Egzaminas: Degimo ir sprogimo teorija. Dujų ir garo-oro mišinių deginimas. Sprogimas, detonacija Dujų ir garų mišinio sprogimo slėgio didėjimo greičio skaičiavimas

1 Metodą sudaro dujų ir garų-oro mišinių sprogimo slėgio padidėjimo didžiausio ir vidutinio greičio viršutinės ribos pastovaus tūrio sferiniame reakcijos inde.

Viršutinė didžiausio slėgio padidėjimo greičio riba kPa s -1 apskaičiuojama pagal formulę

kur p i- pradinis slėgis, kPa;

S ir. i- normalus liepsnos plitimo greitis esant pradiniam slėgiui ir temperatūrai, m·s -1 ;

a- sferinės reakcijos indo spindulys, m;

Maksimalus sprogimo slėgis be matmenų;

R  - didžiausias absoliutus sprogimo slėgis, kPa;

 ir- tiriamo mišinio adiabatinis indeksas;

 yra termokinetinis rodiklis, priklausantis nuo normalaus liepsnos plitimo greičio, priklausomai nuo slėgio ir temperatūros. Jei vertė  nežinomas, jis imamas lygus 0,4.

Viršutinė vidutinio slėgio padidėjimo greičio riba kPa s -1 apskaičiuojama pagal formulę

, (98)

kur yra parametrų funkcija  e ,  ir ,  , kurių reikšmės randamos naudojant nomogramas, parodytas pav. 26 ir 27.

Vertybės  e ir  ir randami termodinaminiu skaičiavimu arba, esant negalimybei skaičiuoti, imami lygūs atitinkamai 9,0 ir 1,4.

Skaičiavimo pagal (97) ir (98) formules santykinė vidurkio kvadratinė paklaida neviršija 20%.

2. Didžiausias dujų ir garų-oro mišinių sprogimo slėgio padidėjimo greitis medžiagoms, susidedančioms iš atomų C, H, O, N, S, F, Cl, apskaičiuojamas pagal formulę

, (99)

kur V- reakcijos indo tūris, m 3 .

Skaičiuojant pagal formulę (99) santykinė vidurkio kvadratinė paklaida neviršija 30%.

Kietųjų medžiagų ir medžiagų terminio savaiminio degimo sąlygų eksperimentinio nustatymo metodas

1. Techninė įranga.

Šiluminio savaiminio užsidegimo sąlygų nustatymo įrangą sudaro šie elementai.

1.1. Termostatas, kurio darbinės kameros talpa ne mažesnė kaip 40 dm 3 su termostatu, leidžiančiu palaikyti pastovią temperatūrą nuo 60 iki 250 °C su ne didesne kaip 3 °C paklaida.

1.2. 35, 50, 70, 100, 140 ir 200 mm aukščio 35, 50, 70, 100, 140 ir 200 mm aukščio korozijai atsparaus metalo krepšeliai su dangteliais. Cilindrinio krepšelio skersmuo turi būti lygus jo aukščiui. Krepšelio sienelės storis (1,0 ± 0,1) mm.

1.3. Termoelektriniai keitikliai (ne mažiau kaip 3), kurių maksimalus darbinis sandūros skersmuo ne didesnis kaip 0,8 mm.

2. Pasiruošimas testui.

2.1. Norėdami nustatyti pataisą, atlikite kalibravimo testą ( t T) į termoelektrinių keitiklių rodmenis 2 ir 3 . Norėdami tai padaryti, į termostatą, pašildytą iki nurodytos temperatūros, įdedamas krepšelis su nedegia medžiaga (pavyzdžiui, degtu smėliu). Termoelektriniai keitikliai (2 pav.) montuojami taip, kad vieno termoelektrinio keitiklio darbinė jungtis liestųsi su mėginiu ir būtų jo centre, antrojo – su išorine krepšelio puse, trečio. vienas yra (30 ± 1) mm atstumu nuo krepšio sienelės. Visų trijų termoelektrinių keitiklių darbinės jungtys turi būti tame pačiame horizontaliame lygyje, atitinkančiame termostato vidurinę liniją.

1 , 2 , 3 - termoelektrinių keitiklių darbinės jungtys.

Krepšelis su nedegia medžiaga laikomas termostate, kol nustatomas stacionarus režimas, kuriame rodomi visų termoelektrinių

keitikliai 10 minučių išlieka nepakitę arba svyruoja su pastovia amplitudė apie vidutinę temperatūrą t 1 , t 2 , t 3 . Pakeitimas  t T apskaičiuojamas pagal formulę

, (100)

2.2. Bandymui skirti mėginiai turėtų apibūdinti vidutines bandomosios medžiagos (medžiagos) savybes. Bandant lakštinę medžiagą, ji surenkama į krūvą, atitinkančią krepšelio vidinius matmenis. Monolitinių medžiagų pavyzdžiuose iki centro išgręžiama (7,0 ± 0,5) mm skersmens skylė termoelektriniam keitikliui.

Liepsnos judėjimas per dujų mišinį vadinamas liepsnos plitimu. Priklausomai nuo liepsnos plitimo greičio, degimas gali būti deflagracija kelių m/s greičiu, sprogstamasis – dešimčių ir šimtų m/s greičiu, o detonacija – tūkstančiai m/s.
Deflagracijai arba normaliam liepsnos plitimui charakteristika yra šilumos perdavimas iš sluoksnio į sluoksnį, o liepsna, kuri atsiranda mišinyje, pašildytame ir atskiestame aktyviais radikalais ir reakcijos produktais, juda pradinio degaus mišinio kryptimi. Tai paaiškinama tuo, kad liepsna tarsi tampa šaltiniu, išskiriančiu nuolatinį šilumos ir chemiškai aktyvių dalelių srautą. Dėl to liepsnos priekis juda link degiojo mišinio.
degimo deginimas skirstomi į laminarinius ir turbulentinius.
Laminariniam degimui būdingas normalus liepsnos plitimo greitis.
Normalus liepsnos plitimo greitis pagal GOST 12.1.044 SSBT vadinamas liepsnos priekinis greitis nesudegusių dujų atžvilgiu, jų paviršiui statmena kryptimi.
Normalaus liepsnos plitimo greičio reikšmė, kuri yra vienas iš medžiagų gaisro ir sprogimo pavojaus rodiklių, apibūdina pramonės šakų pavojų, susijusį su skysčių ir dujų naudojimu, ji naudojama apskaičiuojant sprogmens padidėjimo greitį. dujų, garų ir oro mišinių slėgis, kritinis (gesinimo) skersmuo ir kuriant gaisro ir sprogimo saugos priemones technologiniai procesai pagal GOST 12.1.004 ir GOST 12.1.010 SSBT reikalavimus.
Normalus liepsnos plitimo greitis – mišinio fizikinė ir cheminė konstanta – priklauso nuo mišinio sudėties, slėgio ir temperatūros ir yra nustatomas pagal greitį. cheminė reakcija ir molekulinis šilumos laidumas.
Temperatūra sąlyginai nedaug padidina įprastą liepsnos plitimo greitį, inertinės priemaišos jį sumažina, o padidėjus slėgiui greitis arba didėja, arba mažėja.
Laminariniame dujų sraute dujų greičiai maži, o degus mišinys susidaro dėl molekulinės difuzijos. Degimo greitis šiuo atveju priklauso nuo degiojo mišinio susidarymo greičio. audringa liepsna Jis susidaro didėjant liepsnos plitimo greičiui, kai sutrinka jo judėjimo laminarumas. Turbulentinėje liepsnoje dujų čiurkšlių sūkurys pagerina reaguojančių dujų maišymąsi, nes padidėja paviršius, per kurį vyksta molekulinė difuzija.
Dėl degiosios medžiagos sąveikos su oksidatoriumi susidaro degimo produktai, kurių sudėtis priklauso nuo pradinių junginių ir degimo reakcijos sąlygų.
Visiškai degant organiniams junginiams susidaro CO 2, SO 2, H 2 O, N 2, o degant neorganiniams junginiams – oksidai. Priklausomai nuo lydymosi temperatūros, reakcijos produktai gali būti lydalo pavidalu (Al 2 O 3, TiO 2) arba pakilti į orą dūmų pavidalu (P 2 O 5, Na 2 O, MgO). . Išlydytos kietosios dalelės sukuria liepsnos šviesumą. Angliavandenilių degimo metu stiprų liepsnos šviesumą suteikia suodžių dalelių švytėjimas, kurių susidaro dideli kiekiai. Sumažėjus suodžių kiekiui dėl jo oksidacijos, sumažėja liepsnos šviesumas, o temperatūros kritimas apsunkina suodžių oksidaciją ir liepsnoje susidaro suodžiai.
Norint nutraukti degimo reakciją, būtina pažeisti jos atsiradimo ir priežiūros sąlygas. Paprastai gesinant naudojamas dviejų pagrindinių pastovios būsenos sąlygų pažeidimas - temperatūros sumažėjimas ir dujų judėjimo režimas.
Temperatūros kritimas galima pasiekti įvedant medžiagas, kurios dėl garavimo ir disociacijos sugeria daug šilumos (pvz., vanduo, milteliai).
Dujų judėjimo režimas galima pakeisti sumažinant ir panaikinant deguonies tiekimą.
Sprogimas pagal GOST 12.1.010 " Atsparus sprogimui“ – greitas medžiagos virsmas (sprogus degimas), lydimas energijos išsiskyrimo ir suslėgtų dujų, galinčių atlikti darbą, susidarymo.
Sprogimas, kaip taisyklė, smarkiai padidina slėgį. AT aplinką sukuriama ir plinta smūginė banga.
šoko banga turi ardomąją galią, jei perteklinis slėgis jame yra didesnis nei 15 kPa. Jis sklinda dujose prieš liepsnos frontą 330 m/s garso greičiu. Sprogimo metu pradinė energija paverčiama įkaitintų suslėgtų dujų energija, kuri virsta terpės judėjimo, suspaudimo ir šildymo energija. Galima Skirtingos rūšys pradinė sprogimo energija – elektrinė, šiluminė, tampriosios suspaudimo energija, atominė, cheminė.
Pagrindiniai parametrai, apibūdinantys sprogimo pavojų pagal GOST 12.1.010, yra slėgis smūginės bangos fronte, didžiausias sprogimo slėgis, vidutinis ir maksimalus slėgio padidėjimo greitis sprogimo metu, gniuždymo ar stiprios sprogimo savybės. sprogi aplinka.
Bendras sprogimo efektas pasireiškia smūginės bangos sukeltas įrangos ar patalpų sunaikinimu, taip pat išleidimu kenksmingų medžiagų(sprogimo produktai arba esantys įrangoje).
Maksimalus sprogimo slėgis(P max) - didžiausias slėgis, atsirandantis dujų, garų ar dulkių ir oro mišinio sprogimo metu uždarame inde, kai pradinis mišinio slėgis yra 101,3 kPa.
Sprogimo slėgio didėjimo greitis(dР/dt) – sprogimo slėgio laiko atžvilgiu išvestinė dujų, garų, dulkių ir oro mišinio sprogimo slėgio priklausomybės nuo laiko priklausomybės uždarame inde didėjimo ruože. Šiuo atveju išskiriamas didžiausias ir vidutinis slėgio padidėjimo greitis sprogimo metu. Nustatant didžiausią greitį, slėgio prieaugis naudojamas tiesėje sprogimo slėgio priklausomybės nuo laiko atkarpoje, o nustatant vidutinį greitį – atkarpa tarp didžiausio sprogimo slėgio ir pradinio slėgio inde prieš naudojamas sprogimas.
Abi šios savybės yra svarbūs apsaugos nuo sprogimo veiksniai. Jie naudojami nustatant patalpų ir pastatų kategoriją pagal sprogimo ir gaisro pavojų, skaičiuojant saugos įtaisus, rengiant technologinių procesų priešgaisrinės ir sprogimo saugos priemones.
Detonacija vyksta oksidatoriaus-redukcijos sistemos cheminės transformacijos procesas, kuris yra pastoviu greičiu sklindančios ir garso greitį viršijančios smūginės bangos derinys, sekantis pradinių medžiagų cheminių virsmų zonos frontu. cheminė energija, išsiskiriantis detonacijos bangoje, maitina smūginę bangą, neleidžia jai sunykti. Detonacijos bangos greitis yra kiekvienos konkrečios sistemos charakteristika.

Teorija teigia, kad dujų ar garų ir oro mišinio sprogimas nėra momentinis reiškinys. Įvedus uždegimo šaltinį į degųjį mišinį, uždegimo šaltinio srityje prasideda kuro oksidacijos reakcija su oksidatoriumi. Oksidacijos reakcijos greitis tam tikrame elementariame šios zonos tūryje pasiekia maksimumą – įvyksta degimas. Degimas ties elementaraus tūrio riba su terpe vadinamas liepsnos frontu. Liepsnos priekis atrodo kaip rutulys. Liepsnos fronto storis, pasak Ya.B. Zeldovičius , lygus 1-100 mikronų. Nors degimo zonos storis nedidelis, jo pakanka, kad vyktų degimo reakcija. Liepsnos fronto temperatūra dėl degimo reakcijos karščio yra 1000-3000°C ir priklauso nuo degiojo mišinio sudėties.

Judant liepsnos frontui, didėja nesudegusios degiojo mišinio dalies temperatūra, didėjant mišinio slėgiui. Netoli liepsnos priekio mišinio temperatūra taip pat pakyla dėl ne
šilumos perdavimas šilumos laidumo, įkaitintų molekulių difuzijos ir spinduliuotės būdu. Išoriniame liepsnos fronto paviršiuje ši temperatūra lygi degaus mišinio savaiminio užsidegimo temperatūrai.

Uždegus degiam mišiniui, liepsnos sferinė forma labai greitai iškreipiama ir vis labiau traukiama link dar neužsidegančio mišinio. Liepsnos fronto išplėtimas ir spartus jo paviršiaus padidėjimas lydimas liepsnos centrinės dalies greičio padidėjimo. Šis pagreitis trunka tol, kol liepsna paliečia vamzdžių sieneles arba, bet kuriuo atveju, nepriartėja prie vamzdžio sienelės. Šiuo metu liepsnos dydis smarkiai sumažėja, o iš liepsnos lieka tik nedidelė jos dalis, apimanti visą vamzdžio atkarpą. Traukiant liepsnos priekį,
o jo intensyvų pagreitėjimą iškart po užsidegimo kibirkštimi, kai liepsna dar nepasiekė vamzdžio sienelių, sukelia degimo produktų tūrio padidėjimas. Taigi, pradiniame liepsnos fronto susidarymo etape, neatsižvelgiant į dujų mišinio degumo laipsnį, liepsna pagreitėja ir vėliau sulėtėja, ir šis lėtėjimas bus kuo didesnis, tuo didesnis liepsnos greitis.

Vėlesnių degimo etapų vystymosi procesą įtakoja vamzdžio ilgis. Vamzdžio pailgėjimas sukelia vibracijų atsiradimą ir liepsnos, smūgio ir detonacijos bangų ląstelių struktūros susidarymą.

Šildymo zonos plotis (cm) gali būti nustatytas pagal priklausomybę

1 = a / v

kur a- šiluminės difuzijos koeficientas; v- liepsnos plitimo greitis.

Linijinis važiavimo greitis v(m/s) galima nustatyti pagal formulę

V = V t /

kur V t- masės degimo greitis, g / (s m 3); - pradinio degaus mišinio tankis, kg/m 3 .

Liepsnos fronto linijinis greitis nėra pastovus, kinta priklausomai nuo kompozicijų. Inertinių (nedegių) dujų mišiniai ir priemaišos, mišinio temperatūra, vamzdžio skersmuo ir kt. Maksimalus liepsnos plitimo greitis stebimas ne prie stechiometrinės mišinio koncentracijos, o mišinyje su kuro pertekliumi. Kai į degųjį mišinį patenka inertinių dujų, liepsnos sklidimo greitis mažėja. Tai paaiškinama sumažėjusia mišinio degimo temperatūra, nes dalis šilumos išleidžiama kaitinant inertines priemaišas, kurios nedalyvauja reakcijoje.

Didėjant vamzdžių skersmeniui, liepsnos plitimo greitis didėja netolygiai. Padidėjus vamzdžių skersmeniui iki 0,1-0,15 m, greitis didėja gana greitai. Temperatūra kyla tol, kol skersmuo pasiekia tam tikrą ribinį skersmenį,
virš kurio greitis nedidėja. Sumažėjus vamzdžio skersmeniui, mažėja liepsnos sklidimo greitis, o esant tam tikram mažam skersmeniui, liepsna vamzdyje neplinta. Šį reiškinį galima paaiškinti padidėjusiais šilumos nuostoliais per sienas
vamzdžiai.

Todėl, norint sustabdyti liepsnos plitimą degiame mišinyje, vienaip ar kitaip reikia sumažinti mišinio temperatūrą, aušinant indą (mūsų pavyzdyje vamzdį) iš išorės arba skiedžiant mišinį. su šaltomis inertinėmis dujomis.

Normalus liepsnos plitimo greitis yra palyginti mažas (ne daugiau kaip dešimtys metrų per sekundę), tačiau tam tikromis sąlygomis liepsna vamzdžiuose plinta milžinišku greičiu (nuo 2 iki 5 km/s), viršijančiu garso greitį tam tikra aplinka. Šis reiškinys buvo vadinamas detonacija. Skiriamieji bruožai detonacijos yra tokios:

1) pastovus degimo greitis nepriklausomai nuo vamzdžio skersmens;

2) aukštas spaudimas detonacinės bangos sukelta liepsna, kuri gali viršyti 50 MPa, priklausomai nuo degiojo mišinio cheminės prigimties ir pradinio slėgio; be to, dėl didelio degimo greičio susidaręs slėgis nepriklauso nuo indo (ar vamzdžio) formos, talpos ir sandarumo.

Liepsnai įsibėgėjant, didėja ir smūginės bangos amplitudė, o suspaudimo temperatūra pasiekia mišinio savaiminio užsidegimo temperatūrą.

Bendro sudegusių dujų kiekio padidėjimas per laiko vienetą paaiškinamas tuo, kad srovėje, kurios greitis kintamas skerspjūvyje, liepsnos priekis sulinksta, dėl to padidėja jos paviršius ir didėja degančios medžiagos kiekis. proporcingai.

Kai dujų mišiniai deginami uždarame tūryje, degimo produktai neveikia; sprogimo energija eikvojama tik sprogimo produktams šildyti. Šiuo atveju visa energija apibrėžiama kaip vidinės energijos suma sprogstamasis mišinys Q ext.en.cm ir tam tikros medžiagos degimo šilumą ΔQ g. Q vertė vn.en.sm. yra lygus pastovaus tūrio sprogstamojo mišinio komponentų šiluminės talpos sandaugų sumai ir pradinei temperatūrai
mišinio temperatūra

Q ext.en.cm \u003d C 1 T + C 2 T + ... + C p T

kur C 1, C 2, C p - sudedamųjų dalių savitoji šiluminė talpa
sprogstamasis mišinys, kJ/(kg K); T - pradinė mišinio temperatūra, K.

Dujų mišinių sprogimo temperatūra esant pastoviam tūriui apskaičiuojama tuo pačiu metodu kaip ir mišinio degimo temperatūra esant pastoviam slėgiui.

Sprogimo slėgis nustatomas pagal sprogimo temperatūrą. Slėgis sprogus dujų ir oro mišiniui uždarame tūryje priklauso nuo sprogimo temperatūros ir degimo produktų molekulių skaičiaus santykio su molekulių skaičiumi sprogiame mišinyje. Dujų ir oro mišinių sprogimo metu slėgis paprastai neviršija 1,0 MPa, jei pradinis mišinio slėgis buvo normalus. Kai oras sprogiame mišinyje pakeičiamas deguonimi, sprogimo slėgis smarkiai padidėja, nes pakyla degimo temperatūra.

Stechiometrinių metano, etileno, acetono ir acetono mišinių sprogimo slėgis
metilo eteris su deguonimi yra 1,5 - 1,9 MPa, o jų stechiometriniai mišiniai su oru yra 1,0 MPa.

Didžiausias sprogimo slėgis naudojamas skaičiuojant įrenginių atsparumą sprogimui, taip pat skaičiuojant sprogimui atsparių elektros įrenginių apsauginius vožtuvus, sprogstamąsias membranas ir korpusus. Sprogimo slėgis R Vzr (MPa) dujų ir oro mišinių apskaičiuojamas pagal formulę

R vzr =

kur 0 p- pradinis sprogstamojo mišinio slėgis, MPa; T 0 ir T vzr- pradinė sprogstamojo mišinio temperatūra ir sprogimo temperatūra, K;

Degimo produktų dujų molekulių skaičius po sprogimo;
yra mišinio dujų molekulių skaičius prieš sprogimą.