Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow БЖД arrow ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
Посмотреть оригинал

Концентрационные пределы зажигания газопаровоздушных смесей

Согласно механизму вынужденного воспламенения (зажигания) горючих смесей для возникновения и развития процесса горения необходимо наличие горючего, окислителя и высокотемпературного источника зажигания. Источник зажигания активирует некоторую часть молекул, сообщая им энергию, равную или выше энергии активизации. В химическую реакцию вступают лишь те молекулы горючего и окислителя, энергия которых в момент соударения превышает энергию активации. В результате образуются новые вещества. Выделившаяся химическая энергия переходит в тепловую. Тепло передается соседним частицам, увеличивая их энергию и, соответственно, обеспечивая тем самым непрерывную цепь последовательных превращений веществ горючей смеси в продукты реакции.

Таким образом, в реакционной системе, содержащей молекулы горючего и окислителя, могут происходить три тина столкновений молекул: горючее-горючее, окислитель-окислитель, окислитель-горючее. При этом только последний вид соударений может оказаться эффективным, поскольку только в данном случае могут образоваться продукты реакции и выделится тепло. Очевидно, что вероятность того или иного типа взаимодействий зависит от количества тех или иных молекул в смеси. Если смесь содержит избыток окислителя («бедная» смесь, а > 1), с большей вероятностью будут протекать взаимодействия (столкновения) молекул окислителя друг с другом. Для «богатых» смесей, наоборот, с большей вероятностью будут происходить столкновения молекул горючего. Максимальная вероятность столкновения молекул окислителя и горючего характерна для смеси, содержащей окислитель и горючее в стехиометрическом соотношении (а = 1):

где Са концентрация горючего; Сь концентрация окислителя; а,Ь — коэффициенты в уравнении реакции горения при горючем и окислителе.

Следовательно, при отклонении от стехиометрического соотношения горючего и окислителя как в сторону «бедных», так и в сторону «богатых» смесей скорость химической реакции, а соответственно, и интенсивность тепловыделения будет снижаться. Кроме того, выделившееся меньшее количество тепла будет все в большей степени расходоваться на активацию неэффективных процессов, которые не приводят к тепловыделению. При отклонении состава смеси от стехиометрического интервала О, при котором скорость химической реакции уменьшается в е раз, самопроизвольное горение смеси прекращается

Следовательно, для воспламенения и последующего распространения горения по смеси необходимо, чтобы концентрация недостающего компонента (горючего или окислителя) была не ниже некоторого минимального предела. Область воспламенения — это область концентраций горючего вещества, внутри которой его смеси с окислителем способны воспламеняться от источника зажигания с последующим распространением пламени.

Нижний концентрационный предел воспламенения (НКПВ) — минимальная концентрация горючего в области воспламенения. Верхний концентрационный предел воспламенения (ВКПВ) — максимальная концентрация горючего в области воспламенения.

Таким образом, смеси, содержащие горючее ниже НКПВ и выше ВКПВ, образуют области негорючих концентраций, поскольку энергия инициирования процессов горения за пределами КП В уходит в бесконечность.

Для всех парогазовоздушных смесей зависимости минимальной энергии зажигания Екр = /(С) от их конценграции С практически одинаковы. Некоторые из этих зависимостей представлены на рис. 1.18 и 1.19. Как следует из рис. 1.19, минимальная энергия зажигания составляет примерно 0,2 мДж и соответствует составу, близкому к стехиометрическому. По мере обогащения или обеднения смеси Екр возрастает, уходя в бесконечность на концентрационных пределах. Экспериментальные результаты подтверждают вывод о том, что за концентрационными пределами воспламенение горючей смеси невозможно и смеси становятся негорючими при любой мощности источника зажигания. Концентрационные пределы

Зависимость минимальной энергии зажигания от состава метано-воздушной смеси

Рис. 1.18. Зависимость минимальной энергии зажигания от состава метано-воздушной смеси

характерны также для гетеро- при давлении 230 мм рт. ст.

Зависимость энергии зажигания от концентрации углеводородо-воздушных смесей

Рис. 1.19. Зависимость энергии зажигания от концентрации углеводородо-воздушных смесей

С, об. % генных систем, г.е. аэрозолей (частицы твердого горючего вещества в воздухе). Нижнему концентрационному пределу воспламенения газов, паров горючих жидкостей и аэрозолей в практике пожарной охраны придается большое значение, поскольку он характеризует степень пожароопасности.

Концентрационные пределы воспламенения можно рассчитать но стандартным методикам или определить экспериментальным путем в стеклянных трубах диаметром 55 мм и высотой 1,5 м. Нижний концентрационный предел воспламенения определяют но предельной теплоте сгорания. Количество тепла, выделяющееся при горении смесей на нижнем КПВ, составляет практически для всех горючих веществ величину, близкую к 1830 кДж/м3:

где Q — предельная теплота горения, 1830 кДж/м3; Q,, — низшая теплота горения стехиометрического состава смеси, кДж/м3; С„ — нижний КПВ, об. %:

ВКПВ и НКПВ ориентировочно можно определить по эмпирической зависимости КПВ от количества молекул кислорода, необходимых для полного окисления молекулы горючего:

где га* — число молекул кислорода в уравнении горения; а*, Ь* — постоянные (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Значения постоянных а* и Ъ*

Пределы воспламенения

Значения постоянных

а*

Ь'

НКПВ

8,684

4,679

ВКПВ:

п « 7,5

1,55

0,560

п > 7,5

0,768

0,554

Оценим НКПВ и ВКПВ для метана но двум приведенным методикам.

Запишем термохимическое уравнение горения метана:

Согласно методике предельной теплоты горения

Значит, НКПВ составляет 5,1%. Согласно эмпирической зависимости

Пределы воспламенения зависят от условий, сопутствующих воспламенению: мощности источника зажигания, температуры горючей смеси, давления, присутствия инертных газов и т.п.

Влияние мощности источника зажигания можно оценить по зависимости Екр= /(С) (см. рис. 1.18, 1.19). С увеличением мощности источника зажигания область воспламенения расширяется. Это означает, что НКПВ уменьшается, а ВКПВ возрастает. Однако расширение пределов не безгранично. При определенной мощности источника (насыщенной) дальнейшего изменения КПВ не происходит. При снижении мощности источника область воспламенения сужается и при некотором критическом значении происходит выравнивание НКПВ и ВКПВ. Это означает, что при дальнейшем снижении мощности смесь не воспламенится при любом соотношении горючего и окислителя.

Изменение давления в горючей смеси меняет область воспламенения и критическую энергию зажигания. Снижение давления в горючей смеси равнозначно снижению концентраций горючего и окислителя. Вероятность соударений молекул снижается, скорость химической реакции при некотором давлении уменьшается, скорость тепловыделения достигает критического значения и самопроизвольного развития химической реакции при действии источника зажигания не происходит. Снижение давления приводит к увеличению критической энергии зажигания, сужению области воспламенения, и при достижении определенного давления зажигания вообще не происходит.

Значительное влияние на параметры зажигания оказывают негорючие газы (флегматизаторы). При введении их в горючую смесь сужается область зажигания, увеличивается критическая энергия зажигания. Влияние флегма- тизаторов в значительной степени зависит от их природы (теплопроводности, теплоемкости).

Прежде всего, введение флегматизаторов в горючую систему приводит к снижению концентрации горючего и окислителя, что соответственно снижает скорость химической реакции и тепловыделения, уменьшает область зажигания. При некоторой концентрации флегматизатора вообще создаются условия, при которых зажигание смеси становится невозможным.

Кроме разбавляющего эффекта флегматизатор оказывает влияние и на теплофизические характеристики системы (теплопроводность, теплоемкость, температуру). Флегматизатор с большой теплоемкостью в большей степени снижает скорость химической реакции и тепловыделения, а соответственно, и температуру горения; интенсивнее отводит тепло из зоны горения; способствует распространению по смеси тепла и увеличивает скорость распространения зоны горения.

Эффективность флегматизатора зависит от соотношения Ср/А,. Чем больше это соотношение, тем выше эффективность флегматизатора. Для аргона Ср = 3,2 • 10 2, а для углекислого газа Ср/Х = 6,7 • 10~2. Эксперименты показали, что флегматизирующее действие углекислого газа в 2 раза эффективнее действия аргона.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы