4.2.2. Метод визначення концентраційних меж поширення полум'я

Існує безліч експериментальних і розрахункових способів визначення КМПП.

Для експериментального знаходження КМ застосовують різні прилади, але найбільше поширення для визначення меж запалення газоподібних вуглеводневих горючих речовин при кімнатній температурі і атмосферному тиску отримав прилад КМ. Основою приладу є реакційна судина, виконана з термостійкого скла, достатнього діаметру, щоб виключити гасячий вплив стінок, і достатньої довжини, щоб пересвідчитися, що горіння, яке виникає, може поширюватися по суміші скіль завгодно далеко від джерела запалювання.

Так, більш точні дослідження останніх років показали, що концентраційні межі, при яких відбувається поширення полум'я, не співпадають з концентраційними межами, при яких взагалі можливе виникнення горіння. При розташуванні ДЗ у верхній частині горючої суміші відбувається поширення полум'я зверху вниз. За рахунок впливу сил природної конвекції на процес тепло- і масопередачі при горінні, значна частина тепла поступає не до свіжої горючої суміші, а несеться з продуктами горіння вгору. Існують такі граничні концентрації суміші, при яких відбувається тільки запалення, але полум'я від точки запалювання або не поширюється, або поширення полум'я йде тільки в горизонтальному напрямі, після чого полум'я згасне, не розповсюджуючись на шари газової суміші, які лежать нижче. Отже запалення в верхній частині реакційної труби можливе лише в більш вузькому діапазоні концентрацій.

У практичній діяльності Вам частіше доведеться використовувати розрахункові методи визначення КМПП.

НКМПП можна визначити з умови мінімальної енергії, необхідної для підтримки процесу горіння.

Q_н           ----------             100%

Q _{кр         ---------------}          φ^о_н, %

Встановлено, що кількість тепла, що виділяється при горінні бідних сумішей, для більшості вуглеводневих горючих речовин приблизно дорівнює 1830 кДж/м³.

З пропорції можна визначити НКМПП як:

4.2.3 Чинники, що впливають на концентраційні межі

Концентраційні межі поширення полум'я можуть сильно змінюватися при зміні зовнішніх умов. Зміни КМПП можуть бути пояснені з точки зору теплового балансу тепловиділення і тепловіддачі в системі. Всі чинники, зміна яких приведе до збільшення тепловиділення, будуть розширювати КМПП (знижувати нижню КМПП і підвищувати верхню КМПП), а чинники, які збільшують тепловіддачу, будуть звужувати область запалення (збільшувати нижню КМПП і зменшувати верхню КМПП). Найбільше значення в зміні КМПП мають:

-         концентрації окислювача в окислювальному середовищі;

-         домішки інертних газів (флегматизаторів);

-         температура і тиск суміші;

-         потужність ДЗ;

-          міра турбулізації газового потоку;

-         добавки каталізаторів і ингібіторів.

 

Концентрація кисню в окислювальному середовищі

Збільшення концентрації кисню в окислювальному середовищі від 21% в повітрі до 100% приведе до збільшення швидкості хімічної реакції, а, отже, і інтенсивності тепловиділення, що приведе до розширення зони вибухонебезпечних концентрацій.

При зниженні концентрації окислювача КМПП вужчають, і є таке мінімальне значення концентрації окислювача, при якому нижня і верхня КМПП зіллються. Така концентрація кисня називається мінімальної вибухонебезпечної, і позначається φ_мвкк. Надалі ми будемо розраховувати цей параметр для індивідуальної речовини.

 

Концентрація інертних компонентів

При введенні інертних газів в горючу суміш область вибухонебезпечних концентрацій вужчає, в основному за рахунок верхньої КМПП, так як в сумішах при НКМПП завжди є велика нестача горючої речовини і надлишок кисню. Надлишковий кисень сам грає роль інертної домішки, тому введення до суміші негорючих домішок замість кисню не змінює чисельне значення нижньої концентраційної межі. При ВКМПП кисню недостатньо для повного горіння, тому при збільшенні вмісту інертних домішок ВКМПП різко меншає.

При деякій концентрації негорючого газу, званій мінімальною флегматизуючею концентрацією, обидві межі зливаються і суміш стає пожежобезпечною.

Це пояснюється сповільненням хімічної реакції через зменшення кількості ефективних зіткнень між молекулами ГР і ОК, що в свою чергу веде до зниження тепловиділення.

На чисельне значення мінімальної флегматизуючої концентрації впливає рід негорючої домішки. Ефект припинення горіння за допомогою інертних розріджувачей залежить не тільки від їх концентрації, але і від теплофізичних характеристик флегматизатора: теплоємності і теплопровідності . Ефективність добавок збільшується із збільшенням відношення с_р/λ.

 

Початкова температура суміші.

Зі збільшенням початкової температури вихідної суміші область вибухонебезпечних концентрацій збільшується оскільки відбувається збільшення ентальпії вихідної системи, при цьому збільшується швидкість хімічної реакції:

ώ^t_хр = ώ_хрa_t^{(tн -tк)}

Якщо вихідна суміш буде мати підвищену температуру, то для підтримки реакції горіння необхідно витрачати меншу кількість тепла. Така кількість тепла може виділитися при взаємодії знижених концентрацій окислювача і горючої речовини, незважаючи на те, що кількість ефективних зіткнень в такому випадку невелика.

Якщо вихідна суміш буде мати підвищену температуру, то для підтримки реакції горіння необхідно витрачати меншу кількість тепла. Така кількість тепла може виділитися при взаємодії знижених концентрацій окислювача і горючої речовини, незважаючи на те, що кількість ефективних зіткнень в такому випадку невелика.

Вплив температури на КМПП враховується рівнянням:

де  z - температурний коефіцієнт, рівний          для НКМПП   -      1250,

                                       для ВКМПП                - 800.

Найбільший вплив температура оказує на верхню концентраційну межу при зниженому тиску. При підвищенні температури на 100К НКМПП, як правило, знижується на 8-10%, а ВКМПП підвищується на 12-16%.

Тиск в системі.

Залежність КМПП від тиску для різних видів пального різна, однак для більшості вуглеводнів підвищення тиску приводить до розширення вибухонебезпечної області. Зі збільшенням тиску суміші відбувається зменшення міжмолекулярних відстаней, що приводить до збільшення швидкості хімічних реакцій.

w_хр ~ [kφ_гр]ⁿ [kφ_ок]^m,           де  k=р₂/р₁

Потужність джерела запалювання

При збільшенні потужності ДЗ, наприклад електричної іскри, діапазон концентрацій горючої речовини, в якому можливо запалення, розширюється. Більш потужне джерело запалення може викликати запалення в більш бідній та більш багатій горючій суміші.

Однак розширення меж при збільшенні потужності ДЗ не безмежно. Існують деякі концентрації речовини, при яких неможливо запалення горючої системи іскрою будь якої великої потужності. Вище за цю межу збільшення потужності іскр не приводить до збільшення діапазону вибухонебезпечних концентрацій. Таку потужність називають насиченою.

При зниженні потужності ДЗ відбувається звуження КМПП і при деякій мінімальній потужності ДЗ, що характерна для кожної горючої речовини, відбувається змикання нижньої і верхньої КМПП.

Наявність турбулентності, каталізаторів і інгібіторів.

Зі збільшенням швидкості руху газового потоку V_турб, КМПП вужчають. Це пояснюється тим, що перемішування збільшує тепловідвод і, отже ускладнює запалення. Існує критична швидкість натікання газового потоку, при якій відбувається зрив полум’я.

Особливе практичне значення мають домішки до горючої системи хімічно активних речовин – каталізаторів і інгібіторів. Вплив цих речовин не зводиться до ролі виключно фізичного розріджувача, але пов’язано з їх активною участю в ході хімічного перетворення, при цьому вони впливають на швидкість протікання хімічної реакції, а, отже, і на інтенсивність тепловиділення і швидкість поширення горіння.

Добавки до горючої суміші каталізаторів розширюють межі вибуху, а інгібіторів - звужують КМПП. Характер залежності КМПП від добавки інгібітору подібний до впливу інертних розріджувачів, проте кількісно ефект значно відрізняється. Як правило хімічно активні домішки можуть запобігти виникненню горіння при вмісті їх в суміші біля 1%. Деякі з подібних домішок самі можуть бути горючими, тоді криві, що характеризують зміну КМПП, при достатній величині домішки досягають вісь ординат в точках, які характеризують концентраційні межі самої активної домішки.

Враховуючи, що концентраційні межі поширення полум'я можуть змінюватися при зміні зовнішніх умов, для забезпечення пожежної безпеки при поводженні з горючими речовинами визначають не тільки самі концентраційні межі, але і безпечні концентрації, нижче або вище яких суміш гарантовано не буде запалюватися. Безпечні концентрації можна розрахувати по формулах:

φ^о_нб < 0,9(φ^о_н  - 0,7R),  %

φ^о_вб >1,1(φ^о_в + 0,7R),  %

де      φ^о_н ,  φ^о_в - НКМПП и ВКМПП, %;

R   - відтворення методу визначення КМПП при довірчій імовірності 95%.

Для методики практичного визначення КМПП R рівна 0.3% для НКМПП і 0,6% для ВКМПП, тоді:

φ^о_нб < 0,9(φ^о_н  - 0,21),  %

φ^о_вб >1,1(φ^о_в + 0,42),  %

Тоді умовами запобігання горючій або вибухонебезпечній суміші при роботі з газовими і паровими сумішами буде:

φ^о _факт <φ^о_нб

φ^о _факт   >  φ^о_вб

Парогазові суміші можуть мати наступні концентрації: