Диссертация (1172924), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Знак «+» в графе 5 означает наличие зажигания, знак «-» – отсутствие зажигания.2. В графе 6 указан либо промежуток времени до зажигания, либо число опытов, в которыхзажигание не было достигнуто.104Рисунок 3.3 – Зависимость вероятности зажигания водородовоздушных смесейот концентрации водорода в воздухе фрикционными искрами при соударенияхобразцов из стали малоуглеродистой и стали высокоуглеродистойтермообработаннойРисунок 3.4 – Зависимость вероятности зажигания ацетиленовоздушных смесейот концентрации ацетилена в воздухе при соударениях образцовиз малоуглеродистой стали105Как следует из таблицы 3.1, воспламенить удалось лишь смеси водородаи ацетилена с воздухом, при этом зажигания смесей метана, паров бензина АИ-92,паров СУГ с воздухом достичь не удалось в случае указанных в этой таблицеобразцов конструкционных материалов.
Качественное объяснение этого эффектаможет быть дано на основании особенностей зажигания парогазовых смесейискрами удара и трения, отмеченных в анализе, проведенном в первой главенастоящей работы.Как было отмечено выше [60, 61], для использованной нами конфигурациивзаимодействующих образцов основным параметром, определяющим возможность зажигания, является температура поверхности образцов. Эта температурав свою очередь, определяется материалом, размерами и формой образцов,скоростью вращения и силой прижатия и не зависит от свойств парогазовойсреды.В работе [140] отмечено, что для зажигания парогазовых смесейнеобходимо создать в объеме этих смесей, характерный размер которого близокк толщине ламинарного фронта пламени (δ), а температура парогазовой смесив этом объеме должна быть не ниже температуры пламени. Величина δ обратнопропорциональная нормальной скорости горения парогазовой смеси Su (Su ~ 1/δ).При этом, чем выше величина Su, тем меньше может быть величина δ,необходимая для зажигания, то есть тем легче зажигается парогазовая смесь.Величины нормальной скорости горения для водорода и ацетилена существеннопревышают соответствующие значения для метана, паров бензина и СУГ [141],что и обуславливает наличие зажигания для водорода и ацетилена и отсутствиезажигания для прочих изученных в настоящей работе газов и паров.
Зажигающаяспособность искр удара и трения не корреллирует со стандартной температуройсамовоспламенения, которая среди изученных веществ наименьшая для паровбензина (отсутствие зажигания фрикционными искрами) и наибольшая дляводорода (наибольшая вероятность зажигания) [141]. Этот результат совпадаетс выводами работы [60].106В таблице 3.1 и на рисунках 3.3 и 3.4 представлены вычисленныепо формуле (3.2) вероятности зажигания изученных парогазовых смесей искрамиудара и трения.
Для случаев, когда зажигания не наблюдали, были проведеныоценки сверху вероятности воспламенения, предполагая величину tсрз, равнойсуммарному времени соударений во всех опытах (то есть в 2-5 опытахв зависимости от числа повторений, которое определялось на основе данных,приведенных в графе 7 таблицы 3.1). Если в какой-либо серии опытов имелиместо как случаи зажигания, так и их отсутствие, то для последних при расчете tсрзиспользовали величину, равную 60 с (то есть время одного опыта). Как следует изприведенных выше данных для водорода, максимальная вероятность зажиганияреализуется для бедных смесей с содержанием H2 11-12 %(об.) (см.
рисунок 3.3).Этот результат совпадает с данными, полученными ранее другимиисследователями [60, 62]. Как отмечено в работе [61], это обусловленопотреблением кислорода нагретыми твердыми поверхностями. Интереснойособенностью обладают экспериментальные данные для ацетилена, которыесвидетельствуют о наличии минимума в зависимости вероятности зажиганияот концентрации горючего газа при [C2H2] = 7,5 %(об.) и максимума при[C2H2] = 10-12 %(об.), который имеет место не для бедных, а для богатыхацетиленовоздушных смесей. Данные особенности обусловлены, вероятно,склонностью ацетиленовых пламен к сажеобразованию и химической кинетикойэтого процесса, существенно отличающейся от химической кинетики горенияводорода и предельных углеводородов.Влияние вида конструкционного материала на вероятность зажиганияфрикционными искрами легче всего проследить на примере экспериментальныхданных для водорода (см.
таблицу 3.1). Обращает на себя внимание, чтозажигание водородовоздушных смесей не происходит, если один из материаловобладает более высокой теплопроводностью по сравнению со сталью (алюминий,латунь). Действительно, в этом случае тепловая энергия, выделяющаяся при удареи трении, диссипируется по объему образца достаточно быстро, и не удаетсядостичь температуры поверхности, требуемой для зажигания водородовоздушной107смеси.
Однако при этом неясным остается отсутствие зажигания, когда однимиз материалов является нержавеющая сталь. Данный вопрос требует дополнительных исследований.Как отмечено выше, зажигающая способность искр удара и тренияне коррелирует со стандартной температурой самовоспламенения газов и паров,образующих горючую парогазовую смесь.
При этом зажигание обусловленонагревом от твердой поверхности, разогретой от удара и трения, и вероятностьзажигания определяется возможность нагрева парогазовой смеси в объеме схарактерным размером порядка толщины ламинарного пламени до температуры,близкой к температуре пламени. Качественно аналогичный эффект имеет местопри зажигании газовых смесей электрическим разрядом [140]. Поэтому можнопредположить наличие корреляции между зажигающей способностью фрикционных искр и минимальной энергией зажигания горючих газов и паров.Из проведенных исследований следует вывод, что говорить об искробезопасности того или иного конструкционного материала можно лишьс указанием того, с каким другим материалом может происходить соударениеи трение и по отношению к какой парогазовой смеси оценивается искробезопасность.
При этом минимальная энергия зажигания газов и паров можетбыть использована как сравнительный параметр. Так, если пара конструкционныхматериалов искробезопасна по отношению к парогазовой смеси с даннойминимальной энергией зажигания, то она будет и искробезопасна для другихпарогазовых смесей с более высокими минимальными энергиями зажигания.Другим важным вопросом является определение величины вероятностизажигания, начиная с которой конструкционные материалы перестают бытьискробезопасными. Результаты настоящей работы говорят о выборе величины10-4 в качестве критерия искробезопасности. При этом возникает вопрос: «Еслиопределенная по методике настоящей работы величина вероятности зажиганияне превышает 10-4, являются ли испытанные конструкционные материалыискробезопаснымиабсолютнововсехслучаях?».Ясно,чтовсилуограниченности энергетических параметров установки с точки зрения энергии,108выделявшейся при соударении, на практике могут иметь место более высокиеэнергии соударения, и материалы, признанные по изложенной методикеискробезопасности, могут в каких-то гипотетических случаях приводитьк зажиганию парогазовых смесей.
Этот факт надо иметь в виду при практическомиспользовании результатов испытаний по предложенной методике. Следует приэтом отметить, что вряд ли может быть предложена какая-либо методикаиспытанийконструкционныхматериаловнаискробезопасность,котораяне обладала бы приведенным выше недостатком.На основе выполненного анализа литературных источников по влияниюфрикционных искр на возможность воспламенения горючих парогазовых смесей,а также результатов экспериментальных исследований по зажиганию парогазовыхсмесей искрами удара и трения разработан проект ГОСТ Р «Конструкционныематериалы. Метод испытаний на искробезопасность», который в настоящее времяодобрен техническим комитетом по стандартизации ТК 274 «Пожарнаябезопасность» и находится на утверждении в Росстандарте.109ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯФТОРИРОВАННЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИГОРЕНИЯ ОКОЛОСТЕХИОМЕТРИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ ВОДОРОДАИ МЕТАНА В РАЗЛИЧНЫХ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ4.1 Определение характеристик горения околостехиометрическихводородовоздушных и метановоздушных смесей в замкнутом сосудеВ настоящее время фторированные углеводороды, безопасные с точкизрения разрушения озонового слоя земной атмосферы, широко используютсяв пожаротушении [11, 12, 142-149].
Начинается использование фторированныхуглеводородов и для целей взрывопредупреждения, что особенно актуально длявзрывопожароопасных помещений, для которых невозможно или затруднительноприменениетакогоширокоизвестногосредствавзрывоподавления,каклегкосбрасываемые конструкции (например, для морских нефтегазодобывающихплатформ). В работах [14, 26, 28, 35, 150-154] определены концентрационныеобласти распространения пламени в смесях вида горючее (водород, метан) –оксилительная среда (смесь азота и кислорода, закись азота) – фторированныйуглеводород.Определеныхарактеристикивзрывауказанныхсмесейоколопредельного состава в замкнутом сосуде. Выявлена двойственная рольфторированных углеводородов как флегматизаторов и промоторов горениягазовых смесей, заключающаяся в проявлении ими свойств дополнительногогорючего или окислителя в зависимости от вида горючего и состава смеси.Однако характеристики горения смесей указанного выше вида околостехиометрического состава изучены значительно слабее.В работах [153, 154] экспериментально изучено влияние фторированныхуглеводородов на дефлаграционное горение смесей C2H4 – воздух в трубе.Исследованы такие фторированные агенты, как CHF3, С2HF5, CHF2Cl, С2H2F4,CHF4Cl, C3H2F6, C3HF7, C4F10.
При малых добавках некоторых из перечисленных110фторированных углеводородов имело место промотирование горения бедныхизбытка(коэффициентгорючегоφ=0,75)этиленовоздушныхсмесей,проявившиеся в повышении давления в ударной волне почти в 2 раза. При этомагенты с наличием водородных атомов более эффективны в повышении давленияв ударной волне, чем полностью фторированные углеводороды.
В работах [10, 16,155] экспериментально исследована флегматизация газовоздушных смесейфторированнымиуглеводородами,атакжеспособностьэтихвеществраспространять пламя без наличия в смеси каких-либо иных горючих газови паров.В связи с выше изложенным настоящий раздел работы посвященэкспериментальному исследованию характеристик горения околостехиометрических водородовоздушных и метановоздушных смесей в замкнутом сосуде.Опытыпроводилинаустановке«Вариант»,подробноописаннойво второй главе настоящей работы. Опыты проводили при комнатной температуреиатмосферномдавлении.Определялимаксимальноедавлениевзрыва,максимальную скорость нарастания давления взрыва и нормальную скоростьгорения.На рисунках 4.1 и 4.2 представлены зависимости максимального давлениявзрыва (ΔPmax) от содержания флегматизатора (Cd) для околостехиометрическихсмесей (H2 – воздух) и (CH4 – воздух).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
