Диссертация (Особенности воспламенения и горения горючих газов и паров в различных окислительных средах), страница 5

В тоже время, минимальное взрывоопасноесодержание закиси азота в точке флегматизации азотом почти в 2 раза превышаетаналогичную величину для кислорода при горении в воздухе. Величины нижнихи верхних концентрационных пределов распространения пламени водорода пригорении в N2O составляют 3,0 и 84,0 %(об.) соответственно.В работе [21] определены концентрационные пределы распространенияпламени в смесях горючее (пропан, изобутан) – закись азота – разбавитель (азот,диоксид углерода, галогенуглеводороды).

Наиболее интересным результатом23этого исследования является существенное снижение нижнего концентрационногопредела распространения пламени указанных горючих газов при добавлениив смесь небольших количеств (несколько %(об.)) 1, 2-дибромтетрафторэтана(C2F4Br2), одного из наиболее сильных ингибиторов горения органическихсоединений в воздухе.В работах [22-27] выполнено экспериментальное исследование влиянияингибиторов различной химической природы на концентрационные пределыраспространения пламени в составах вида водород – окислительная среда (смеськислорода и азота) – флегматизатор. Изучены окислительные среды как с повышенным ([O2] = 25 %(об.)), так и пониженным ([O2] = 15 %(об.)) содержаниемкислорода.Вкачествефлегматизатороврассмотреныпентафторэтан,трифторметан, перфторбутан и ингибитор АКМ, предложенный в Институтеструктурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН и представляющий собой непредельный углеводород.Эксперименты проводили на установке, основу которой составлял сферический реакционный сосуд объемом 4,2 дм3 (диаметр 0,2 м).

Смеси готовилипо парциальным давлением газовых компонентов непосредственно в реакционном сосуде. Зажигание осуществляли в центре электрической искрой с энергиейоколо 1 Дж по прошествии не менее 5 минут после напуска компонентов.Давление в сосуде в процессе сгорания смеси регистрировали датчиком «Карат –ДИ» с постоянной времени 10–3с с подачей сигнала на аналого-цифровойпреобразователь (АЦП) и далее на компьютер. Принимали, что пламяраспространяется по газовоздушной смеси, если повышение давления в реакционном сосуде в процессе горения превышает 0,05 МПа. Абсолютная погрешностьопределения значений концентрационных пределов распространения пламени непревышала 0,5 %(об.).

Опыты проводили при комнатной температуре и атмосферном давлении.Найдено, что с изменением содержания O2 в азотокислородной окислительной среде с 20,6 до 15 %(об.) минимальные флегматизирующие концентрацииC2F5H и CF3H падают приблизительно в 1,5 раза, а при возрастании содержания24O2 c 20,6 до 25 %(об.) минимальная флегматизирующая концентрация C2F5Hувеличивается также в 1,5 раза. С уменьшением O2 ингибирующая эффективностьагента АКМ существенно возрастает. Найдено, что коэффициенты избыткагорючего в точках флегматизации водорода посредством C2F5H, СF3H и C4F10находятся в диапазоне от 0,35 до 0,6 – для концентраций кислорода в азотокислородной окислительной среде 15, 20,6 и 25 %(об.). Представлен качественныйанализ процессов ингибирования, из которого сделан вывод о важной ролирегенерации ингибитора в его влиянии на пламена.Вработах[28,29]представленырезультатыэкспериментальногоисследования характеристик горения околопредельных богатых смесей водород –окислительная среда – флегматизатор в замкнутом сосуде при различныхсодержаниях кислорода в окислительной среде.

Под смесью околопредельногосостава в рассматриваемых работах понимаются смеси, концентрация горючегов которых при заданном содержании флегматизатора отличается от величиныверхнего концентрационного предела распространения пламени не более, чемна 1 %(об.). Определены зависимости максимального давления взрыва и максимальной скорости нарастания давления взрыва от концентрации флегматизатора.Опыты проводили на установке «Вариант», основу которой составлялсферический реактор объёмом 4,2 дм3 (диаметр 0,2 м) из нержавеющей стали,позволяющий проводить опыты с начальным давлением горючих смесейдо 4 МПа и начальной температурой до 250 °С.

Установка включала в себя такжесистему газоприготовления, обеспечивающую вакуумирование реакционногососуда и подачу в него отдельных компонентов газовой смеси. В качествеисточника зажигания возможно использование электрической искры и нихромовой пережигаемой проволочки. Горючим газом служил водород. В качествефлегматизаторов использовали пентафторэтан C2F5H, трифторэтан CF3H, перфторбутан C4F10 и ингибитор АКМ (смесь непредельных углеводородов).

В качестве окислительных сред рассматривались воздух, а также азотокислородныесмеси, содержащие 15 и 25 %(об.) O2. Смеси готовили в реакторе по парциальнымдавлениям следующим образом. В вакуумированный до остаточного давления250,5 кПа реактор напускали требуемое количество горючего газа и ингибитора.При изучении горения в воздухе далее подавали воздух до атмосферногодавления. При горении в азотокислородных средах с концентрацией O2 15и 25 %(об.) вначале подавали требуемое количество добавочного азота иликислорода соответственно, а затем воздух – до атмосферного давления. Зажиганиеосуществляли в центре реактора электрической искрой с энергией около 1 Джпо прошествии не менее 5 мин. после напуска компонентов.

Давление в реакторев ходе горения регистрировали датчиком «Карат – ДИ». Сигнал подавали на АЦПи далее на компьютер. Экспериментальные исследования проводились при комнатной температуре и атмосферном давлении.Найдено, что в большинстве случаев наблюдался максимум в зависимостяхΔPmax от концентрации флегматизатора, в то время как максимумы в зависимостях(dP/dt)max от концентрации флегматизатора, имели место только для пентафторэтана (C2F5H).

Дана качественная интерпретация полученных результатовна основе представлений об активном участии изученных флегматизатороввхимическомпревращениивофронтепламени(врядеслучаевс дополнительным тепловыделением) и существовании двух кинетическихрежимов разветвленного цепного горения. Показано, что среди изученныхфлегматизаторов наиболее эффективными по отношению к горению богатыхоколопредельных водородсодержащих смесей являются C4F10 и АКМ.Вработах[30-32]представленырезультатыэкспериментальногоопределения нормальной скорости горения богатых околопредельных смесейводород – окислительная среда – флегматизатор.

В качестве окислительной средыиспользованы смеси азота и кислорода с содержанием O2 15, 20,6 и 25 %(об.),в качестве флегматизаторов – трифторметан (CF3H), пентафторэтан (C2F5H), перфторбутан (C4F10) и ингибитор АКМ. Методика проведения экспериментальныхисследований аналогична использованной в работах [28, 29], за исключениемтого, что полученные в результате сгорания в замкнутом сосуде кривые «давление – время» обрабатывались в соответствии с ГОСТ 12.1.044-89 [33].26Найдено, что при введении в горючую смесь небольших добавок рассмотренных флегматизаторов величина Su падает с 0,5 до 0,2 м/с, и при дальнейшемувеличении содержания ингибирующих агентов, меняется слабо.Выявлено, что пентафторэтан (C2F5H) является агентом, способным в зависимости от своего содержания и концентрации кислорода в окислительной средепроявлять как ингибирующие, так и промотирующие свойства.Нормальныескоростигорениябогатыхоколопредельныхсмесейприблизительно совпадают с данными, полученными другими исследователями(для случаев, кода Su слабо меняется с концентрацией флегматизатора).

В тожевремя эмпирическое правило приблизительного постоянства нормальной скорости горения околопредельных смесей справедливо далеко не всегда, что особеннонаглядно для смесей без флегматизаторов и для пентафторэтана (C2F5H).Вработах[34-36]путемэкспериментальногоопределениярядахарактеристик горения газовых смесей метан – окислительная среда (смеси O2и N2) – флегматизатор (CHF3, C2HF5, C4F10) и последующего анализа полученныхданныхизученадвойственнаярольфторированныхуглеводородовкакфлегматизаторов горения (проявление свойств дополнительного горючего и окислителя в зависимости от вида горючего и состава исходной смеси). Измереныконцентрационные пределы распространения пламени, максимальное давлениевзрыва, максимальная скорость нарастания давления взрыва, нормальная скоростьгорения для околопредельных смесей метан – окислительная среда – пентафторэтан.