3. Горение (взрыв) газовых и пылевых смесей

Пределы воспламенения. Смеси горючих паров и газов с воздухом могут образоваться в производствах и на стройках при применении горючих жидкостей и газов. Концентрация горючего в смесях может изменяться от долей процента до 100% (объемных), поэтому не все они способны воспламеняться от источника воспламенения.

Наименьшая и наибольшая концентрации паров и газов в воздухе, способные воспламеняться, называются соответственно нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения (взрыва). Все смеси, концентрации которых находятся между пределами воспламенения, способны гореть с большой скоростью и называются взрывоопасными. В замкнутом объеме сгорание их вызывает резкое повышение давления, т. е. взрыв, а при выходе с большой скоростью из трубы они спокойно сгорают в факеле пламени.

Все смеси, концентрации которых находятся ниже нижнего и выше верхнего пределов воспламенения в замкнутых объемах, гореть неспособны и являются безопасными. Однако необходимо отметить, что смеси, концентрации которых находятся выше верхнего предела воспламенения, при выходе из замкнутого объема в воздух способны гореть диффузионным пламенем, т. е. ведут себя так, как пары и газы, не смешанные с воздухом. В табл. 20 приведены концентрационные пределы воспламенения (взрыва) некоторых паров и газов.

Таблица 20

Вещество	Пределы воспламенения, %		Вещество	Пределы воспламенения, %
	нижний	Верхний		нижний	верхний
Аммиак	15,5	27,0	Керосин	1,1	7,0
Ацетилен	2,5	80,0	Метиловый спирт	6,72	36,5
Бензил	0,76	5,4	Окись этилена	3,00	80,00
Бензол	1,41	6,75	Скипидар	0,8	-
			Толуол	1,27	6,75

На концентрационные пределы воспламенения оказывают влияние ряд факторов: начальное давление и температура горючей смеси, мощность источников воспламенения, наличие инертных примесей и т. д. С понижением давления происходит сокращение области воспламенения и при некотором минимальном давлении воспламенение становится вообще невозможным.

Повышение начальной температуры горючей смеси вызывает расширение области воспламенения, а добавление инертных примесей — сужение. Увеличение размеров или температуры источника воспламенения ведет к расширению области воспламенения.

Скорость распространения пламени. При воспламенении горючей смеси в какой-либо точке возникшее пламя распространяется с определенной скоростью по всему объему смеси. Горение смеси совершается в тонком светящемся слое, отделяющем продукты сгорания от горючей смеси. Этот слой называется фронтом пламени.

Скорость горения смеси можно характеризовать линейной скоростью распространения фронта пламени. Различают два вида линейной скорости:

а) нормальную, или фундаментальную, скорость распростране-

ния пламени см/сек, представляющую собой скорость перемеще-

ния элемента фронта пламени в направлении нормали к этому эле-

менту;

б) наблюдаемую скорость распространения пламени U, представ-

ляющую собой скорость перемещения пламени относительно стенок

трубы или стенок сосуда.

Нормальная скорость распространения пламени зависит от диаметра трубы, начальной температуры смеси, концентрации смеси и примеси инертных паров и газов.

С уменьшением диаметра трубы увеличиваются тепловые потери в зоне горения, поэтому скорость распространения пламени уменьшается и при диаметре около 1 мм распространения пламени не происходит.

С увеличением диаметра трубы скорость распространения пламени увеличивается до некоторого диаметра, а затем остается постоянной. Повышение начальной температуры горючей смеси ведет к увеличению скорости распространения пламени.

Наибольшая скорость распространения наблюдается не при сте-хиометрической концентрации, а при несколько более высокой (табл. 21).

При горении смесей в турбулентном потоке или в больших объемах возникает пульсация скорости, в связи с чем увеличиваются поверхность пламени и скорость распространения его. Завершенной теории турбулентного горения еще не существует. Экспериментальные исследования показывают, что скорость распространения пламени в турбулентном потоке смеси пропана с воздухом составляет 4 м/сек, а водорода — около 15 м/сек.

Таблица 21

Горючий газ	Концентрация газа в стехеометрической смеси.%	, см/сек	Концентрация газа в смеси при ,%	см/сек
	29,5	160	42,0	267
	7,7	100	10,0	135
	9,5	34	10,5	37

Температура и давление при взрыве. Учитывая большую скорость сгорания смеси, можно считать процесс сгорания ее адиабатическим. Тогда температуру горения (взрыва) смеси можно определить по формуле

(18.8)

где — низшая теплота горения компонента смеси;

—молекулярные теплоемкости продуктов сгорания

при постоянном объеме;

—молекулярная теплоемкость компонентов горючей смеси;

—число молей продуктов сгорания;

n — число молей горючей смеси;

—начальная температура горючей смеси.

Зная температуру горения, можно определить давление при

взрыве по формуле

(18.9)

где и— температура горения и начальная температура смеси,

и— давление при взрыве и начальное давление смеси, ата;

m и n — соответственно число молей смеси после взрыва и число молей продуктов сгорания до взрыва.

При взрыве газовых смесей в закрытых объемах величина давления изменяется в соответствии с количеством выделяемого при взрыве тепла. Так, в смесях нижнего предела воспламенения количество выделяемого тепла незначительно, поэтому и давление при взрыве не превышает 3—3,5 ати. С увеличением концентрации горючего в смеси растет и давление взрыва. Наибольшее давление соответствует смеси о концентрацией горючего, несколько превышающей стехиометрическую. Оно для большинства смесей составляет 10 ати, а у водорода и ацетилена — около 11 ати. При дальнейшем повышении концентрации горючего давление взрыва понижается и на верхнем пределе воспламенения становится таким же, как и на нижнем.

Горение пылевых смесей. В процессах переработки и измельчения твердых веществ и материалов образуются пылевые смеси, которые, так же как и газовые смеси, способны гореть с большой скоростью и в замкнутых объемах вызывать взрыв.

Пыль может находиться в двух состояниях — взвешенной в воздухе (аэрозоль) и осевшей из воздуха на поверхности стен, станков, оборудования и т. д. (аэрогель). Аэрозоль, как и газовые смеси, имеет пределы воспламенения. В табл. 22 приведен нижний предел воспламенения пылей.

Та6лица 22

Наименование пыли	Технический анализ		Нижний предел воспламенения
	влажность	зольность
Мучная пыль	9,3	2,58	30,2
Торфяная пыль	10,5	7,8	17,6
Угольная пыль	7,8	32,4	114,0

Верхний предел воспламенения пыли трудноопределим, очень велик, в связи с чем не имеет практического значения. Температура самовоспламенения аэрозоля всегда выше, чем аэрогеля. Так, угольная пыль в состоянии аэрозоля имеет температуру самовоспламенения 969, а в состоянии аэрогеля 260°.