10. 2 Погасання полум'я у вузьких каналах

Якщо в погасанні полум'я головну роль грає тепловідведення випромінюванням, який визначає межі розповсюдження полум'я, то для газових сумішей, що швидко горять радіаційні втрати малі і зона полум'я може охолоджуватися тільки шляхом теплопровідності. Тепловідведення зростає при зменшенні діаметру каналу, яким розповсюджується полум'я.

Інтенсивність теплоотвода q₂ можна визначити за законом теплопередачі Ньютона. Для одиниці об'єму охолоджуваного газу

.

(10.8)

де S/V - відношення поверхні тепловіддачі до величини об'єму охлаждае-мого газу.

Розглянемо принцип розповсюдження полум'я в трубі з переходом у вузькі канали (рис. 10.3).

Рис. 10.3

Під час переходу горіння у вузькі канали поверхня тепловіддачі S різко зростає і відповідно тепловтрати до стінок каналів за рахунок різкого посилення теплопровідності. У достатньо вузьких каналах можливі теплопо-тери, що приводять до гасіння навіть найбільш быстрогорящих вибухових сумішей.

Розглянемо співвідношення між теплоприходом (q₁) і теплоотводом (q₂) при горінні певного складу суміші з переходом полум'я у вузькі канали (рис. 10.4), причому d₁ > d_кр > d₃

Рис. 10.4

При зменшенні діаметру каналу зростає швидкість тепловтрат, а отже нахил прямих q₂. І при діаметрі каналу d_кр наступають критичні умови гасіння полум'я.

Можливість горіння у вузьких каналах залежить від трьох чинників:

- хімічного складу горючого середовища, що визначає величину нор-мальної швидкості полум'я U_и;

- тиск суміші Р;

- діаметру пламегасящих каналів d_кр.

Встановлено, що в умовах горіння газових сумішей на межі рас-пространения полум'я відомий в теорії теплопередачі безрозмірний критерій Пеклі (Ре)

.,

(10.9)

де - коефіцієнт температурної провідності, залежний тільки від тиску х ~ 1/Р. Емпірично зв'язок між d_кр і тиском суміші Р виражається рівнянням:

.

(10.10)

де а - показник ступеня для різних складів сумішей рівний 0,83-1,0.

Умова постійності Ре на межі гасіння є основним універсальним законом, що визначає можливості використання огнепреградителей.

Важлива особливість гасіння полум'я у вузьких каналах полягає в тому, що хоча цей процес обумовлений теплопередачею від газу до твердих стінок, межі гасіння не залежать від властивостей матеріалу стінок пламегасящих каналів, у тому числі і теплопровідності. Можливість гасіння визначається умовами охолоджування шару газу, товщина якого соизмерима з шириною фронту полум'я.

Така особливість обумовлена великою різницею щільності газу, що згорає, і матеріалу полум'ягасника. В результаті газ, що згорає у вогнеперешкоджувачі, охолоджується, практично не нагріваючи при цьому стінки каналу. Основна частина процесу тепловіддачі реалізується в газовій, а не в твердій фазі, хоча тепло відводиться в тверду стінку. Лише тривале закінчення згорілого газу через канал може привести до значного нагріву його стінок.

Слід зазначити, що у вирази для критичних умов гасіння не входить довжина пламегасящих каналів. Реально ця залежність, а також вплив форми пламегасящих каналів існують.

Ця особливість горіння у вузьких каналах використовується в огнепреградителях з вузькими каналами, що відокремлюють апарат, в якому можлива ініціація вогнищ горіння, від навколишнього простору, заповненого вибуховим середовищем, що захищається вогнеперешкоджувачем.

10.3 Межі розповсюдження полум'я в системі горючий газ +окислювач + флегматизатор

Оскільки температура горіння є головним чинником, що визначає швидкість полум'я, - для даного складу горючої суміші, величина и_н залежить в першу чергу від співвідношення концентрацій пального і окислювача і загального змісту інертних компонентів. Якщо при фіксованому співвідношенні змісту пального і окислювача до їх суміші додавати інертні компоненти, температура горіння знижується, оскільки енергія хімічного перетворення витрачається на нагрівання додаткових компонентів суміші продуктів згорання.

Добавки різних речовин можуть флегматизировать горючу систему, тобто зменшувати швидкість горіння аж до перетворення такої системи в негорючу. По характеру дії на реакцію в полум'ї флегматизаторы можна в принципі розділити на два основні класи.

До першого класу теплових флегматизаторов, відносяться компоненти, що не приймають прямої участі у взаємодії пального з окислювачем, але горіння, що знижують температуру. Надмірний компонент суміші також можна розглядати як тепловий флегматизатор. До другого класу, хімічно активних флегматизаторов, відносяться інгібітори - негативні каталізатори, здатні гальмувати реакцію при незмінній температурі горіння унаслідок їх специфічної, чисто хімічної дії на реакцію.

Інертні компоненти впливають і на концентраційні межі розповсюдження полум'я. Типова залежність граничної концентрації пального від змісту інертного компоненту, тобто схема меж області займистості в потрійній суміші пальне + окислювач + інертний компонент показана на рис. 10.5.

При збільшенні змісту інертного компоненту I зменшується діапазон горючих складів між верхнім і нижним концентраційними межами. При певному змісті інертного компоненту I_кр обидві гілки кривої критичних складів π_min (I) і π_max (I) змикаються в крапці, званій мисом області займистості, або точці флегматизації.

Рис. 10.5 - Схема області займистості в суміші горючий газ + окислювач + флегматизатор: 1 - верхня концентраційна межа; 2 - нижня концентраційна межа; 3 - мис області взрываемости; I - область багатих негорючих сумішей; II - область бідних негорючих сумішей; III - область горючих сумішей.

Якщо концентрація інертного компоненту більше I_кр, підпал неможливий при будь-якому співвідношенні змісту пального і окислювача. Область складів, що відповідають горючим сумішам, обмежена критичною кривою і віссю ординат. Досвід показує, що для сумішей, в яких окислювачем є кисень, а інертним компонентом азот, тільки π_mах помітно залежить від I, гілка π_min (I) йде майже паралельно осі абсцис.

Межі в системі пальне + окислювач + інертний компонент часто представляють в трикутній діаграмі. По кожній з трьох осей рівностороннього трикутника відкладається зміст один з компонентів. Будь-якій крапці, розташованій усередині трикутника, відповідає склад, визначуваний величинами відрізків, що відсікаються по кожній з осей лініями, що паралельними сторонам трикутника, проходять через дану крапку. Область горючих складів обмежена критичній кривій; її крайні крапки спираються на вісь, уздовж якої відкладаються склади бінарних (подвійних) сумішей пальне окислювач (I = 0).

На рис. 10.6 для ілюстрації приведена діаграма меж розповсюдження полум'я в системі СН₄ + О₂ + N₂ за нормальних умов. Точки А і В характеризують склади граничних бінарних сумішей: 5,1 і 61 % пального. Точки С і D відповідають повітряним сумішам, що містять 74,7 і 67,8 % N₂, у яких зміст СН₄ рівний відповідно 5,3 і 14,2%. Точка М описує склад у «мису» області взрываемости: 81,9% N₂, 6,0% СН4 і 12,1% О₂. Трикутні діаграми використовують також для опису критичних складів сумішей, вільних від інертних компонентів, але що містять по два пальних або окислювача.

Рис. 10.6 - Діаграма меж розповсюдження полум'я у системі

СН4 + О2 + N2

Добавки інертних компонентів, зменшуючи температуру горіння, флегматизують суміш, утрудняють горіння. Тому із зростанням змісту інертного компоненту межі звужуються. Межі до певної міри залежать від природи інертних компонентів зважаючи на відмінність їх теплосодержаний при температурі горіння. Ця величина зменшується в ряду: ∆Нсо₂ > ∆Нн₂о > ∆Hn₂.

При визначенні меж для систем, що містять різні інертні флегматизаторы, можна врахувати порівняно невелику різницю меж, величина якої залежить від природи інертного компоненту. Цей ефект ілюструє рис. 10.7, на якому приведені межі розповсюдження полум'я для сумішей СН₄ + воздух + (Аг, Не, N₂, H₂O, СО₂) за нормальних умов. Якщо суміш містить декілька інертних компонентів, їх специфіку буває важко врахувати. У такому разі всі інертні компоненти прирівнюються до азоту, чим створюється деякий «запас надійності».

Рис. 10.7

ЛЕКЦІЯ 11. СПОСОБИ ПРИПИНЕННЯ ТА ЗАПОБІГАННЯ ПРОЦЕСІВ ГОРІННЯ. ВОГНЕГАСНІ РЕЧОВИНИ. ЗАПОБІГАННЯ УТВОРЕННЯ ГОРЮЧОГО СЕРЕДОВИЩА, ДЖЕРЕЛ ЗАПАЛЮВАННЯ, ПОШИРЕННЯ ПОЖЕЖІ НА ВИРОБНИЦТВІ.

Питання для розгляду на лекції:

11. 1 Методи та способи припинення горіння.

11.2 Запобігання виникнення горючого середовища та джерел запалювання в ньому.

11.3 Поняття та загальні вимоги до вогнегасних речовин.

11.4 Механізм припинення горіння охолодженням.