Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
3.3. Вынужденное воспламенение (зажигание)
Вынужденное воспламенение (зажигание)– это процесс инициирования
начального очага горения в горючей смеси за счет ввода в смесь извне
высокотемпературного источника тепловой энергии. Происхождение
источника зажигания может быть различным. Его высокая температура может
быть следствием нагрева (накаленное тело), химической реакции (пламя),
электрического разряда (электрические и электростатические искры),
механического трения (зажигание спички, искры при заточке инструмента)
или соударения (кремень) твердых тел.
Поджигание заключается в быстром локальном разогреве горючей
смеси, который приводит к резкому протеканию реакции в разогретом объеме.
Зажигание при контакте с накаленной поверхностью происходит, если
температура этой поверхности превышает некоторое предельное значение,
называемое температурой зажигания.
Температура зажигания горючей смеси всегда выше температуры
самовоспламенения. Это обусловлено разными условиями теплоотвода из
зоны реакции: при самовоспламенении смесь окружена высоконагретыми
стенками, а при зажигании – холодными.
Однако не всякий высокотемпературный источник вызывает в горючей
смеси очаг пламени. Пламя появляется лишь в том случае, если энергия,
выделяющаяся из источника, превышает некоторую величину, называемую
минимальной энергией зажигания.
51
РАЗДЕЛ 4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ГОРЕНИЯ
4.1. Горение паровоздушных и пылевоздушных смесей
Газы – вещества, давление насыщенных паров которых при температуре
25°C и давлении 101,3 кПа превышает 101,3 кПа (1атм).
Режим процесса горения называется кинетическим, если горючее с
окислителем заранее перемешаны или смешиваются на подходе к пламени.
Нормальная скорость распространения пламени uн – это минимальная
скорость, с которой пламя распространяется в горючей среде по нормали к
своему фронту (размерность м/с)
Форма фронта пламени, возникшего от небольшого источника
зажигания в неподвижной однородной среде – сферическая, а в ряде случаев,
например, при горении в трубах, может быть плоской.
Наблюдаемая в реальных условиях скорость распространения пламени
относительно неподвижных предметов (стенки трубы, сосуда и т.п.),
называется видимой скоростью Uв, м/с.
Нормальная скорость распространения пламени зависит от
теплофизических свойств газо-, паровоздушной смеси. Но в еще большей
степени скорость распространения зависит от ее физико-химических свойств
- скорости и температуры реакции горения.
Нижним (верхним) концентрационным пределом распространения
пламени называется — минимальное (максимальное) содержание горючего
вещества в однородной смеси с окислительной средой, при котором возможно
распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника
зажигания (ГОСТ 12.1. 044 – 89* Пожаровзрывоопасность веществ и
материалов. Номенклатура показателей и методы их определения).
Область распространения КПР – область объемных (массовых) долей
горючего в смеси с окислительной средой, заключенная между нижним и
верхним концентрационными пределами распространения пламени. Если
смесь не имеет КПР, то она негорючая (рисунок 4.1).
52
Рисунок 4.1 - Безопасные, взрывоопасные и пожароопасные концентрации
горючего в смеси
КПР определяются экспериментально по методике, приведенной в
ГОСТ 12.1.044.
В соответствии с тепловой теорией наличие пределов распространения
можно объяснить тем, что для распространения пламени по горючей среде
необходимо выделение определённого количества тепла.
4.1.1 Лабораторная работа № 5 «Исследование горючести
паровоздушных смесей»
Цель работы: Исследовать горючесть паровоздушной смеси при
концентрациях горючего за пределами и внутри области воспламенения
Описание установки:
Рисунок 4.2 – Схема лабораторной установки по исследованию горючести
паровоздушной смеси (гексана с воздухом) при концентрациях горючего за
пределами и внутри области воспламенения
53
Установка представляет собой цилиндр из кварцевого стекла,
Пределы
воспламенения
Значения коэффициентов
a
b
НКПР
8,684
4,679
ВКПР при 7,5
> 7,5
1,550
0,560
0,768
6,554
заглушенный с одного конца фильтровальной бумагой с внутренним
диаметром 40 мм и длинной 1,0 м. В пробку, закрывающую кварцевую трубу,
вмонтирован источник зажигания в виде нихромовой спирали, нагреваемой от
электросети (рисунок 4.2). Величина тока регулируется с помощью
лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа). Температура нагрева
электрической спирали источника зажигания около 1050 °С
Порядок выполнения работы:
1. Получить жидкость для эксперимента на (ацетон, толуол, этанол и
др.).
2. Записать уравнение химической реакции горения в воздухе
жидкости, взятой для эксперимента.
Пример записи (для гексана):
С6Н14+9,5(O2+3,76N2)=7H2O+6CO2+9,53,76N
2,
β=9,5
3. Найти молярную массу горючей жидкости:
M=86,176 г/моль
4. Для паров жидкости рассчитать нижний и верхний концентрационный
предел распространения пламени по формуле:
% (4.1)
где – стехиометрический коэффициент при воздухе в уравнении реакции
горения;
а и b – эмпирические коэффициенты, которые приведены в таблице 4.1
Таблица 4.1– Коэффициенты а и b для расчета КПР
54
5. Согласно заданным условиям рассчитать 1 = 0,9НКПР, 2 =
(4.3)
(4.2)
= 1,1 ВКПР.
з
стех
,
где 1 – пожаро- взрывобезопасная концентрация i-ro горючего газа %, об.;
– взрывоопасная концентрация i-ro горючего газа %, об.;
2
3– пожароопасная концентрация i-ro горючего газа %, об.;
Пример расчета (для гексана):
6. Рассчитать объем V
цил
внутреннего свободного пространства цилиндра,
замерив его диаметр и длину.
Пример расчета (для трубы d = 4 см, L= 100 см)
π×
7. Рассчитать молярный объем газа для заданных условий.
8. Из справочной литературы найти плотность экспериментальной
жидкости.
9. Рассчитать объем жидкости, который нужно внести в цилиндр для
получения горючей смеси i-той концентрации по формуле:
где i – концентрации i-ro горючего газа;
М – молярная масса вещества.
Пример расчета (для гексана):
3
55
гексана
= 0,6594 г/см
t
1
2
V
= (V0·P0 / T0)·(T/ P) = (22,4·793/ 273) = 24,04 л/моль
м
V
1=Vцил·1
·М/(102·103·Vм·pг)=(1256·1,035∙86,176)/(100· 1000·24,04·0,6594)=0,07 мл
пожаро-взрывобезопасная концентрация горючего вещества;
V2=V
·М/(102·103·Vм·pг)=(1256·2,16·86,176)/(100·1000·24,04·0,6594)=0,147 мл
цил·2
взрывоопасная концентрация горючего вещества;
V
3 Vцил·3
·М/(102·103·Vм·pг)=1256·7,94·86,176)/(100·1000·24,04·0,6594)=0,542 мл
пожароопасная концентрация горючего вещества.
10. Подготовить к эксперименту лабораторную установку.
Рисунок 4.3 – Лабораторная установка для определения горючести
паровоздушной смеси при концентрациях горючего за пределами и внутри
области воспламенения: 1-кварцевая труба, 2-лаборторный трансформатор
11. Эксперимент выполняется в кварцевой трубе при принудительном
импульсном зажигании.
12. Залить с открытого конца с помощью пипетки рассчитанный
объем легковоспламеняющейся жидкости, необходимый для создания
заданной концентрации 1. Закрыть конец трубки мокрой фильтровальной
бумагой. Поворачивая и наклоняя цилиндр, добиться полного испарения
56
влитой жидкости и перемешивания, образовавшегося пара с воздухом. Затем
включить нагрев спирали источника зажигания кнопкой «ВКЛ».
13. Зафиксировать эффект, происходящий в трубе.
14. Продувая предварительно цилиндр свежим воздухом повторить
испытания для концентраций 2 и 3.
15. По окончанию эксперимента записать выводы.
Контрольные вопросы:
1. Дать определение НКПВ и ВКПР.
2. Какая взаимосвязь между НКПВ и НТПВ?
3. Дать определение парциального давления пара.
4. Какими показателями характеризуется пожарная опасность
горючих пылей, дайте их определение и укажите область практического
применения.
5. Назовите особенности горения пылевидных веществ.
6. Какими показателями характеризуется пожарная опасность
горючих пылей, дайте их определение и укажите область практического
применения.
57
4.2 Горение жидкостей
Свойство пламени к самопроизвольному распространению имеет место
не только в случае горения смесей горючих газов с окислителем, но и при
горении жидкостей и твердых веществ.
Пожары в резервуарном парке горючих жидкостей является весьма
распространенным и опасными источниками чрезвычайных ситуаций. К
наиболее распространенным ситуациям, вызывающим пожары в резервуарном
парке, относятся полное разрушение резервуара, перелив жидкости через его
край и утечки при наполнении либо опорожнении резервуара.
Жидкости – вещества, давление насыщенных паров которых при
температуре 25 °C и давлении 101.3 кПа меньше 101,3 кПа. Горение жидкости
рассматривается как горение ее паров в смеси с воздухом.
Горение жидкости происходит в паровоздушной фазе, следовательно, на
процесс горения оказывает влияние испарение жидкости. Горение жидкости
складывается из двух процессов:
испарение;
горение паровоздушной смеси.
Факторы, влияющие на скорость испарения:
природа (состав) вещества: молекулярная масса, вязкость;
давление над поверхностью жидкости;
температура среды;
количество тепла, выделяющегося при горении жидкости;
скорость движения среды;
В результате теплового движения часть молекул, преодолевая силы
поверхностного натяжения жидкости, переходят в паровую фазу, образуя над
поверхностью жидкостей паровоздушную смесь.
Линейная скорость распространения пламени VЛ по поверхности
жидкости является качественной характеристикой горючего вещества и
параметром, который может определять развитие пожара.
58
Экспериментальный показатель скорости зависит от многих факторов, из
которых основными являются: природа горючего вещества, его концентрация
и температура окружающей среды. Перечисленные характеристики могут, как
уменьшить, так и увеличить VЛ. ЛВЖ наиболее опасны при пожаре, так как
обладают высокой скоростью распространения пламени по поверхности.
Распределение температуры жидкости по глубине резервуара носит
различный характер. В некоторых жидкостях по мере удаления от
поверхности температура плавно понижается. В других – формируется слой,
практически равномерно прогретый до температуры, близкой к температуре
кипения. Этот слой называется гомотермическим. Он может образовываться
как в индивидуальных, так и в поликомпонентных жидкостях (то есть в
жидкостях сложного состава).
При возникновении гомотермического слоя жидкость как бы
разделяется на два слоя. В верхнем нагретом слое с увеличением расстояния
от поверхности жидкости температура понижается очень медленно. Разность
температур на поверхности и на нижней границе гомотермического слоя очень
мала. В нижнем слое температура быстро падает по мере удаления от нижней
границы гомотермического слоя
Скорость выгорания является характеристикой, необходимой для
принятия мер, ограничивающие масштабы развития пожара и возможный
материальный ущерб. Основным достоверным источником данных по
скорости выгорания жидкостей являются лабораторные испытания, в которых
это параметр определяется путем непосредственного измерения.
После воспламенения довольно быстро устанавливается стационарный
режим горения с постоянной скоростью выгорания. Приближенно считается,
что скорость выгорания численно равна скорости испарения жидкости в
условиях пожара.
Удельную массовую скорость выгорания горючей жидкости определяют
экспериментально, фиксируя уменьшение массы жидкости за заданный
промежуток времени.
59
4.2.1 Лабораторная работа № 6 Определение скорости распространения
пламени по поверхности горючих жидкостей
Цель работы: изучение зависимости скорости распространения пламени
от концентрации водных растворов горючих жидкостей.
Материалы и оборудование, используемые в работе:
Рисунок 4.4 - Схема экспериментальной установки:
1 – желоб с горючей жидкостью; 2 – секундомер; 3 – заслонка;
4 – термометр; 5 – запальное устройство;
а - б – контрольный участок.
Установка состоит из нескольких модулей: резервуар с охлаждающей
жидкостью для отвода тепла; желоб для исследуемой жидкости; планка с
датчиками пламени; откидная крышка (рисунок 4.4).
Основной частью установки является желоб, сделанный из профиля
размером 25×30×1000 мм, который наполняется исследуемой жидкостью
объемом 50 мл. Для охлаждения и поддержания температуры испытуемых
растворов, применяется резервуар, наполненный холодной проточной водой.
Для измерения линейной скорости горения используется заслонка.
Контроль времени прохождения пламени, заданного расстояния,
обеспечивает секундомер, который включается после того как жидкость в
отсеке поджигается и открывается заслонка.
Порядок выполнения работы:
1. Получить жидкость для эксперимента (этиловый спирт).
2. Записать химическую формулу вещества и химическую реакцию
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]