Нормальна швидкість розповсюдження полум'я. Займиста енергія н концентраційні межі займання. Швидкість поширення хвилі гідравлічного удару

51. Швидкість закінчення в каналі, що звужується, масова швидкість переміщення потоку Швидкість закінчення в каналі, що звужується Розглянемо процес адіабатного закінчення речовини. Припустимо, що робоче тіло з деяким питомим обсягом (v1) знаходиться в резервуарі під

Горіння-це інтенсивні хімічні окисні реакції, які супроводжуються виділенням тепла та світінням. Горіння виникає за наявності пального речовини, окислювача та джерела займання. Як окислювачі в процесі горіння можуть виступати кисень, азотна кислота. Як паливо - багато органічних сполук, сірка, сірководень, колчедан, більшість металів у вільному вигляді, оксид вуглецю, водень і т.д.

У разі реального пожежі окислювачем у процесі горіння зазвичай є кисень повітря. Зовнішній прояв горіння-полум'я, що характеризується свіченням та виділенням тепла. При горінні систем, що складаються тільки з твердих або рідких фаз або їх сумішей, полум'я може не виникати, тобто відбувається безполум'янегоріння або тління.

Залежно від агрегатного стану вихідної речовини та продуктів горіння розрізняють гомогенне горіння, горіння вибухових речовин, гетерогенне горіння.

Гомогенне горіння.При гомогенному горінні вихідні речовини та продукти горіння перебувають у однаковому агрегатному стані. До цього типу відноситься горіння газових сумішей (природного газу, водню тощо з окислювачем-звичайно, киснем повітря)/

Горіння вибухових речовинпов'язано з переходом речовини з конденсованого стану газ.

Гетерогенне горіння.При гетерогенному горінні вихідні речовини (наприклад, тверде або рідке пальне та газоподібний окислювач) знаходяться в різних агрегатних станах. Найважливіші технологічні процеси гетерогенного горіння-горіння вугілля, металів, спалювання рідких палив у нафтових топках, двигунах внутрішнього згоряння, камерах згоряння ракетних двигунів.

Рух полум'я по газовій суміші називається поширенням полум'я.Залежно від швидкості поширення полум'я горіння може бути дефлаграційним зі швидкістю кілька м/с, вибуховим-швидкість порядку десятків і сотень м/с та детонаційним-тисячі м/с.

Дефлаграційне горіння поділяється на ламінарне та турбулентне.

Ламінарному горінню властива нормальна швидкість поширення полум'я.

Нормальною швидкістю розповсюдження полум'я,називається швидкість переміщення фронту полум'я щодо незгорілого газу, у напрямку, перпендикулярному до його поверхні.

Температура відносно слабо збільшує нормальну швидкість поширення полум'я, інертні домішки зменшують її, а підвищення тиску веде або до підвищення або зниження швидкості.

У ламінарному газовому потоці швидкості газів малі. Швидкість горіння у разі залежить від швидкості утворення горючої суміші. У турбулентному полум'ї завихрення газових струменів покращує перемішування реагуючих газів, оскільки збільшується поверхня, якою відбувається молекулярна дифузія.

Показники пожежо-вибухонебезпечності газів. Їх характеристика та сфера застосування

Пожежонебезпечність технологічних процесів значною мірою визначається фізико-хімічними властивостями, що звертаються у виробництві сировини, проміжних і кінцевих продуктів.

Показники пожежо- та вибухонебезпечності використовуються при категоруванні приміщень та будівель, при розробці систем для забезпечення пожежної безпеки та вибухобезпеки.

Гази-речовини, абсолютний тиск пари яких при температурі 50 °С дорівнює або більше 300 кПа або критична температура яких менше 50 °С.

Для газів застосовні слід.

Група горючості-Показник, який застосовується для всіх агрегатних станів.

Займистість-здатність речовини або матеріалу до горіння. За горючістю речовини та матеріали поділяються на три групи.

Негорючі(незгорянні)-речовини та матеріали, нездатні до горіння на повітрі. Негорючі речовини можуть бути пожежонебезпечними (наприклад, окислювачі, а також речовини, що виділяють горючі продукти при взаємодії з водою, киснем повітря або один з одним).

Важкогорючі(трудносгораемые) -речовини і матеріали, здатні спалахувати повітря від джерела запалювання, але з здатні самостійно горіти після його видалення.

Горючі(згоряються) -речовини і матеріали, здатні самозайматися, і навіть спалахувати від джерела запалювання і горіти після його видалення. З групи горючих речовин та матеріалів виділяють легкозаймисті речовини та матеріали.

Легкозаймистими називають горючі речовини та матеріали, здатні спалахувати від короткочасного (до 30 с) впливу джерела запалення з низькою енергією (полум'я сірника, іскра, тліюча сигарета тощо).

Горючість газів визначають побічно: газ, що має концентраційні межі займання у повітрі, відносять до пальним;якщо газ не має концентраційних меж запалення, але самозаймається при певній температурі, його відносять до важкогорючим;за відсутності концентраційних меж запалення та температури самозаймання газ відносять до негорючим.

На практиці групу горючості використовують для підрозділу матеріалів з горючості, при встановленні класів вибухонебезпечних та пожежонебезпечних зон по ПУЕ, при визначенні категорії приміщень та будівель із вибухопожежної та пожежної небезпеки, при розробці заходів для забезпечення пожежо- та вибухонебезпечності обладнання та приміщень.

Температура самозаймання- найнижча температура речовини, за якої в умовах спеціальних випробувань відбувається різке збільшення швидкості екзотермічних реакцій, що закінчуються полум'яним горінням.

Концентраційні межі поширення полум'я (займання) - тойінтервал концентрацій, в якому можливе горіння сумішей горючих парів та газів з повітрям або киснем.

Нижня (верхня) концентраційна межа поширення полум'я -мінімальний (максимальний) вміст пального в суміші горюча речовина-окисне середовище» при якому можливе поширення полум'я по суміші на будь-яку відстань від джерела запалювання. Усередині цих меж суміш горюча, а поза ними-суміш горіти нездатна.

Температурні межі розповсюдження полум'я(займання) - такі температури речовини, при яких його насичені пари утворюють у конкретному окисному середовищі концентрації, рівні відповідно нижньому (нижню температурну межу) і верхній (верхню температурну межу) концентраційним межам поширення полум'я.

Здатність вибухати та горіти при взаємодії з водою, киснем повітря та іншими речовинами- якісний показник, що характеризує особливу пожежну небезпеку деяких речовин. Це властивість речовин застосовують щодо категорії виробництв, і навіть під час виборів безпечних умов проведення технологічних процесів та умов спільного зберігання і транспортування речовин і матеріалів.

Нормальна швидкість поширення полум'я - швидкість переміщення фронту полум'я щодо незгорілого газу у напрямку, перпендикулярному до його поверхні.

Значення нормальної швидкості розповсюдження полум'я слід застосовувати в розрахунках швидкості наростання тиску вибуху газо- і пароповітряних сумішей у закритому, негерметичному обладнанні та приміщеннях, критичного (гасячого) діаметра при розробці та створенні вогнезапобіжників, площі конструкцій, що легко скидаються, запобіжних мембран та інших розгерметизуючих пристроїв; при розробці заходів щодо забезпечення пожежно-безпеки технологічних процесів відповідно до вимог ГОСТ 12.1.004 та ГОСТ 12.1.010.

Сутність методу визначення нормальної швидкості. Поширення полум'я полягає в приготуванні паливної суміші відомого складу всередині реакційної судини, запаленні суміші в центрі крапковим джерелом, реєстрації зміни в часі тиску в посудині та обробці експериментальної залежності “тиск-час” з використанням математичної моделі процесу горіння газу в замкнутій посудині та процедури оптимізації. Математична модель дозволяє отримати розрахункову залежність “тиск-час”, оптимізація якої з аналогічної експериментальної залежності дає у результаті зміну нормальної швидкості у розвитку вибуху для конкретного випробування.

Нормальною швидкістю горіння називають швидкість поширення фронту полум'я по відношенню до незгорілих реагентів. Швидкість горіння залежить від низки фізико-хімічних властивостей реагентів, зокрема теплопровідності та швидкості хімічної реакції, і має певне значення для кожного пального (за постійних умов горіння). У табл. 1 наведено швидкості горіння (і межі займання) деяких газоподібних сумішей. Концентрації пального в сумішах визначені при 25°З нормальному атмосферному тиску. Межі займання за зазначеними винятками отримані при поширенні полум'я в трубі діаметром 0,05 м, закритої з обох боків. Коефіцієнти надлишку пального визначені як відношення об'ємних вмістів пального в реальній суміші до стехіометричної суміші (j1) і суміші при максимальній швидкості горіння (j2).

Таблиця 1

Швидкість горіння конденсованих сумішей (неорганічний окислювач + магній)

Як видно, при горінні повітряних газових сумішей при атмоферному тиску u mах лежить не більше 0,40-0,55 м/с, а – не більше 0,3-0,6 кг/(м2-с). Лише для деяких низькомолкулярних ненасичених сполук та водню u mах лежить у межах 0,8-3,0 м/с, а досягає 1-2 кг/(м2с). За збільшенням і mах досліджені горючі у сумішах з повітрям можна

розмістити в наступний ряд: бензин та рідкі ракетні палива – парафіни та ароматичні сполуки – оксид вуглецю – циклогексан та циклопропан – етилен – оксид пропілену – оксид етилену – ацетилен – водень.

Лінійна швидкість горіння кисневих сумішей значно вища, ніж повітряних (для водню та оксиду вуглецю – у 2-3 рази, а для метану – більше ніж на порядок). Масова швидкість горіння вивчених кисневих сумішей (крім суміші + O2) лежить в межах 3,7-11,6 кг/(м2 с).

У табл. 1 наведені (за даними Η. А. Силіна та Д. І. Постовського) швидкості горіння ущільнених сумішей нітратів та перхлоратів з магнієм. Для приготування сумішей використовували порошкоподібні компоненти розмірами частинок нітратів 150-250 мкм, перхлоратів 200-250 мкм і магнію 75-105 мкм. Сумішю заповнювали картонні оболонки діаметром 24-46 мм коефіцієнта ущільнення 0,86. Зразки згоряли на повітрі за нормального тиску та початкової температури.

Зі порівняння даних табл. 1 і 1.25 слід, що конденсовані суміші перевершують газові суміші масової і поступаються їм лінійної швидкості горіння . Швидкість горіння сумішей з перхлоратами менше швидкості горіння сумішей з нітратами, а суміші з нітратами лужних металів горять із вищою швидкістю, ніж суміші з нітратами лужноземельних металів.

Таблиця 2

Межі займання та швидкості горіння сумішей з повітрям (I) та киснем (II) при нормальному тиску та кімнатній температурі

Методи розрахунку швидкості вигорання рідин

; (16)

де M- безрозмірна швидкість вигоряння;

; (17)

M F- молекулярна маса рідини, кг · моль -1;

d- характерний розмір дзеркала рідини, що горить, м. визначається як корінь квадратний з площі поверхні горіння; якщо площа горіння має форму кола, то характерний розмір дорівнює її діаметру. При розрахунку швидкості турбулентного горіння можна прийняти d= 10 м;

Т до- Температура кипіння рідини, До.

Порядок розрахунку наступний.

Визначають режим горіння за величиною критерію Галілея Ga, що обчислюється за формулою

де g- прискорення вільного падіння, м·с-2.

Залежно від режиму горіння обчислюють безрозмірну швидкість вигоряння М. Для ламінарного режиму горіння:

Для перехідного режиму горіння:

якщо то , (20)

якщо , то , (21)

Для турбулентного режиму горіння:

; , (22)

M 0- молекулярна маса кисню, кг · моль -1;

n 0- стехіометричний коефіцієнт кисню у реакції горіння;

n F- стехіометричний коефіцієнт рідини у реакції горіння.

B- безрозмірний параметр, що характеризує інтенсивність масопереносу, що обчислюється за формулою

, (23)

де Q- нижча теплота згоряння рідини, кДж · кг -1;

c- ізобарна теплоємність продуктів горіння (приймається рівною теплоємності повітря c = 1), кДж · кг -1 · До -1;

T 0- температура навколишнього середовища, що приймається рівною 293 К;

H- теплота пароутворення рідини при температурі кипіння, кДж · кг -1;

c e- середня ізобарна теплоємність рідини в інтервалі від T 0до T до.

Якщо відомі кінематична в'язкість пари або молекулярна маса і температура кипіння досліджуваної рідини, швидкість турбулентного горіння обчислюють з використанням експериментальних даних за формулою

де m i- експериментальне значення швидкості вигоряння в перехідному режимі горіння, кг · м -2 · з -1;

d i- діаметр пальника, в якому отримано значення m i, м. Рекомендується використовувати пальник діаметром 30 мм. Якщо в пальнику діаметром 30 мм спостерігається ламінарний режим горіння, слід застосовувати пальник більшого діаметра.