Затухание пламени в узких каналах.

 

Если в затухании пламени главную роль играет теплоотвод излучением, который определяет пределы распространения пламени, то для быстрогоря-щих газовых смесей радиационные потери малы и зона пламени может охла-ждаться только путем теплопроводности. Теплоотвод возрастает при умень-шении диаметра канала, по которому распространяется пламя.

Интенсивность теплоотвода q₂ можно определить по закону теплопере-дачи Ньютона (6.3). Для единицы объема охлаждаемого газа

, (9.5)

где S/V – отношение поверхности теплоотдачи к величине объема охлаждае-мого газа.

Закономерности теплоотдачи остаются такими же, как и в случае теп-лового взрыва (§ 6.1), несмотря на различие этих процессов, и условие (9.3) остается в силе.

Рассмотрим принцип распространения пламени в трубе с переходом в узкие каналы (рис. 37).

 

Рис. 37.

 

При переходе горения в узкие каналы поверхность теплоотдачи S резко возрастает и соответственно теплопотери к стенкам каналов за счет резкого усиления теплопроводности. В достаточно узких каналах возможны теплопо-тери, приводящие к гашению даже наиболее быстрогорящих взрывчатых смесей.

Рассмотрим соотношение между теплоприходом (q₁) и теплоотводом (q₂) при горении определенного состава смеси с переходом пламени в узкие каналы (рис. 38), причем d₁ > d_кр > d₃.

, (9.6)

где - коэффициент температурной проводности, зависящий только от давления х ~ 1/Р.

Эмпирически связь между d_кр и давлением смеси Р выражается уравне-нием

, (9.7)

где а – показатель степени для различных составов смесей равен 0,83-1,0.

Условие постоянства Ре на пределе гашения является основным уни-версальным законом, определяющим возможности использования огнепре-градителей.

Важная особенность гашения пламени в узких каналах заключается в том, что хотя этот процесс обусловлен теплопередачей от газа к твердым стенкам, пределы гашения не зависят от свойств материала стенок пламега-сящих каналов, в том числе и теплопроводности. Возможность гашения оп-ределяется условиями охлаждения слоя газа, толщина которого соизмерима с шириной фронта пламени.

Такая особенность обусловлена большой разностью плотностей сго-рающего газа и материала пламегасителя. В результате газ, сгорающий в ог-непреградителе, охлаждается, практически не нагревая при этом стенки кана-ла. Основная часть процесса теплоотдачи реализуется в газовой, а не в твер-дой фазе, хотя тепло отводится в твердую стенку. Лишь длительное истечение сгоревшего газа через канал может привести к значительному нагреву его стенок.

Следует отметить, что в выражения для критических условий гашения не входит длина пламегасящих каналов. Реально эта зависимость, а также влияние формы пламегасящих каналов существуют.

Эта особенность горения в узких каналах используется в огнепрегради-телях с узкими каналами, отделяющими аппарат, в котором возможно ини-циирование очагов горения, от защищаемого огнепреградителем окружающе-го пространства, заполненного взрывчатой средой.

9.4. Пределы распространения пламени в системе горючий газ +

окислитель + флегматизатор.

Поскольку температура горения является главным фактором, опреде-ляющим скорость пламени – для данного состава горючей смеси, величина и_н зависит в первую очередь от соотношения концентраций горючего и окисли-теля и общего содержания инертных компонентов. Если при фиксированном соотношении содержаний горючего и окислителя к их смеси добавлять инертные компоненты, температура горения понижается, так как энергия хи-мического превращения затрачивается на нагревание дополнительных ком-понентов смеси продуктов сгорания.

Добавки различных веществ могут флегматизировать горючую систему, т.е. уменьшать скорость горения вплоть до превращения такой системы в не-горючую. По характеру воздействия на реакцию в пламени флегматизаторы можно в принципе разделить на два основных класса.

К первому классу тепловых флегматизаторов, относятся компоненты, не принимающие прямого участия во взаимодействии горючего с окислите-лем, но понижающие температуру горения. Избыточный компонент смеси также можно рассматривать как тепловой флегматизатор. Ко второму классу, химически активных флегматизаторов, относятся ингибиторы – отрица-тельные катализаторы, способные тормозить реакцию при неизменной тем-пературе горения вследствие их специфического, чисто химического воздей-ствия на реакцию.

Инертные компоненты влияют и на концентрационные пределы рас-пространения пламени. Типичная зависимость предельной концентрации го-рючего от содержания инертного компонента, т. е. схема пределов области воспламеняемости в тройной смеси горючее + окислитель + инертный ком-понент показана на рис. 39.

При увеличении содержания инертного компонента I уменьшается диа-пазон горючих составов между верхним и нижним концентрационными пре-делами. При определенном содержании инертного компонента I_кр обе ветви кривой критических составов π_min (I) и π_max (I) смыкаются в точке, называе-мой мысом области воспламеняемости, или точке флегматизации.

 

Рис. 39. Схема области воспламе-няемости в смеси горючий газ + окислитель + флегматизатор: 1 – верхний концентрационный предел; 2 – нижний концентрационный пре-дел; 3 – мыс области взрываемости; I – область богатых негорючих сме-сей; II – область бедных негорючих смесей; III – область горючих сме-сей.

Если концентрация инертного компонента больше I_кр, поджигание не-возможно при любом соотношении содержаний горючего и окислителя. Об-ласть составов, отвечающих горючим смесям, ограничена критической кри-вой и осью ординат. Опыт показывает, что для смесей, в которых окислите-лем является кислород, а инертным компонентом азот, только π_mах заметно за-висит от I, ветвь π_min (I) идет почти параллельно оси абсцисс.

Пределы в системе горючее + окислитель + инертный компонент часто представляют в треугольной диаграмме. По каждой из трех осей равносто-роннего треугольника откладывается содержание одного из компонентов. Любой точке, расположенной внутри треугольника, отвечает состав, опреде-ляемый величинами отрезков, отсекаемых по каждой из осей линиями, па-раллельными сторонам треугольника, проходящими через данную точку. Об-ласть горючих составов ограничена критической кривой; ее крайние точки опираются на ось, вдоль которой откладываются составы бинарных (двой-ных) смесей горючее окислитель (I = 0).

На рис. 40 для иллюстрации приведена диаграмма пределов распро-странения пламени в системе СН₄ + О₂ + N₂ при нормальных условиях. Точки А и В характеризуют составы предельных бинарных смесей: 5,1 и 61% горю-чего. Точки С и D соответствуют воздушным смесям, содержащим 74,7 и 67,8% N₂, у которых содержание СН₄ равно соответственно 5,3 и 14,2%. Точ-ка М описывает состав у «мыса» области взрываемости: 81,9% N₂, 6,0% СН₄ и 12,1% О₂. Треугольные диаграммы используют также для описания крити-ческих составов смесей, свободных от инертных компонентов, но содержа-щих по два горючих или окислителя.

 

 

Рис. 40. Диаграмма пределов распространения пламени в сис-теме СН₄ + О₂ + N₂.

 

Добавки инертных компонентов, уменьшая температуру горения, флег-матизируют смесь, затрудняют горение. Поэтому с ростом содержания инерт-ного компонента пределы сужаются. Пределы в известной степени зависят от природы инертных компонентов ввиду различия их теплосодержаний при температуре горения. Эта величина уменьшается в ряду: ∆Нсо₂ > ∆Нн₂о > ∆Hn₂.

При определении пределов для систем, содержащих различные инерт-ные флегматизаторы, можно учесть сравнительно небольшую разность пре-делов, величина которой зависит от природы инертного компонента. Этот эффект иллюстрирует рис. 41, на котором приведены пределы распростране-ния пламени для смесей СН₄ + воздух + (Аг, Не, N₂, H₂O, СО₂) при нормаль-ных условиях. Если смесь содержит несколько инертных компонентов, их специфику бывает трудно учесть. В таком случае все инертные компоненты приравниваются к азоту, чем создается некоторый «запас надежности».

 

Рис. 41. Зависимость пределов распространения пламени от природы инертного компонента в системе СН₄ + воздух + (Аг, Не, N₂ , Н₂О, СО₂: 1 – СО₂; 2 – Н₂О; 3 – N₂ (добавочный); 4 – Не; 5 – Ar.

 

9.5. Закономерности для точки флегматизации.

 

Наиболее безопасные для технологических целей смеси горючего, ки-слорода и инертного компонента, состав которых соответствует зоне, нахо-дящейся правее мыса области воспламеняемости на рис. 37 (I > I_кр) отлича-ются одной важной особенностью. Любая трехкомпонентная смесь кислоро-да, горючего и инертного компонента невзрывчата при произвольном соот-ношении содержаний двух последних, если в такой смеси [О₂] < Y, где Y – со-держание кислорода у точки флегматизации.

Известно, что эта предельная концентрация Y, практически одинакова для большинства горючих газов и паров. Так, если составлять горючие смеси, используя обогащаемый азотом воздух, то для СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С₄Н₁₀, С₅Н₁₂, С₆Н₁₄, С₃Н₆, С₄Н₈, С₆Н₆, (СН₃)₂СО эта величина будет находиться в пределах 11,0—13,5%. Если добавкой к воздуху служит двуокись углерода, значение Y для указанных горючих увеличится до 13,4 — 15,6% абс. (т.е. приблизитель-но на 20%) вследствие большей теплоемкости СО₂. Для смесей эндотермиче-ских соединений — этилена и бутадиена — значения Y ниже, чем для боль-шинства горючих. Особенно резкое отличие наблюдается для водорода, окиси углерода и ацетилена.

Выше отмечалось, что нижний концентрационный предел не изменяет-ся при частичной замене кислорода азотом. Оказывается, что эта закономер-ность соблюдается практически вплоть до составов, соответствующих поло-жению мыса области взрываемости. При этом величина Y смесей, флегмати-зированных азотом, мало отличается от содержания кислорода, эквивалент-ного количеству горючего на нижнем пределе. Это предположение позволяет находить расчетные значения Y

Y = vπ_min (9.8)

где v – стехиометрический коэффициент для реакции полного окисления данного горючего кислородом. Ниже приведены экспериментальные пре-дельные содержания кислорода в горючих смесях:

Горючее	Yex	Yt	Горючее	Yex	Yt
СН4	12,1	10,6	С6Н6	11,2	10,5
С2Н6	11,0	10,5	СН3ОН	10,3	10,9
С3Н8	11,4	11,0	(СН3)2СО	13,5	12,0
С4Н10	12,1	12,3	СО	5,6	6,2
С5Н12	12,1	12,0	Н2	5,5	6,0

Изложенные соображения позволяют вычислять значения Y для неис-сле­дованных горючих газов или многокомпонентных смесей по вели­чине нижнего концентрационного предела, т. е., по существу, из термохимиче­ских данных. Так, для ацетилена, у которого π_min = 2,5%, следует ожидать Y = 6,2%. Возможность вычисления Y имеет большое практическое значение, так как экспериментальные определения предельной концентрации кислорода произ-водились лишь для ограниченного числа горючих газов и па­ров. Величина же Y представляет собой важную характеристику взрывобезо­пасности для ряда технологических процессов.

Результаты исследований взрывоопасности систем горючий газ + воз-дух + инерт удобнее представлять на тройных диаграммах в виде прямо-угольного треугольника. При этом картина более наглядна (рис. 42) и точнее обрабатывается.

 

Рис. 42. Предельные усло-вия взрывоопасности в сис-теме газ + кислород (воз-дух) + инерт.

 

Точки:

К – 100% воздуха, или 21% кислорода;

Г – 100% горючего газа;

И – 100% инертного газа (флегматизатора);

Ф – точка флегматизации;

Н (Н’) – нижний концентрационный предел воспламенения в смеси

газ + воздух (кислород);

В (В’) – верхний концентрационный предел воспламенения в смеси

газ + воздух (кислород);

1 – максимально взрывоопасная концентрация кислорода в смеси

газ + кислород (воздух);

2 – минимально взрывоопасная концентрация кислорода в смеси

газ + кислород (воздух);

3 – минимальное содержание кислорода в смеси И + К, ниже кото-

рого смеси не воспламеняются при любой добавке газа.

4 – минимальное содержание газа в смеси Г + И, ниже которого

смеси невзрывоопасны при любой добавке кислорода (воздуха);

К_ф – содержание кислорода в точке флегматизации;

Г_ф – содержание горючего газа в точке флегматизации;

100 – И_ф – содержание инерта в точке флегматизации;

С (С’) – стехиометрический состав смеси Г + К при коэффициенте

избытка воздуха α = 1.

 

Линии:

К – 4 – составы с одинаковым соотношением И +Г;

Г – 3 – составы с одинаковым соотношением И + К;

И – С – стехиометрические составы Г + К в тройной смеси

при α = 1.

 

Области:

ИСК – бедные смеси с α > 1;

ИСГ – богатые смеси с α < 1;

И3Ф4 – невоспламеняющиеся смеси;

ИФВГ – воспламеняемые смеси при добавке кислорода;

ЗФНК – воспламеняемые смеси при добавке горючего газа.