Skúška: Teória horenia a výbuchu. Teória spaľovania zmesí plynov

Domov

Čistenie a filtrácia vody

Pohyb plameňa cez zmes plynov nazývané šírenie plameňa. V závislosti od rýchlosti šírenia plameňa môže byť horenie deflagrácia rýchlosťou niekoľkých m/s, výbušné – rýchlosťou rádovo desiatok a stoviek m/s a detonácia – tisícky m/s.
Na vznietenie alebo normálne šírenie plameňa charakteristický je prenos tepla z vrstvy na vrstvu a plameň, ktorý sa vyskytuje v zmesi zohriatej a zriedenej aktívnymi radikálmi a produktmi reakcie, sa pohybuje v smere počiatočnej horľavej zmesi. Vysvetľuje to skutočnosť, že plameň sa stáva zdrojom, ktorý uvoľňuje nepretržitý tok tepla a chemicky aktívnych častíc. V dôsledku toho sa čelo plameňa pohybuje smerom k horľavej zmesi.
deflačné spaľovanie delí na laminárne a turbulentné.
Laminárne spaľovanie sa vyznačuje normálnou rýchlosťou šírenia plameňa.
Normálna rýchlosť šírenia plameňa, podľa GOST 12.1.044 SSBT, sa nazýva rýchlosť predného plameňa vzhľadom na nespálený plyn, v smere kolmom na jeho povrch.
Hodnota normálnej rýchlosti šírenia plameňa, ktorá je jedným z ukazovateľov nebezpečenstva požiaru a výbuchu látok, charakterizuje nebezpečenstvo priemyslu spojeného s používaním kvapalín a plynov, používa sa pri výpočte rýchlosti nárastu výbušného tlaku. plynu, zmesí para-vzduch, kritického (hasiaceho) priemeru a pri vývoji opatrení na zabezpečenie požiarnej a výbuchovej bezpečnosti technologických procesov v súlade s požiadavkami GOST 12.1.004 a GOST 12.1.010 SSBT.
Normálna rýchlosť šírenia plameňa – fyzikálno-chemická konštanta zmesi – závisí od zloženia zmesi, tlaku a teploty a je určená rýchlosťou chemickej reakcie a molekulovou tepelnou vodivosťou.
Teplota relatívne málo zvyšuje normálnu rýchlosť šírenia plameňa, inertné nečistoty ju znižujú a zvýšenie tlaku vedie buď k zvýšeniu alebo zníženiu rýchlosti.
V laminárnom prúdení plynu rýchlosti plynu sú nízke a horľavá zmes vzniká ako výsledok molekulárnej difúzie. Rýchlosť horenia v tomto prípade závisí od rýchlosti tvorby horľavej zmesi. turbulentný plameň Vzniká so zvýšením rýchlosti šírenia plameňa, kedy je narušená laminárnosť jeho pohybu. V turbulentnom plameni vírenie prúdov plynu zlepšuje premiešavanie reagujúcich plynov, pretože sa zväčšuje povrch, cez ktorý dochádza k molekulárnej difúzii.
V dôsledku interakcie horľavej látky s oxidačným činidlom vznikajú produkty horenia, ktorých zloženie závisí od počiatočných zlúčenín a podmienok spaľovacej reakcie.
Pri úplnom spaľovaní organických zlúčenín vzniká CO 2, SO 2, H 2 O, N 2 a pri spaľovaní anorganických zlúčenín oxidy. V závislosti od teploty topenia môžu byť produkty reakcie buď vo forme taveniny (Al 2 O 3, TiO 2), alebo stúpať do vzduchu vo forme dymu (P 2 O 5, Na 2 O, MgO) . Roztavené pevné častice vytvárajú svietivosť plameňa. Silnú svietivosť plameňa pri spaľovaní uhľovodíkov zabezpečuje žiara častíc sadzí, ktoré vznikajú vo veľkom množstve. Pokles obsahu sadzí v dôsledku ich oxidácie znižuje svietivosť plameňa a pokles teploty sťažuje oxidáciu sadzí a vedie k tvorbe sadzí v plameni.
Pre prerušenie spaľovacej reakcie je potrebné porušiť podmienky pre jej vznik a údržbu. Zvyčajne sa na hasenie používa porušenie dvoch základných podmienok ustáleného stavu - zníženie teploty a spôsob pohybu plynov.
Pokles teploty možno dosiahnuť zavedením látok, ktoré absorbujú veľa tepla v dôsledku vyparovania a disociácie (napr. voda, prášky).
Režim pohybu plynu možno zmeniť znížením a odstránením prísunu kyslíka.
Výbuch podľa GOST 12.1.010 " Odolné voči výbuchu“, - rýchla premena hmoty (výbušné spaľovanie), sprevádzaná uvoľňovaním energie a tvorbou stlačených plynov schopných vykonávať prácu.
Výbuch spravidla vedie k intenzívnemu zvýšeniu tlaku. Vzniká a šíri sa v prostredí rázová vlna.
rázová vlna má deštrukčnú schopnosť, ak je v ňom pretlak vyšší ako 15 kPa. Šíri sa v plyne pred čelom plameňa rýchlosťou zvuku 330 m/s. Pri výbuchu sa počiatočná energia premení na energiu zahriatych stlačených plynov, ktorá sa premení na energiu pohybu, stlačenia a ohrevu média. Sú možné rôzne typy počiatočnej energie výbuchu - elektrická, tepelná, elastická kompresná energia, atómová, chemická.
Hlavné parametre charakterizujúce nebezpečenstvo výbuchu v súlade s GOST 12.1.010 sú tlak na čele rázovej vlny, maximálny tlak výbuchu, priemerná a maximálna rýchlosť nárastu tlaku pri výbuchu, drvenie alebo vysokovýbušné vlastnosti výbušniny. výbušné prostredie.
Všeobecná explózia sa prejavuje zničením zariadení alebo priestorov spôsobených rázovou vlnou, ako aj uvoľnením škodlivých látok (produktov výbuchu alebo obsiahnutých v zariadeniach).
Maximálny tlak roztrhnutia(P max) - najvyšší tlak, ktorý vzniká pri deflagračnej explózii zmesi plynu, pár alebo prachu so vzduchom v uzavretej nádobe pri počiatočnom tlaku zmesi 101,3 kPa.
Rýchlosť nárastu výbušného tlaku(dР/dt) je derivácia výbuchového tlaku v závislosti od času na vzostupnom úseku závislosti výbuchového tlaku zmesi plynu, pary a prachu v uzavretej nádobe na čase. V tomto prípade sa rozlišujú maximálne a priemerné rýchlosti nárastu tlaku počas výbuchu. Pri stanovení maximálnej rýchlosti sa použije prírastok tlaku v priamom úseku závislosti výbuchového tlaku od času a pri stanovení priemernej rýchlosti úsek medzi maximálnym výbuchovým tlakom a počiatočným tlakom v nádobe pred používa sa výbuch.
Obe tieto vlastnosti sú dôležitými faktormi ochrany pred výbuchom. Používajú sa pri stanovení kategórie priestorov a stavieb z hľadiska nebezpečenstva výbuchu a požiaru, pri výpočte bezpečnostných zariadení, pri vypracovaní opatrení na požiarnu a výbuchovú bezpečnosť technologických procesov.
Detonácia dochádza k procesu chemickej premeny systému oxidačné činidlo – redukčné činidlo, čo je kombinácia rázovej vlny šíriacej sa konštantnou rýchlosťou a presahujúcou rýchlosť zvuku a sledujúcej čelo zóny chemických premien východiskových látok. chemická energia, uvoľnený v detonačnej vlne, napája rázovú vlnu a bráni jej rozpadu. Rýchlosť detonačnej vlny je charakteristická pre každý špecifický systém.

1 Metóda spočíva v stanovení horných limitov pre maximálnu a priemernú rýchlosť nárastu tlaku pri výbuchu zmesi plynu a pary so vzduchom v guľovej reakčnej nádobe konštantného objemu.

Horná hranica pre maximálnu rýchlosť nárastu tlaku v kPa s -1 sa vypočíta podľa vzorca

kde p i- počiatočný tlak, kPa;

S a i- normálna rýchlosť šírenia plameňa pri počiatočnom tlaku a teplote, m·s -1 ;

a- polomer guľovej reakčnej nádoby, m;

Bezrozmerný maximálny tlak výbuchu;

R  - maximálny absolútny tlak výbuchu, kPa;

 a- adiabatický index pre skúmanú zmes;

 je termokinetický exponent ako funkcia normálnej rýchlosti šírenia plameňa ako funkcia tlaku a teploty. Ak je hodnota  neznáme, berie sa to ako 0,4.

Horná hranica priemernej rýchlosti nárastu tlaku v kPa s -1 sa vypočíta podľa vzorca

, (98)

kde je funkcia parametrov  e ,  a ,  , ktorých hodnoty sa nachádzajú pomocou nomogramov znázornených na obr. 26 a 27.

hodnoty  e a  a sa zistia termodynamickým výpočtom alebo v prípade nemožnosti výpočtu sa považujú za rovné 9,0 a 1,4.

Relatívna stredná kvadratická chyba výpočtu podľa vzorcov (97) a (98) nepresahuje 20 %.

2. Maximálna rýchlosť nárastu výbušného tlaku plynu a zmesi pár so vzduchom pre látky pozostávajúce z atómov C, H, O, N, S, F, Cl sa vypočíta podľa vzorca

, (99)

kde V- objem reakčnej nádoby, m 3 .

Relatívna efektívna chyba výpočtu podľa vzorca (99) nepresahuje 30 %.

Metóda experimentálneho stanovenia podmienok tepelného samovznietenia tuhých látok a materiálov

1. Hardvér.

Zariadenie na stanovenie podmienok tepelného samovznietenia obsahuje nasledujúce prvky.

1.1. Termostat s kapacitou pracovnej komory najmenej 40 dm 3 s termostatom, ktorý umožňuje udržiavať konštantnú teplotu od 60 do 250 ° C s chybou najviac 3 ° C.

1.2. Koše z nehrdzavejúceho kovu kubického alebo valcového tvaru 35, 50, 70, 100, 140 a 200 mm vysoké (10 kusov z každej veľkosti) s vrchnákom. Priemer valcového koša by sa mal rovnať jeho výške. Hrúbka steny koša je (1,0 ± 0,1) mm.

1.3. Termoelektrické prevodníky (nie menej ako 3) s maximálnym priemerom pracovného spoja najviac 0,8 mm.

2. Príprava na test.

2.1. Vykonajte kalibračnú skúšku na určenie korekcie ( t T) k údajom termoelektrických meničov 2 a 3 . Za týmto účelom sa kôš s nehorľavou látkou (napríklad kalcinovaným pieskom) umiestni do termostatu ohriateho na danú teplotu. Termoelektrické konvertory (obr. 2) sú inštalované tak, že pracovný spoj jedného termoelektrického konvertora je v kontakte so vzorkou a je umiestnený v jej strede, druhý je v kontakte s vonkajšou stranou koša, tretí jeden je vo vzdialenosti (30 ± 1) mm od steny koša. Pracovné spoje všetkých troch termoelektrických meničov musia byť umiestnené na rovnakej horizontálnej úrovni, zodpovedajúcej strednej čiare termostatu.

1 , 2 , 3 - pracovné spoje termoelektrických meničov.

Kôš s nehorľavou látkou je udržiavaný v termostate, kým sa nevytvorí stacionárny režim, v ktorom sú odčítané hodnoty všetkých termoelektrických

prevodníky počas 10 minút zostanú nezmenené alebo kolíšu s konštantnou amplitúdou okolo priemerných teplôt t 1 , t 2 , t 3 . Dodatok  t T sa vypočíta podľa vzorca

, (100)

2.2. Vzorky na testovanie by mali charakterizovať priemerné vlastnosti testovanej látky (materiálu). Pri testovaní plošného materiálu sa tento zhromažďuje v hromade zodpovedajúcej vnútorným rozmerom koša. Vo vzorkách monolitických materiálov je do stredu predvŕtaný otvor s priemerom (7,0 ± 0,5) mm pre termoelektrický menič.

Štúdium procesov horenia horľavých zmesí ruskými a zahraničnými vedcami umožnilo teoreticky podložiť mnohé javy, ktoré proces spaľovania sprevádzajú, vrátane rýchlosti šírenia plameňa. Štúdium rýchlosti šírenia plameňa v zmesiach plynov umožňuje určiť bezpečné rýchlosti prúdenia plynu a vzduchu v potrubiach ventilácie, rekuperácie, odsávania a v potrubiach iných zariadení, ktorými sa prepravujú zmesi plynu a prachu so vzduchom.

V roku 1889 ruský vedec V.A. Michelson zvažoval dva limitujúce prípady šírenia plameňa pri normálnom alebo pomalom spaľovaní a pri detonácii.

Teória normálneho šírenia plameňa a detonácie bola ďalej rozvinutá v prácach N.N. Semenová, K.I. Shchelkina, D.A. Frank-Kamenetsky, L.N. Khitrina, A.S. Sokolika, V.I. Skobelkin a ďalší vedci, ako aj zahraniční vedci B. Lewis, G. Elbe a ďalší.V dôsledku toho vznikla teória vznietenia výbušných zmesí. Avšak pokusy interpretovať javy šírenia plameňa ako difúziu aktívnych centier alebo vysvetliť limity šírenia plameňa podmienkami ukončenia reťazca nie sú dostatočne presvedčivé.

V roku 1942 sovietsky vedec Ya.B. Zel'dovich formuloval ustanovenia teórie horenia a detonácie plynov. Teória horenia dáva odpoveď na hlavné otázky: bude zmes daného zloženia horľavá, aká bude rýchlosť horenia výbušnej zmesi, aké vlastnosti a formy plameňa treba očakávať. Teória tvrdí, že výbuch zmesi plynu alebo pary so vzduchom nie je okamžitý jav. Keď sa zdroj vznietenia zavedie do horľavej zmesi, oxidačná reakcia paliva s oxidačným činidlom začína v oblasti zdroja vznietenia. Rýchlosť oxidačnej reakcie v niektorom elementárnom objeme tejto zóny dosahuje maximum - dochádza k spaľovaniu. Spaľovanie na hranici elementárneho objemu s médiom sa nazýva čelo plameňa. Čelo plameňa vyzerá ako guľa. Hrúbka čela plameňa podľa Ya.B. Zel'dovich, sa rovná 1 - 100 mikrónov. Aj keď je hrúbka spaľovacej zóny malá, je dostatočná na priebeh spaľovacej reakcie. Teplota čela plameňa vplyvom tepla spaľovacej reakcie je 1000 - 3000 0 C a závisí od zloženia horľavej zmesi. V blízkosti čela plameňa tiež stúpa teplota zmesi, čo je spôsobené prenosom tepla vedením tepla, difúziou zahriatych molekúl a žiarením. Na vonkajšom povrchu čela plameňa sa táto teplota rovná teplote samovznietenia horľavej zmesi. Zmena teploty zmesi pozdĺž osi potrubia v časových bodoch je graficky znázornená na obr. 4.1. Plynová vrstva QC 1, v ktorom teplota zmesi stúpa, je čelo plameňa. Keď teplota stúpa, čelo plameňa sa rozširuje (až do QC 2) na strany koncových stien potrubia ALE a M, čím sa nespálená zmes vytlačí určitou rýchlosťou smerom k stene M a spálený plyn smerom k stene ALE. Po zapálení horľavej zmesi sa sférický tvar plameňa veľmi rýchlo zdeformuje a stále viac sa priťahuje k ešte nezapálenej zmesi. Rozšírenie čela plameňa a rýchly nárast jeho povrchu je sprevádzaný zvýšením rýchlosti pohybu

stred plameňa. Toto zrýchlenie trvá dovtedy, kým sa plameň nedotkne stien potrubia alebo v žiadnom prípade nepriblíži sa k stene potrubia. V tomto okamihu sa veľkosť plameňa prudko zmenšuje a z plameňa zostáva len malá časť, ktorá pokrýva celú časť potrubia. Rozšírenie čela plameňa a jeho intenzívne zrýchlenie ihneď po zapálení iskrou, keď plameň ešte nedosiahol steny potrubia, je spôsobené zväčšením objemu splodín horenia. V počiatočnom štádiu tvorby čela plameňa, bez ohľadu na stupeň horľavosti plynnej zmesi, teda dochádza k zrýchleniu a následnému spomaleniu plameňa, pričom toto spomalenie bude tým väčšie, čím väčšia bude rýchlosť plameňa.

Ryža. 4.1. Zmena teploty pred a za čelom plameňa: 1 - zóna

produkty spaľovania; 2 - čelo plameňa; 3 - zóna samovznietenia;

4 - zóna predhrievania; 5 - počiatočná zmes

Proces vývoja nasledujúcich fáz spaľovania je ovplyvnený dĺžkou potrubia. Predĺženie potrubia vedie k vzniku vibrácií a vytváraniu bunkovej štruktúry plameňových, rázových a detonačných vĺn.

Zvážte šírku vykurovacej zóny pred čelom plameňa. V tejto zóne neprebieha žiadna chemická reakcia a neuvoľňuje sa teplo. Šírka vykurovacej zóny l(v cm) možno určiť zo závislosti:

kde a je tepelná difúznosť; v je rýchlosť šírenia plameňa.

Pre zmes metán-vzduch je šírka vykurovacej zóny 0,0006 m, pre zmes vodík-vzduch je oveľa menšia (3 μm). K následnému horeniu dochádza v zmesi, ktorej skupenstvo sa už zmenilo v dôsledku tepelnej vodivosti a difúzie zložiek zo susedných vrstiev. Prímes reakčných produktov nemá žiadny špecifický katalytický účinok na rýchlosť pohybu plameňa.

Uvažujme teraz o rýchlosti čela plameňa v zmesi plynov. Lineárna rýchlosť jazdy v(v m/s) možno určiť podľa vzorca

kde je hmotnosť rýchlosti horenia, g / (cm × m 2), p je hustota počiatočnej horľavej zmesi, kg / m 3.

Lineárna rýchlosť čela plameňa nie je konštantná, mení sa v závislosti od zloženia zmesi a prímesí inertných (nehorľavých) plynov, teploty zmesi, priemeru potrubí a pod. šírenie plameňa sa nepozoruje pri stechiometrickej koncentrácii zmesi, ale v zmesi s nadbytkom paliva. Pri zavádzaní inertných plynov do horľavej zmesi sa rýchlosť šírenia plameňa znižuje. Vysvetľuje sa to znížením teploty spaľovania zmesi, pretože časť tepla sa vynakladá na zahrievanie inertných nečistôt, ktoré sa nezúčastňujú reakcie. Tepelná kapacita inertného plynu ovplyvňuje rýchlosť šírenia plameňa. Čím väčšia je tepelná kapacita inertného plynu, tým viac znižuje teplotu spaľovania a tým viac znižuje rýchlosť šírenia plameňa. V zmesi metánu a vzduchu zriedenej oxidom uhličitým sa teda rýchlosť šírenia plameňa ukazuje približne trikrát menšia ako v zmesi zriedenej argónom.

Keď sa zmes predhreje, rýchlosť šírenia plameňa sa zvýši. Zistilo sa, že rýchlosť šírenia plameňa je úmerná druhej mocnine počiatočnej teploty zmesi.

S nárastom priemeru rúr sa rýchlosť šírenia plameňa zvyšuje nerovnomerne.

S nárastom priemeru rúr na 0,10 - 0,15 m sa rýchlosť zvyšuje pomerne rýchlo; s ďalším zvyšovaním priemeru rúr sa naďalej zväčšuje, ale v menšej miere. K nárastu teploty dochádza dovtedy, kým priemer nedosiahne určitý hraničný priemer, nad ktorým už k zvýšeniu rýchlosti nedochádza. So zmenšovaním priemeru potrubia sa rýchlosť šírenia plameňa znižuje a pri určitom malom priemere sa plameň v potrubí nešíri. Tento jav možno vysvetliť zvýšením tepelných strát cez steny potrubia.

Preto, aby sa zastavilo šírenie plameňa v horľavej zmesi, je potrebné tak či onak znížiť teplotu zmesi ochladením nádoby (v našom príklade potrubia) zvonku alebo zriedením zmesi. so studeným inertným plynom.

Normálna rýchlosť šírenia plameňa je relatívne malá (nie viac ako desiatky metrov za sekundu), ale za určitých podmienok sa plameň v potrubí šíri obrovskou rýchlosťou (od 2 do 5 km/s), ktorá presahuje rýchlosť zvuku v dané prostredie. Tento jav sa nazýva detonácia. Charakteristické znaky detonácie sú nasledovné:

1) konštantná rýchlosť horenia bez ohľadu na priemer potrubia;

2) vysoký tlak plameňa spôsobený detonačnou vlnou, ktorý môže presiahnuť 50 MPa v závislosti od chemickej povahy horľavej zmesi a počiatočného tlaku; naviac, vďaka vysokej rýchlosti horenia, vyvíjaný tlak nezávisí od tvaru, kapacity a tesnosti nádoby (alebo potrubia).

Uvažujme prechod od rýchleho horenia k detonácii v dlhej trubici konštantného prierezu, keď je zmes zapálená na uzavretom konci. Pod tlakom čela plameňa vznikajú v horľavej zmesi kompresné vlny - rázové vlny. V rázovej vlne stúpa teplota plynu až na hodnoty, pri ktorých sa zmes samovoľne zapáli ďaleko pred čelom plameňa. Tento spôsob horenia sa nazýva detonácia. Keď sa čelo plameňa pohybuje, pohyb vrstiev priľahlých k stene sa spomaľuje a v dôsledku toho sa zrýchľuje pohyb zmesi v strede trubice; rozdelenie rýchlosti

prierezový rast sa stáva nerovnomerným. Objavujú sa prúdy plynných zmesí, ktorých rýchlosť je menšia ako priemerná rýchlosť plynnej zmesi pri normálnom spaľovaní, a prúdy pohybujúce sa rýchlejšie. Za týchto podmienok sa rýchlosť pohybu plameňa vzhľadom na zmes zvyšuje, množstvo plynu horiaceho za jednotku času sa zvyšuje a pohyb čela plameňa je určený maximálnou rýchlosťou prúdu plynu.

So zrýchľovaním plameňa sa zvyšuje aj amplitúda rázovej vlny a teplota kompresie dosahuje teplotu samovznietenia zmesi.

Nárast celkového množstva plynu horiaceho za jednotku času sa vysvetľuje skutočnosťou, že v prúde s premenlivou rýchlosťou na priereze je čelo plameňa ohnuté; v dôsledku toho sa zväčšuje jeho povrch a úmerne sa zvyšuje množstvo horiacej látky.

Jednou z možností zníženia rýchlosti horenia horľavých zmesí je pôsobenie inertných plynov na plameň, no pre ich nízku účinnosť sa v súčasnosti využíva chemická inhibícia horenia pridávaním halogénovaných uhľovodíkov do zmesi.

Zmesi horľavých plynov majú dve teoretické teploty horenia – pri konštantnom objeme a pri konštantnom tlaku, pričom prvá je vždy vyššia ako druhá.

Metóda výpočtu teploty kalorimetrického spaľovania pri konštantnom tlaku je uvedená v časti 1. Uvažujme metódu výpočtu teoretickej teploty spaľovania plynných zmesí pri konštantnom objeme, ktorý zodpovedá výbuchu v uzavretej nádobe. Výpočet teoretickej teploty spaľovania pri konštantnom objeme je založený na rovnakých podmienkach, aké sú uvedené v ods. 1.7.

Keď sa zmesi plynov spaľujú v uzavretom objeme, produkty spaľovania nefungujú; energia výbuchu sa vynakladá iba na zahrievanie produktov výbuchu. Celková energia je v tomto prípade definovaná ako súčet vnútornej energie výbušnej zmesi Q vn.en.cm a spaľovacieho tepla danej látky. Hodnota Q ext.cm sa rovná súčtu súčinov tepelných kapacít zložiek výbušnej zmesi pri konštantnom objeme a počiatočnej teploty zmesi.

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

kde c 1 , c 2 , c n sú špecifické tepelné kapacity zložiek, ktoré tvoria výbušnú zmes, kJ/(kg × K); T je počiatočná teplota zmesi, K.

Hodnotu Q int.sk.cm možno nájsť v referenčných tabuľkách. Teplota výbuchu zmesi plynov pri konštantnom objeme sa vypočíta rovnakou metódou ako teplota spaľovania zmesi pri konštantnom tlaku.

Výbušný tlak sa zistí z teploty výbuchu. Tlak pri výbuchu zmesi plynu a vzduchu v uzavretom objeme závisí od teploty výbuchu a pomeru počtu molekúl splodín horenia k počtu molekúl vo výbušnej zmesi. Pri výbuchu zmesi plynu a vzduchu tlak zvyčajne nepresiahne 1,0 MPa, ak bol počiatočný tlak zmesi normálny. Keď je vzduch vo výbušnej zmesi nahradený kyslíkom, tlak výbuchu sa prudko zvyšuje, pretože sa zvyšuje teplota spaľovania.

Pri výbuchu aj stechiometrickej zmesi plynu a vzduchu sa značné množstvo tepla spotrebuje na ohrev dusíka v zmesi, takže teplota výbuchu takýchto zmesí je oveľa nižšia ako teplota výbuchu zmesí s kyslíkom. Výbušný tlak stechiometrickej zmesi metánu, etylénu, acetónu a metyléteru

ra s kyslíkom je 1,5 - 1,9 MPa a ich stechiometrické zmesi so vzduchom sú 1,0 MPa.

Maximálny výbuchový tlak sa používa pri výpočtoch nevýbušnej odolnosti zariadení, ako aj pri výpočtoch bezpečnostných ventilov, výbušných membrán a plášťov nevýbušných elektrických zariadení.

Výbušný tlak P vzr (v MPa) zmesi plynu a vzduchu sa vypočíta podľa vzorca

kde Р 0 je počiatočný tlak výbušnej zmesi, MPa; T 0 a T vzr - počiatočná teplota výbušnej zmesi a teplota výbuchu, K; je počet molekúl plynov produktov spaľovania po výbuchu; je počet molekúl plynu v zmesi pred výbuchom.

Príklad 4.1 . Vypočítajte tlak pri výbuchu zmesi pár etylalkoholu a vzduchu.

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.

Teória tvrdí, že výbuch zmesi plynu alebo pary so vzduchom nie je okamžitý jav. Keď sa zdroj vznietenia zavedie do horľavej zmesi, oxidačná reakcia paliva s oxidačným činidlom začína v oblasti zdroja vznietenia. Rýchlosť oxidačnej reakcie v niektorom elementárnom objeme tejto zóny dosahuje maximum - dochádza k spaľovaniu. Spaľovanie na hranici elementárneho objemu s médiom sa nazýva čelo plameňa. Čelo plameňa vyzerá ako guľa. Hrúbka čela plameňa podľa Ya.B. Zeldovič , rovná 1-100 mikrónov. Aj keď je hrúbka spaľovacej zóny malá, je dostatočná na priebeh spaľovacej reakcie. Teplota čela plameňa vplyvom tepla spaľovacej reakcie je 1000-3000°C a závisí od zloženia horľavej zmesi.

Pri pohybe čela plameňa sa zvyšuje teplota nespálenej časti horľavej zmesi so zvyšujúcim sa tlakom zmesi. V blízkosti čela plameňa tiež stúpa teplota zmesi v dôsledku
prenos tepla tepelnou vodivosťou, difúziou zahriatych molekúl a žiarením. Na vonkajšom povrchu čela plameňa sa táto teplota rovná teplote samovznietenia horľavej zmesi.

Po zapálení horľavej zmesi sa sférický tvar plameňa veľmi rýchlo zdeformuje a stále viac sa priťahuje k ešte nezapálenej zmesi. Natiahnutie čela plameňa a rýchly nárast jeho povrchu je sprevádzaný zvýšením rýchlosti pohybu centrálnej časti plameňa. Toto zrýchlenie trvá dovtedy, kým sa plameň nedotkne stien potrubia alebo v žiadnom prípade nepriblíži sa k stene potrubia. V tomto okamihu sa veľkosť plameňa prudko zmenšuje a z plameňa zostáva len malá časť, ktorá pokrýva celú časť potrubia. Ťahanie predného plameňa,
a jeho intenzívne zrýchlenie ihneď po zapálení iskrou, keď plameň ešte nedosiahol steny potrubia, sú spôsobené zväčšením objemu splodín horenia. V počiatočnom štádiu tvorby čela plameňa, bez ohľadu na stupeň horľavosti plynnej zmesi, teda dochádza k zrýchleniu a následnému spomaleniu plameňa, pričom toto spomalenie bude tým väčšie, čím väčšia bude rýchlosť plameňa.

Zo závislosti možno určiť šírku vykurovacej zóny (v cm).

1 = a/v

kde a- koeficient tepelnej difúznosti; v- rýchlosť šírenia plameňa.

Lineárna rýchlosť jazdy v(v m/s) možno určiť podľa vzorca

V = V t /

kde V t- rýchlosť horenia hmotnosti, g / (s m 3); - hustota počiatočnej horľavej zmesi, kg/m 3 .

Lineárna rýchlosť čela plameňa nie je konštantná, mení sa v závislosti od zloženia. Zmesi a nečistoty inertných (nehorľavých) plynov, teplota zmesi, priemer potrubia a pod. Maximálna rýchlosť šírenia plameňa nie je pozorovaná pri stechiometrickej koncentrácii zmesi, ale v zmesi s prebytkom paliva. Pri zavádzaní inertných plynov do horľavej zmesi sa rýchlosť šírenia plameňa znižuje. Vysvetľuje sa to znížením teploty spaľovania zmesi, pretože časť tepla sa vynakladá na zahrievanie inertných nečistôt, ktoré sa nezúčastňujú reakcie.

S nárastom priemeru rúr sa rýchlosť šírenia plameňa zvyšuje nerovnomerne. S nárastom priemeru rúr na 0,1-0,15 m sa rýchlosť zvyšuje pomerne rýchlo. Teplota stúpa, kým priemer nedosiahne určitý limitný priemer,
nad ktorým nedochádza k zvýšeniu rýchlosti. So zmenšovaním priemeru potrubia sa rýchlosť šírenia plameňa znižuje a pri určitom malom priemere sa plameň v potrubí nešíri. Tento jav možno vysvetliť zvýšením tepelných strát cez steny
potrubia.

Normálna rýchlosť šírenia plameňa je relatívne malá (nie viac ako desiatky metrov za sekundu), ale za určitých podmienok sa plameň v potrubí šíri obrovskou rýchlosťou (od 2 do 5 km/s), ktorá presahuje rýchlosť zvuku v dané prostredie. Tento jav sa nazýval detonácia. Charakteristické znaky detonácie sú nasledovné:

1) konštantná rýchlosť horenia bez ohľadu na priemer potrubia;

So zrýchľovaním plameňa sa zvyšuje aj amplitúda rázovej vlny a teplota kompresie dosahuje teplotu samovznietenia zmesi.

Nárast celkového množstva horiaceho plynu za jednotku času sa vysvetľuje skutočnosťou, že v prúde s premenlivou rýchlosťou v priereze sa čelo plameňa ohýba, v dôsledku čoho sa zväčšuje jeho povrch a zvyšuje sa množstvo horiacej látky. proporcionálne.

Keď sa zmesi plynov spaľujú v uzavretom objeme, produkty spaľovania nefungujú; energia výbuchu sa vynakladá iba na zahrievanie produktov výbuchu. Celková energia je v tomto prípade definovaná ako súčet vnútornej energie výbušnej zmesi Q ex.en.cm. a spaľovacie teplo danej látky ΔQ g. Hodnota Q vn.en.sm. sa rovná súčtu súčinov tepelných kapacít zložiek výbušnej zmesi pri konštantnom objeme a počiatočnej teplote
teplota zmesi

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

kde C 1, C 2, C p - špecifické tepelné kapacity komponentov, ktoré tvoria
výbušná zmes, kJ/(kg K); T - počiatočná teplota zmesi, K.

Teplota výbuchu zmesi plynov pri konštantnom objeme sa vypočíta rovnakou metódou ako teplota spaľovania zmesi pri konštantnom tlaku.

Výbušný tlak sa zistí z teploty výbuchu. Tlak pri výbuchu zmesi plynu a vzduchu v uzavretom objeme závisí od teploty výbuchu a pomeru počtu molekúl splodín horenia k počtu molekúl vo výbušnej zmesi. Pri výbuchu zmesí plynu a vzduchu tlak zvyčajne nepresahuje 1,0 MPa, ak bol počiatočný tlak zmesi normálny. Keď je vzduch vo výbušnej zmesi nahradený kyslíkom, tlak výbuchu sa prudko zvyšuje, pretože sa zvyšuje teplota spaľovania.

Výbušný tlak stechiometrických zmesí metánu, etylénu, acetónu a
metyléter s kyslíkom je 1,5 - 1,9 MPa a ich stechiometrické zmesi so vzduchom sú 1,0 MPa.

R vzr =

kde p 0- počiatočný tlak výbušnej zmesi, MPa; T 0 a T vzr- počiatočná teplota výbušnej zmesi a teplota výbuchu, K;

Počet molekúl plynov produktov spaľovania po výbuchu;
- počet molekúl plynov v zmesi pred výbuchom.

Sekcie