10

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Утверждено

на заседании кафедры пожарной

и производственной безопасности

27 сентября 2003г.

Исследование закономерностей влияния

флегматизаторов

На концентрационные пределы

воспламенения смеси паров

жидкости с воздухом

Методические рекомендации

к лабораторной работе №2

Ростов – на – Дону

2004

УДК 614.841

Исследование закономерностей влияния флегматизаторов на концентрационные пределы воспламенения смеси паров жидкости с воздухом. Методические указания к лабораторной работе № 2. Ростов-на-Дону: Рост. гос. строит. ун-т, 2004. — 10 с.

В методических указаниях содержатся экспериментальные и расчетные методы для изучения изменения концентрационные пределов воспламенения (КПВ) при разбавлении паровоздушных смесей инертным газом (флегматизатором).

Предназначены для студентов специальностей "Пожарная безопасность" и "Защита чрезвычайных ситуаций".

Составители: д-р техн. наук, проф. Е.И.Богуславский,

ст.препод. Е.А.Чикалова .

Редактор н.Е.Гладких Темплан 2004 г., поз. 74б

-----------------------------------------------------------------------------------------------

ЛР № 020818 от 13.01.99. Подписано в печать 03.04.04. Формат 60х84/16.

Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд. л. 0,9

Тираж 50 экз. Заказ

────────────────────────────────────────────────

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета

344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162

© Ростовский государственный

строительный университет, 2004

Цель работы. Экспериментальным и расчетным методами изучить изменение концентрационных пределов воспламенения (КПВ) при разбавлении паровоздушных смесей инертным газом (флегматизатором).

1. Теоретическая часть

В основе горения как сложного физико-химического процесса лежит быстро протекающая экзотермическая химическая реакция. Химическая реакция может быть реакцией горения только в том случае, если она удовлетворяет двум условиям:

- протекает с выделением тепла (экзотермичность);

- скорость не ниже некоторого предельного значения.

Как известно, скорость химической реакции определяется концентрацией реагирующих веществ (закон действующих масс) и температурой, при которой протекает реакция (закон Аррениуса):

(1)

где  – скорость реакции;

и – концентрации веществ, вступающих в химическое взаимодействие (горючее и окислитель);

m, n – порядок химической реакции по реагирующим компонентам;

к – предэкспоненциальный коэффициент;

Е – энергия активации химической реакции;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – температура протекания химической реакции.

Согласно уравнению (1) не допустить возникновения горения или прекратить его можно, если понизить концентрацию горючего или окислителя или температуру реакции, под которой в данном случае понимается температура горения.

Температура горения зависит от концентрации реагирующих веществ и может быть определена из уравнения теплового баланса:

, (2)

где Т₀ – начальная температура;

Q – теплота химической реакции по недостающему компоненту;

 – коэффициент полноты выделения энергии (коэффициент полноты сгорания);

с_р – теплоемкость i-го продукта сгорания;

n_nri – объем i-го продукта сгорания;

с'_р – теплоемкость избыточного компонента;

n' – объем не вступившего в реакцию избыточного компонента.

Из уравнения (2) следует, что чем сильнее смеси отличаются от эквимолекулярного (стехиометрического) состава, тем больше объем не прореагировавшего избыточного компонента реакции n', тем ниже температура горения.

Таким образом, понижая концентрацию одного из реагирующих компонентов – горючего или окислителя, можно скорость реакции снизить до уровня, когда возникновение горения или его распространение станет невозможным. Так, понижение адиабатической температуры горения органических соединений до 1500К (действительная температура 900-1000С) за счет снижения концентрации горючего в газовоздушной смеси приводит к прекращению горения. Эта смесь не воспламеняется даже от мощного источника зажигания.

Если с этих позиций рассмотреть понятие так называемого "треугольника горения", то можно отметить, что его определение нуждается в уточнении: горение возможно лишь в том случае, если в системе одновременно присутствуют источник зажигания, горючее и окислитель при определенных соотношениях друг с другом. Соотношение горючего и окислителя, при котором возможно воспламенение и горение, называется областью воспламенения. Минимальная концентрация горючего, при которой возможно воспламенение и горение его смесей с окислителем, называется нижним концентрационным пределом воспламенения (НКПВ). Соответственно максимальная концентрация горючего – верхним концентрационным пределом воспламенения (ВКПВ). Горючие смеси, находящиеся между НКПВ и стехиометрической концентрацией, содержат избыток окислителя и называются бедными. Смеси, находящиеся между стехиометрической концентрацией и ВКПВ, содержат избыток горючего и называются богатыми. Понятно, что стехиометрические смеси имеют максимальную температуру горения и наиболее пожароопасны.

Концентрационные пределы воспламенения, которые разделяют смеси на горючие и негорючие, являются одними из важнейших показателей пожарной опасности веществ.

В настоящее время разработаны экспериментальные и расчетные методы определения КПВ. Эти величины определяются не только видом горючего и окислителя, но и зависят от различных условий: начальной температуры, давления, мощности источника зажигания, концентрации в смеси инертных и химически активных веществ и т.п. На практике это находит широкое применение для снижения пожарной опасности веществ. Уменьшая, например, давление в химическом аппарате или вводя инертные газы, можно горючие смеси переводить в негорючее состояние.

Концентрационные пределы воспламенения можно определить:

по аппроксимационной формуле

, (3)

где – нижний (верхний) предел воспламенения;

– количество молей кислорода, необходимого для полного окисления одного моля горючего, – стехиометрический коэффициент;

а, в – коэффициенты по предельной теплоте сгорания

, (4)

где – предельная теплота сгорания 1830 кДж/м³;

– низшая теплота сгорания горючего, кДж/м³;

по температурным пределам воспламенения (ТПВ)

, (5)

где – давление насыщенных паров жидкости, соответствующее нижнему (верхнему) ТПВ, Па;

– общее (атмосферное) давление, Па.

П ри введении в паровоздушную смесь инертных газов (флегматизаторов) – двуокись углерода, азот, пары воды, гелий, аргон и т.п., область воспламенения сужается – нижний предел возрастает, а верхний понижается. При некотором количестве флегматизатора, называемом минимальной флегматизирующей концентрацией , верхний и нижний пределы смыкаются, образуя точку флегматизации (рис.1).

Концентрация горючего и инертного газа в точке флегматизации может быть рассчитана при следующих допущениях: адиабатическая температура горения равна 1500°К, соотношение горючего и окислителя – стехиометрическое.

Тогда из (2) следует:

(6)

В этом случае избыточным компонентом является флегматизатор, т.е. = n'.

Зная состав четырехкомпонентной смеси (горючее – , окислитель – n₀ , азот воздуха – 3,76 n₀ , флегматизатор – n_ф), можно определить их концентрацию:

(7)

Численные значения , n₀ – устанавливаются из уравнения химической реакции горения, а n_ф – из (6).

Концентрацию флегматизатора можно рассчитать также по эмпирической формуле:

, (8)

где – энтальпия образования горючего;

– количество i-ых элементов;

, , – коэффициенты, зависящие от вида горючего и флегматизатора .