Диссертация (1172857), страница 11
Текст из файла (страница 11)
При достижениитемпературы, при которой выполняется критическое условие (3.1), происходитцепное воспламенение.65Интенсивность горения определяется скоростью цепной реакции, котораязависит от концентрации реагентов и температуры принципиально иначе, чем вреакции простого типа, рассматриваемого в традиционной теории тепловогогорения. Как показано в работе [86], скорости разветвленного цепного процесса Wсоответствует следующее выражение:tW= k1n0exp 2k10 f O2 exp(-E1/RT ) kобр f O2 [M] kIn f In [M]dt .f O2t(3.2)0В этом выражении индексы констант скорости соответствуют обозначениямреакций, k10 и E1 − предэкспоненциальный множитель константы скорости реакции(3.I) и энергия активации соответственно, T – температура, R – универсальнаягазовая постоянная; t0 – момент времени, после которого вклад молекулярныхреакций в скорость размножения активных частиц несущественен; n0 –концентрация активных частиц в момент t0.Из этой формулы видно, что при наличии ингибитора (т.е.
третьего члена вфигурной скобке) подынтегральная функция уменьшается, что приводит кэкспоненциальному падению скорости реакции горения. Соответственно ослабеваетсаморазогрев смеси. Не менее важно то, что уменьшение подынтегральной функцииприводит также к экспоненциальному снижению температурной зависимостискорости dW/dT. В итоге резко ослабевает ускоряющее действие саморазогрева.Из выражения (3.2) видно, что при увеличении f O2 подынтегральная функциявозрастает, что в свою очередь экспоненциально увеличивает скорость реакции и,следовательно, интенсивность горения.
Из (3.2) следует также, что скорость реакцииW экспоненциально падает с ростом величины kIn, характеризующей эффективностьингибитора.Снижение скорости реакции и, соответственно, уменьшение интенсивностигорения возможны не только при непосредственном снижении температуры. Приповышении содержания ингибитора уменьшается величина подынтегральной66функции уравнения (3.2), и тем самым экспоненциально уменьшается скоростьпроцесса, даже если температуру поддерживать постоянной.
Таким образом, какусловие воспламенения, так и условие распространения пламени определяются впервую очередь конкуренцией размножения и гибели активных промежуточныхчастиц. Этой конкуренцией определяется также тепловой режим горения [41].Из уравнений (3.1) и (3.2) видно также, что от мольной доли кислорода зависитне только условие воспламенения, но также скорость реакции горения.
При этомскорость реакции зависит экспоненциально от f O2 . Этим качественно объясняетсянаблюдаемыйсинергизмдействияингибиторовиинертныхгазовнаконцентрационные пределы распространения пламени.Галогензамещенные (полностью или частично) углеводороды являютсяингибиторами горения водорода и органических соединений в воздухе, причемнекоторые из них становятся горючими в средах с повышенным содержаниемкислорода[87].Длязаметногоингибированияприходитсяиспользоватьзначительные концентрации таких веществ, зачастую превышающие их нижнийконцентрационный предел распространения пламени. Например, по данным работ[80, 83, 84] 1,2–дибромтетрафторэтан при повышенных концентрациях кислородатеряет флегматизирующие свойства значительно быстрее, чем многие другиегалогенпроизводные агенты.
Одной из причин этого является способность 1,2дибромтетрафторэтана гореть в смесях, богатых кислородом. В работе [88] показано,что C4F10, C2F5H и C3F7H, в отличие от CF4, C2F6, C3F8 и CF3H, также горят вкислороде.Изучение горения при пониженных концентрациях кислорода важно дляпоиска составов типа инертный газ – ингибитор, эффективных в объемномпожаротушении и предупреждении взрывов. В работах [89–93] изучено воздействиесоставов инертный газ – ингибитор газ на диффузионное пламя и на пламяпредварительно перемешанных смесей.67Данных о зависимости условий флегматизации горения водорода и метана отконцентрации кислорода в литературе практически нет.
Восполнению этого пробелапосвящена настоящая глава.В настоящее время в связи с действием Монреальской конвенции поограничению применения веществ, разрушающих озоновый слой земнойатмосферы, становится все более актуальными работы по поиску газовыхогнетушащих составов, альтернативным бромхладонам. В качестве одних изнаиболее перспективных заменителей бромхладонов в области пожаротушения ивзрывопредупреждения рассматриваются фторированные углеводороды [11, 12,94–102]. Указанные агенты в определенных случаях обладают высокойогнетушащей эффективностью, их применение предусмотрено отечественными[102] и международными [103, 104] нормативными документами по пожарнойбезопасности.
Тем не менее имеется ряд работ, в которых обнаруженопромотирующее влияние фторированных углеводородов (HFC и FC) на горениегазов [10, 14–16, 18, 105–112]. Таким образом, указанные фторированные агентымогут иметь как ингибирующее, так и промотирующее действие. В последнемслучае в зависимости от состава смеси фторированные углеводороды могут игратьроль как дополнительного горючего, так и дополнительного окислителя, т.е.двойственную роль. В настоящей главе ставится задача экспериментальногоисследования указанного эффекта для случая горения в окислительных средах сконцентрацией кислорода, отличной от воздуха.В настоящее время работы по определению характеристик горения горючихгазовыхсмесейвзначительнойстепенисвязанысопределениемконцентрационных пределов распространения пламени в смесях вида горючее –окислительная среда – флегматизатор [20, 81, 83, 88–90, 113–116].
Часть изуказанных выше исследований связана с изучением динамики сгоранияводородосодержащихсмесейсложногосоставасопределениемтакиххарактеристик горения, как максимальное давление взрыва, скорость нарастаниядавления взрыва, нормальная скорость горения [88, 89, 116]. В настоящей главеставится задача экспериментального исследования влияния флегматизаторов68различной химической природы (в основном фторированных углеводородов) нахарактеристики горения смесей горючее (водород, метан) – окислительная среда(смесь N2 + O2) при различных концентрациях кислорода в окислительной среде.При этом предметом изучения являются околопредельные смеси, имеющие состав,отвечающий концентрационной области вблизи нижней (метан) и верхней (метан,водород) ветви кривой флегматизации смеси горючее + (O2 + N2) + флегматизатор(содержание горючего не более, чем на 1 % (об.) ниже верхнего (выше нижнего)концентрационного предела распространения пламени при соотвествующемсодержании разбавителя).
Выбор предмета исследования обусловлен двумяобстоятельствами. Во-первых, в соответствии с имеющимися теоретическимипредставлениямииэмпирическимизакономерностямиадиабатическаятемпература горения околопредельных смесей приблизительно одинакова [117–119], что отвечает условию постоянства максимального давления взрыва дляуказанныхсмесей.Представляетинтереспроверитьвыполнениеэтойэмпирической закономерности для химически активных разбавителей. Во-вторых,в соответствии с теоретическими представлениями и экспериментальнымиданными [41, 42, 120] при некоторой критической концентрации флегматизатораили горючего в смеси (заметно отличающейся от предельной для распространенияпламени) должно происходить резкое падение максимального давления взрыва.Представляет интерес проверить, будет ли указанная закономерность выполнятьсядля изучаемых составов горючих смесей.
В случае горючего газа в виде водородапредметом исследования являются богатые смеси. Выбор для изучения богатыхсмесейобусловлентемобстоятельством,чтодлядостаточнобедныхводородсодержащих смесей (содержание H2 менее 8 % (об.)) вблизи нижней ветвихарактерен так называемый пузырьковый характер распространения пламени, прикотором повышение давления незначительно [121–123], и изучение химическоговлияния флегматизаторов различной природы описанным в главе 2 методомзатруднено.Одним из наиболее важных показателей эффективности флегматизатораявляется степень его влияния на нормальную скорость горения газовых смесей.69Изучению этого влияния посвящено достаточно большое количество какэкспериментальных, так и теоретических исследований [18, 47, 48, 87, 123–128].Однако при этом рассматривали, как правило, смеси, по своему составу близкие кстехиометрическим.
В то же время околопредельные смеси исследованынесравненно меньше, хотя данные по зависимости нормальной скорости горения Suот концентрации флегматизаторов для таких смесей могли бы способствоватьболее глубокому пониманию природы предельных явлений при распространениипламени по газовым смесям.В ряде теоретических работ, например, в [121, 129], содержится положение,что нормальная скорость горения газовых смесей на концентрационных пределахраспространения пламени приблизительно постоянна и определяется не составомсмеси (например, наличием тех или иных флегматизаторов), а условиямитеплообмена фронта пламени с окружающей средой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
