Examinare: Teoria arderii și exploziei. Arderea amestecurilor de gaz și abur-aer. Explozie, detonare Calculul vitezei de creștere a presiunii de explozie a amestecului gaz-vapori

1 Metoda constă în determinarea limitelor superioare pentru viteza maximă și medie de creștere a presiunii de explozie a amestecurilor de gaz și vapori-aer într-un vas de reacție sferic de volum constant.

Limita superioară pentru viteza maximă de creștere a presiunii în kPa s -1 este calculată prin formula

Unde p i- presiunea initiala, kPa;

S și. i- viteza normala de propagare a flacarii la presiunea si temperatura initiala, m·s -1 ;

A- raza vasului de reacție sferic, m;

Presiune maximă de explozie fără dimensiuni;

R  - presiunea maximă absolută de explozie, kPa;

 și- indicele adiabatic pentru amestecul studiat;

 este un exponent termocinetic în funcție de viteza normală de propagare a flăcării în funcție de presiune și temperatură. Dacă valoarea  necunoscut, se ia egal cu 0,4.

Limita superioară pentru viteza medie de creștere a presiunii în kPa s -1 este calculată prin formula

, (98)

unde este o funcție a parametrilor  e ,  și ,  , ale căror valori se găsesc folosind nomogramele prezentate în Fig. 26 și 27.

Valori  eși  și se constată prin calcul termodinamic sau, în caz de imposibilitate de calcul, se iau egal cu 9,0, respectiv 1,4.

Eroarea pătratică medie relativă a calculului prin formulele (97) și (98) nu depășește 20%.

2. Viteza maximă de creștere a presiunii de explozie a amestecurilor de gaz și vapori-aer pentru substanțele formate din atomi C, H, O, N, S, F, Cl se calculează prin formula

, (99)

Unde V- volumul vasului de reacţie, m3.

Eroarea pătratică medie relativă a calculului prin formula (99) nu depășește 30%.

Metodă de determinare experimentală a condițiilor de ardere spontană termică a substanțelor și materialelor solide

1. Hardware.

Echipamentul pentru determinarea condițiilor de ardere termică spontană cuprinde următoarele elemente.

1.1. Termostat cu o capacitate a camerei de lucru de cel puțin 40 dm 3 cu un termostat care vă permite să mențineți o temperatură constantă de la 60 la 250 ° C cu o eroare de cel mult 3 ° C.

1.2. Cosuri din metal rezistent la coroziune de forma cubica sau cilindrica 35, 50, 70, 100, 140 si 200 mm inaltime (10 bucati de fiecare dimensiune) cu capace. Diametrul coșului cilindric trebuie să fie egal cu înălțimea acestuia. Grosimea peretelui coșului este (1,0 ± 0,1) mm.

1.3. Traductoare termoelectrice (nu mai puțin de 3) cu un diametru maxim de joncțiune de lucru de cel mult 0,8 mm.

2. Pregătirea pentru test.

2.1. Efectuați un test de calibrare pentru a determina corecția ( t T) la citirile convertoarelor termoelectrice 2 și 3 . Pentru a face acest lucru, un coș cu o substanță incombustibilă (de exemplu, nisip calcinat) este plasat într-un termostat încălzit la o anumită temperatură. Convertoarele termoelectrice (Fig. 2) sunt instalate astfel încât joncțiunea de lucru a unui convertor termoelectric să fie în contact cu proba și să fie situată în centrul acesteia, al doilea să fie în contact cu partea exterioară a coșului, al treilea unul se află la o distanță de (30 ± 1) mm de peretele coșului. Joncțiunile de lucru ale tuturor celor trei convertoare termoelectrice trebuie să fie situate la același nivel orizontal, corespunzător liniei de mijloc a termostatului.

1 , 2 , 3 - joncțiuni de lucru ale convertoarelor termoelectrice.

Un coș cu o substanță incombustibilă este ținut într-un termostat până când se stabilește un regim staționar, în care citirile tuturor termoelectrice.

traductoarele timp de 10 minute rămân neschimbate sau fluctuează cu o amplitudine constantă în jurul temperaturilor medii t 1 , t 2 , t 3 . Amendamentul  t T se calculează prin formula

, (100)

2.2. Probele pentru testare ar trebui să caracterizeze proprietățile medii ale substanței (materialului) de testat. La testarea materialului din tablă, acesta este colectat într-o grămadă corespunzătoare dimensiunilor interioare ale coșului. În probele de materiale monolitice, o gaură cu un diametru de (7,0 ± 0,5) mm este pre-forată în centru pentru un convertor termoelectric.

Mișcarea flăcării prin amestecul de gaze numită propagare a flăcării. În funcție de viteza de propagare a flăcării, arderea poate fi deflagrație cu o viteză de câțiva m/s, explozivă - la o viteză de ordinul zecilor și sutelor de m/s, și detonare - la mii de m/s.
Pentru deflagrație sau propagare normală a flăcării caracteristică este transferul de căldură de la strat la strat, iar flacăra care apare în amestecul încălzit și diluat cu radicali activi și produși de reacție se deplasează în direcția amestecului combustibil inițial. Acest lucru se explică prin faptul că flacăra, așa cum ar fi, devine o sursă care eliberează un flux continuu de căldură și particule active chimic. Ca urmare, frontul de flacără se deplasează spre amestecul combustibil.
ardere prin deflagrație subdivizată în laminare și turbulente.
Arderea laminară se caracterizează printr-o viteză normală de propagare a flăcării.
Viteza normală de propagare a flăcării, conform GOST 12.1.044 SSBT, se numește viteza frontală a flăcării raportat la gazul nearse, într-o direcție perpendiculară pe suprafața acestuia.
Valoarea vitezei normale de propagare a flăcării, fiind unul dintre indicatorii pericolului de incendiu și explozie a substanțelor, caracterizează pericolul industriilor asociate utilizării lichidelor și gazelor, este utilizată la calcularea ratei de creștere a explozivului. presiunea gazului, amestecurile vapori-aer, diametrul critic (de stingere) și în elaborarea măsurilor care asigură securitatea la incendiu și explozie procese tehnologiceîn conformitate cu cerințele GOST 12.1.004 și GOST 12.1.010 SSBT.
Viteza normală de propagare a flăcării - constanta fizico-chimică a amestecului - depinde de compoziția amestecului, presiune și temperatură și este determinată de viteza reactie chimicași conductivitate termică moleculară.
Temperatura crește relativ puțin viteza normală de propagare a flăcării, impuritățile inerte o reduc, iar creșterea presiunii duce fie la creșterea, fie la scăderea vitezei.
Într-un flux de gaz laminar vitezele gazului sunt mici, iar amestecul combustibil se formează ca urmare a difuziei moleculare. Viteza de ardere în acest caz depinde de viteza de formare a amestecului combustibil. flacără turbulentă Se formează cu o creștere a vitezei de propagare a flăcării, când laminaritatea mișcării sale este perturbată. Într-o flacără turbulentă, vârtejul jeturilor de gaz îmbunătățește amestecarea gazelor care reacţionează, deoarece suprafața prin care are loc difuzia moleculară crește.
Ca urmare a interacțiunii unei substanțe combustibile cu un agent oxidant, se formează produse de ardere, a căror compoziție depinde de compușii inițiali și de condițiile reacției de ardere.
Odată cu arderea completă a compușilor organici se formează CO 2, SO 2, H 2 O, N 2, iar odată cu arderea compușilor anorganici se formează oxizi. În funcție de temperatura de topire, produșii de reacție pot fi fie sub formă de topitură (Al 2 O 3, TiO 2), fie se ridică în aer sub formă de fum (P 2 O 5, Na 2 O, MgO) . Particulele solide topite creează luminozitatea flăcării. În timpul arderii hidrocarburilor, luminozitatea puternică a flăcării este asigurată de strălucirea particulelor de negru de fum, care se formează în cantități mari. O scădere a conținutului de negru de fum ca urmare a oxidării acestuia reduce luminozitatea flăcării, iar o scădere a temperaturii îngreunează oxidarea negrului de fum și duce la formarea funinginei în flacără.
Pentru a întrerupe reacția de ardere, este necesară încălcarea condițiilor de apariție și întreținere a acesteia. De obicei, pentru stingere, se utilizează încălcarea a două condiții de bază ale unei stări de echilibru - o scădere a temperaturii și un mod de mișcare a gazelor.
Scădere de temperatură se poate realiza prin introducerea de substante care absorb multa caldura ca urmare a evaporarii si disocierii (ex. apa, pulberi).
Modul de mișcare a gazului poate fi modificat prin reducerea și eliminarea aportului de oxigen.
Explozie, conform GOST 12.1.010 " Rezistent la explozie”, - o transformare rapidă a materiei (combustie explozivă), însoțită de eliberarea de energie și formarea de gaze comprimate capabile să facă lucru.
O explozie, de regulă, duce la o creștere intensă a presiunii. LA mediu inconjurator este generată și propagată o undă de șoc.
unda de soc are o capacitate distructivă dacă excesul de presiune din el este mai mare de 15 kPa. Se propagă în gazul dinaintea frontului de flăcări la o viteză a sunetului de 330 m/s. În timpul unei explozii, energia inițială este transformată în energia gazelor comprimate încălzite, care este transformată în energia de mișcare, compresie și încălzire a mediului. Posibil tipuri diferite energia inițială a exploziei - electrică, termică, energie de compresie elastică, atomică, chimică.
Principalii parametri care caracterizează pericolul unei explozii în conformitate cu GOST 12.1.010 sunt presiunea la frontul undei de șoc, presiunea maximă de explozie, rata medie și maximă de creștere a presiunii în timpul unei explozii, proprietățile de zdrobire sau de mare explozie ale unui mediu exploziv.
Efect general de explozie se manifestă prin distrugerea echipamentelor sau a spațiilor cauzate de o undă de șoc, precum și prin eliberare Substanțe dăunătoare(produse de explozie sau conținute în echipamente).
Presiune maximă de spargere(P max) - cea mai mare presiune care apare în timpul unei explozii de deflagrație a unui amestec de gaz, vapori sau praf-aer într-un vas închis la o presiune inițială a amestecului de 101,3 kPa.
Rata de creștere a presiunii de explozie(dР/dt) este derivata presiunii de explozie în raport cu timpul în secțiunea ascendentă a dependenței presiunii de explozie a unui amestec de gaz, abur, praf-aer într-un vas închis la timp. În acest caz, se disting ratele maxime și medii de creștere a presiunii în timpul exploziei. La stabilirea vitezei maxime, creșterea presiunii este utilizată în secțiunea dreaptă a dependenței presiunii de explozie în timp, iar la determinarea vitezei medii, secțiunea dintre presiunea maximă de explozie și presiunea inițială din vas înainte de se folosește explozia.
Ambele aceste caracteristici sunt factori importanți pentru protecția împotriva exploziilor. Sunt utilizate la stabilirea categoriei de incinte si cladiri din punct de vedere al pericolului de explozie si incendiu, la calculul dispozitivelor de siguranta, la elaborarea masurilor de securitate la incendiu si explozie a proceselor tehnologice.
Detonaţie are loc un proces de transformare chimică a sistemului oxidant-reductor, care este o combinație a unei unde de șoc care se propagă cu o viteză constantă și depășește viteza sunetului și care urmărește frontul zonei de transformări chimice a substanțelor inițiale. energie chimica, eliberat în unda de detonare, alimentează unda de șoc, împiedicând-o să se descompună. Viteza undei de detonare este o caracteristică a fiecărui sistem specific.

Teoria afirmă că explozia unui amestec de gaz sau vapori-aer nu este un fenomen instantaneu. Când sursa de aprindere este introdusă în amestecul combustibil, reacția de oxidare a combustibilului cu oxidant începe în zona sursei de aprindere. Viteza reacției de oxidare într-un anumit volum elementar din această zonă atinge un maxim - are loc arderea. Arderea la limita volumului elementar cu mediul se numește front de flacără. Frontul de flacără arată ca o sferă. Grosimea frontului de flăcări, conform lui Ya.B. Zeldovich , egal cu 1-100 microni. Deși grosimea zonei de ardere este mică, este suficientă ca reacția de ardere să continue. Temperatura frontului de flacără datorită căldurii reacției de ardere este de 1000-3000°C și depinde de compoziția amestecului combustibil.

Când frontul de flacără se mișcă, temperatura părții nearse a amestecului combustibil crește, pe măsură ce presiunea amestecului crește. În apropierea frontului de flăcări, temperatura amestecului crește, de asemenea, din cauza ne-
transfer de căldură prin conducție termică, difuzie de molecule încălzite și radiații. Pe suprafața exterioară a frontului de flăcări, această temperatură este egală cu temperatura de autoaprindere a amestecului combustibil.

După aprinderea amestecului combustibil, forma sferică a flăcării este foarte rapid distorsionată și din ce în ce mai atrasă spre amestecul încă neaprins. Extinderea frontului de flăcări și creșterea rapidă a suprafeței acestuia este însoțită de o creștere a vitezei părții centrale a flăcării. Această accelerare durează până când flacăra atinge pereții țevilor sau, în orice caz, nu se apropie de peretele țevii. În acest moment, dimensiunea flăcării scade brusc și doar o mică parte din aceasta rămâne din flacără, acoperind întreaga secțiune a conductei. Tragând din față flăcării,
iar accelerarea sa intensă imediat după aprinderea de către o scânteie, când flacăra nu a ajuns încă pe pereții țevii, sunt cauzate de creșterea volumului produselor de ardere. Astfel, în stadiul inițial al formării frontului de flăcări, indiferent de gradul de combustibilitate al amestecului de gaze, are loc o accelerare și decelerare ulterioară a flăcării, iar această decelerare va fi cu atât mai mare, cu cât viteza flăcării este mai mare.

Procesul de dezvoltare a etapelor ulterioare de ardere este influențat de lungimea conductei. Alungirea conductei duce la apariția vibrațiilor și formarea unei structuri celulare a flăcării, undelor de șoc și detonare.

Lățimea zonei de încălzire (în cm) poate fi determinată din dependență

1 = a/v

Unde A- coeficient de difuzivitate termică; v- viteza de propagare a flăcării.

Viteza de deplasare liniară v(în m/s) poate fi determinat prin formula

V = V t /

Unde V t- viteza de ardere în masă, g/(s m 3); - densitatea amestecului combustibil initial, kg/m 3 .

Viteza liniară a frontului de flăcări nu este constantă, ea variază în funcție de compoziții. Amestecuri și impurități de gaze inerte (incombustibile), temperatura amestecului, diametrul conductei etc. Viteza maximă de propagare a flăcării se observă nu la o concentrație stoechiometrică de amestec, ci într-un amestec cu un exces de combustibil. Când în amestecul combustibil sunt introduse gaze inerte, viteza de propagare a flăcării scade. Acest lucru se explică prin scăderea temperaturii de ardere a amestecului, deoarece o parte din căldură este cheltuită pentru încălzirea impurităților inerte care nu participă la reacție.

Odată cu creșterea diametrului conductelor, viteza de propagare a flăcării crește neuniform. Cu o creștere a diametrului țevilor la 0,1-0,15 m, viteza crește destul de repede. Temperatura crește până când diametrul atinge un anumit diametru limită,
peste care nu există nici o creștere a vitezei. Odată cu scăderea diametrului țevii, viteza de propagare a flăcării scade, iar la un anumit diametru mic, flacăra nu se propaga în țeavă. Acest fenomen poate fi explicat printr-o creștere a pierderilor de căldură prin pereți
conducte.

Prin urmare, pentru a opri răspândirea flăcării într-un amestec combustibil, este necesară într-un fel sau altul scăderea temperaturii amestecului prin răcirea vasului (în exemplul nostru, o țeavă) din exterior sau prin diluarea amestecului. cu gaz inert rece.

Viteza normală de propagare a flăcării este relativ mică (nu mai mult de zeci de metri pe secundă), dar în anumite condiții, flacăra din țevi se propagă cu o viteză extraordinară (de la 2 la 5 km/s), depășind viteza sunetului în un mediu dat. Acest fenomen a fost numit detonaţie. Trăsături distinctive detonațiile sunt după cum urmează:

1) viteza de ardere constantă indiferent de diametrul conductei;

2) presiune ridicata o flacără cauzată de o undă de detonare, care poate depăși 50 MPa, în funcție de natura chimică a amestecului combustibil și de presiunea inițială; mai mult, datorită vitezei mari de ardere, presiunea dezvoltată nu depinde de forma, capacitatea și etanșeitatea vasului (sau conductei).

Pe măsură ce flacăra accelerează, amplitudinea undei de șoc crește și ea, iar temperatura de compresie atinge temperatura de autoaprindere a amestecului.

Creșterea cantității totale de ardere a gazului pe unitatea de timp se explică prin faptul că, într-un jet cu o viteză variabilă în secțiune transversală, frontul flăcării se îndoaie, drept urmare suprafața sa crește și cantitatea de substanță de ardere crește. proporţional.

Când amestecurile de gaze sunt arse într-un volum închis, produsele de ardere nu funcționează; energia exploziei este cheltuită numai pentru încălzirea produselor exploziei. În acest caz, energia totală este definită ca suma energiei interne amestec exploziv Q ext.en.cm iar căldura de ardere a unei substanţe date ΔQ g. Valoarea lui Q vn.en.sm. este egală cu suma produselor capacităților termice ale componentelor amestecului exploziv la volum constant și temperatura inițială
temperatura amestecului

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

unde C 1, C 2, C p - capacități termice specifice ale componentelor care alcătuiesc
amestec exploziv, kJ/(kg K); T - temperatura inițială a amestecului, K.

Temperatura de explozie a amestecurilor de gaze la volum constant se calculează prin aceeași metodă ca și temperatura de ardere a unui amestec la presiune constantă.

Presiunea de explozie este determinată de temperatura de explozie. Presiunea în timpul exploziei unui amestec gaz-aer într-un volum închis depinde de temperatura exploziei și de raportul dintre numărul de molecule de produse de ardere și numărul de molecule din amestecul exploziv. În timpul exploziei amestecurilor gaz-aer, presiunea nu depășește de obicei 1,0 MPa, dacă presiunea inițială a amestecului a fost normală. Când aerul din amestecul exploziv este înlocuit cu oxigen, presiunea exploziei crește brusc, deoarece temperatura de ardere crește.

Presiunea de explozie a amestecurilor stoechiometrice de metan, etilenă, acetonă și
eterul metilic cu oxigen este de 1,5 - 1,9 MPa, iar amestecurile lor stoechiometrice cu aer este de 1,0 MPa.

Presiunea maximă de explozie este utilizată în calculele rezistenței la explozie a echipamentelor, precum și în calculele supapelor de siguranță, membranelor explozive și carcaselor echipamentelor electrice antiexplozive. Presiunea de explozie R vzr (în MPa) al amestecurilor gaz-aer se calculează prin formula

R vzr =

Unde p 0- presiunea iniţială a amestecului exploziv, MPa; T 0și T vzr- temperatura initiala a amestecului exploziv si temperatura exploziei, K;

Numărul de molecule de gaze ale produselor de ardere după explozie;
este numărul de molecule de gaz ale amestecului înainte de explozie.