Examinare: Teoria arderii și exploziei. Teoria arderii amestecurilor de gaze

Acasă

Purificarea și filtrarea apei

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 cu utilizarea lichidelor și gazelor, este utilizată la calcularea vitezei de creștere a presiunii explozive. de gaz, amestecuri vapori-aer, diametru critic (stingere) și în elaborarea măsurilor , oferind securitatea la incendiu și explozie a proceselor tehnologice în 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 reacției chimice și conductivitatea 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, învârtirea 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. O undă de șoc se formează și se propagă în mediu.
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. Sunt posibile diferite tipuri de energie de explozie inițială - 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.
Acțiune generală de explozie se manifestă prin distrugerea echipamentelor sau a spațiilor cauzate de o undă de șoc, precum și prin eliberarea de substanțe nocive (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.
Viteza 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 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.

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.

Studiul proceselor de ardere a amestecurilor combustibile de către oamenii de știință ruși și străini a făcut posibilă fundamentarea teoretică a multor dintre fenomenele care însoțesc procesul de ardere, inclusiv viteza de propagare a flăcării. Studiul vitezei de propagare a flăcării în amestecurile de gaze permite determinarea vitezelor de siguranță ale debitelor gaz-aer în conductele de ventilație, recuperare, aspirație și în conductele altor instalații prin care se transportă amestecurile gaz și praf-aer.

În 1889, omul de știință rus V.A. Michelson a considerat două cazuri limitative de propagare a flăcării în timpul arderii normale sau lente și în timpul detonării.

Teoria propagării și detonării normale a flăcării a fost dezvoltată în continuare în lucrările lui N.N. Semenova, K.I. Shchelkina, D.A. Frank-Kamenetsky, L.N. Khitrina, A.S. Sokolika, V.I. Skobelkin și alți oameni de știință, precum și oameni de știință străini B. Lewis, G. Elbe și alții. Ca urmare, a fost creată o teorie a aprinderii amestecurilor explozive. Totuși, încercările de a interpreta fenomenele de propagare a flăcării ca difuzie a centrelor active sau de a explica limitele propagării flăcării prin condițiile de terminare a lanțului nu sunt suficient de convingătoare.

În 1942, omul de știință sovietic Ya.B. Zel'dovich a formulat prevederile teoriei arderii și detonării gazelor. Teoria arderii oferă un răspuns la întrebările principale: un amestec dintr-o compoziție dată va fi combustibil, care va fi viteza de ardere a unui amestec exploziv, ce caracteristici și forme de flacără ar trebui să fie de așteptat. 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 unui volum elementar cu un mediu se numește front de flacără. Frontul de flacără arată ca o sferă. Grosimea frontului de flăcări, conform lui Ya.B. Zel'dovich, este 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 0 C și depinde de compoziția amestecului combustibil. În apropierea frontului de flăcări, temperatura amestecului crește și ea, ceea ce se datorează transferului de căldură prin conducție termică, difuziei moleculelor încălzite și radiației. Pe suprafața exterioară a frontului de flăcări, această temperatură este egală cu temperatura de autoaprindere a amestecului combustibil. Modificarea temperaturii amestecului de-a lungul axei conductei în momente este prezentată grafic în fig. 4.1. Strat de gaz QC 1, în care temperatura amestecului crește, este frontul de flacără. Pe măsură ce temperatura crește, frontul flăcării se extinde (până la QC 2) pe părțile laterale ale pereților de capăt ai conductei DARși M, deplasând amestecul nears cu o anumită viteză spre perete M, iar gazul ars spre perete DAR. 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 sale este însoțită de o creștere a vitezei de mișcare

centrul 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. Extinderea frontului de flacără și accelerarea sa intensă imediat după aprinderea de către o scânteie, când flacăra nu a ajuns încă pe pereții conductei, 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.

Orez. 4.1. Modificarea temperaturii în fața și în spatele frontului flăcării: 1 - zonă

produse de ardere; 2 - front de flacara; 3 - zona de autoaprindere;

4 - zona de preîncălzire; 5 - amestecul inițial

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.

Luați în considerare lățimea zonei de încălzire în fața frontului de flacără. În această zonă nu are loc nicio reacție chimică și nu se eliberează căldură. Lățimea zonei de încălzire l(în cm) se poate determina din dependența:

Unde A este difuzivitatea termică; v este viteza de propagare a flăcării.

Pentru un amestec metan-aer, lățimea zonei de încălzire este de 0,0006 m, pentru un amestec hidrogen-aer este mult mai mică (3 μm). Arderea ulterioară are loc într-un amestec a cărui stare sa schimbat deja ca urmare a conductivității termice și difuziei componentelor din straturile învecinate. Amestecul de produse de reacție nu are niciun efect catalitic specific asupra vitezei de mișcare a flăcării.

Să luăm acum în considerare viteza frontului de flăcări în amestecul de gaze. Viteza de deplasare liniară v(în m/s) poate fi determinat prin formula

unde este viteza de ardere a masei, g / (cm × m 2), p este densitatea amestecului combustibil inițial, kg / m 3.

Viteza liniară a frontului de flăcări nu este constantă, variază în funcție de compoziția amestecului și de amestecul de gaze inerte (incombustibile), de temperatura amestecului, de diametrul conductelor etc. Viteza maximă de propagarea 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. Capacitatea termică a gazului inert afectează viteza de propagare a flăcării. Cu cât este mai mare capacitatea termică a unui gaz inert, cu atât mai mult scade temperatura de ardere și cu atât mai mult reduce viteza de propagare a flăcării. Astfel, într-un amestec de metan și aer diluat cu dioxid de carbon, viteza de propagare a flăcării se dovedește a fi de aproximativ trei ori mai mică decât într-un amestec diluat cu argon.

Când amestecul este preîncălzit, viteza de propagare a flăcării crește. S-a stabilit că viteza de propagare a flăcării este proporțională cu pătratul temperaturii inițiale a amestecului.

Odată cu creșterea diametrului conductelor, viteza de propagare a flăcării crește neuniform.

Cu o creștere a diametrului conductelor la 0,10 - 0,15 m, viteza crește destul de repede; cu o creștere suplimentară a diametrului țevilor, acesta continuă să crească, dar într-o măsură mai mică. Creșterea temperaturii are loc până când diametrul atinge un anumit diametru limită, peste care nu are loc creșterea 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 pereții conductelor.

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 se numește detonare. Caracteristicile distinctive ale detonației sunt următoarele:

1) viteza de ardere constantă indiferent de diametrul conductei;

2) presiune mare a flăcării cauzată de unda 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).

Să luăm în considerare trecerea de la arderea rapidă la detonare într-un tub lung cu secțiune transversală constantă atunci când amestecul este aprins la capătul închis. Sub presiunea frontului de flăcări, în amestecul combustibil apar unde de compresie - unde de șoc. În unda de șoc, temperatura gazului crește până la valori la care amestecul se aprinde spontan cu mult înaintea frontului de flăcări. Acest mod de ardere se numește detonare. Pe măsură ce frontul de flacără se mișcă, mișcarea straturilor adiacente peretelui este întârziată și, în consecință, mișcarea amestecului în centrul țevii este accelerată; distribuția vitezei

creșterea în secțiune transversală devine neuniformă. Apar jeturi de amestecuri de gaze, a căror viteză este mai mică decât viteza medie a amestecului de gaze în timpul arderii normale, iar jeturile se deplasează mai repede. În aceste condiții, viteza de mișcare a flăcării în raport cu amestecul crește, cantitatea de gaz care arde pe unitatea de timp crește, iar mișcarea frontului de flăcări este determinată de viteza maximă a jetului de gaz.

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 peste secțiunea transversală, frontul de flăcări este îndoit; ca urmare a acesteia, suprafața sa crește și cantitatea de substanță care arde crește proporțional.

Una dintre modalitățile de reducere a vitezei de ardere a amestecurilor combustibile este acțiunea gazelor inerte asupra flăcării, dar datorită eficienței lor scăzute, inhibarea chimică a arderii este utilizată în prezent prin adăugarea de hidrocarburi halogenate în amestec.

Amestecurile de gaze combustibile au două temperaturi teoretice de ardere - la volum constant și la presiune constantă, prima fiind întotdeauna mai mare decât a doua.

Metoda de calcul a temperaturii calorimetrice de ardere la presiune constantă este considerată în Secțiunea 1. Să luăm în considerare metoda de calcul a temperaturii teoretice de ardere a amestecurilor de gaze la un volum constant, care corespunde unei explozii într-un vas închis. Calculul temperaturii teoretice de ardere la un volum constant se bazează pe aceleași condiții care sunt indicate în Sec. 1.7.

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 a amestecului exploziv Q vn.en.cm și căldura de ardere a substanței date. Valoarea lui Q ext.cm este egală cu suma produselor capacităților termice ale componentelor amestecului exploziv la volum constant și temperatura inițială a amestecului

Q vn.en.cm \u003d s 1 T + s 2 T + ... + s n T,

unde c 1 , c 2 , c n sunt capacitățile termice specifice ale componentelor care alcătuiesc amestecul exploziv, kJ/(kg × K); T este temperatura inițială a amestecului, K.

Valoarea lui Q int.en.cm poate fi găsită în tabelele de referință. 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 unui amestec 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.

În timpul exploziei chiar și a unui amestec stoichiometric de gaz-aer, o cantitate semnificativă de căldură este cheltuită pentru încălzirea azotului din amestec, astfel încât temperatura de explozie a unor astfel de amestecuri este mult mai mică decât temperatura de explozie a amestecurilor cu oxigen. Astfel, presiunea de explozie a unui amestec stoichiometric de metan, etilenă, acetonă și eter metilic

ra 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 P vzr (în MPa) a amestecurilor gaz-aer se calculează prin formula

unde Р 0 este presiunea inițială a amestecului exploziv, MPa; T 0 și T vzr - temperatura inițială a amestecului exploziv și temperatura exploziei, K; este numărul de molecule de gaze ale produselor de ardere după explozie; este numărul de molecule de gaz din amestec înainte de explozie.

Exemplul 4.1 . Calculați presiunea la explozia unui amestec de vapori de alcool etilic și aer.

P 0 \u003d 0,1 MPa; T vzr = 2933 K; T 0 \u003d 273 + 27 \u003d 300 K; \u003d 2 + 3 + 11,28 \u003d 16,28 mol; \u003d 1 + 3 + 11,28 \u003d 15,28 mol.

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.

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.

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. Caracteristicile distinctive ale detonației sunt următoarele:

1) viteza de ardere constantă indiferent de diametrul 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 proporțional. .

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 a amestecului exploziv Q ex.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.

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.

Secțiuni