74. Практическое применение теории гашения. Огнепреградитель, физико-химические основы его действия

Если в затухании пламени главную роль играет теплоотвод излучением, который определяет пределы распространения пламени, то для быстрогорящих газовых смесей радиационные потери малы и зона пламени может охлаждаться только путем теплопроводности. Теплоотвод возрастает при уменьшении диаметра канала, по которому распространяется пламя.

Интенсивность теплоотвода q₂ можно определить по закону теплопередачи Ньютона. Для единицы объема охлаждаемого газа:

, (1)

где S/V – отношение поверхности теплоотдачи к величине объема охлаждаемого газа.

Закономерности теплоотдачи остаются такими же, как и в случае теплового взрыва, несмотря на различие этих процессов.

Рассмотрим принцип распространения пламени в трубе с переходом в узкие каналы (рис.1).

Рис. 1. - Принцип распространения пламени в трубе с переходом в узкие каналы

При переходе горения в узкие каналы поверхность теплоотдачи S резко возрастает и соответственно теплопотери к стенкам каналов за счет резкого усиления теплопроводности. В достаточно узких каналах возможны теплопотери, приводящие к гашению даже наиболее быстрогорящих взрывчатых смесей.

Рассмотрим соотношение между теплоприходом (q₁) и теплоотводом (q₂) при горении определенного состава смеси с переходом пламени в узкие каналы (рис. 2), причем d₁ > d_кр > d₃.

Рис.2. - Соотношение между теплоприходом и теплоотводом: q_2' < q_2кр < q_2» – теплопотери канала соответственно при d₁ > d_кр > d₂

При уменьшении диаметра канала возрастает скорость теплопотерь, а следовательно наклон прямых q₂. И при диаметре канала d_кр наступают критические условия гашения пламени.

Возможность горения в узких каналах зависит от трех факторов:

• химического состава горючей среды, определяющего величину нормальной скорости пламени U_н;

• давления смеси Р;

• диаметра пламегасящих каналов d_кр.

Установлено, что в условиях горения газовых смесей на пределе распространения пламени известный в теории теплопередачи безразмерный критерий Пекле (Ре):

, (2)

где коэффициент температурной проводности, зависящий только от давления х ~ 1/Р.

Эмпирически связь между d_кр и давлением смеси Р выражается уравнением:

, (3)

где а – показатель степени для различных составов смесей равен 0,831,0.

Условие постоянства Ре на пределе гашения является основным универсальным законом, определяющим возможности использования огнепреградителей.

Важная особенность гашения пламени в узких каналах заключается в том, что хотя этот процесс обусловлен теплопередачей от газа к твердым стенкам, пределы гашения не зависят от свойств материала стенок пламегасящих каналов, в том числе и теплопроводности. Возможность гашения определяется условиями охлаждения слоя газа, толщина которого соизмерима с шириной фронта пламени.

Такая особенность обусловлена большой разностью плотностей сгорающего газа и материала пламегасителя. В результате газ, сгорающий в огнепреградителе, охлаждается, практически не нагревая при этом стенки канала. Основная часть процесса теплоотдачи реализуется в газовой, а не в твердой фазе, хотя тепло отводится в твердую стенку. Лишь длительное истечение сгоревшего газа через канал может привести к значительному нагреву его стенок.

Следует отметить, что в выражения для критических условий гашения не входит длина пламегасящих каналов. Реально эта зависимость, а также влияние формы пламегасящих каналов существуют. Эта особенность горения в узких каналах используется в огнепреградителях с узкими каналами, отделяющими аппарат, в котором возможно инициирование очагов горения, от защищаемого огнепреградителем окружающего пространства, заполненного взрывчатой средой. Огнепреградитель – устройство противопожарной защиты, которое устанавливают на пожароопасном технологическом аппарате или трубопроводе, свободно пропускающее поток газо-, паровоздушной смеси или жидкости, аэровзвеси через пламегасящий элемент и способствующее локализации пламени. Действие огнепреградителя основано на гашении пламени в узких каналах, через которые свободно проходит горючая смесь. Это происходит лишь при минимальной величине диаметра канала – безопасном диаметре канала пламегасящего элемента, который зависит от химического состава и давления горючей смеси. Гашение пламени в узком канале обусловлено тепловыми потерями из зоны реакции к стенкам канала.

Критический диаметр пламегасящего элемента является характеристикой горючей газовой смеси при определённых температуре и давлении, и представляет собой минимальный диаметр канала, через который пламя данной горючей смеси ещё может распространяться. Критический диаметр канала пламегасящего элемента обратно пропорционален НКРП и составляет 2,5-3,0 мм для смесей органических веществ с воздухом. Величина безопасного диаметра канала пламегасящего элемента (БДКПЭ) стехиометрической водородо- и ацетиленовоздушной смеси, нормальная скорость которых в 4-7 раз больше соответствующей величины для насыщенных углеводородов, составляет 0,85-0,89 мм. Величина БДКПЭ практически не зависит от теплопроводности материала стенок канала вследствие большой разницы между плотностью газа и твёрдого тела. Она слабо зависит от длины канала и снижается с увеличением давления в нём.

Различают сухие и жидкостные огнепреградители. Сухие огнепреградители классифицируют:

• по типу пламегасящего элемента (сетчатые, кассетные, с пламегасящим элементом из гранулированного или пористого материала);

• по месту установки: коммуникационные или вытяжные резервуарные и концевые (для последних длина трубопровода, предназначенного для сообщения с атмосферой, не превышает трёх его внутренних диаметров);

• по времени сохранения работоспособности при воздействии пламени (I класс – время не менее 1 часа; II класс – менее 1 часа).