Концентрационные пределы распространения пламени

Смеси горючих газов и паров с воздухом способны воспламеняться и распространять пламя только тогда, когда концентрация горючего в них находится в определенных ограниченных пределах, которые называются нижним (НКПР) и верхним (ВКПР) пределами распространения пламени.

Концентрационные пределы распространения пламени (КПР) являются едва ли не основной характеристикой пожароопасных свойств веществ и материалов. Мощность зажигающей искры, температура самовоспламенения, температура горения имеют смысл только внутри концентрационной области распространения пламени [1, с 74].

Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени – минимальная (максимальная) концентрация горючего в окислителе, способная воспламениться от высокоэнергетического источника с последующим распространением горения на всю смесь.

Нижний концентрационный предел распространения пламени φ_н определяют по предельной теплоте сгорания. Установлено, что 1 м³ различных газовоздушных смесей на НКПР выделяет при горении постоянное среднее количество тепла - 1830 кДж, называемое предельной теплотой горения[1, с 75]. Следовательно,

если принять среднее значение Q_пр. равным 1830 кДж/м³, то φ_н 6удет равно

где Q_н - низшая теплота сгорания горючего вещества, кДж/м³.

Нижний и верхний КПР пламени могут быть определены по формуле

где n - стехиометрический коэффициент при кислороде в уравнении химической реакции;

а и b эмпирические константы

Концентрационные пределы распространения пламени паров жидких и твердых веществ могут быть рассчитаны, если известны температурные пределы

где р_н(е) - давление насыщенного пара вещества при температуре, соответствующей нижнему (верхнему) пределу распространения пламени, Па;

p_о -давление окружающей среды, Па.

Для расчета концентрационных пределов распространения пламени смесей горючих газов используют правило Ле-Шателье [4, с 92]

где нижний (верхний) КПР пламени смеси газов, % об.;

- нижний (верхний) предел распространения пламени i-ro горючего газа %, об.;

- мольная доля i-ro горючего газа в смеси.

Следует иметь при этом в виду, что ∑μ_i=1, т.е. концентрация горючих компонентов газовой смеси принимается за 100%.

Если известны концентрационные пределы распространения пламени при температуре Т₁, то при температуре Т₂. они вычисляются по формулам

,

,

где , - нижний концентрационный предел распространения пламени соответственно при температурах

Т₂. и Т₁; и - верхний концентрационный предел распространения пламени соответственно при температурах Т₁ и Т₂;

Т_Г - температура горении смеси.

Приближенно при определении НКПР пламени Т_г принимают 1550 К, при определении ВКПР пламени -1100К.

При разбавлении газовоздушной смеси инертными газами (N₂, СО₂ Н₂О пары и т.п.) область воспламенения сужается: верхний предел снижается, а нижний - возрастает. Концентрация инертного газа (флегматизатора), при которой нижний и верхний пределы распространения пламени смыкаются, называется минимальной флегматизирующей концентрацией φ_ф. Содержание кислородатакой системе называют минимальным взрывоопасным содержанием кислорода МВСК. Некоторое содержание кислорода ниже МВСК называют безопасным .

 

Взрывная ударная волна

Ударная взрывная волна – эта область сжатого воздуха, стремительно распространяющаяся во все стороны от эпицентра взрыва с огромной скоростью и характеризующаяся избыточным давлением во фронте ударной волны (величиной, на которую это давление превышает атмосферное). На взрывную волну расходуется до 50 % энергии ядерного взрыва.

Воздушная ударная волна — это область резкого и сильного сжатия среды, которая распространяется в виде сферического слоя во все стороны со сверхзвуковой скоростью. Ударная волна возникает в результате взрыва, мощность которого оценивается тротиловым эквивалентом в килограммах, тоннах, килотоннах, мегатоннах или, когда речь идет о жидкостях, газовоздушных смесях, весом в тоннах [2, с 125].

Рисунок 1 - Параметры ударной волны

При воздушной ударной волне передняя граница сжатого воздуха характеризуется резким увеличением давления и образует фронт ударной волны D Р _ф. Кроме того, ударная волна характеризуется давлением скоростного напора Р _ск, временем действия максимального избыточного давления t⁺ — фаза сжатия и временем действия пониженного давления t^– — фаза разрежения. D Р _ф и Р _ск измеряются в кг ^. с/см² или паскалях (1 кгс/см² » 100 кПа).

Под действием ударной волны происходит разрушение зданий, сооружений, транспортных магистралей. Незащищенные люди получают закрытые и открытые повреждения, так как в силу небольших размеров тела человека ударная волна мгновенно охватывает человека и подвергает его сильному сжатию в течение нескольких секунд. Мгновенное повышение давления воспринимается живым организмом как резкий удар. Причиной открытых повреждений являются чаще всего вторичные факторы действия ударной волны – летящие обломки зданий, сооружений и т. д. Кроме того, скоростной напор при этом создает значительное лобовое давление, которое может привести к перемещению тела в пространстве. Продолжительность действия ударной волны составляет около 15 с [4, с 98].

Ударная воздушная волна распространяется со скоростью, которая превосходит скорость звука тем больше, чем значительнее избыточное давление на ее фронте. Расчеты, основанные на гидродинамической теории, дают формулу для определения ее скорости v:

Здесь с – скорость звука в воздухе, м/с. Она зависит от температуры воздуха T, K.

При распространении ударной волны от заряда к тому или иному месту скорость фронта волны непрерывно уменьшается и постепенно приближается к скорости звука [5, с 106].

Воздушная ударная волна, встречая преграду, отражается от нее. Давление при отражении ударной волны примерно удваивается. Теоретический расчет позволяет получить формулу для избытка давления ΔP_отр в отраженной ударной волне:

Время действия положительного избыточного давления представляет собой важную практическую характеристику ударной волны, потому что именно это давление вызывает основные разрушения. На основе опытов и расчетов для взрыва тротила эта зависимость имеет вид:

Ударная волна движется за счет энергии, полученной от взрывных газов, и постепенно теряет ее. Это происходит потому, что энергия расходуется на нагревание воздуха, через который она проходит, а объем воздуха, захватываемого волной, все время растет и в результате уменьшается количество энергии в единице объема.

 

Задача.

Определить теоретически необходимый объём воздуха для сжигания 1 кг вещества при нормальных условиях

Номер предпоследней цифры зачетки	Вещество
	Этилбензол

Решение

Теоретическое количество воздуха для индивидуального горючего вещества в конденсированном состоянии:

Запишем уравнение химической реакции горения

С₈Н₁₀ +10,5 О₂ +10,5×3,76N₂ = 8CO₂ + 5Н₂О +10,5×3,76N₂

Теоретически необходимый объём воздуха для сжигания 1 кг этилбензола составит

м³/кг

Ответ: м³/кг

 

Задача.

В цехе по переработке вещества при разгерметизации технологического блока возможно поступление пыли в помещение. Определить давление ударной волны на расстоянии r, м от контура помещения при разрушении его ограждающих конструкций

Номер предпоследней цифры зачетки	Вещество	Расстояние r, м	Vп, м3
	Метилцеллюлоза

Решение

Взрывное горение может происходить по одному из двух режимов – дефлаграционному или детонационному.

При оперативном прогнозировании последствий принимают, что процесс развивается в детонационном режиме. Зону детонационной волны, ограниченную радиусом r₀, можно определить по формуле:

где 1/24 – коэффициент, м/кДж^1/3;

Э – энергия взрыва смеси, определяемая из выражения:

где Q – удельная теплота сгорания вещества, образовавшего пыль, кДж/кг (табл. 3);

m – расчётная масса пыли, кг.

При оперативном прогнозировании расчётная масса пыли определяется из условия, что свободный объем помещения будет полностью заполнен взвешенным дисперсным продуктом, образуя при этом пылевоздушную смесь стехиометрической концентрации:

где V₀ – свободный объём помещения, (V₀ = 0,8V_п=0,8×4296=3436,8), м3;

С – стехиометрическая концентрация пыли, г/м³,

С ≈ 3⋅ϕ_нкпр=3×30=90 г/м³,

ϕ_нкпр – нижний концентрационный предел распространения пламени – это минимальное содержание пыли в смеси с воздухом, при котором возможно возгорание (табл. 3).

кг

Дж

м

Давление во фронте ударной волны ∆Р_ф зависит от расстояния до центра взрыва и определяется по таблице 2, исходя из соотношения:

∆Р_ф = f (r/r₀),

r/r₀=10/0,64=15,6

где r – расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки.

Ответ:∆Р_ф =8,12 кПа

 

Список использованной литературы

 

1. Андросов А.С., Салеев Е.П. Примеры и задачи по курсу. Теория горения и взрыва. Учебное пособие. - М.: Аrfltvbz ГПС МЧС России, 2005. - 86 с.

2. Архипов В.А., Синогина Е.С. Горение и взрывы. Опасность и анализ последствий: Учебное пособие. – Томск: Издательство Томского государственного педагогического университета. 2007. – 124 с.

3. Нор, Е. В. Н 82 Теория горения и взрыва [Текст]: метод. указания / Е. В. Нор. – Ухта: УГТУ, 2015. – 36 с

4. Тимофеева С.С., Дроздова Т.И., Плотникова Г.В., Гольчевский В.Ф. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. – 178 с.

5. Лопанов, А.Н. Л78 Физико-химические основы теории горения и взрыва: учебное пособие / А.Н. Лопанов. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. – 149 с.