Диссертация (Особенности воспламенения и горения горючих газов и паров в различных окислительных средах), страница 9

Скорость вращения колесав месте соприкосновения варьировалась в диапазоне 0,2-20 м/с при нагрузке5000 Н. Температура плоской площадки измерялась с помощью термопар и инфракрасным пирометром. Колесо изготовлено из закаленной стали. Площадкаизготавливалась из закаленной или незакаленной стали, алюминия, сплаваалюминия и бронзы, кварца. По оценкам авторов, давление в контактной зонесоставляло несколько мегапаскаль.47Найдено, что размер образующихся при трении твердых нагретых частицсоставлял несколько сотен микрон.

Температура горизонтальной поверхностиплощадки в зависимости от приложенной мощности (до 4 кВт) достигала 1000 °С– для колеса диаметром 30 см и 500 °С для колеса диаметром 10 см. По оценкамавторов, около 80 % выделяющейся при трении тепловой энергии рассеиваетсяпутем теплопроводности. Образующиеся нагретые частицы («искры») имелимассу от 0,07 до 7,50 г в зависимости от условий трения и вида материала. Числообразующихся частиц составляло несколько десятков в секунду. Доля энергииот трения, идущей на образование частиц, составляло около 1 %.Для изучения искр от удара использовали установку с мишенью в видестальной пластины размерами 5×70×45 см и ударяющим по ней телом. Мишеньбыла наклонена под углом 60°, что обеспечивало оптимальные условияискрообразования.

Скорость соударения варьировалась в диапазоне от 5 до 50 м/с.Процесс соударения регистрировали скоростной кинокамерой (от 100 до 8000кадров в секунду). Ударяющее тело представляло собой стержень диаметром18 мм и длиной 5 и 20 см из стали, меди и алюминия.Найдено, что температура в месте соударения может достигать 600-700 °Си в дальнейшем существенно падать в течение 2-3 мс. Типичные давленияпри соударении могут достигать сотен мегапаскаль, что на 2 порядка вышедавлений, реализуемых при трении, за счет чего кратковременно реализуютсяуказанные выше высокие температуры. При соударении образуется, как правило,одна частица размером 2-4 мм, движущаяся со скоростью, близкой к скоростипадающего тела. Температура при соударении практически не зависит от длиныстержня, а определяется скоростью соударения.Зажигание при ударе и трении может происходить в результате реализацииодного из трех процессов:1) за счет зажигания нагретой поверхностью в местах удара и трения;2) за счет нагрева газовой среды в ограниченном пространстве из-затепловыделения при ударе и трении;3) зажигании искрами, образующимися при ударе и трении.48Показано, что первый механизм является основным.

Зажигание происходит,как только температура поверхности превысит некоторое критическое значение(не менее 1000 К). При этом критическая температура зажигающей поверхностине коррелирует ни со стандартной температурой самовоспламенения, ни с минимальной энергией зажигания. Обнаружено, что наиболее легко зажигаемаягазовая смесь при ударе и при нагревании поверхности иным источником(электрическим нагревом) по своему составу одна и та же и существенноотличается от стехиометрической, при которой минимальна энергия зажиганияэлектрической искрой.

Этот результат получен для смесей метан – воздух(7 %(об.) CH4) и водород – воздух (10 %(об.) H2). Температура зажигающейповерхности составляла 1100-1400 °С (CH4) и 800-900 °С (H2).Второй механизм похож на первый, однако повышение температуры газовой среды вблизи места образования искр не превышает 40 °С, несмотря на то,что температура твердой поверхности может достигать 700 °С (то есть второймеханизм практически нереализуем).Вслучаереализациитретьегомеханизмаискрымогутвызватьвоспламенение, если частицы металла могут существенно повысить своютемпературу за счет окисления металла. Нагретые частицы металла могут горетьпри своем полете в воздухе. Однако в рассмотренных экспериментах этогоне было зафиксировано даже в случае алюминия.На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы.В случае трения зажигание происходит почти исключительно в области,нагретой за счет трения поверхности.

Температура зажигания нагретой поверхностью не связана напрямую со стандартной температурой самовоспламенения.Мощность, рассеиваемая при трении, обычно составляет несколько процентовот полной мощности. Для соответствующего нагрева поверхности требуетсявремя не менее нескольких секунд.

Максимальная температура в зонесоприкосновениятрущихсяповерхностейзависиттолькорассеиваемой при трении, независимо от скорости движения.отмощности,49В случае удара, как и в случае трения, зажигание происходит нагретойза счет соударения поверхностью. Авторы подчеркивают, что возможностьзажигания при соударении определяется не кинетической энергией тела, а егоскоростью.Образующиеся при трении и соударении искры обладают значительноменьшей зажигающей способностью по сравнению с нагретой поверхностьютрущихся или соударяющихся тел. При этом определяющим параметром являетсятемпература нагретой поверхности.В работе [61] изучено зажигание метановоздушных смесей фрикционнымиискрами легких металлов и сплавов.

Авторы констатируют, что зажиганиепри трении обусловлено образованием нагретых поверхностей тел и искр(высокотемпературных твердых частиц, образующихся при трении). Наиболеевероятно зажигание при трении поверхностей тел из легких сплавов и поверхностей ржавого железа. В работе [61] выполнены лабораторные эксперименты,в которых фрикционные искры создавались при свободном падении тестируемогообразца на поверхность ржавого железа. Испытано было четыре образца,указанные в таблице 1.2.Таблица 1.2 – Химический состав образцов, использованных при проведенииэкспериментов в работе [61]Химический состав образца, %№Типобразца Si Fe Cu Mn Zn Ni Ti CrMgAl111,5 0,9 0,3 0,4 0,3 0,1 0,2 0,20,2остальное Al-SiAl20,4 0,5 1,6 0,3 5,5- 0,2 0,22,5остальное MgZn30,2 0,3 0,1 0,6 0,2 0,2 0,2 0,24,5остальное Al-Mg40,3 - 0,3 0,2 1,0- остальное3,0MgКроме этого, дополнительно изучен образец из первого сплава с небольшойдобавкой Be.

Образцы имели длину 50 и диаметр 60 мм. Энергия соударениярегулировалась весом груза и высотой падения. Пластина из ржавого железаимела размеры 400×160 мм и толщину 12 мм. Ржавчина образовываласьна поверхности пластины в течение 6 недель.50Падающий образец и пластина были размещены во взрывной камереобъемом 1 м3, максимальная высота падения составляла 4 м. В камеру подавалитребуемое количество метана, и смесь перемешивали вентилятором. Образецпадал на пластину под углом около 45°.Вначале проводили опыты без метана, в которых с помощью кинокамерырегистрировали образование искр. С помощью инфракрасного анализатораизлучения было найдено, что искры имели температуру в диапазоне от 1850до 2100 К и время жизни 0,02 с.

В процессе полета частицы охлаждались. Нагревчастиц при трении вызван не только переходом механической энергии в тепло,но и химической реакцией алюминия с ржавым железом:Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3 + 830 кДж.Измерена зависимость вероятности зажигания от высоты падения грузамассой 14 кг и состава смеси.

Легче всего зажигались бедные смеси с содержанием метана 6,5-7 %(об.). Вероятная причина этого – дополнительный по отношению к горению метана кислород потребляется искрами. При высоте падениягруза с 4 м максимальная по концентрации метана вероятность зажигания близкак 90 %, при высотах падения с 3 и 2 м – эта величина оставляет 60 и 25 %,соответственно. Вероятность зажигания зависит от шероховатости поверхностистальной пластины и максимальна при шероховатости 1,2 мм.

Вероятностьзажигания зависит от массы груза, и при массе менее 5 кг и высоте падения до 4 мзажигание не происходит. Авторы делают вывод, что вероятность зажиганияопределяется не массой груза и высотой падения по отдельности, а зависитот потенциальной энергии груза.Найдено, что четвертый образец наиболее опасен по зажигающей способности. Чем меньше Mg в сплаве с Al, тем ниже зажигающая способность, чтообусловлено тем обстоятельством, что Mg при реакции с ржавчиной выделяетбольше тепла, чем Al.

Влияние Zn выше, чем влияние Mg. Добавки Be повышаютзажигающую способность фрикционных искр.51По результатам работы сделаны следующие выводы:– соударение предметов из легких сплавов и стали имеет высокую зажигающую способность в силу образования высоконагретых поверхностейиз-за возможности протекания термитных реакций (реакции легких металловс ржавчиной);– высота падения груза является одним из важных параметров, определяющих зажигающую способность;– энергия соударения, обеспечивающая 50 %-ную вероятность зажигания,может быть использована для оценки зажигающей способности;– наличие в сплавах легких металлов Mg существенно повышает зажигающую способность.Работа [62] посвящена исследованию влияния материала подошвы рабочейобуви и пола на возможность воспламенения газов и паров фрикционнымиискрами. При трении материалов образуются нагретые поверхности, а такженагретые частицы трущихся материалов, которые при разлете в атмосфере могутокисляться с дополнительным тепловыделением, вызывая дополнительныйнагрев.