Диссертация (Особенности воспламенения и горения горючих газов и паров в различных окислительных средах), страница 7

Кроме того, в экспериментахимеет место определенный разброс механических факторов и состояния газовойсреды. В каждом конкретном опыте невозможно учесть все эти величины, что,в конечном счете, определяет вероятностную картину зажигания горючих смесей.32Очевидно, чем меньше вероятность воспламенения, тем реже возникают условияпри данном режиме трения и соударения, при котором образуются фрикционныечастицы, способные выделить в элементарный объем горючей смеси энергию,превышающую ее минимальную энергию зажигания.Определение воспламеняющей способности фрикционных искр обычнопроизводится статистическим методом.

Вероятность воспламенения определяетсякак отношение числазажиганий к количеству соударений (количествупроведенных опытов):Zгдеm,n(1.1)m – количество зажиганий; n – количество проведенных опытов (общееколичество соударений при проведении экспериментов для получения m – зажиганий).Количество соударений при проведении испытаний на установке с вращающимися элементами подсчитывается по формуле:n  fk  ,(1.2)где f – частота вращения элемента, 1/с; k – количество соударяющихся элементовна вращающемся элементе;  – общее время работы механизма при проведениииспытаний, с.За одно соударение при непрерывном трении принимается путь скольжения,равный 0,5 м, а при проведении испытаний на копровой установке – одно падениегруза.Количество экспериментов должно быть достаточным для полученияустойчивой частоты зажигания в данном режиме трения и соударения.

Изменяярежимы трения и соударения (скорость скольжения, энергию соударения) иликонцентрацию окислителя в газовой среде, определяют условия, при которыхне образуются фрикционные искры, способные зажигать горючие смеси. На основании полученных результатов испытаний оценивается безопасность примененияматериалов для различных узлов механического оборудования, конструкций,инструментов.33С повышением содержания кислорода в среде увеличивается скоростьокисления и температура искр, образующихся при трении и соударении металлов.Во взрывоопасных смесях с воздухом с повышением содержания горючегоснижается количество кислорода, что уменьшает температуру фрикционных искр(источников зажигания). В свою очередь, зависимость между концентрациейгорючего в смеси и минимальной энергией зажигания имеет вид параболыс минимумом в точке, близкой к стехиометрическому составу.Для определения оптимальных условий зажигания горючих смесей в зависимости от концентрации горючего и кислорода в смеси рассмотрим кривые,соответствующие тепловыделению фрикционных искр, совместно с кривойзависимости минимальной энергии зажигания от содержания горючего.Нарисунке1.1изображеныкривые1,2,3характеризующиетепловыделение искр с начальной температурой Т1 > Т2 > Т3 в смесях с различнымсодержанием горючего.

Кривая 4 представляет собой зависимость минимальнойэнергии зажигания от содержания горючего.Рисунок 1.1 – Определение оптимального состава газовоздушной смесипри зажигании их фрикционными искрамиКак видно из рисунка 1.1, кривая 1 пересекает кривую 4 в двух точках.Точка 1' соответствует бедной горючей смеси с концентрацией горючего С1, аточка 1'' соответствует богатой смеси с концентрацией горючего С3.34В области, заштрихованной на рисунке 1.1, тепловыделение искрыпревышает минимальную энергию зажигания соответствующей смеси, и горючиесмеси могут воспламеняться. В случае образования фрикционных искр с болеенизкой начальной температурой тепловыделение будет меньшим в одних и тех жесмесях горючего с воздухом.

При некоторой начальной температуре частиц,равнойТ2, криваятепловыделения2 касается кривой4в точке 2',соответствующей бедной горючей смеси с концентрацией горючего С2. Криваятепловыделения 3 не пересекается с кривой 4 и, следовательно, частицыс начальной температурой Т3 выделяют количество тепла, недостаточное длязажигания горючей смеси с воздухом любого состава. Точки 1'-1'' ограничиваютдиапазон по концентрации (С1 и С3) горючего в смеси, внутри которогорассматриваемые фрикционные искры зажигают горючую смесь.

Границыдиапазонадляфрикционныхискр,каквидноизрисунка1.1,ужеконцентрационных пределов распространения пламени. При этом сужениеобласти происходит в основном за счет богатых горючих смесей вследствиерезкого снижения тепловыделения фрикционной искрой. Точка 2' соответствуетоптимальной концентрации горючего в смеси с воздухом при зажиганиифрикционными искрами. Таким образом, из приведенных выше соображений,фрикционными искрами легче зажигаются бедные горючие смеси.Повышая содержание кислорода во взрывоопасных смесях и не изменяяконцентрации горючего, можно увеличить тепловыделение фрикционных искр.Например, тепловыделение фрикционных искр с начальной температурой Т3в средах, обогащенных кислородом, может характеризоваться кривой 5, и фрикционные искры в этом случае будут зажигать взрывоопасные среды в диапазонеконцентраций С0-С4.Теоретический и практический интерес представляет определение горючихсмесей, которые наиболее легко зажигаются фрикционными искрами.

В настоящее время используется два способа определения оптимальных составов горючихсмесей.35Первый способ основан на определении пределов зажигания горючихсмесейфрикционнымиискрами,образующимисяввыбранномрежимесоударения. Режим искрообразования и материалы искрообразующих механизмовподбираютсятакимобразом,чтобывсравнительноузкоминтервалеконцентраций горючего вероятность зажигания изменялась бы в пределах0,1  P  1. Испытания проводят во взрывных камерах с различным содержаниемгорючего, и по результатам строится зависимость P = f (C).На рисунке 1.2 приведены для некоторых горючих смесей зависимости дляопределения их оптимального состава.Рисунок 1.2 – Концентрационные пределы зажигания горючих смесейфрикционными искрами стали:1 – ацетиленовоздушная смесь; 2 – метановодородовоздушная смесь(СH4:СH2 = 2:3); 3 – водородовоздушная смесьНа рисунке 1.2 видно, что кривые имеют максимум, который смещенв сторону бедных горючих смесей тем сильнее, чем больший объемный процентгорючего содержится в стехиометрическом составе.

Сужение концентрационногопредела воспламенения происходит, в основном, за счет богатых смесей. Так,например, оптимальное содержание водорода в смеси с воздухом при зажиганииискрами смесей составляет 12-13 %(об.), в то время как верхний концентрационный предел распространения пламени для водородно-воздушной смесисоставляет 75 %(об.).36Аналогичное положение имеет место и для углеводородовоздушных смесей(ацетилен, метан и т.

д.) и смесей других горючих газов с воздухом. Приведенныеданные хорошо согласуются с изложенными выше теоретическими положениямио механизме окисления и нагревания фрикционных частиц и зажигания имигорючих смесей.Второй способ определения наиболее легко зажигаемого состава горючихсмесей основан на определении минимальной задержки воспламенения горючихсмесей фрикционными искрами. Время задержки определяется по кинограммампроцесса искрообразования и зажигания горючих смесей. Как и в первом случае,время задержки определяется для выбранного режима искрообразования.Концентрация горючего в смеси изменяется от нижнего концентрационногопредела распространения пламени до стехиометрического состава.

На каждойконцентрации производится несколько киносъемок процесса искрообразованияи зажигания горючей смеси, и определяется среднее время задержки взрыва.Затем строится зависимость t = f (C).На рисунке 1.3 приведены построенные по результатам исследования дляацетиленовоздушной и водородовоздушной смесей кривые зависимости задержкивоспламенения от концентрации горючего для двух различных режимовсоударения.Рисунок 1.3 – Зависимость задержкизажигания (τ) взрывоопасных смесейфрикционными искрами сталейот содержания горючего в смесии энергии соударения:1– ацетиленовоздушная смесь,энергия соударения 570 Дж;2 – ацетиленовоздушная смесь,энергия соударения 830 Дж;3 – водородовоздушная смесь,энергия соударения 830 Дж;4 – водородовоздушная смесь,энергия соударения 1700 Дж37Из рисунка 1.3 видно, что кривые имеют минимум, соответствующийнаиболее легко зажигаемой фрикционными искрами смеси горючего с воздухом.С повышением содержания кислорода в окислительной среде времязадержки зажигания фрикционными искрами сокращается.

На рисунке 1.4показано изменение времени задержки зажигания фрикционными искрами,образующимися при соударении углеродистых сталей, в зависимости отсодержания кислорода в окислительной среде.Рисунок 1.4 – Зависимость задержкизажигания (τ) ацетиленоазотокислороднойсмеси ([С2H2] = 4,4 % (об.)) фрикционнымиискрами сталей от содержания кислородаВ связи с тем, что в бедных горючих смесях замещение азота некоторымколичеством кислорода практически не приводит к изменению горючих свойствсмеси, уменьшение времени задержки воспламенения является результатомповышения скорости окисления фрикционных частиц.Если фрикционные частицы образованы из вступающих друг с другомв реакцию материалов, то эффект добавки кислорода в горючие смеси становитсязначительно меньшим.

В этом случае концентрация горючего в наиболее легкозажигаемыхсмесяхнескольконижеконцентрациигорючеговсмесях,соответствующих минимальной энергии зажигания электрическими искрами.На рисунке 1.5 приведены вероятности зажигания фрикционными искрами,образующимися при соударении алюминиевых сплавов с ржавой сталью, приэтом следует иметь в виду протекание термической реакции между алюминиеми окислами железа.38Рисунок 1.5 – Влияние концентрации горючего на зажигающую способность(вероятность зажигания) фрикционных искр парыалюминиевый сплав – ржавая сталь:● – энергия удара 735 Дж; ▲ – энергия удара 1140 ДжИсследования, проведенные при постоянной энергии соударения на установке копрового типа, позволили установить, что воспламеняющая способностьискр, образующихся при ударе стали о сталь или гранит [49, 50], а также приударе бронзовых сплавов о сталь [52, 53], падает с понижением содержаниякислорода.При этом в логарифмической сетке эта зависимость изображается прямойпод углом наклона к оси абсцисс порядка 60.

Сильное влияние кислорода назажигающую способность горючих смесей при истирании карборундовым кругомстальных стержней отмечалось в ряде работ [54-56].Приведенные на рисунке 1.6 экспериментальные зависимости позволяютпроизводить оценку зажигающей способности фрикционных искр по однойэкспериментальной точке, полученной для смесей, содержащих оптимальныйсостав горючего и обогащенных кислородом (если известен угол наклона прямой lgР = f([O2])).39Рисунок 1.6 – Влияние содержания кислорода в окислительной средена зажигающую способность (вероятность зажигания) фрикционными частицамисталей горючих смесей с содержанием водорода 12–13 %(об.):● – соударение медноникелевого сплава с ржавой сталью; ▲ – соударениеспецлатуни с закаленной сталью; – соударение медноникелевого сплавас мягкой стальюВ этом случае вероятность воспламенения наиболее легкой зажигаемойсмеси горючего с воздухом может быть вычислена по формуле:tgA p0  p x  0  , x (1.3)где Р0 – вероятность воспламенения наиболее легко зажигаемой фрикционнымиискрами смеси горючего газа с воздухом; A0 – содержание кислорода в наиболеелегко зажигаемой фрикционными искрами смеси горючего газа с воздухом;Pх, x – координаты экспериментальной точки; tgα – тангенс угла наклонав логарифмической сетке зависимости P = f(O2).Зажигающая способность искр зависит как от механического составаучаствующих в трении материалов, так и от режимов механического воздействия.Поэтому невозможно оценить теоретическим путем, опасность искр в техили иных условиях трения или соударения.Вработе[57]былипроведеныэкспериментальныеисследованиязажигающей способности фрикционных искр при соударении различных сталей,40алюминиевых, магниевых, цинковых и бронзовых сплавов в различныхвзрывоопасных средах при различных значениях скорости (7,5-27,0 м/с) и массы(0,12-1,9 кг) ударников, наиболее часто применяющихся в инженерной практике.Искрообразующее устройство вращательно-ударного типа, использовавшеесяв исследованиях, позволяло, как показало электротензометрирование, моделировать такие же удары, что и при работе с ударным инструментом и падениигрузов с высоты.