Расчет кпрп

Нижний КПРП для газов, если известно нижняя теплота сгорания Q_н, рассчитывается по формуле:

= (4.2)

Нижний и верхний КПРП для органических веществ (в том числе и жидкостей) рассчитывается по формуле:

= (4.3)

где β – стехиометрический коэффициент;

а и β – эмпирические коэффициенты.

Расчет КПРП для смеси газов (формула Ле-Шателье):

[%]. (4.4)

где φ_i – концентрація i-го компонента;

φ_in – КПРП i-го компонента.

Расчет КПРП при наличии флегматизирующих добавок:

(4.5)

где φ_н.г. – концентрация флегматизаторов.

φ_п.см.ф. – нижний или верхний КПРП.

Вопросы для самоконтроля

1. Что понимают под КПРП? Приведите примеры значений КПРП.

2. Какими теориями объясняют наличие КПРП, в чем их сущность?

3. Как изменяются значения КПРП в гомологическом ряду,

о чем это говорит?

4. Перечислите факторы, влияющие на КПРП.

5. Охарактеризуйте влияние различных факторов на КПРП, приведите примеры использования этого для обеспечения пожарной безопасности.

4.3. Распространение горения по газопаровоздушным смесям

Основные виды горения ГПВС приведены на рис. 4.2 (см. также гл. 1).

Рис. 4.2. Классификация видов горения ГПВС

Рассмотрим подробней распространение горения при указанных видах горения.

Кинетическое горение газов и паров

Кинетическим называют горение заранее приготовленной смеси, скорость его определяется скоростью химических превращений (поэтому очень быстрое). Температура горения достигает 2500 – 3000 С.

В связи с высокой скоростью кинетического горения продукты горения и свежая смесь сжимаются и образуется ударная волна – главная разрушительная сила взрыва. Избыточное давление достигает 1 000 кПа для дефлаграционного и до 50 000 кПа для детонационного горения.

Ввиду того, что толщина кинетического пламени мала (меньше 0,1 мм), ею часто пренебрегают и пламя рассматривают не как часть пространства, а как поверхность, и говорят о «фронте пламени». Тем не менее, под фронтом пламени понимают часть пространства, в котором начинается и завершается химическая реакция взаимодействия горючего вещества и окислителя.

Плоское пламя неустойчиво, малые возмущения фронта пламени самопроизвольно возрастают – пламя автотурбулизируется. Это приводит к тому, что при достаточных расстояниях происходит детонация.

Распространение пламени при кинетическом горении объясняют следующими механизмами (теориями).

Диффузионный механизм. Перемещение фронта пламени происходит за счет диффузии активных центров – радикалов, атомов водорода Н из зоны химической реакции, где при высокой температуре они образуются в избытке, в свежую смесь. Обладая чрезвычайно высокой реакционной способностью (т.е. очень малым значением энергии активации), они способны уже при нормальной температуре являться центрами химической реакции взаимодействия горючего с окислителем. Поэтому, попадая в относительно холодную свежую горючую смесь перед фронтом пламени, они инициируют химическую реакцию горения, и тем самым осуществляется перемещение фронта пламени в пространстве.

Тепловой механизм. Пламя распространяется за счет потока тепла, который в основном за счет теплопроводности нагревает смесь до температуры самовоспламенения. В результате происходит самопроизвольная химическая реакция. Поскольку тепловой поток передается непрерывно, происходит последовательное воспламенение горючей среды, т.е. перемещение фронта пламени по свежей смеси.

Деление механизма распространения пламени на тепловой и диффузионный является условным и отражает недостаточно полное представление о фактическом механизме процесса. Тепловая теория может быть применима при различных механизмах реакции в пламени, если только соблюдается подобие полей температур и концентраций. Диффузионная теория применяется при цепном механизме распространения пламени, и особенно в тех случаях, когда велика концентрация атомов водорода в зоне реакции. Считается, что на самом деле в процессе перемещения фронта пламени по свежей смеси существенны оба фактора: и тепловой, и диффузионный, т.е. имеет место диффузионно-тепловой механизм распространения пламени.

При распространении горения активные центры (R, атомы Н) из зоны пламени диффундируют в предпламенную зону, где горючее окисляется до СО и Н₂О с небольшими добавками СО₂ и Н₂. Когда температура фронта пламени (границы предпламенной и пламенной зоны) достигает значения температуры самовоспламенения Т_св, скорость тепловыделения резко превышает скорость теплопотерь и происходит «цепочно-тепловой взрыв», дающий поток активных центров в свежую смесь.

При переходе разветвленного цепного процесса в цепочно-тепловой взрыв скачкообразно меняется температурная зависимость скорости реакции. Если в медленном режиме (ТТ_св) эта зависимость равна аррениусовской:

, (4.6)

где и ‑ концентрации реагентов;

и ‑ показатели порядка реакции, то в режиме цепочно-теплового взрыва  .

Различают следующие скорости пламени:

• видимая (наблюдаемая – относительно стенки);

• нормальная U_н («фундаментальная» – относительно свежей смеси по нормали к поверхности пламени). U_н – важнейшая характеристика пожаровзрывоопасности газов.

• массовая скорость горения: метан – U_м = 0,08 кг/м²с;

нефть (пары) U_м = 0,04 кг/м²с (меньше, чем у газа).

Значение нормальной скорости пламени U_н при кинетическом горении обычно лежит в пределах U_н = 2,5 – 10 (до 160) м/с (как уже отмечалось выше, такая высокая скорость может породить ударную волну). Существует предельная скорость пламени, ниже которой горение становится невозможным U_пред = 0,04 м/с.

Распространение кинетического горения рассмотрим на примере трубы Коварда-Джонса (рис. 4.3).

И.З.  U_пл U_пл U_пл

Рис. 4.3. Распространение кинетического горения

При внесении источника зажигания (И.З.) в подготовленную ГПВС происходит сферическое распространение пламени. При движении в сторону глухой стенки происходит затухание неразогнавшегося фронта пламени. Движение в сторону открытой части трубы характеризуется торможением частей пламени, прилегающих к стенкам. Ускорение центральной части пламени приводит к росту площади пламени и увеличению интенсивности горения. Встреча с препятствием приводит к турбулизации пламени и росту его скорости.

В некоторых условиях нормальная скорость пламени U_н растет и достигает 2,5 – 5 км/с – дефлаграционное горение переходит в детонацию (Р_взр = 50 000 кПа, очень высокое, в 50 раз больше, чем при обыкновенном взрыве). Детонация характеризуется появлением новых очагов горения еще до подхода фронта пламени, т.е. горение распространяется быстрее фронта пламени. Это происходит за счет повышения давления перед фронтом пламени (рис. 4.4).

Для перехода горения в детонацию необходимо достаточное расстояние, которое называют критическим. Для водорода критическое расстояние L_кр = 70 м, для этана – 600 м, для пропана – 3500 м, для метана – 5 000 м.

U_пл

Рис. 4.4. Появление новых очагов горения перед фронтом пламени

при детонационном кинетическом горении

Факторы (условия), влияющие на скорость пламени U_пл:

• природа горючего. Так, малореакционный метан, бензин имеют скорости пламени до 40 м/с, среднереакционный этан, пропан – до 80 м/с, высокореакционный водород, ацетилен – до 160 м/с;

• состав смеси. Максимальная скорость пламени достигается при стехиометрической концентрации, минимальная – при нижнем или верхнем К. Флегматизаторы и ингибиторы тормозят скорость пламени;

• теплопроводность;

• теплоемкость газа;

• турбулентность (препятствия) увеличивает скорость пламени, способствует детонации. Препятствия сокращают критические расстояния L_кр. Чем больше размеры препятствия, тем легче переход в детонацию.

• конфигурация пространства. Разгон пламени происходит при соотношениях длины помещения к его диаметру L/D1. Расширение продуктов горения приводит к движению газа перед фронтом, генерируется турбулентность, увеличивается площадь пламени, что увеличивает вероятность перехода в детонацию;

• орошение облака распыленными струями (ускоряет горение и провоцирует детонацию).

В целом, скорость горения описывается выражением

(4.7)

где U_н – нормальная скорость пламени;

– степень расширения продуктов горения.