Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Аэрология горных предприятий. Пыль и ее опасность в промышленности

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 198 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 > Следующая >>>

4.6. Ход пламени при горении

Теплота горения вызывает расширение горящей газовой смеси. В смесях предельного состава расширение очень незначительно, оно быстро увеличивается по мере приближения содержания горючего газа к оптимальному значению. Внезапное расширение газа создает волну давления, берущую начало от места воспламенения, распространяющуюся во всех направлениях газовой смеси со скоростью звука и, следовательно, предшествующую пламени. Ряд таких волн давления с большой скоростью распространяется во всех направлениях, исходя от продвигающейся вперед волны горения или пламени. Если такая волна отразится от встретившегося ей на пути препятствия и пойдет обратно навстречу волне горения, то сначала она приостановит поступательное движение пламени, но, так как волна одновременно сожмет горящую смесь, а равно и находящийся впереди пламени еще невоспламенившийся газ, она будет способствовать значительному возрастанию скорости горения, а следовательно, и скорости распространения пламени.

Где прошло пламя, там остаются нагретые продукты горения, которые немедленно начинают остывать и сжиматься. Получающееся понижение давления задерживает продвижение пламени, а если оно достаточно значительно, то может придать движению пламени обратное направление. Если сжимать газовую смесь в стеклянной трубке, то можно видеть, что вначале пламя будет перемещаться по трубке с равномерной скоростью, а затем, под влиянием ряда сжатий и разрежений, оно приобретет колебательное движение со все возрастающей амплитудой колебаний. Чем быстрее протекает реакция в газовой смеси, тем легче наступает колебание пламени. Во время этого колебательного движения скорость пламени равна приблизительно 700 м/с.

4.7. Взрывная волна

Если горение происходит с такой быстротой, что волна давления вызывает сжатие не воспламенившейся еще газовой

смеси до точки ее воспламенения, то скорость распространения пламени становится весьма большой и образуется взрывная волна. Последняя отличается от волн колебания пламени интенсивностью и быстротой, с которой происходит горение фронта такой волны. Взрывную волну можно рассматривать как одно единственное резкое колебание, охватывающее всю массу газа. Скорость ее зависит от количества выделяемой при горении теплоты, удельной теплоемкости газов и плотности смеси, причем для любой газовой смеси скорость ее распространения является величиной субъективной.

Значения скорости распространения взрывной волны в различных газовых смесях приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Скорость взрыва смесей, подожженных

при температуре 10 С и давлении 760 мм рт. ст.

Смесь Скорость взрыва, м/с

(влажная, насыщенная при 28С) 1703

2CO + O

+ Cl

+ 2O

+ 3O

+ O

1729

2322

2390

2820

Итак, в каждой газовой смеси исходное воспламенение дает начало тепловой волне, которая распространяется с относительно небольшой скоростью и вызывает возгорание еще не затронутого газа. За ней следует волна воспламенения или пламени. Волна повышенного давления, распространяющаяся со скоростью звука, предшествует огневой волне и сжимает находящийся впереди нее газ. Этим ускоряется горение воспламенившегося газа и, следовательно, увеличивается скорость распространения волны воспламенения. Огневая волна оставляет за собой область разрежения такой силы, что образуется вакуум, а это в конечном итоге приводит к обращению (изменению) направления распространения огневой волны. Если волна давления достаточно

интенсивна, то получается взрывная волна, распространяющаяся в газовой смеси приблизительно с удвоенной скоростью звука. Разрушительный эффект взрыва, в отличие от разрушающего действия расширяющихся газов, зависит от удара подобной взрывной волны, распространяющейся с огромной скоростью.

4.8. Давление при взрыве

Развивающееся при горении газовой смеси в ограниченном пространстве давление обусловливается либо нагреванием и расширением газа, либо образованием газообразных продуктов горения. Следовательно, максимальное значение полученного давления будет зависеть от скорости горения и для каждого газа может служить показателем воспламеняемости смеси. Это следует и из результатов опытов, произведенных Дугальдом Клерком (Sir Dugald Clerk) [10] с использованием смесей рудничного газа Олдхэмских копей с воздухом (табл. 4.4).

Приведенные в табл. 4.4 данные показывают, что наибольшее давление и наивысшую температуру давала та смесь, которая взрывалась с наибольшей скоростью.

Также и во всех других случаях сопровождаемого взрывом горения максимальное значение давления определяется скоростью протекания реакции.

Давление при взрыве развивается в силу следующих обстоятельств:

1) обусловленного теплотой горения внезапного расшире-

ния некоторой части газа;

2) внезапного образования большой массы газа в результате сгорания жидкого или твердого горючего тела или внезапного разложения какого-либо весьма неустойчивого химического соединения.

Жидкие и твердые горючие вещества в виде большого куска горят так медленно, что процесс их горения не может привести к взрыву, разве что они являются легко летучими

при температуре воспламенения, тогда в таких случаях может оказаться, что образовавшийся пар горит с интенсивностью, достаточной для взрыва.

Таблица 4.4

Результаты экспериментального исследования параметров

сопровождаемого взрывом горения смеси газа из Олдхэмского

каменного угля и воздуха (температура газов до воспламенения 17 С,

давление атмосферы 14,7 английских футов (lbs.))

Максимальное давление в lbs.

накв. дюйм свыше атмосферного

давления

40,0 806 0,45

51,5 1033 0,310

60,0 1202 0,24

61,0 1220 0,17

78,0 1557 0,08

87,0 1733 0,06

90,0 1792 0,04

91,0 1812 0,055

80,0 1595 0,16

Максимальная

температура, °С

Продолжительность взрыва,с

Опыт

Пропорция газа

(по объему)

1/15

1/14

1/13

1/12

1/10

1/8

1/7

1/6

1/3

Горение твердого или жидкого тела может достигнуть интенсивности, приводящей ко взрыву, лишь в том случае, когда горючий материал мелко раздроблен и тесно смешан с соответствующим объемом воздуха.

4.9. Горение аэрозолей

По структуре своей аэрозоли, конечно, гораздо грубее газовой смеси. Следовательно, как процесс воспламенения, так и сам процесс горения протекает в них медленнее. С другой стороны, аэрозоль часто содержит на единицу объема больше горючего материала, нежели газовая смесь, так что при горении аэрозоля может выделиться гораздо больше те-

плоты и больший объем газообразных продуктов реакции, чем при горении газовой смеси. Некоторое представление о значении давления, способного развиться при взрыве известного объема пылевого облака, с одной стороны, и при взрыве такого же объекта газовой смеси, с другой, дает следующий расчет:

1) вычисляется давление, получающееся при сгорании 1 г сахарной пыли, рассеянной в объеме воздуха, достаточном для полного ее сгорания, при этом делается допущение, что во время реакции объем смеси не изменяется;

2) вычисляется наибольшее значение давления, которое может получиться от взрыва равного объема смеси метана и воздуха (взятых в количественном соотношении их химического соединения), произведенного при постоянном объеме смеси;

3) для обоих расчетов допускают, что во время реакции нет потерь теплоты ни за счет излучения, ни посредством теплопередачи, и что реакция происходит до конца и протекает мгновенно.

Пример расчета

1. Один грамм сахара, распыленный в 3,71 л воздуха при нормальных условиях, дает после сгорания 6,12 г газа, состоящего из азота, углекислого газа и водяного пара; при нормальных условиях такое количество газа занимает объем 4,65 л; если принять, что реакция идет так быстро, что при этом не происходит потери теплоты излучением, то теплота реакции будет равна 3950 г/кал; этого количества теплоты достаточно, чтобы поднять температуру продуктов реакции до 4300 С.

Принимая, что объем продуктов реакции с повышением



температуры на каждый градус увеличивается на

273

, находим, что по окончании реакции при неизменном давлении объем газа

⋅

4,65 4300

73,2 .

273

Таким образом, теоретически возможное максимальное давление, получающееся при горении 3,71 л воздуха, содержащего 1 г сахарной пыли,

73,2

атм=

19,7 .

3,71

2. Смесь метана с воздухом объемом 3,71 л дает при взрыве 3,71 л (измеренных при нормальных условиях) смеси угольной кислоты, водяного пара и азота; теплота проведенной реакции численно равна 3150 г/кал; если предположить, что при этом совершенно не происходит потери тепла, то можно сказать, что образовавшегося количества теплоты достаточно, чтобы поднять температуру продуктов реакции до численного значения в 3620 С.

Следовательно, в этом случае общий объем получивших-

ся продуктов реакции при постоянном давлении

⋅

3,71 3620

49,2 .

273

Отсюда следует, что максимальное давление, способное

развиться,

49,2

атм=

13,2 .

3,71

Полученное значение, конечно, гораздо выше значения, получаемого экспериментальным путем, по следующим причинам:

– значительная часть выделяющейся при реакции тепло-

ты утрачивается излучением и теплопередачей;

– сама реакция не может быть доведена до конца – она будет замедлена или приостановлена накопившимися продуктами реакции.

При взрыве пыли, вследствие неизбежно более медленного протекания реакции, потери теплоты посредством излучения будут больше. Однако, несмотря на это, предельное давление, способное развиться при взрыве пыли, все же ока-

зывается того же порядка, что и получаемое при взрыве газовой смеси. Что касается скорости распространения пламени при взрыве, то, вследствие более медленного сгорания пылевых частиц, она несколько меньше.

Контрольные вопросы

1. Что способствует возгоранию на производстве?

2. Что такое воспламенение?

3. В какое время года больше вероятность возгорания и

почему?

4. Чем опасно колебание пламени при горении?

5. Перечислите различные параметры взрыва, которые

приводят к смертельным случаям.

6. Какие этапы, приводящие ко взрыву, можно выде-

лить, какие действия можно предпринять на каждом из них?

7. Смог бы супергерой, перемещающийся со скоростью звука/света, остановить взрыв на производстве, если бы находился при этом вне помещения, в котором произошло возгорание?

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗРЫВОВ ПЫЛИ

Ряд весьма тяжелых по своим последствиям взрывов на фабриках и заводах, имевших место в 1911 г. в Англии, заставил обратить внимание на взрывчатый характер клубов пыли, образующейся при некоторых процессах производства. Это привело к систематическому исследованию воспламеняемости фабричной пыли.

Заведующий опытной станцией при Алтофтских копях – доктор Уиллер (R.V. Wheeler) исследовал [11] свойства 60 различных видов пыли, образующихся на мельницах и фабриках. Он определил для каждого вида пыли следующие характеристики:

1) относительную температуру начала горения, т.е. самую низкую температуру, при которой пыль легко воспламеняется, которая является важной характеристикой, так как с ее помощью определяется степень опасности того или иного вида пыли;

2) наиболее низкую температуру, при которой более взрывоопасные пыли могут воспламениться, на основании которой можно составить представление о возможности воспламенения пыли от столь обычных причин, как электрическая искра, нагретый металл или зажженная спичка.

5.1. Относительная температура воспламенения

Температура эта была определена продуванием клубов пыли через закрученную в спираль платиновую проволоку, температуру которой легко было измерять и регулировать. В горизонтально расположенную, открытую с обоих концов стеклянную трубку длиной 140 см и диаметром 8 см была введена платиновая проволока 32-го калибра, плотно намотанная на тонкостенную капиллярную кварцевую трубку. Температура проволоки измерялась термоэлектрической парой, проходившей через отверстие кварцевой трубки. Подлежащая исследованию пыль была расположена ровным

слоем вдоль стеклянного цилиндра длиной 45 см и внутренним диаметром 2,5 см. Цилиндр этот был вдвинут в стеклянную трубку, причем открытый конец его отстоял от нагретой платиновой спирали на расстоянии приблизительно 30 см, в то время как противоположный конец с помощью снабженной краном трубки сообщался с прибором, обеспечивающим постоянную подачу струи воздуха.

Во время опыта платиновая спираль нагревалась до соответствующей, определенной в ходе предварительного опыта температуры, в то же время открывался кран, причем струя воздуха проникала в прибор и вздымала клубы пыли в стеклянном цилиндре. Если воспламенение наступало, то температуру платиновой спирали понижали на 10…20 С и повторяли опыт. Таким образом, в конце концов находили два значения температуры, различавшихся приблизительно на десять градусов, причем при одном из этих значений пыль воспламенялась легко, в то время как при другом значении воспламенение совсем не наступало. Среднее арифметическое этих двух значений температуры рассматривалось как температура воспламенения пыли (в условиях опыта). В горящей пыли исследовался путь распространения пламени как в направлении, совпадающем с направлением распространения пылевого облака, так и в обратном. В некоторых случаях пламя выбивалось из открытого конца цилиндра, в других – оно удалялось от нагретой платиновой спирали не более чем на 50…60 см. Некоторые виды пыли, преимущественно такие, которые содержат большое количество негорючего вещества, загораются только в непосредственной близости от спирали, и распространения пламени не происходит.

Все исследованные виды пыли подвергались предварительному высушиванию в течение одного часа при температуре 107 С. Степень их размельчения была приблизительно одинаковой, что достигалось путем просеивания пыли через сито в 200 отверстий на квадратный дюйм. В некоторых случаях, однако, вследствие плотной консистенции вещества,

отсеивание не могло быть произведено, в других – проба оказалась настолько крупнозернистой, что не просеивалась сквозь сито в 200 отверстий на дюйм. Температура воспламенения такой грубозернистой пыли не может считаться сравнимой с данными для других видов пыли, и опыт с ними может лишь дать ответ на вопрос, насколько пыль легко воспламеняется, т.е. насколько она опасна.

Полученные опытным путем значения температуры начала горения являются величинами относительными, они верны только для условий данного опыта. Совершенно другие данные были бы получены в случае, если изменена была степень размельчения пыли, ее концентрация или количество содержащегося в ней негорючего вещества. Результаты исследований различных видов пыли приведены в табл. 5.1.

Температура воспламенения большинства видов битуминозной каменноугольной пыли, определенная с помощью описанного выше прибора, близка к 1000 С. Следовательно, многие из исследованных видов пыли, особенно сахарная пыль, воспламеняются легче, нежели битуминозная угольная пыль.

Таблица 5.1

Температура воспламенения различных видов пыли

при мгновенном нагревании малых участков пылевого облака

Содержание мелких

Вещество

Сахар 50 805

Декстрин

Жмых масляный 30 945 – Жмых смешан-

ный

Крахмал 100 960

Опилки древесные

частиц в пробе, проходящей

через сито в 200отверстий,

%объемн.

Проба просеялась почти

полностью

10 955 Быстрое продвижение пламени

20 970 –

Температура

воспламе-

нения,С

940

Примечания

Пламя очень быстро охватило

облако

Пламя быстро распространи-

лось

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 198 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]