Eksam: Põlemise ja plahvatuse teooria. Gaasi ja auru-õhu segude põletamine. Plahvatus, detonatsioon Gaasi-auru segu plahvatuse rõhutõusu kiiruse arvutamine
1 Meetod seisneb konstantse mahuga sfäärilises reaktsioonianumas gaasi ja auru-õhu segude plahvatuse rõhu maksimaalse ja keskmise tõusu ülempiiri määramises.
Maksimaalse rõhu tõusu kiiruse ülempiir ühikutes kPa s -1 arvutatakse valemiga
kus lk i- algrõhk, kPa;
S ja. i- leegi levimise normaalne kiirus algrõhul ja -temperatuuril, m·s -1 ;
a- sfäärilise reaktsioonianuma raadius, m;
Mõõtmeteta maksimaalne plahvatusrõhk;
R - maksimaalne absoluutne plahvatusrõhk, kPa;
ja- uuritava segu adiabaatiline indeks;
on termokineetiline aste, mis sõltub leegi normaalsest levimiskiirusest rõhu ja temperatuuri funktsioonina. Kui väärtus teadmata, võetakse see võrdseks 0,4.
Rõhu tõusu keskmise kiiruse ülempiir ühikutes kPa s -1 arvutatakse valemiga
,
(98)
kus on parameetrite funktsioon e , ja , , mille väärtused leitakse joonisel fig. 26 ja 27.
Väärtused e ja ja leitakse termodünaamilise arvutuse teel või arvutamise võimatuse korral võetakse vastavalt 9,0 ja 1,4.
Valemite (97) ja (98) arvutamise suhteline ruutjuurviga ei ületa 20%.
2. Gaasi ja auru-õhu segude plahvatusrõhu maksimaalne tõus ainete puhul, mis koosnevad aatomitest C, H, O, N, S, F, Cl, arvutatakse valemiga
,
(99)
kus V- reaktsioonianuma maht, m 3 .
Valemiga (99) arvutamise suhteline ruutjuurviga ei ületa 30%.
Meetod tahkete ainete ja materjalide termilise isesüttimise tingimuste katseliseks määramiseks
1. Riistvara.
Termilise isesüttimise tingimuste määramise seadmed sisaldavad järgmisi elemente.
1.1. Termostaat, mille töökambri maht on vähemalt 40 dm 3, termostaadiga, mis võimaldab hoida konstantset temperatuuri vahemikus 60 kuni 250 ° C veaga mitte üle 3 ° C.
1.2. Korrosioonikindlast metallist kuup- või silindrikujulised 35, 50, 70, 100, 140 ja 200 mm kõrgused korvid (10 tk igas suuruses) kaanega. Silindrilise korvi läbimõõt peaks olema võrdne selle kõrgusega. Korvi seina paksus on (1,0 ± 0,1) mm.
1.3. Termoelektrilised muundurid (mitte vähem kui 3), mille maksimaalne tööühenduse läbimõõt ei ületa 0,8 mm.
2. Testi ettevalmistamine.
2.1. Korrigeerimise määramiseks tehke kalibreerimiskatse ( t T) termoelektriliste muundurite näitudele 2 ja 3 . Selleks asetatakse etteantud temperatuurini kuumutatud termostaadi korv mittesüttiva ainega (näiteks kaltsineeritud liiv). Termoelektrilised muundurid (joonis 2) on paigaldatud nii, et ühe termoelektrilise muunduri tööristmik on kontaktis prooviga ja asub selle keskel, teine on kontaktis korvi välisküljega, kolmas üks on korviseinast (30 ± 1) mm kaugusel. Kõigi kolme termoelektrilise muunduri tööühendused peavad asuma samal horisontaaltasandil, mis vastab termostaadi keskmisele joonele.
1 , 2 , 3 - termoelektriliste muundurite töökohad.
Mittesüttiva ainega korvi hoitakse termostaadis kuni statsionaarse režiimi kehtestamiseni, milles kõigi termoelektriliste näidud.
muundurid jäävad 10 minutiks muutumatuks või kõiguvad konstantse amplituudiga keskmiste temperatuuride ümber t 1 , t 2 , t 3 . Muudatus t T arvutatakse valemiga
,
(100)
2.2. Katsetamiseks mõeldud proovid peaksid iseloomustama uuritava aine (materjali) keskmisi omadusi. Lehtmaterjali katsetamisel kogutakse see korvi sisemõõtmetele vastavasse hunnikusse. Monoliitsete materjalide proovides puuritakse termoelektrilise muunduri jaoks keskele (7,0 ± 0,5) mm läbimõõduga auk.
Leegi liikumine läbi gaasisegu nimetatakse leegi levikuks. Sõltuvalt leegi levimise kiirusest võib põlemine olla deflagratsioon kiirusega mitu m/s, plahvatusohtlik - kiirusega kümneid ja sadu m/s ning detonatsioon - tuhandeid m/s.
Deflagratsiooni või tavalise leegi leviku jaoks Iseloomulik on soojuse ülekanne kihist kihti ning aktiivsete radikaalide ja reaktsiooniproduktidega kuumutatud ja lahjendatud segus tekkiv leek liigub algse põleva segu suunas. Seda seletatakse asjaoluga, et leegist saab justkui allikas, mis eraldab pidevat soojusvoogu ja keemiliselt aktiivseid osakesi. Selle tulemusena liigub leegi front põleva segu poole.
deflagratsioonipõlemine jaguneb laminaarseks ja turbulentseks.
Laminaarset põlemist iseloomustab leegi normaalne levimiskiirus.
Tavalist leegi levimiskiirust vastavalt standardile GOST 12.1.044 SSBT nimetatakse leegi esikiirus põlemata gaasi suhtes selle pinnaga risti olevas suunas.
Leegi normaalse leviku kiiruse väärtus, mis on ainete tule- ja plahvatusohu üks näitajaid, iseloomustab vedelike ja gaaside kasutamisega seotud tööstusharude ohtu, seda kasutatakse plahvatusohtliku rõhu suurenemise kiiruse arvutamisel. gaasi, auru-õhu segude, kriitilise (kustutus)läbimõõduga ning tule- ja plahvatusohutust tagavate meetmete väljatöötamisel tehnoloogilised protsessid vastavalt GOST 12.1.004 ja GOST 12.1.010 SSBT nõuetele.
Leegi normaalne levimise kiirus – segu füüsikalis-keemiline konstant – sõltub segu koostisest, rõhust ja temperatuurist ning selle määrab kiirus keemiline reaktsioon ja molekulaarne soojusjuhtivus.
Temperatuur suurendab leegi normaalset levimiskiirust suhteliselt vähe, inertsed lisandid vähendavad seda ja rõhu tõus toob kaasa kas kiiruse suurenemise või vähenemise.
Laminaarses gaasivoolus gaasi kiirused on väikesed ja põlev segu tekib molekulaarse difusiooni tulemusena. Põlemiskiirus sõltub sel juhul põleva segu moodustumise kiirusest. turbulentne leek See moodustub leegi levimise kiiruse suurenemisega, kui selle liikumise laminaarsus on häiritud. Turbulentses leegis parandab gaasijugade keeris reageerivate gaaside segunemist, kuna pind, mille kaudu toimub molekulaarne difusioon, suureneb.
Põlevaine ja oksüdeeriva aine vastasmõju tulemusena tekivad põlemissaadused, mille koostis sõltub algühenditest ja põlemisreaktsiooni tingimustest.
Orgaaniliste ühendite täielikul põlemisel tekivad CO 2, SO 2, H 2 O, N 2 ja anorgaaniliste ühendite põlemisel oksiidid. Sõltuvalt sulamistemperatuurist võivad reaktsioonisaadused olla kas sula kujul (Al 2 O 3, TiO 2) või tõusta õhku suitsuna (P 2 O 5, Na 2 O, MgO) . Sulanud tahked osakesed loovad leegi heleduse. Süsivesinike põlemisel annab leegi tugeva heleduse tahmaosakeste kuma, mida tekib suurtes kogustes. Tahma sisalduse vähenemine selle oksüdeerumise tagajärjel vähendab leegi heledust ning temperatuuri langus raskendab tahma oksüdeerumist ja põhjustab leegis tahma teket.
Põlemisreaktsiooni katkestamiseks on vaja rikkuda selle toimumise ja hooldamise tingimusi. Tavaliselt kasutatakse kustutamiseks püsiseisundi kahe põhitingimuse rikkumist - temperatuuri langust ja gaaside liikumisviisi.
Temperatuuri langus on võimalik saavutada ainete sisseviimisega, mis aurustumise ja dissotsiatsiooni tulemusena neelavad palju soojust (nt vesi, pulbrid).
Gaasi liikumise režiim saab muuta hapnikuvarustuse vähendamise ja kaotamise teel.
Plahvatus, vastavalt GOST 12.1.010 " Plahvatuskindel”, - aine kiire muundumine (plahvatuslik põlemine), millega kaasneb energia vabanemine ja töövõimeliste surugaaside moodustumine.
Plahvatus põhjustab reeglina intensiivse rõhu tõusu. AT keskkond tekitatakse ja levib lööklaine.
lööklaine on hävitav, kui liigrõhk selles on suurem kui 15 kPa. See levib gaasis leegifrondi ees helikiirusega 330 m/s. Plahvatuse käigus muudetakse algenergia kuumutatud surugaaside energiaks, mis muundub keskkonna liikumise, kokkusurumise ja kuumutamise energiaks. Võimalik erinevat tüüpi plahvatuse algenergia - elektriline, termiline, elastne kokkusurumisenergia, aatom, keemiline.
Peamised plahvatusohtu iseloomustavad parameetrid vastavalt standardile GOST 12.1.010 on rõhk lööklaine frondil, maksimaalne plahvatusrõhk, keskmine ja maksimaalne rõhu suurenemise kiirus plahvatuse ajal, muljumis- või plahvatusohtlikud omadused. plahvatusohtlik keskkond.
Üldine plahvatusefekt avaldub lööklaine põhjustatud seadmete või ruumide hävimises, samuti vabanemises kahjulikud ained(plahvatusproduktid või sisalduvad seadmetes).
Maksimaalne purunemisrõhk(P max) - kõrgeim rõhk, mis tekib gaasi, auru või tolmu-õhu segu deflagratsiooniplahvatuse ajal suletud anumas segu algrõhul 101,3 kPa.
Plahvatusrõhu tõusu kiirus(dР/dt) on plahvatusrõhu tuletis aja suhtes suletud anumas gaasi, auru, tolmu-õhu segu plahvatusrõhu sõltuvuse tõusvas osas ajast. Sel juhul eristatakse plahvatuse ajal rõhu suurenemise maksimaalset ja keskmist kiirust. Maksimaalse kiiruse määramisel kasutatakse rõhu juurdekasvu plahvatusrõhu sõltuvuse ajast sirgjoonelises osas ning keskmise kiiruse määramisel maksimaalse plahvatusrõhu ja algrõhu vahelist lõiku anumas enne kasutatakse plahvatust.
Mõlemad omadused on plahvatuskaitse seisukohalt olulised tegurid. Neid kasutatakse ruumide ja hoonete kategooria kehtestamisel plahvatus- ja tuleohu osas, ohutusseadmete arvutamisel, tehnoloogiliste protsesside tule- ja plahvatusohutuse meetmete väljatöötamisel.
Detonatsioon toimub oksüdeerija-redutseerija süsteemi keemilise muundamise protsess, mis on konstantsel kiirusel leviva ja helikiirust ületava lööklaine kombinatsioon ning lähteainete keemiliste muundumiste tsooni esiosa järgimine. keemiline energia, vabaneb detonatsioonilaines, toidab lööklaine, takistades selle lagunemist. Detonatsioonilaine kiirus on iga konkreetse süsteemi omadus.
Teooria väidab, et gaasi või auru-õhu segu plahvatus ei ole hetkeline nähtus. Kui süüteallikas viiakse põlevasse segusse, algab süüteallika piirkonnast kütuse oksüdatsioonireaktsioon oksüdeerijaga. Oksüdatsioonireaktsiooni kiirus selle tsooni mõnes elementaarmahus saavutab maksimumi - toimub põlemine. Põlemist elementaarmahu piiril söötmega nimetatakse leegifrondiks. Leegi esiosa näeb välja nagu kera. Leegi esiosa paksus vastavalt Ya.B. Zeldovitš , võrdne 1-100 mikroniga. Kuigi põlemistsooni paksus on väike, piisab sellest põlemisreaktsiooni kulgemiseks. Leekfrondi temperatuur põlemisreaktsiooni soojusest on 1000-3000°C ja sõltub põleva segu koostisest.
Leegifrondi liikumisel tõuseb põleva segu põlemata osa temperatuur, kuna segu rõhk tõuseb. Leegi frondi lähedal tõuseb ka segu temperatuur, kuna
soojusülekanne soojusjuhtivuse, kuumutatud molekulide difusiooni ja kiirguse teel. Leegifrondi välispinnal on see temperatuur võrdne põleva segu isesüttimistemperatuuriga.
Pärast põleva segu süttimist moondub leegi sfääriline kuju väga kiiresti ja tõmbub üha enam veel süttimata segu poole. Leegifrondi pikenemisega ja selle pinna kiire kasvuga kaasneb leegi keskosa kiiruse tõus. Selline kiirendus kestab seni, kuni leek puudutab torude seinu või igal juhul ei tule toru seina lähedale. Sel hetkel väheneb leegi suurus järsult ja leegist jääb alles vaid väike osa, mis katab kogu toruosa. Tõmmates leegi ees,
ja selle intensiivne kiirendus vahetult pärast sädemest süttimist, kui leek ei ole veel toru seinteni jõudnud, on põhjustatud põlemissaaduste mahu suurenemisest. Seega toimub leegi frondi moodustumise algfaasis, olenemata gaasisegu põlemisastmest, leegi kiirendus ja sellele järgnev aeglustumine ning see aeglustumine on seda suurem, mida suurem on leegi kiirus.
Põlemise järgnevate etappide väljatöötamise protsessi mõjutab toru pikkus. Toru pikenemine toob kaasa vibratsiooni ilmnemise ja leegi, lööklaine ja detonatsioonilainete rakulise struktuuri moodustumise.
Küttetsooni laiust (cm) saab määrata sõltuvusest
1 = a/v
kus a- termilise difusiooni koefitsient; v- leegi levimise kiirus.
Lineaarne sõidukiirus v(m/s) saab määrata valemiga
V = V t /
kus V t- massi põlemiskiirus, g / (s m 3); - algse põleva segu tihedus, kg/m 3 .
Leegifrondi lineaarkiirus ei ole konstantne, see varieerub sõltuvalt koostistest. Inertsete (mittesüttivate) gaaside segud ja lisandid, segu temperatuur, toru läbimõõt jne. Leegi maksimaalset levimiskiirust ei täheldata mitte stöhhiomeetrilisel segukontsentratsioonil, vaid segus, kus on üleliigset kütust. Inertsete gaaside sisestamisel põlevasse segusse leegi levimiskiirus väheneb. Seda seletatakse segu põlemistemperatuuri langusega, kuna osa soojusest kulub reaktsioonis mitteosalevate inertsete lisandite kuumutamiseks.
Torude läbimõõdu suurenemisega suureneb leegi levimise kiirus ebaühtlaselt. Torude läbimõõdu suurenemisega 0,1-0,15 m-ni suureneb kiirus üsna kiiresti. Temperatuur tõuseb, kuni läbimõõt saavutab teatud piiriläbimõõdu,
millest kõrgemal kiirust ei suurene. Toru läbimõõdu vähenemisel leegi levimiskiirus väheneb ja teatud väikese läbimõõdu korral leek torus ei levi. Seda nähtust võib seletada seinte kaudu tekkivate soojuskadude suurenemisega
torud.
Seetõttu tuleb põlevas segus leegi leviku peatamiseks ühel või teisel viisil alandada segu temperatuuri, jahutades anumat (meie näites toru) väljastpoolt või lahjendades segu. külma inertgaasiga.
Tavaline leegi levimise kiirus on suhteliselt väike (mitte rohkem kui kümneid meetrit sekundis), kuid teatud tingimustel levib leek torudes tohutu kiirusega (2–5 km/s), ületades helikiirust antud keskkond. Seda nähtust on kutsutud detonatsioon. Iseloomulikud tunnused detonatsioonid on järgmised:
1) püsiv põlemiskiirus sõltumata toru läbimõõdust;
2) kõrgsurve detonatsioonilainest põhjustatud leek, mis võib sõltuvalt põleva segu keemilisest olemusest ja algrõhust ületada 50 MPa; pealegi ei sõltu tekkiv rõhk tänu suurele põlemiskiirusele anuma (või toru) kujust, mahutavusest ja tihedusest.
Leegi kiirenedes suureneb ka lööklaine amplituud ning kokkusurumistemperatuur jõuab segu isesüttimistemperatuurini.
Ajaühikus põleva gaasi koguhulga suurenemine on seletatav asjaoluga, et muutuva ristlõikega kiirusega joas paindub leegi front, mille tulemusena suureneb selle pind ja proportsionaalselt suureneb põleva aine hulk. .
Gaasisegude põletamisel suletud mahus põlemissaadused ei tööta; plahvatuse energia kulub ainult plahvatusproduktide soojendamiseks. Sel juhul määratletakse koguenergia siseenergia summana plahvatusohtlik segu Q ext.en.cm ja antud aine põlemissoojus ΔQ g. Q väärtus vn.en.sm. on võrdne plahvatusohtliku segu komponentide soojusmahtuvuse korrutistega konstantsel ruumalal ja algtemperatuuril
segu temperatuur
Q ext.en.cm \u003d C 1 T + C 2 T + ... + C p T
kus C 1, C 2, C p - moodustavate komponentide erisoojusvõimsused
plahvatusohtlik segu, kJ/(kg K); T - segu algtemperatuur, K.
Konstantse ruumala gaasisegude plahvatustemperatuur arvutatakse sama meetodiga kui segu põlemistemperatuur konstantsel rõhul.
Plahvatusrõhk leitakse plahvatustemperatuuri järgi. Rõhk suletud ruumala gaasi-õhu segu plahvatuse ajal sõltub plahvatuse temperatuurist ning põlemisproduktide molekulide arvu ja plahvatusohtlikus segus olevate molekulide arvu suhtest. Gaasi-õhu segude plahvatuse ajal ei ületa rõhk tavaliselt 1,0 MPa, kui segu algrõhk oli normaalne. Kui plahvatusohtlikus segus olev õhk asendatakse hapnikuga, suureneb plahvatuse rõhk järsult, kuna põlemistemperatuur tõuseb.
Stöhhiomeetriliste metaani, etüleeni, atsetooni ja atsetooni segude plahvatusrõhk
metüüleeter hapnikuga on 1,5–1,9 MPa ja nende stöhhiomeetrilised segud õhuga on 1,0 MPa.
Maksimaalset plahvatusrõhku kasutatakse seadmete plahvatuskindluse arvutustes, samuti plahvatuskindlate elektriseadmete kaitseklappide, plahvatusohtlike membraanide ja kestade arvutustes. Plahvatusrõhk R gaasi-õhu segude vzr (MPa) arvutatakse valemiga
R vzr =
kus p 0- plahvatusohtliku segu algrõhk, MPa; T 0 ja T vzr- plahvatusohtliku segu algtemperatuur ja plahvatuse temperatuur, K;
Põlemisproduktide gaaside molekulide arv pärast plahvatust;
on segu gaasimolekulide arv enne plahvatust.
