Диссертация (1172857), страница 20
Текст из файла (страница 20)
1 – C4F10; 2 – C2HF5; 3 – CHF3Рисунок 4.16 – Зависимость максимальной скорости нарастания давления взрыва(dP/dt)max для околопредельных смесей H2 – N2O – фторированный углеводород,отвечающих верхним ветвям кривых флегматизации, от относительногосодержания флегматизаторов Crel. 1 – C4F10; 2 – C2HF5; 3 – CHF3146Зависимости, представленные на рисунке 4.15, характеризуются наличиеммаксимумов при Crel ≈ 0,7 – 0,8. Это говорит об активном участии фторированныхуглеводородов в химических превращениях во фронте пламени. Указанныепревращения характеризуются дополнительным тепловыделением, причем вовсемдиапазонеконцентрацийфторированногоуглеводородаот0дофлегматизирующих концентраций.Экстремальнымхарактером(наличиемаксимума)характеризуетсязависимость максимальной скорости нарастания давления взрыва (dP/dt)max отконцентрации C4F10 (рисунок 4.16).
В то же время аналогичная зависимость(dP/dt)max от [CHF3] и [C2HF5] характеризуется немонотонным поведением соспаданием вблизи флегматизирующих концентраций. Зависимости нормальнойскорости горения от содержания фторированных углеводородов характеризуютсяуменьшением Su с ростом концентрации фторированного флегматизатора(рисунок 4.17).Рисунок 4.17 – Зависимость нормальной скорости горения Su дляоколопредельных смесей H2 – N2O – фторированный углеводород, отвечающихверхним ветвям кривых флегматизации, от относительного содержанияфлегматизаторов Crel. 1 – C4F10; 2 – C2HF5; 3 – CHF3147Необходимо отметить, что полученные результаты во многом качественноаналогичны найденным ранее как для случая горения смесей CH4 – N2O –фторированный углеводород (раздел 4.2, 4.3), так и для случая горения смесейCH4 (H2) – (O2 + N2) – фторированный углеводород с концентрацией кислорода вокислительной среде (O2 + N2) 15, 20,6 и 25 % (об.).
При этом наличиемаксимумов в зависимостях ΔPmax от содержания флегматизаторов может бытькачественно объяснено процессами тепловыделения при превращениях указанныхфторированных флегматизаторов во фронте пламени, которые достаточноподробно рассмотрены в главе 3 и разделах 4.2, 4.3 настоящей работы. Снижениенормальной скорости горения Su с ростом содержания фторированныхуглеводородов (рисунок 4.17) обусловлено ингибирующим действием изученныхфлегматизаторов.
Что касается максимальной скорости нарастания давлениявзрыва, то эта величина зависит как от максимального давления взрыва, так и отнормальной скорости горения, которые по- разному зависят от содержанияфторированных углеводородов (рисунки 4.15, 4.17).В связи с этим зависимости (dP/dt)max от концентрации флегматизаторовмогут характеризоваться достаточно сложным поведением (рисунок 4.16).Наличие максимумов в зависимостях на рисунках 4.15, 4.16 обусловлены,по- видимому, протеканием процессов (3.VII) – (3.XIX), поскольку этизависимости имеют место для богатых смесей.На рисунке 4.18 представлены типичные осциллограммы «давление-время»,зарегистрированные экспериментально для смесей H2 – N2O – C4F10, отвечающихверхней ветви кривой флегматизации.Необычный ход начальных участков кривых наблюдается для содержанияфлегматизатора 20 и 25 % (об.), в то время как для концентраций C4F10 0 и 10 %(об.) на указанных начальных участках ход кривых качественно подобенпредсказанному теориейсгораниягазовыхсмесейвзамкнутомсосудесферической формы (прирост давления ΔP пропорционален t3, где t – промежутоквремени с момента зажигания [153]).
Качественно близкий характер зависимостей«давление – время» для сгорания околопредельных смесей наблюдался ранее для148составов CH4 – N2O – фторированный флегматизатор (раздел 4.2, 4.3), а также дляоколопредельных смесей H2 (CH4) – (O2 – N2) – фторированный флегматизатор(рисунок 4.19).Данный эффект может быть, следуя [154], объяснен следующим образом.Особенности поведения кривых «давление – время», зарегистрированных в ходеработы, связаны с зажиганием газовых смесей электрической искрой иформированием самораспространяющегося фронта пламени.
Согласно [154]условия зажигания искрой могут быть сформулированы так: если количествовыделяющейся энергии меньше некоторой критической величины, то реагируетлишь небольшое количество вещества в пространстве между электродами, ираспространение пламени на весь объем смеси не происходит. Если количествовыделяющейся энергии больше критического, то пламя распространяется повсему объему.Рисунок 4.18 – Зависимости «давление – время» для верхней ветви кривойфлегматизации H2 – N2O – C4F10 для различных концентраций перфторбутана,% (об.): 1 – 0; 2 – 10; 3 – 20; 4 – 25149а)б)Рисунок 4.19 – Зависимости «давление – время» для нижних (а) и верхних (б)ветвей кривых флегматизации CH4 – (O2 – N2) – CHF3 для содержания О2 вазотокислородной смеси 25 % (об.).
Концентрация трифторметана, % (об.):1 – 4; 2 – 8; 3 – 12; 4 – 16; 5 – 21150Энергия, выделившаяся в искре, распределяется постепенно по всемуобъему,итемпературанагретойчастигазадоформированиясамораспротсраняющегося фронта пламени падает. Качественный вывод авторов[154] таков: чтобы искра могла зажечь газ, характерный радиус объема R, вкоторомзасчетэнерговыделенияискрыдостигаетсятемператураT,превышающая адиабатическую температуру пламени Тв, должен быть по порядкувеличины равен толщине фронта пламени δ.
Данные, приведенные в работе [154]для смесей H2 – CO – O2, показывают, что отношение R/δ находится в диапазонеот 2,2 до 6,8. При этом величина δ обратно пропорциональна нормальнойскорости горения Su.Помимо анализа результатов работы [154], для объяснения наблюдаемыхэффектов были проведены дополнительные эксперименты по более детальномуизучению участков кривых «давление - время» сразу после инициированияэлектрической искры (рисунки 4.20, 4.21).Рисунок 4.20 – Зависимости «давление – время» на начальных участках кривыхдля инициирования искры в воздухе (1) и метановоздушной смеси с содержаниемCH4 5,5 % (об.) (2)151Видно, что энерговыделение от электрической искры вызывает небольшоеповышение давления в замкнутом сосуде (на 0,01- 0,02 Мпа) как в случае чистогоокислителя (воздух или закись азота), так и в случае горючих смесей метан –воздух ([CH4] = 5,5 % (об.)) и метан – закись азота ([CH4] = 2% (об.)).
При этом вслучае горючих смесей прирост давления выше вследствие инициированныхискрой химических превращений с участием горючего газа. После достижениялокальногомаксимумадавлениеначинаетпадать,чтообусловленотеплопотерями в электроды зажигания. Падение давления P в случае горючихсмесей реализуется до некоторого минимума, за которым следует резкий рост P врезультате начала распространения пламени по всему объему горючей смеси.Рисунок 4.21 – Зависимости «давление – время» на начальных участках кривыхдля инициирования искры в закиси азота (1) и смеси CH4 – N2O с содержаниемметана 2 % (об.) (2)Особый интерес представляет наличие двухпиковой структуры зависимости«давление – время» для закиси азота (рисунок 4.21).
Наличие второго пика, по-152видимому, обусловлено инициированием искрой экзотермического распадазакиси азота (реакция (4.II), теплового эффекта которой, однако, недостаточно дляформирования самораспространяющегося фронта пламени, в результате чегодавление после достижения второго максимума падает.На рисунке 4.21 обращает на себя внимание следующий факт. На кривой 1падениедавленияпоследостижениявторогопикапроисходитнедопервоначального значения, а до величины, превышающей это первоначальноезначение. Данный факт объясняется протеканием в локальной областипространства вблизи электродов зажигания химической реакции распада закисиазота (реакция (4.II), при которой происходит увеличение числа молекул впродуктах реакции с соответствующим ростом остаточного давления посравнению с первоначальной величиной.Исходя из вышесказанного, может быть дано следующее качественноеобъяснение поведения давления в реакционном сосуде непосредственно послеинициирования процесса источником зажигания.
При возникновении искрывыделяется энергия, которая вместе с тепловыделением от химических реакций вискровом промежутке приводит к росту давления в реакционном сосуде. Позавершенииэлектрическогоразрядавозможнокакобразованиесамораспространяющегося фронта пламени, так и диссипация выделившейсяэнергии от искрового промежутка в газовую смесь за счет теплопроводности безформирования фронта пламени.
Реализация того или иного сценария зависит отсостава смеси или, точнее говоря, от ее нормальной скорости горения.Действительно,какотмеченовыше,дляформированиясамораспространяющегося фронта пламени пространственная область температурТ, превышающих адиабатическую температуру горения (Т > Тad), должна иметьразмер R не менее толщины фронта пламени δ. Поскольку δ~1/Su [154], длясмесей с высоким значением Su величина δ достаточно мала и может быть неболее характерного размера высокотемпературной области, формируемойэлектрическим разрядом. В этом случае зависимость ΔP от величины t близка кпредсказанной в работе [153] (ΔP ~ t3), что наблюдается на рисунке 4.18 для153кривых для смесей, содержащих 0 и 10 % C4F10.
Эти смеси имеют достаточновысокие значения Su ≈ 0.4 м/с (рисунок 4.17).ДлясмесейсменьшимизначениямиSuпервоначальныйразмервысокотемпературной области оказывается меньше толщины фронта пламени δ,поэтомупроисходитраспространениетепловойволнывглубьгазасодновременным остыванием высокотемпературных продуктов зажигания. Приэтом давление в сосуде начинает падать. Если энергия зажигания достаточновелика, увеличивающийся в результате распространения тепловой волны размервысокотемпературной области ρ (Т > Тв) превысит величину R (R ~ δ), образуетсясамораспространяющийся фронт пламени, и давление в сосуде начинает быстрорасти. Если энергия зажигания не превышает некоторой критической величины,придостиженииразмеромвысокотемпературнойобластивеличиныRтемпература в этой области может оказаться ниже Тв, и формированиесамораспространяющегося фронта пламени не произойдет.
Сказанное вышекачественно отражено на рисунке 4.22.а)154б)в)Рисунок 4.22 – Качественный характер изменения температуры Т и приростадавления ΔР вблизи области инициирования электрической искрой. r –расстояние от центра инициирования. а) – случай смеси с высокими значениямиSu (успешное формирование самораспространяющегося фронта пламени, ΔP ~ t3);б) – случай смесей с промежуточными значениями Su (успешное формированиесамораспространяющегося фронта пламени, зависимость ΔP от t имеетособенности, отраженные на рисунках 4.18, 4.19); в) – случай смесей с низкимизначениями Su (самораспространяющийся фронт пламени не формируется)Выводы к разделу 4.3.1) Проведено экспериментальное исследование влияния фторированныхуглеводородов (CHF3, C2HF5, C4F10) на горение околопредельных смесей H2 –N2O.1552) Определены концентрационные пределы распространения пламени всмесях H2 – N2O – фторированный углеводород, а также максимальное давлениевзрыва ΔPmax, максимальная скорость нарастания давления взрыва (dP/dt)max инормальная скорость горения для указанных выше смесей околопредельногосостава.3) Получены низкие значения концентраций водорода на нижних ветвяхкривых флегматизации (1% (об.)), а также максимумы в зависимостях ΔPmax отконцентрации фторированного углеводорода.4) Изучены особенности зависимостей «давление - время» вблизи моментаинициирования горения электрической искрой, обусловленные формированиемсамораспространяющегося фронта пламени.5) Представлена качественная интерпретация наблюдаемых эффектов.156ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯФТОРИРОВАННЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПОЖАРНОЙОПАСНОСТИ СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ CОКИСЛИТЕЛЬНЫМИ СРЕДАМИ НА ОСНОВЕ КИСЛОРОДА5.1 Исследование влияния фторированных углеводородов на показателипожарной опасности стехиометрических водородовоздушных иметановоздушных смесейВ работах [14, 108-110, 112, 155] и главах 3, 4 настоящей работы приведеныданные по концентрационным пределам распространения пламени (КПР),максимальному давлению взрыва ΔPmax, максимальной скорости нарастаниядавления взрыва (dP/dt)max и нормальной скорости горения Su в смесях,содержащих горючий газ (водород, метан), оксилитель (смесь азота и кислорода,закись азота), а также фторированный углеводород (HFC).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
