Диссертация (Особенности воспламенения и горения горючих газов и паров в различных окислительных средах), страница 6

Методики проведения экспериментальных исследований аналогичныиспользованным в работах [22-32]. Показано, что в случае горения бедныхоколопредельных смесей фторированные углеводороды проявляют свойствадополнительного горючего. Это следует из снижения содержания метана на нижних ветвях кривых флегматизации с ростом концентрации фторированного агента, а также наличия максимумов в зависимостях ΔPmax и (dP/dt)max от указаннойконцентрации для нижних ветвей, в случае пентафторэтана, в то время как дляверхних ветвей промотирующего влияния не наблюдается. Для сравненияотмечено, что для ранее полученных экспериментальных данных для водорода27максимумы для ΔPmax и (dP/dt)max реализуются как раз для верхних ветвей, то естьпентафторэтанпроявляетсвойствадополнительногоокислителя.Путемтермохимических расчетов реакций превращения изученных фторированныхуглеводородов в качестве горючего и окислителя показано, что тепловые эффектытаких превращений могут быть значительны (150-700 кДж/моль), а соответствующие адиабатические температуры при реализации указанных превращениймогут достигать 900-1800 К.

Результаты работы говорят о необходимоститщательного анализа возможных эффектов промотирования при практическомприменении фторированных углеводородов в качестве средств пожаротушения ивзрывопредупреждения.В работах [37, 38] выполнено экспериментальное исследование влияниятрифторметана на концентрационные пределы распространения пламени и другиехарактеристики горения (нормальная скорость горения, максимальное давлениевзрыва, максимальная скорость нарастания давления взрыва) околопредельныхсмесей метан (CH4) – закись азота (N2O). Экспериментальные исследованияи обработка полученных данных проводились на установке и в соответствиис методиками, описанными в работах [22-32]. Найдено, что концентрационнаяобласть распространения пламени в смеси CH4 – N2O – CHF3 оказывается заметношире, чем в смесях CH4 – (O2 – N2) – CHF3 с содержанием O2 в азотокислороднойсмеси до 25 %(об.). Обнаружено промотирующее влияние трифторметана напараметры Su, ΔPmax и (dP/dt)max, причем это влияние более ярко выражено дляверхней ветви кривой флегматизации.В работе [39] экспериментально определены характеристики горенияоколопредельных смесей метана и закиси азота в замкнутом сосуде такие, какконцентрационные пределы распространения пламени, максимальное давлениевзрыва, максимальная скорость нарастания давления взрыва, нормальная скоростьгорения.

Экспериментальные исследования и обработка полученных данныхпроводились на установке и в соответствии с методиками, описанными в работах[22-32]. Найдено, что НКПР метана составляет 2 %(об.), что существенно нижечем в воздухе (5 %(об.)). Вероятной причиной этого является экзотермический28распад избыточной закиси азота во фронте пламени. ВКПР метана составляет48 %(об.), что значительно выше, чем в воздухе (15 %(об.)).

Данный фактобусловлен заметно более высоким содержанием кислорода в окислителе в случаеN2O (33 % по относительному содержанию атомов кислорода) по сравнениюс воздухом (20,6 % по относительному содержанию атомов кислорода). Путемчисленного моделирования процесса распространения плоского пламени в смесяхCH4-N2O и H2-N2O с детальным учетом химической кинетики и процессовпереноса рассчитаны величины нормальной скорости горения указанных составовдля различных концентраций горючего в смеси.

Результаты расчетов для околопредельных смесей (CH4-N2O) согласуются с экспериментальными данными.В работе [40] выполнено экспериментальное исследование влиянияпентафторэтана и перфторбутана на концентрационные пределы распространенияпламени и другие характеристики горения (максимальное давление взрыва,максимальная скорость нарастания давления взрыва, нормальная скоростьгорения) околопредельных смесей метан – закись азота. Экспериментальныеисследования и обработка полученных данных проводились на установке и в соответствии с методиками, описанными в работах [22-32]. Найдено, чтоконцентрационные области распространения пламени в смесях CH4 – N2O –фторированный углеводород (C2HF5, C4F10) оказываются заметно шире, чемв смесях CH4 – (O2 – N2) – фторированный углеводород с содержанием O2в азотокислородной окислительной среде до 25 %(об.).

При этом с увеличениеммолекулы фторированного углеводорода в ряду CHF3 – C2HF5 – C4F10 минимальная флегматизирующая концентрация уменьшается. Обнаружено промотирующее влияние фторированных углеводородов на горение околопредельныхсмесей, проявляющееся в росте ΔPmax, (dP/dt)max, Su с увеличением содержанияCHF3, C2HF5 или C4F10 в смеси в определенном диапазоне концентрацийфторированных углеводородов.В работе [41] проведены экспериментальные исследования влиянияфторированных углеводородов (CHF3, C2HF5, C4F10) на горение околопредельныхсмесей H2 – N2O, которые позволили определить концентрационные пределы29распространения пламени в смесях H2 – N2O – фторированный углеводород,а также максимальное давление взрыва, максимальную скорость нарастаниядавления взрыва и нормальную скорость горения для указанных выше смесейоколопредельного состава.

Экспериментальные исследования и обработкаполученных данных проводились на установке и в соответствии с методиками,описанными в работах [22-32]. Получены низкие значения концентрацийводорода на нижних ветвях кривых флегматизации (1 %(об.)), а также максимумыв зависимостях ΔPmax от концентрации фторированного углеводорода. Изученыособенности зависимостей «давление – время» вблизи момента инициированиягорения электрической искрой, обусловленные формированием самораспространяющегося фронта пламени.Вработах[42–45]проведеноэкспериментальноеопределениеконцентрационных пределов распространения пламени в смесях горючий газ(метан, водород) – закись азота – фторированный углеводород (трифтометан(CHF3), пентафторэтан (C2HF5), перфторбутан (C4F10)).

Экспериментальныеисследования и обработка полученных данных проводились на установке,описанной в работах [22–32]. Обнаружены существенно более низкие по сравнению с горением в воздухе значения нижних концентрационных пределовраспространения пламени и заметно более высокие величины верхнихконцентрационных пределов. Составы смесей в точках флегматизации (мысконцентрационного полуострова распространения пламени) характеризуютсянизкими значениями коэффициента избытка горючего φ (в большинстве случаевφ < 0,1), в то время как для случая горения в воздухе и азотокислородной средес содержанием O2 в 25 %(об.) величины φ, как правило, превышают 0,5.Установлено, что флегматизирующие концентрации фторированных углеводородов при горении метана и водорода в закиси азота имеют близкие значения,в отличие от горения в окислительных средах, состоящих из азота и кислорода.В работе [46] путем численного моделирования распространения плоскогопламени с детальным учетом химической кинетики и процессов переноса изученовлияние бромистого водорода на нормальную скорость горения водорода30и метана с воздухом, закисью азота и азотокислородной смесью с содержаниемO2 33 %(об.).

Найдено, что бедные метановоздушные смеси ингибируются болееэффективно, чем богатые, в то время как для водородовоздушных смесей,наблюдаетсяобратнаятенденция.Выявленасущественноболеенизкаяингибирующая эффективность HBr по отношению к пламени с закисью азотапо сравнению с пламенем как воздушных смесей, так и смесей, в которыхокислителем является азотокислородный состав, содержащий 33 %(об.) O2.Таким образом, по результатам проведенного анализа следует вывод, чтов литературе представлено большое количество значительных по объемупроведенных исследований, посвященных влиянию фторированных углеводородов на горение парогазовых смесей сложного состава, но при этом влияниеуказанных фторированных агентов на горение околостехиометрических газовыхсмесей, в которых окислительная среда имеет отличное от воздуха (повышенноеили пониженное) содержание кислорода, в литературе описано недостаточно.1.2 Влияние фрикционных искр на возможность воспламенениягорючих парогазовых смесейИзвестно,чтофрикционныечастицы,образующиесяврезультатеотносительного перемещения двух контактирующих поверхностей, в зависимостиот их дисперсности, начальной температуры, наличия окислителя и другихфакторов могут разогреваться до температуры видимого свечения.

Частицывещества, образующиеся в результате трения или соударения и раскаленныедо температуры видимого свечения, принято называть фрикционными искрами.Фрикционные искры, которые образуются при трении или соударении рабочихчастей технологических машин и механизмов, а также при выполненииобслуживающим персоналом технологических и ремонтных работ, являютсяодним из распространенных источников зажигания взрывоопасных сред.31Согласно [47] за период с 1886 по 1986 гг. из 122 крупнейших аварийна производствах нефтегазовой отрасли, 74 – это аварии с пожарами и взрывами.При этом, хотя выявление истинного источника зажигания при очень крупныхавариях затруднено, не менее четверти пожаров и взрывов обусловленофрикционными искрами.

В Западной Германии с 1965 по 1985 гг. имели место426 взрывов [48]. Основной причиной названы механические искры – 26 %.Процессы искрообразования, а, следовательно, и зажигающая способностьфрикционных искр, в значительной степени определяются режимами тренияи соударения. Поэтому процесс искрообразования и зажигания горючихпарогазовых смесей проводятся на установках, в которых моделируются реальносуществующие условия.Большинство процессов искрообразования можно моделировать на установках двух типов: копровых и с вращающимися элементами.

В первых установкахобычно воспроизводятся процессы искрообразования, имеющие место при свободном падении груза на неподвижные детали, во вторых установках имитируются процессы искрообразования, имеющие место при трении, скользящихударах, шлифовании и подобных операциях.Исследования В.С. Кравченко [49] показали, что воспламенения газовоздушной смеси электрическими разрядами с энергией, близкой к критической,повторяются не систематически и носят вероятностный характер. Экспериментально установленная и теоретически обоснованная в работе [49] линейнаязависимость в логарифмическом масштабе между основным фактором, определяющим воспламенение, и вероятностью воспламенения, положена в основустатистического метода оценки взрывобезопасности фрикционного искрения [50, 51].Фрикционныеопределенноеискры,рассеиваниеобразующиесяпопридисперсности,трениииначальнойударе,имеюттемпературе,химическому составу и скорости перемещения.