Kursov-FHMIPGiV-MAGISTR

Параметры взрыва: давление и температура и их зависимости от концентрации горючего

Одним из важнейших показателей пожарной опасности веществ и материалов является максимальное давление взрыва. Максимальное давление взрыва – это наибольшее избыточное давление, возникающее при дефлаграционном сгорании газо-, пароили пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении 101,3 кПа. Значение максимального давления взрыва применяют при определении категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности в соответствии с требованиями норм технологического проектирования, при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности технологических процессов.

Сущность экспериментального метода определения максимального давления взрыва заключается в зажигании газо-, паро- и пылевоздушной смеси заданного состава в объёме реакционного сосуда и регистрации избыточного развивающегося при воспламенении горючей смеси давления. Изменяя концентрацию горючего в смеси, выявляют максимальное значение давления взрыва. Если экспериментальное значение максимального давления взрыва неизвестно, т.е. экспериментально не определялось, его значение рассчитывают теоретически, исходя из положения, что давление в газовой смеси заданного объема определяется числом молей вещества и его температурой (уравнение Менделеева-Клапейрона)

при V=const давление в замкнутой системе будет изменяться в соответствии с уравнением

а nпг и nгс – число молей продуктов горения и исходной горючей смеси.

Изменение числа молей в ходе химического превращения либо незначительно, либо вовсе не происходит как, например, при сгорании

5

метана, поэтому давление взрыва главным образом зависит от температуры взрыва.

Напомним о различиях в терминах: «адиабатическая температура горения» и «температура взрыва». Адиабатической температурой горения называют максимальную температуру продуктов, образующихся при сгорании горючей смеси в изобарно-адиабатических условиях, т.е. при постоянном давлении (газовая смесь свободно расширяется) и без потерь тепла. В таких условиях часть выделившейся при химическом превращении теплоты затрачивается на увеличение внутренней энергии системы, т.е. на повышение температуры, а часть расходуется на совершение работы по расширению газа. Температурой взрыва называют максимальную температуру продуктов, образующихся при сгорании горючей смеси в изохорно-адиабатических условиях, т.е. при постоянном объёме и без потерь тепла. Так как при взрыве изменение объёма не происходит, то вся выделившаяся теплота идёт на увеличение внутренней энергии. Поэтому для одного и того же вещества температура взрыва всегда выше адиабатической температуры горения.

Температура горения и температура взрыва зависят от концентрации горючего в паровоздушной смеси. Их расчётные значения будут минимальными на нижнем и верхнем концентрационных пределах распространения пламени и будут расти при приближении смеси к стехиометрическому составу. Таким же образом выглядит и зависимость давления взрыва от концентрации горючей в газо-воздушной смеси (рис. 1

и 2).

Tвзр Pвзр

6

Расчёт максимального давления взрыва по ГОСТ 12.1.004-89 проводят для стехиометрической смеси, принимая, что температура взрыва такой смеси максимальна.

где Tвзрстех - температура взрыва стехиометрической смеси.

Для построения зависимости давления взрыва от концентрации горючего необходимо рассчитать температуру взрыва при нескольких значениях концентрации горючего. Температура взрыва бедных и стехиометрической смесей рассчитывается достаточно просто. При сгорании таких смесей продуктами горения в основном являются СО2, Н2О, N2 и О2, термической диссоциацией которых при нагревании можно пренебречь. В богатых смесях в избытке находится горючее вещество. Большинство горючих веществ даже при относительно невысоких температурах подвергается пиролизу. Например, большинство углеводородов подвергаются термическому разложению с образованием различных продуктов уже при температуре 300 ÷ 400оС. Учесть вклад этих процессов на общее тепловыделение достаточно сложно. Поэтому при расчёте давления взрыва обычно ограничиваются бедными и стехиометрическими газо-воздушными смесями.

Температуру взрыва находят методом последовательных приближений по известной зависимости внутренней энергии продуктов взрыва от температуры.

В бедных смесях, где коэффициент избытка воздуха α > 1, часть выделившейся теплоты расходуется на нагрев избытка воздуха, поэтому при уменьшении концентрации горючего от стехиометрической до НКПР, температура и соответственно давление взрыва будут снижаться. Для построения зависимости Tвзр и Pвзр от φг в области от φн до φстех можно

задаться несколькими значениями концентраций горючего, например, равными: φн, 1,2 φн, 1,4 φн, 0,8 φстех и φстех и для этих пяти значений рассчитать температуру и давление.

7

10