Нормальная скорость распространения пламени

Нормальная скорость распространения пламени - скорость перемещения фронта пламени относительно несгоревшего газа в направлении, перпендикулярном к его поверхности.

Значение нормальной скорости распространения пламени следует применять в расчетах скорости нарастания давления взрыва газо- и паровоздушных смесей в закрытом, негерметичном оборудовании и помещениях, критического (гасящего) диаметра при разработке и создании огнепреградителей, площади легко сбрасываемых конструкций, предохранительных мембран и других разгерметизирующих устройств; при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности технологических процессов в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010.

Сущность метода определения нормальной скорости.распространения пламени заключается в приготовлении горючей смеси известного состава внутри реакционного сосуда, зажигании смеси в центре точечным источником, регистрации изменения во времени давления в сосуде и обработке экспериментальной зависимости “давление-время” с использованием математической модели процесса горения газа в замкнутом сосуде и процедуры оптимизации. Математическая модель позволяет получить расчетную зависимость “давление-время”, оптимизация которой по аналогичной экспериментальной зависимости дает в результате изменение нормальной скорости в процессе развития взрыва для конкретного испытания.

Нормальной скоростью горения называют скорость распространения фронта пламени по отношению к несгоревшим реагентам. Скорость горения зависит от ряда физико-химических свойств реагентов, в частности теплопроводности и скорости химической реакции, и имеет вполне определенное значение для каждого горючего (при постоянных условиях горения). В табл. 1 приведены скорости горения (и пределы воспламенения) некоторых газообразных смесей. Концентрации горючего в смесях определены при 25°С и нормальном атмосферном давлении. Пределы воспламенения за отмеченными исключениями получены при распространении пламени в трубе диаметром 0,05 м, закрытой с обеих сторон. Коэффициенты избытка горючего определены как отношение объемных содержаний горючего в реальной смеси к стехиометрической смеси (j1) и к смеси при максимальной скорости горения (j2).

Таблица 1

Скорости горения конденсированных смесей (неорганический окислитель + магний)

Окислитель

Стехиометрическая смесь

Богатая горючим смесь

[Mg], % (масс.)

u • 102, м/с

и *, кг/(м2•с)

[Mg], % (масс.)

u max•102, м/с

и *, кг/(м2•с)

LiNO3

46,8

1,87

83,3

2,96

NaNO3

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ТГиВ 20.05.01.070000.000 ПЗ

41,6

1,60

28,8

74,9

2,48

39,4

KNO3

37,6

0,74

12,5

75,5

1,30

20,0

Ca(NO3)2

42,6

0,46

73,1

1,00

Ba(NO3)2

31,8

0,34

62,8

0,74

Sr(NO3)2

36,5

0,32

6,4

65,4

0,72

12,3

Pb(NO3)2

26,8

0,26

60,2

0,70

NaClO4

44,3

0,24

78,0

0,96

КСlO4

41,3

0,23

4,2

77,1

0,68

10,9

NH4ClO4

29,2

0,22

3,6

79,3

0,42

6,5

Как видно, при горении воздушных газовых смесей при атмоферном давлении u mах лежит в пределах 0,40-0,55 м/с, а – в пределах 0,3-0,6 кг/(м2-с). Лишь для некоторых низкомолкулярных непредельных соединений и водорода u mах лежит в пределах 0,8-3,0 м/с, а достигает 1–2 кг/ (м2с). По увеличению и mах исследованные горючие в смесях с воздухом можно

расположить в следующий ряд: бензин и жидкие ракетные топлива – парафины и ароматические соединения – оксид углерода – циклогексан и циклопропан – этилен – оксид пропилена – оксид этилена – ацетилен – водород.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ТГиВ 20.05.01.070000.000 ПЗ

Влияние структуры молекулы горючего на скорость горения удалось проследить для низкомолекулярных углеводородов с прямой цепью. Скорость горения растет с увеличением степени непредельности в молекуле: алканы – алкены – алкадиены – алкины. С ростом длины цепи этот эффект уменьшается, но все же скорость горения воздушных смесей для н-гексена примерно на 25% выше, чем для н-гексана.

Линейная скорость горения кислородных смесей значительно выше, чем воздушных (для водорода и оксида углерода – в 2-3 раза, а для метана – больше чем на порядок). Массовая скорость горения изученных кислородных смесей (кроме смеси СО + O2) лежит в пределах 3,7-11,6 кг/(м2•с).

В табл. 1 приведены (по данным Η. А. Силина и Д. И. Постовского) скорости горения уплотненных смесей нитратов и перхлоратов с магнием. Для приготовления смесей использовали порошкообразные компоненты с размерами частиц нитратов 150-250 мкм, перхлоратов 200-250 мкм и магния 75-105 мкм. Смесью заполняли картонные оболочки диаметром 24-46 мм до коэффициента уплотнения 0,86. Образцы сгорали на воздухе при нормальных давлении и начальной температуре.

Из сопоставления данных табл. 1 и 1.25 следует, что конденсированные смеси превосходят газовые смеси по массовой и уступают им по линейной скорости горения^[1]. Скорость горения смесей с перхлоратами меньше скорости горения смесей с нитратами, а смеси с нитратами щелочных металлов горят с более высокой скоростью, чем смеси с нитратами щелочноземельных металлов.

Таблица 2

Пределы воспламенения и скорости горения смесей с воздухом (I) и кислородом (II) при нормальном давлении и комнатной температуре

Горючее

Мольная доля горючего, a =1(I)

Пределы воспламенения (I)

j1(Ι)

u max (I), м/с

бедная смесь j1

богатая смесь φ2

Водород

0,2950

-1,70

3,06

1,98

3,85

1,48

Оксид углерода

0,2950

0,34*

6,76*

1,70

0,45**

0,51-0,62

1,25-1,35

0,37

1,35

Метан

0,0917

0,46

6,40

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ТГиВ 20.05.01.070000.000 ПЗ

1,06

0,39

0,35-0,52

3,7-5,1

0,38-0,45

4,15

Этан

0,0564

0,50

2,72

1,12

0,46

Пропан

0,0402

0,51

2,83

1,14

0,45

0,57

0,41

Бутан

0,0312

0,54

3,30

1,13

0,44

0,54

н-Пентан

0,0255

0,54

3,59

1,15

0,44

н-Гексан

0,0216

0,51

4,00

1,17

0,45

н-Гептан

0,0187

0,53

4,50

1,22

0,45

Циклопропан

0,0444

0,58*

2,76*

1,13

0,55

Циклогексан

0,0227

0,48

4,01

1,17

0,45

Этилен

0,0652

0,41

<6,1

1,15

0,79

0,88

0,72-0,89

7,61 6,45

Пропилен

0,0444

0,48

2,72

1,14

0,50

Бутен-1

0,0337

0,53

3,53

1,16

0,50

Ацетилен

0,0772

0,39*

1,33

1,63

1,86

1,65-1,73

11,6

Бутин-1

0,0366

1,20

0,67

Бензол

0,0271

0,43

3,36

1,08

0,47

0,61

4,6

0,6

4,6

Толуол

0,0277

0,43

3,22

1,05

0,40

Гетралин C10H12

0,0158

1,01

0,38

Оксид этилена

0,0772

1,25

1,05

1,13

1,12

Оксид пропилена

0,0497

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ТГиВ 20.05.01.070000.000 ПЗ

0,47

1,28

0,81

Ацетон

0,0497

0,59*

2,33*

1,31

0,49

Метанол

0,1224

0,48

4,08

1,00

0,55

Методы расчета скорости выгорания жидкостей

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ТГиВ 20.05.01.070000.000 ПЗ

Если известны параметры состояния исследуемой жидкости, входящие в формулы (14) - (23), то в зависимости от имеющихся данных скорость выгорания (m) в любом режиме горения можно вычислить, не проводя экспериментальных исследований, по формулам:

; (14)

; (15)

; (16)

где M - безразмерная скорость выгорания;

; (17)

M_F - молекулярная масса жидкости, кг·моль^-1;

d - характерный размер зеркала горящей жидкости, м. Определяется как корень квадратный из площади поверхности горения; если площадь горения имеет форму окружности, то характерный размер равен ее диаметру. При расчете скорости турбулентного горения можно принять d = 10 м;

Т_к - температура кипения жидкости, К.

Порядок расчета следующий.

Определяют режим горения по величине критерия Галилея Ga, вычисляемого по формуле

, (18)

где g - ускорение свободного падения, м·с^-2.

В зависимости от режима горения вычисляют безразмерную скорость выгорания М. Для ламинарного режима горения:

; , (19)

Для переходного режима горения:

е_{сли , то ,}(20)

_{если , то ,}(21)

Для турбулентного режима горения:

; , (22)

где ; ;

M₀ - молекулярная масса кислорода, кг·моль^-1;

n₀ - стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения;

n_F - стехиометрический коэффициент жидкости в реакции горения.

B - безразмерный параметр, характеризующий интенсивность массопереноса, вычисляемый по формуле

, (23)

где Q - низшая теплота сгорания жидкости, кДж·кг^-1;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ТГиВ 20.05.01.070000.000 ПЗ

- безразмерное значение массы кислорода, необходимого для сгорания 1 кг жидкости;

c - изобарная теплоемкость продуктов горения (принимается равной теплоемкости воздуха c = 1), кДж·кг^-1·К^-1;

T₀ - температура окружающей среды, принимаемая равной 293 К;

H - теплота парообразования жидкости при температуре кипения, кДж·кг^-1;

c_e - средняя изобарная теплоемкость жидкости в интервале от T₀ до T_к.

Если известны кинематическая вязкость пара или молекулярная масса и температура кипения исследуемой жидкости, то скорость турбулентного горения вычисляют с использованием экспериментальных данных по формуле

, (24)

где m_i - экспериментальное значение скорости выгорания в переходном режиме горения, кг·м^--2·с^-1;

d_i - диаметр горелки, в которой получено значение m_i, м. Рекомендуется использовать горелку диаметром 30 мм. Если в горелке диаметром 30 мм наблюдается ламинарный режим горения, следует применять горелку большего диаметра.

Относительная погрешность расчета по формулам (16) и (24) не превышает 21 %.

Если не известны кинематическая вязкость паров или молекулярная масса и температура кипения исследуемой жидкости, то оценку скорости выгорания проводят в следующем порядке.

Находят скорость выгорания жидкости в горелках диаметром 10, 15, 18, 20. 25 и 30 мм Полученные результаты заносят в табл. 3.

Вычисляют среднее арифметическое значение (md), л, для всех испытаний в которых наблюдалось ламинарное горение.

Таблица 3

Диаметр горелки, d_i, м	Скорость выгорания , кг·м^-2·с^-1	Режим горения (визуальное наблюдение)	, м·с^-2	, кг·м^-1·с^-1