Диссертация (1172857), страница 27

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 27)

Это отражается и212на зависимостях CОкр и φкр от Crel (рисунки 8.7 – 8.10). При флегматизации2водородовоздушныхсмесейгалоидсодержащимиингибиторамивеличинакритической концентрации кислорода, как правило, монотонно возрастает сувеличением Crel (рисунок 8.7). Исключение составляет кривая 5 для C2F5I,который является одним из наиболее сильных ингибиторов горения. Однако сувеличением концентрации C2F5I выше Crel ≈ 0,2 наблюдается существенноеуменьшение CОкр , т.е. флегматизирующая способность агента падает. По2видимому, это связано с дополнительным тепловыделением в реакцияхперфторэтилена C2F4 (горючий газ), образующегося при взаимодействии C2F5I сактивными центрами, например, в процессах:C2F5I+H = C2F5+HI,C2F5+H = C2F4+HF.Аналогичнымобразомотсутствиемэффектасамоингибированиявводородовоздушных смесях объясняется и зависимость на рисунках 8.8, где навеличину критического коэффициента избытка горючего оказывает влияние лишь«внешний» ингибитор.В случае разбавления водородовоздушных смесей химически инертнымиагентамикритическаяконцентрациякислородаизменяетсясростомотносительной концентрации флегматизатора сравнительно слабо (в диапазоне от5 до 7 % (об.)) (рисунок 8.9).

В то же время критический коэффициент избыткагорючего монотонно уменьшается с ростом Crel (рисунок 8.10). Характер данныхзависимостей также находится в качественном согласии с развитыми вышепредставлениями об отсутствии эффекта самоингибирования при горенииводородовоздушных смесей.Интересно отметить, что выявленные в настоящей работе зависимости CОкр2от Crel могут быть использованы для ранжирования эффективности различных213ингибиторов (в том числе и по отношению к «самоингибиторам», какимиявляются сами горючие газы и пары органических веществ в богатых смесях).Наличие максимума в зависимости CОкр от Crel свидетельствует о более высокой2эффективности «внешнего» ингибитора по сравнению с самим горючим газом –метаном (рисунок 8.1). Темп уменьшения CОкр с ростом содержания химически2инертного ингибитора характеризует его флегматизирующую способность(рисунок 8.4).

При отсутствии у горючего газа самоингибирующих свойств(водород) величина CОкр увеличивается, а φкр – уменьшается с ростом Crel (рисунки28.7, 8.8).Выводы к разделу 8.1.1) В настоящем разделе выполнен анализ опубликованных в литературеэкспериментальных данных по влиянию флегматизаторов различной химическойприроды (галоидосодержащих и инертных) на верхние концентрационныепределы распространения пламени газов в воздухе (на примере метана иводорода).2) Найдены зависимости критической концентрации кислорода CОкр и2критического коэффициента избытка горючего φкр для верхнепредельных смесейот содержания флегматизаторов.3) Полученные данные интерпретированы на основе представлений обэффектесамоингибированияпригорениибогатыхсмесейорганическихсоединений в воздухе.4) Предложен способ оценки относительной эффективности различныхингибиторов (в том числе включая сам горючий газ, рассматриваемый в богатыхсмесях как ингибитор), а также для определения наличия у горючего газасамоингибирующих свойств.2148.2.

Исследование применимости правила Ле- Шателье для предельныхсоставов газовых смесей по отношению к кинетическим и диффузионнымпламенамПравило Ле- Шателье для концентрационных пределов распространенияпламени известно довольно давно и нашло широкое применение на практике прирасчетной оценке указанных пределов для сложных газовых смесей [20, 119, 135,198 – 201]. В отношении нижних (НКПР) и верхних (ВКПР) концентрационныхпределов распространения пламени горючего газа, состоящего из n компонентов,это правило может быть выражено соотношением:nC / Ci 1iLi 1,(8.3)где Ci – содержание i-го горючего компонента в смеси c воздухом, % (об.);СLi – величина НКПР или ВКПР i-го горючего компонента в рассматриваемойокислительной среде, % (об.).Это правило было выдвинуто вначале для бедных смесей, а затем обобщенодля богатых.

Впоследствии данное правило сформулировано для смесей,имеющих негорючие компоненты [119, 202], а также для огнетушащихконцентраций по отношению к диффузионным пламенам, когда огнетушащий газпредставляет собой смесь из n компонентов. В последнем случае правилоЛе- Шателье описывается формулой:nCk 1k/ Cогн k  1 ,(8.4)215где Ck – содержание k-го огнетушащего компонента в смеси c воздухом, %(об.);Согн k – минимальная огнетушащая концентрация i-го газа, % (об.).В работе [170] предложен аналог правила Ле- Шателье для диффузионногопламени, стабилизированного на круглой горелке, при подаче огнетушащего газаодновременно в горючее и встречный поток окислителя.Несмотря на широкое практическое применение правила Ле- Шателье (8.3),имеется множество отклонений от него (см., например, [43, 199, 200]).Предпринимались попытки объяснить эти отклонения, при этом приводилисьследующие причины: во-первых, адиабатические температуры горения дляпредельных смесей горючих газов могут существенно различаться (например,водород и углеводороды), и, во-вторых, некоторые из горючих компонентов,составляющих смесь, могут обладать ингибирующим действием.

В то же время непредставляется возможным указать публикации, в которых был бы проведендостаточно строгий математический вывод соотношения (8.3). В еще большейстепени вышеизложенное относится к формуле (8.4).В связи с этим в настоящем разделе работе ставится задача попытатьсяаналитически, при тех или иных предположениях, получить формулы (8.3) и (8.4)(или их аналоги) для оценки:− нижних концентрационных пределов распространения пламени смесейгорючих газов и паров;− минимальных флегматизирующих концентраций для смесей негорючихгазов и паров;− минимальных огнетушащих концентраций для смесей огнетушащихвеществ;− предельных концентраций огнетушащих газов при их одновременнойподаче как в горючее, так и в окислитель.2168.2.1 Правило Ле- Шателье для нижнего концентрационного пределараспространения пламениПусть имеется комплекс (смесь) из n горючих газов, концентрация каждогоnиз которых Ci в комплексе (  Ci  100 % (об.)).i 1Предположим, что адиабатическая температура горения каждого из этихкомпонентов на нижнем концентрационном пределе составляет Tад (одинаковаядля каждого компонента).

Горение происходит при постоянном давлении.Молекула горючего состоит из атомов C, H, O, N.Запишем уравнение энергетического баланса реакции горения для i-гокомпонента, пренебрегая теплопотерями и принимая, что единственнымипродуктами горения являются CO2, H2O, N2, O2. Для нижнепредельных смесейтакое предположение о составе продуктов горения является, как показываюттермодинамические расчеты, достаточно точным. Уравнение имеет вид:0H Г'  ν В H В'  nC H COiiinH22iH H0 O nN22iH N0  βi H O0  ν В H В0 ,22i(8.5)где H Г' , H В , H CO , H H O , H N , H O – абсолютные мольные энтальпииi2222соответственно i-го горючего компонента, воздуха, CO2, водяного пара, N2 и O2;i – стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания i-гокомпонента, β i  nC  0,25nH  0,5nO ;iiinC , nH , nO , nN – число атомов C, H, O, N в молекуле горючего;iiiiν В – число молей воздуха на 1 моль i-го компонента в нижнепредельной смеси:iνВ i100 1,C НКПРi(8.6)217где CНКПР – величина НКПР i-го горючего компонента, % (об.).iИндексы «`», «◦» относятся соответственно к начальной температурегорючей смеси и величине Tад.Умножаем уравнение (8.5) для i-го компонента на Ci/100 и складываем все nуравнений.

В результате получаем:nnH H0 OCi 'CiCi'0HГ  HВν В  H CO nC 2i 1 100i 1 100i 1 1000nnH N n CiCiC00nN  H O βi  H В  i ν В2 i 1 100i 1 100i 1 100n2ii2inCi 100 ni 1Hi(8.7)2i2iВводя необходимые обозначения и учитывая (8.6), получаем:CiH Г' ;i 1 100nH 'Г(8.7)in n CiCiC  100νВ   i  1   1; i 1 Ci 1 100i 1 100 CНКПР НКПРnνВ  ii(8.9)iCinC ;i 1 100(8.10)CinH ;i 1 100(8.11)CinO ;i 1 100(8.12)CinN ;i 1 100(8.13)nnC  innH  innO  innN  i218Ciβi ;i 1 100nβ0H Г'  ν В H В'  nC H CO2(8.14)nH 0nH H O  N H N0  βH O0  ν В H В0 ,22222(8.15)где nC , nH , nO , n N – среднее число атомов C, H, O, N в горючем комплексе;β – cтехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения горючегокомплекса;H Г – абсолютная мольная энтальпия горючего комплекса;νВ– число молей кислорода на 1 моль горючего комплекса в егонижнепредельной смеси с воздухом.Вместе с тем (см.

формулу (8.6)):νВ 100 1,С НКПР(8.16)где CНКПР – величина НКПР горючего комплекса, % (об.).Сравнивая (8.9) и (8.16), получаем:CНКПР  100 /nCi 1Ci.(8.17)НКПРiФормула (8.17) есть выражение известного правила Ле- Шателье длянижнего концентрационного предела распространения пламени смесей горючихгазов и паров [119, 135].В литературе часто используют другую формулу записи правила ЛеШателье (см., например, [199], а также формулу (8.3)):219nСi=1CiВ=1 ,(8.18)НКПРiгде CiВ – концентрация i-го компонента в нижнепредельной смеси горючегокомплекса из n компонентов с воздухом.В этом случае имеет место равенство:nCВiС НКПР .(8.19)i=1Нетруднопоказать,чтоформулы(8.17)и(8.18)эквивалентны.Действительно, имеет место очевидное соотношение:Ci C iВnCi 1100 .(8.20)ВiПодставив (8.20) в (8.17), получаем соотношение:C iВ 100100,C НКПРi 1 С НКПР С НКПРn(8.21)iкоторое с учетом (8.19) и (8.20) переходит в (8.18).Из изложенного выше следует, что чем лучше выполняется условиеодинаковости значений Tад нижнепредельных смесей отдельных компонентовгорючего комплекса, тем выше точность выполнения правила Ле- Шателье.Из литературы [20, 135, 198 – 202] известно, что правило Ле- Шателье сболее низкой точностью выполняется и для верхнепредельных смесей, однакокакого- либо аналитического обоснования его применения в литературе не дано(т.

е. в этом случае правило чисто эмпирическое).220В работах [199, 203] изучено поведение верхних концентрационныхпределов распространения пламени для бинарных смесей водород – органическоегорючее в зависимости от соотношения указанных горючих компонентов.Наблюдались значительные отклонения от правила Ле- Шателье, связанные, какпоказано в работах [40, 204], с ингибированием горения водорода другимигорючими компонентами смеси. Это говорит о необходимости практическогоиспользованиярезультатоврасчетаверхнихконцентрационныхпределовраспространения пламени с помощью правила Ле- Шателье с более высокимикоэффициентами безопасности.8.2.2 Правило Ле- Шателье для минимальных флегматизирующихконцентрацийСутьзадачисостоитвследующем.Пустьимеетсяорганическоегазообразное горючее и n газообразных флегматизаторов, для каждого из которыхизвестны величины минимальных флегматизирующих концентраций Cфi поотношениюкуказанномугорючему.Требуетсянайтиминимальнуюфлегматизирующую концентрацию Cф смеси указанных агентов по отношению кданному горючему.В основу анализа положены следующие предположения.1.

Характеристики

Список файлов диссертации