2. Концентраційні межі поширення полум’я. Оцінка ступеню пожежо- та вибухонебезпечності парогазових систем

Коли суміш бідна (  1), молекул горючого мало, в системі в-основному спостерігаються співудари молекул окисника між собою.

Коли суміш дуже багата (  1), то бракує молекул окисника. Основна кількість зіткнень відбувається між молекулами горючої речовини. До реакції ці зіткнення, як і зіткнення молекул окисника між собою, не ведуть.

При деяких значеннях концентрацій швидкість падає до нуля. Система, далека від стехіометричної у будь-який бік, стає нездатною ні до самоспалахування, ні до примусового займання.

Мінімальний вміст горючої речовини в однорідній суміші з окислювальним середовищем, при якому можливе поширення полум'я по суміші на будь-яку відстань від джерела запалювання, називається нижньою концентраційною межею поширення полум'я (НКМПП).

Аналогічно. Максимальний вміст горючої речовини в однорідній суміші з окиснювальним середовищем, при якому можливе поширення полум'я по суміші на будь-яку відстань від джерела запалювання, називається верхньою концентраційною межею поширення полум'я (ВКМПП).

Суміші, які містять горючу речовину у концентрації, нижчій НКМПП, є вибухо- і пожежобезпечними.

Без-печна

Вибухо і пожежонебезпечна

Умовно безпечна

0 НКМПП ВКМПП 100

Концентрація горючої речовини

Суміші, які містять горючу речовину у концентрації, більшій ніж ВКМПП, є умовно безпечними.

Межі поширення полум'я по органічних речовинах можна приблизно підрахувати за апроксимаційною формулою:

Константи a та b у цій формулі емпіричні. Їх значення наводяться в довідниках i підручниках.

А що таке ? Це стехіометричний коефіцієнт, який показує скільки молекул кисню необхідно для спалювання одної молекули даної речовини.

За наведеною формулою знаходять значення НКМПП та ВКМПП, наближені до насичених. Чому наближені і що таке насичені?

Наближені тому, що формули не враховують впливу деяких факторів, які залежать від джерела запалювання, домішок негорючих газів, температури та тиску у суміші. А усі ці фактори на НКМПП та ВКМПП впливають, деякі - більше, інші - менше, але впливають.

Потужність джерела запалювання.

Для кожної суміші існує мінімальна енергія запалювання. Якщо іскра має тільки таку енергію, і не більшу, вона здатна запалити тільки суміш із стехіометричним співвідношенням горючої речовини і окисника.

Домішки негорючих газів і парів.

Введення негорючих газів і парів не просто розводить суміш, знижуючи концентрацію горючої речовини і кисню. Такий домішок, а його іще називають флегматизатор, ще й впливає на систему за рахунок своїх теплофізичних характеристик, знижуючи температуру горіння.

Вплив початкової температури суміші.

З підвищенням початкової температури суміші НКМПП знижується а ВКМПП збільшується.

Вплив тиску.

Зниження тиску нижче атмосферного викликає звуження КМПП для усіх сумішей. Причому для кожної суміші існує така величина тиску, нижче якої спалахування взагалі не відбудеться.

Експериментально концентраційні межі поширення полум’я визначають на установках КП або “Предел”. Обидва прилади являють собою реакційну ємність або реакційну трубу, в середині яких розташований підпалюючий пристрій (електрозапальничка).

Нормальна швидкість поширення полум'я - величина, відносно невелика, порядку десятків метрів в секунду. Але буває горіння, коли полум'я поширюється з величезною швидкістю, до 5 км/с. Така швидкість перевищує швидкість звуку.

Мова йде про детонацію.

При кінетичному i дифузійному горінні полум'я поширюється за рахунок імпульсу підпалювання. Розпечені гази з шару, який горить, за рахунок теплопровідності, тепловипромінювання i дифузії нагрівають наступний шар суміші.

Але нагрів може здійснюватись i за рахунок інтенсивного стискування, яке часто викликається прискоренням руху фронту полум'я. Суміш, що утворюється при згорянні, займає об'єм, в 10 а то і більше разів значніший, ніж вихідна суміш. Поширюючись, суміш продуктів горіння приводить до стискування горючої речовини у напрямі від фронту и веде до появи хвиль тиску. Такі хвилі йдуть поперед фронту підвищуючи температуру і створюють умови для нових хвиль. В результаті, хвилі накладаються одна на одну. Спільність таких хвиль стискування утворює одну сильну ударну хвилю. В цій хвилі газова суміш нагрівається до температури самоспалахування і займається.

Виникає новий стійкий режим поширення полум'я - детонація. Від шару до шару передається лише імпульс стискування, але передається дуже швидко, 2000 - 5000 м/с.

На малюнку, крива – то нормальний фронт поширення полум’я; прямі А-В - детонаційні хвилі.

Можна побачити, що хвиля, яка виникла в точці А₃, наздоганяє хвилі, які виникли в точках А₀, А₁ та А₂. І наздоганяє їх у точці В. Нормальний фронт полум’я у цей момент знаходився у точці С.

Але у точці В попереду фронту вже виникло детонаційне горіння, яке іде значно скоріше, ніж по кривій А - С. Між точками С і В лишилася частина вихідної суміші, яка горить з двох боків: по лінії С - Е з нормальною швидкістю і по лінії В - Е з детонаційною швидкістю. Потім ця хвиля В - Е іде і далі, по продуктах горіння Е - R, так звана детонаційна хвиля.

На практиці більше поширене горіння дифузійне, швидкість протікання якого лімітується не кінетикою хімічною реакції, а швидкістю підводу до зони реакції горючої речовини або окисника.

Коли швидкість потоку невелика, межа полум'я стійка, горіння протікає спокійно. З підвищенням швидкості подачі палива висота факелу зростає, iз зменшенням подачі - знижується. Таке, ламінарне, полум'я спостерігається в більшості випадків горіння, організованого штучно.

На пожежах в-основному реалізується інший вид дифузійного горіння - турбулентне горіння. Головне значення у будь-якому дифузійному горінні має дифузія - підвід компонентів горючої суміші в зону горіння. Сама зона горіння тут значно ширша, ніж у випадку горіння кінетичного. На відміну від тих часток міліметру, тут вже сантиметри.

Як характеристику дифузійного горіння використовують висоту факелу полум'я, яка залежить від швидкості подачі горючої суміші:

Н_пол = ,

H_пол - висота полум’я , м;

v - швидкість подачі газу, м/с;

r - радіус потоку газу (пальника), м;

D - коефіцієнт дифузії окислювача в продуктах реакції, м²/с;

к - кількість грамів окислювача, необхідна для спалювання 1 г даного горючого газу, г;

 - густина горючого газу, кг/м³;

₀ - концентрація окислювача вдалині від полум’я, наприклад кисню у повітрі, кг/м³ .

І останнє, що стосується турбулентного полум’я, тобто полум’я, для якого Re  2300. Внаслідок турбулізації, яка поширюється і на вихідні компоненти, дифузія в турбулентному потоку прискорюється. Чим більша турбулентність, тобто чим більше Re, тим краще перемішування; і тим ближче швидкість даного дифузійного горіння до горіння кінетичного. Інтенсивність турбулентного горіння на декілька порядків вища за інтенсивність горіння ламінарного.