, которое характеризуется свечением и выделением тепла. При горении систем, состоящих только из твердых или жидких фаз или их смесей, пламя может и не возникать, т. е. происходит беспламенное горение или тление.

В зависимости от агрегатного состояния исходного вещества и продуктов горения различают гомогенное горение, горение взрывчатых веществ, гетерогенное горение.

Гомогенное горение. При гомогенном горении исходные вещества и продукты горения находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится горение газовых смесей (природного газа, водорода и т. п. с окислителем-обычно, кислородом воздуха)/

Горение взрывчатых веществ связано с переходом вещества из конденсированного состояния в газ.

Гетерогенное горение. При гетерогенном горении исходные вещества (например твердое или жидкое горючее и газообразный окислитель) находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие технологические процессы гетерогенного горения-горение угля, металлов, сжигание жидких топлив в нефтяных топках, двигателях внутреннего сгорания, камерах сгорания ракетных двигателей.

Движение пламени по газовой смеси называется распространением пламени. В зависимости от скорости распространения пламени горения может быть дефлаграционным со скоростью несколько м/с, взрывным-скорость порядка десятков и сотен м/с и детонационным-тысячи м/с.

Дефлаграционное горение подразделяется на ламинарное и турбулентное.

Ламинарному горению присуща нормальная скорость распространения пламени.

Нормальной скоростью распространения пламени, называется скорость перемещения фронта пламени относительно несгоревшего газа, в направлении, перпендикулярном к его поверхности.

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. Скорость горения в этом случае зависит от скорости образования горючей смеси. В турбулентном пламени завихрение газовых струй улучшает перемешивание реагирующих газов, так как увеличивается поверхность, через которую происходит молекулярная диффузия.

Показатели пожаро-взрывоопасности газов. Их характеристика и область применения

Пожароопасность технологических процессов в значительной степени определяется физико-химическими свойствами обращающихся в производстве сырья, промежуточных и конечных продуктов.

Показатели пожаро- и взрывоопасности используются при категорировании помещений и зданий, при разработке систем для обеспечения пожарной безопасности и взрывобезопасности.

Газы-вещества, абсолютное давление паров которых при температуре 50 °С равно или более 300 кПа или критическая температура которых менее 50 °С.

Для газов применимы след.показатели:

Группа горючести -показатель, который применим для всех агрегатных состояний.

Горючесть-способность вещества или материала к горению. По горючести вещества и материалы подразделяются на три группы.

Негорючие (несгораемые)-вещества и материалы, неспособные к горению на воздухе. Негорючие вещества могут быть пожароопасными (например, окислители, а также вещества, выделяющие горючие продукты при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом).

Трудногорючие (трудносгораемые) -вещества и материалы, способные возгораться в воздухе от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления.

Горючие (сгораемые) -вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления. Из группы горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющиеся вещества и материалы.

Легковоспламеняющимися называют горючие вещества и материалы, способные воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т. п.).

Горючесть газов определяют косвенно: газ, имеющий концентрационные пределы воспламенения в воздухе, относят к горючим; если газ не имеет концентрационных пределов вопламенения, но самовоспламеняется при определенной темпе ратуре, его относят к трудногорючим; при отсутствии концентрационных пределов воспламенения и температуры самовоспламенения газ относят к негорючим.

На практике группу горючести используют для подразделения материалов по горючести, при установлении классов взрывоопасных и пожароопасных зон по ПУЭ, при определении категории помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, при разработке мероприятий для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности оборудования и помещений.

Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающихся пламенным горением.

Концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) - тот интервал концентраций, в котором возможно горение смесей горючих паров и газов с воздухом или кислородом.

Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени - минимальное (максимальное) содержание горючего в смеси горючее вещество-окислительная среда» при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания. Внутри этих пределов смесь горюча, а вне их-смесь гореть неспособна.

Температурные пределы распространения пламени (воспламенения)-такие температуры вещества, при которых его насыщенные пары образуют в конкретной окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему (нижний температурный предел) и верхнему (верхний температурный предел) концентрационным пределам распространения пламени.

Способность взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и другими веществами - качественный показатель,который характеризует особую пожарную опасность некоторых веществ. Это свойство веществ применяют при определении категории производств, а также при выборе безопасных условий проведения технологических процессов и условий совместного хранения и транспортирования веществ и материалов.

Нормальная скорость распространения пламени - скорость перемещения фронта пламени относительно несгоревшего газа в направлении, перпендикулярном к его поверхности.

Значение нормальной скорости распространения пламени следует применять в расчетах скорости нарастания давления взрыва газо- и паровоздушных смесей в закрытом, негерметичном оборудовании и помещениях, критического (гасящего) диаметра при разработке и создании огнепреградителей, площади легко сбрасываемых конструкций, предохранительных мембран и других разгерметизирующих устройств; при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности технологических процессов в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010.

Сущность метода определения нормальной скорости.распространения пламени заключается в приготовлении горючей смеси известного состава внутри реакционного сосуда, зажигании смеси в центре точечным источником, регистрации изменения во времени давления в сосуде и обработке экспериментальной зависимости “давление-время” с использованием математической модели процесса горения газа в замкнутом сосуде и процедуры оптимизации. Математическая модель позволяет получить расчетную зависимость “давление-время”, оптимизация которой по аналогичной экспериментальной зависимости дает в результате изменение нормальной скорости в процессе развития взрыва для конкретного испытания.

Нормальной скоростью горения называют скорость распространения фронта пламени по отношению к несгоревшим реагентам. Скорость горения зависит от ряда физико-химических свойств реагентов, в частности теплопроводности и скорости химической реакции, и имеет вполне определенное значение для каждого горючего (при постоянных условиях горения). В табл. 1 приведены скорости горения (и пределы воспламенения) некоторых газообразных смесей. Концентрации горючего в смесях определены при 25°С и нормальном атмосферном давлении. Пределы воспламенения за отмеченными исключениями получены при распространении пламени в трубе диаметром 0,05 м, закрытой с обеих сторон. Коэффициенты избытка горючего определены как отношение объемных содержаний горючего в реальной смеси к стехиометрической смеси (j1) и к смеси при максимальной скорости горения (j2).

Таблица 1

Скорости горения конденсированных смесей (неорганический окислитель + магний)

Как видно, при горении воздушных газовых смесей при атмоферном давлении u mах лежит в пределах 0,40-0,55 м/с, а – в пределах 0,3-0,6 кг/(м2-с). Лишь для некоторых низкомолкулярных непредельных соединений и водорода u mах лежит в пределах 0,8-3,0 м/с, а достигает 1–2 кг/ (м2с). По увеличению и mах исследованные горючие в смесях с воздухом можно

расположить в следующий ряд: бензин и жидкие ракетные топлива – парафины и ароматические соединения – оксид углерода – циклогексан и циклопропан – этилен – оксид пропилена – оксид этилена – ацетилен – водород.

Линейная скорость горения кислородных смесей значительно выше, чем воздушных (для водорода и оксида углерода – в 2-3 раза, а для метана – больше чем на порядок). Массовая скорость горения изученных кислородных смесей (кроме смеси СО + O2) лежит в пределах 3,7-11,6 кг/(м2 с).

В табл. 1 приведены (по данным Η. А. Силина и Д. И. Постовского) скорости горения уплотненных смесей нитратов и перхлоратов с магнием. Для приготовления смесей использовали порошкообразные компоненты с размерами частиц нитратов 150-250 мкм, перхлоратов 200-250 мкм и магния 75-105 мкм. Смесью заполняли картонные оболочки диаметром 24-46 мм до коэффициента уплотнения 0,86. Образцы сгорали на воздухе при нормальных давлении и начальной температуре.

Из сопоставления данных табл. 1 и 1.25 следует, что конденсированные смеси превосходят газовые смеси по массовой и уступают им по линейной скорости горения . Скорость горения смесей с перхлоратами меньше скорости горения смесей с нитратами, а смеси с нитратами щелочных металлов горят с более высокой скоростью, чем смеси с нитратами щелочноземельных металлов.

Таблица 2

Пределы воспламенения и скорости горения смесей с воздухом (I ) и кислородом (II) при нормальном давлении и комнатной температуре

Методы расчета скорости выгорания жидкостей

; (16)

где M - безразмерная скорость выгорания;

; (17)

M F - молекулярная масса жидкости, кг·моль -1 ;

d - характерный размер зеркала горящей жидкости, м. Определяется как корень квадратный из площади поверхности горения; если площадь горения имеет форму окружности, то характерный размер равен ее диаметру. При расчете скорости турбулентного горения можно принять d = 10 м;

Т к - температура кипения жидкости, К.

Порядок расчета следующий.

Определяют режим горения по величине критерия Галилея Ga , вычисляемого по формуле

где g - ускорение свободного падения, м·с -2 .

В зависимости от режима горения вычисляют безразмерную скорость выгорания М . Для ламинарного режима горения:

Для переходного режима горения:

е сли , то , (20)

если , то , (21)

Для турбулентного режима горения:

; , (22)

M 0 - молекулярная масса кислорода, кг·моль -1 ;

n 0 - стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения;

n F - стехиометрический коэффициент жидкости в реакции горения.

B - безразмерный параметр, характеризующий интенсивность массопереноса, вычисляемый по формуле

, (23)

где Q - низшая теплота сгорания жидкости, кДж·кг -1 ;

c - изобарная теплоемкость продуктов горения (принимается равной теплоемкости воздуха c = 1), кДж·кг -1 ·К -1 ;

T 0 - температура окружающей среды, принимаемая равной 293 К;

H - теплота парообразования жидкости при температуре кипения, кДж·кг -1 ;

c e - средняя изобарная теплоемкость жидкости в интервале от T 0 до T к.

Если известны кинематическая вязкость пара или молекулярная масса и температура кипения исследуемой жидкости, то скорость турбулентного горения вычисляют с использованием экспериментальных данных по формуле

где m i - экспериментальное значение скорости выгорания в переходном режиме горения, кг·м --2 ·с -1 ;

d i - диаметр горелки, в которой получено значение m i , м. Рекомендуется использовать горелку диаметром 30 мм. Если в горелке диаметром 30 мм наблюдается ламинарный режим горения, следует применять горелку большего диаметра.