Лабораторная работа. Изменение давления взрыва газовоздушной смеси от ее состава

Лабораторная работа

Изменение давления взрыва газовоздушной смеси от ее состава

 

Цель работы. Расчетным методом изучить влияние состава горючей газовоздушной смеси на давление взрыва.

Теоретическая часть

При взрывном сгорании газопаровоздушной смеси (кинетический режим) в замкнутом объеме происходит повышение давления.

Когда давление достигает предела прочности, наступает разрушение элементов конструкций зданий, сооружений, аппаратов.

Давление взрыва является важным параметром, который необходимо учитывать при проектировании легко сбрасываемых конструкций, предотвращающих полное разрушение зданий, прочностном расчете аппаратов, разрушающихся предохранительных мембран, клапанов и т.д.

Скорость нарастания давления пропорциональна скорости кинетического горения газовоздушной смеси, которая может составлять от нескольких сантиметров в секунду в ламинарном режиме горения до сотен метров в секунду при турбулентном режиме.

Рост давления происходит главным образом в результате повышения температуры от начальной до температуры взрыва, т.е. до максимальной температуры продуктов реакции. Для взрывов стехиометрических и бедных смесей давление взрыва можно рассчитать по формуле

 

(1)

 

где Р_о – начальное давление газовоздушной смеси, Па, атм;

Т_о – начальная температура газовоздушной смеси, К;

Т ^о_вз – адиабатическая температура взрыва, К;

V _пг ^о – теоретический объем продуктов горения, кмоль/кмоль, м³/м³;

V _г – объем горючей смеси, кмоль/кмоль, м³/м³;

α – коэффициент избытка воздуха;

V _в ^о – теоретический объем воздуха, необходимый для сгорания единицы объема горючего, кмоль/кмоль, м³/м³;

Порядок выполнения работы.

Содержание работы.

1. Расчетным методом определить адиабатическую температуру и максимальное давление взрыва газовоздушной смеси различного состава.

2. По расчетным результатам построить график зависимости давления взрыва от состава смеси.

3. По полученным данным сделать выводы.

 

1. Заполняется таблица исходных данных.

Таблица 1

№ п/п	Параметр	Значение параметра
	Горючий газ	метан
	Концентрация газа в воздухе, % об.	9,51 (стех); 7,5; 5,0
	Начальная температура, оС
	Атмосферное давление, Па	100241,6

 

2. Расчетная часть.

2.1. Расчет объема продуктов горения и коэффициента избытка воздуха.

При сгорании стехиометрической смеси, коэффициент избытка воздуха α=1, по этому объем продуктов горения равен теоретическому, т.е: V _пг = V ^о_пг

При сгорании бедных смесей, когда α>1 V _пг = V ^о_пг +Δ V _в , где Δ V _в – избыток воздуха Δ V _в = V ^о_в(α -1)

Коэффициент избытка воздуха при известной концентрации горючего (φ_г) определяется по уравнению

(2)

 

2.2. Расчет адиабатической температуры взрыва газовоздушной смеси проводится из уравнения теплового баланса. Точное значение Т_вз^о рассчитывают методом последовательных приближений, используя значения внутренней энергии продуктов горения.

 

2.3. Расчет давления взрыва проводится по уравнению (1).

Например, рассчитать давление взрыва бутановоздушных смесей: стехиометрической (3,1 %) и бедной (2,0 %) концентрации, если исходная смесь до взрыва находилась при Р=101300 Па и Т=20^оС.

Находим температуры взрыва для стехиометрической смеси и для бедной смеси методом последовательного приближения.

1) Находим низшую теплоту сгорания бутана

С₄Н₁₀ + 6,5 О₂ + 6,5×3,76 N₂ = 4 CО₂ + 5 Н₂О +6,5×3,76 N₂.

Для стехиометрии:

α =1; Vг=1 кмоль/кмоль; V^о_пг =4+5+6,5×3,76=33,44 кмоль/кмоль;

ΔН= 4×(-396,9) + 5×(-242,2) – (- 126,23) = -1587,6 -1211 +126,23=-2672,37 кДж/моль.

Q_Н = 2672,37 кДж/моль

2) Внутренней энергии продуктов горения

U_ср =2672,37 /33,44=79,9 кДж/моль

3) Рассчитываем внутреннюю энергию продуктов горения при температуре 2700 ^оС по формуле

Q_ПГ^` = 128,9×4 + 102,4×5 + 70,2×24,44 = 2743,3кДж/моль

Сравниваем Q_Н и Q_ПГ^{`</sup>, так как Q<sub>ПГ</sub><sup>`} > Q_Н, выбираем температуру взрыва на 100^оС ниже равную 2600 ^оС.

Рассчитываем внутреннюю энергию продуктов горения при температуре 2600 ^оС

Q_ПГ^`` = 123,7×4 + 97,8×5 + 67,4×24,44 = 2631,1кДж/моль

4)Так как Q_ПГ^``< Q_Н< Q_ПГ^`, определим температуру взрыва по формуле

 

 

Для бедной смеси:

Для бедной смеси с концентрацией бутана 2% об. α находим по формуле (2):

α=(100-2)/(2×30,94)=1,58

V^о_в=6,5+6,5×3,76=30,94 кмоль/кмоль.

ΔV_в = 30,94×(1,58-1) = 17,94 кмоль/кмоль.

V_пг = 33,44 + 17,94 = 51,38 кмоль/кмоль.

С₄Н₁₀ + 6,5 О₂ + 6,5×3,76 N₂ = 4 CО₂ + 5 Н₂О +6,5×3,76 N₂+ ΔV_в

1) Внутренней энергии продуктов горения

U_ср =2672,37 /51,38=52,0 кДж/моль

3) Рассчитываем внутреннюю энергию продуктов горения при температуре 1900 ^оС по формуле

Q_ПГ^` = 86.8×4 + 67,0×5 + 47,3×24,44+ 47,8×17,94 = 2695,7кДж/моль

Сравниваем Q_Н и Q_ПГ^{`</sup>, так как Q<sub>ПГ</sub><sup>`} > Q_Н, выбираем температуру взрыва на 100^оС ниже равную 1800 ^оС.

Рассчитываем внутреннюю энергию продуктов горения при температуре 1800 ^оС

Q_ПГ^`` = 81.6×4 + 62,6×5 + 44,5×24,44+ 45,0×17,94 = 2534,3кДж/моль

4)Так как Q_ПГ^``< Q_Н< Q_ПГ^`, определим температуру взрыва по формуле

 

Давление взрыва для стехиометрической смеси:

Давление взрыва для бедной смеси:

 

Результаты расчета заносятся в таблицу.

Таблица 2

№ п/п	Концентрация горючего в воздухе, % об.	Адиабатическая температура взрыва, оС	Давление взрыва, Па

 

Вывод: