Диссертация (1172857), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Вращающийся диск имел диаметр 100 мм и толщину 10 мм. Счетырех сторон с диска срезан сектор с основанием 40 мм.Исследуемыйобразецивращающийсядиск(далеепотексту–испытываемая пара) закрепляли в реакционном сосуде с необходимой силой (20Н) прижатия исследуемого образца к диску. Вакуумировали реакционный сосуддо остаточного давления не более 0,5 кПа.
По парциальным давлениям составлялигорючую газовую смесь. Инициируют вращение диска и регистрируют время tз домомента зажигания газовой смеси, которое регистрируют визуально и попоказаниям манометра. Если парогазовая смесь не зажигается в течение 1 минвращения диска, фиксируют отсутствие зажигания и инициируют контрольныйисточник зажигания. Для каждого состава горючей смеси опыт повторяют неменее 2–5 раз и вычисляют среднее время задержки зажигания tсрз. Находят числосоударений в единицу времени N по формуле:N = 2nk,(7.1)где n – число оборотов диска в единицу времени, с-1;k – число сегментов на диске, обусловливающих ударное соприкосновениеобразцов (k = 4).Коэффициент «2» учитывает наличие двух углов на каждом сегменте диска.ВычисляютвероятностьзажиганияPдляиспытываемойпарыконструкционных материалов по формуле:P = 1/(tсрзN).(7.2)188На рисунке 7.2 приведена зависимость частоты вращения диска от массыгруза, осуществляющего прижатие образцов.
При массе груза 2000 г,использованной в дальнейших экспериментах, частота вращения составлялаоколо 7000 об/мин, что и было использовано при обработке результатов опытов.Рисунок 7.2 – Зависимость частоты вращения диска от массы груза,осуществляющего прижатие образцов7.2 Изучение зажигающей способности фрикционных искрЭксперименты проводили с использованием таких горючих газов и паров,как водород, метан, пары бензина АИ-92, ацетилен и пары СУГ. В качествеконструкционных материалов исследовали сталь малоуглеродистую, стальуглеродистую термообработанную, сталь малоуглеродистую корродированную,алюминий, сталь хромистую, сталь нержавеющую, латунь в различных189сочетаниях.
При этом воспламенения удалось достичь только в случаях водородаи ацетилена.Наиболее характерные экспериментальные данные представлены нарисунках 7.3 и 7.4.Вработахопределяющим[64,65]зажигающуюбылоотмечено,способностьчтоосновнымфрикционныхпараметром,искр,являетсятемпература поверхности образцов при их трении или соударении. Этатемпература зависит от вида соударяющихся или трущихся материалов,размерами и формой образцов, скоростью вращения и силой прижатия.Рисунок 7.3 – Вероятность воспламенения смесей H2 – воздухпри различных [H2] для образцов, изготовленных из стали малоуглеродистой истали высокоуглеродистой термообработанной190Рисунок 7.4 – Вероятность воспламенения смесей C2H2 – воздухпри различных [C2H2] для образцов, изготовленных из малоуглеродистой сталиСогласно [121], для воспламенения парогазовых смесей необходимо создатьв очаг, размер которого близок к толщине ламинарного фронта пламени (δ).Температура в этом очаге должна быть не ниже температуры пламени.
Величинаδ обратно пропорциональная нормальной скорости горения парогазовой смеси Su(Su ~ 1/δ). Величины Su для водорода и ацетилена существенно превышаютсоответствующие значения для метана, паров бензина и СУГ [147]. Этим можнокачественно объяснить возможность воспламенения в случае H2 и C2H2 иотсутствие воспламенения для прочих изученных в настоящей работе газов ипаров.
Воспламеняющая способность фрикционных искр не связана состандартнойтемпературойсамовоспламененияtсвс.Действительно,средиизученных веществ наименьшее значение tсвс наблюдается для паров бензина (невоспламеняется фрикционными искрами) и наибольшая для H2 (наиболеелегковоспламеняемый газ) [147]. Отсутствие корреляции между tсвс и зажигающейспособностью фрикционных искр отмечено в работе [64].Как следует из данных, представленных на рисунке 7.3, максимумвероятностивоспламененияимеетместодлябедныхсмесейс[H2] = 11 – 12 % (об.). Эти данные аналогичны результатам [64–66].
Наблюдаемый191эффект вызван реакциями кислорода нагретыми твердыми поверхностями, врезультате чего величина [O2] вблизи указанной поверхности уменьшается [65].Для C2H2 максимум вероятности воспламенения наблюдается для [C2H2] = 10-12% (об.) (т.е. не для бедных, а для богатых смесей (рисунок 7.4). Это обусловлено,вероятно,экзотермическимихимическимиреакциямисажеобразования,типичными для горения богатых смесей C2H2 – воздух.Всоответствиисвышесказаннымвоспламенениегазовыхсмесейпроисходит от твердой поверхности, разогретой от удара и трения. Для этогонеобходимо создать высокотемпературный очаг, имеющий характерный размер,сравнимый с толщиной фронта ламинарного пламени.
Качественно близкоеявление происходит при воспламенении газовых смесей электрическим разрядом[121]. Поэтому можно высказать гипотезу о наличии взаимосвязи междувоспламеняющей способностью искр удара и трения и минимальной энергиейзажигания.На основе выполненного анализа можно сделать заключение, что искробезопасность того или иного конструкционного материала связана с тем, с какимдругимматериаломможетпроисходитьсоударениеи трение и по отношению к какой парогазовой смеси оценивается возможностьвоспламенения искрами удара и трения.
При этом минимальная энергиязажигания газов и паров может быть использована как сравнительный параметр.Дляпрактическогопримененияпредложеннойметодикиследуетопределить предельную величину вероятности воспламенения, при которойможно говорить об искробезопасности конструкционных материалов. На основеэкспертныхоценоксучетомрезультатовнастоящихисследованийиопубликованных в литературе представляется допустимым выбрать величину10-4 в качестве критерия искробезопасности. Однако из-за ограниченностиэнергетических параметров установки с точки зрения энергии, выделявшейся присоударении (это особенность любой экспериментальной установки такого рода),на практике могут иметь место более высокие энергии соударения.
При этом дажематериалы, обладающие низкой искрообразующей способностью, могут в каких-192то гипотетических случаях приводить к воспламенению газовых смесей. Этотфакт надо иметь в виду при практическом использовании результатов испытанийпо предложенной методике.193ГЛАВА 8 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ГАЗОВЫХ СРЕД СЛОЖНОГОСОСТАВАТеоретическое исследование особенностей процессов воспламенения игорения газовых сред сложного состава, которому посвящена настоящая главаработы, позволяет лучше понять особенности этих явлений для обоснованногоприменения способов снижения пожаровзрывоопасности технологических средпроизводственных процессов нефтегазовой отрасли.
В первую очередь материалынастоящей главы позволяют обосновать методы расчета концентрационныхпределов распространения пламени газовых смесей сложного состава, которыевошливметодическоепособие«Расчетконцентрационныхпределовраспространения пламени парогазовых смесей сложного состава» [411] имежгосударственный стандарт ГОСТ 12.1.044-2018 «Пожаровзрывоопасностьвеществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения»[412].8.1 Аналитическое исследование проявления эффекта самоингибирования вформировании концентрационных пределов распространения пламениЛаминарное распространение пламени – один из фундаментальныхрежимов газофазного горения – представляет собой по существу послойноевоспламенение горючей смеси.
По общепринятым до недавнего временипредставлениям это воспламенение вызвано только положительной обратной194связью скорости реакции и температуры [187 − 189]. Такой подход к объяснениюраспространения пламени, нередко встречающийся и в настоящее время [190], непозволяет объяснить большое число важных закономерностей.Как известно, концентрационная область распространения пламени в смесяхводорода с воздухом, лежащая в интервале от 5 до 75 % (об.) по содержанию H2,намного шире соответствующих областей для углеводородов, несмотря назначительно большие мольные теплоты сгорания последних [20, 135]. Более того,примеси углеводородов промотируют горение оксида углерода и, несмотря насвою горючесть, тормозят горение водорода [191, 192].
Очевидно, что этизакономерности не укладываются в традиционные до недавнего временипредставления о горении газов при атмосферном давлении как результат тольколавинообразного накопления тепла в реакционной смеси. В качестве мотивировкиотрицания роли цепной лавины утверждалось, что скорость реакции зависит оттемпературы экспоненциально, в то время как зависимость скорости реакции отконцентрации реагентов является лишь степенной функцией [188, 189]. В работах[86, 193], однако, было показано, что с повышением температуры роль цепнойлавины в горении не уменьшается, а, наоборот, возрастает.
Вызвано это ростомконцентрации активных промежуточных частиц во времени и усилением темпаэтого роста вследствие разогрева реакционной смеси.Настоящий раздел посвящен изучению одного из неизвестных до недавнеговременифакторов,вомногомопределяющихзакономерностигоренияуглеводородов, а именно самоингибирования воспламенения и горения, т.е.торможения реакции при участии тех или иных компонентов самой реакционнойсистемы.Ингибирование распространения пламени в смесях водорода с воздухоммалыми добавками проявляется как в сужении концентрационной областираспространения пламени, так и в снижении интенсивности горения [20, 189,190]. Тормозящее реакцию влияние добавок углеводородов, проявляющеесятакже в предотвращении самовоспламенения указанных смесей, вызвано195реакциями замены носителей реакционных цепей окисления водорода – атомов H– на углеводородные радикалы:H + RH = H2 + R,(8.I)которые значительно меньше способны в своих реакциях регенерировать такиеактивныепромежуточныечастицы,какатомыводорода,кислородаигидроксильные радикалы, осуществляющие быстрое разветвление реакционныхцепей [191, 192].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
