Теория горения и взрыва.venec.ulstu.ru/lib/disk/2014/vodnev_8.pdf · 7)...

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

УЛЬЯНОВСКОЕ ВЫСШЕЕ АВИАЦИОННОЕ УЧИЛИЩЕ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ (ИНСТИТУТ)

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

Методические указания по подготовке к практическим и лабораторным занятиям

Ульяновск 2010

3 4 4 5 5 6 7 9

14 20 24 31 36

ББК Г 54я7 + Н96я7

Т 33

Теория горения и взрыва : метод. указания по подготовке к практическим и ла-бораторным занятиям / сост. П. П. Воднев. – Ульяновск : УВАУ ГА(И), 2010. – 38 с.

Даны общие методические рекомендации по подготовке к занятиям, соблю-

дая которые курсанты (студенты) смогут эффективно организовать самостоя-тельную работу и успешно освоить дисциплину.

К каждому занятию приведены вопросы для подготовки и литература, реко-мендуемая для самостоятельного изучения, а также представлено подробное описание лабораторных работ (оборудование и материалы, порядок проведения испытаний и обработки полученных результатов).

Предназначены для курсантов и студентов заочной формы обучения специали-зации 280102.65.01 – Поисковое и аварийно-спасательное обеспечение граждан-ской авиации и 280102.65.12 – Инженерно-техническое обеспечение авиационной безопасности.

Печатаются по решению Редсовета училища.

СОДЕРЖАНИЕ

Практические занятия............................................................................................. Практическое занятие № 1……………………….......................................... Практическое занятие № 2…………………………….....................………. Практическое занятие № 3……..........................………………..…………. Практическое занятие № 4………………………………........................…. Практическое занятие № 5………………………………....................…….

Лабораторные занятия........................................................................................... Лабораторная работа № 1……………………......................…………..….. Лабораторная работа № 2……………………..................……………….. Лабораторная работа № 3……………………………………..............….. Лабораторная работа № 4……………………………………..............….. Лабораторная работа № 5……………………………………..............…..

Рекомендуемая литература…………………………………….....................…

Ульяновск, УВАУ ГА(И), 2010

П Р А К Т И Ч Е С К И Е З А Н Я Т И Я

Целью практических занятий по дисциплине «Теория горения и взрыва» явля-ется закрепление теоретических знаний, полученных обучающимися на лекцион-ных занятиях, а также формирование умений производить расчеты параметров пожара, необходимых руководителю тушения пожара для оценки обстановки и принятия решения на боевые действия при локализации и ликвидации пожаров на воздушных судах (ВС) и объектах инфраструктуры авиапредприятия.

Своевременная подготовка к практическим занятиям дает возможность сокра-тить количество времени, необходимое для выполнения расчетно-графической и контрольной работ, а также для подготовки к экзамену.

Учебной программой дисциплины предусмотрено проведение пяти практи-ческих занятий.

Готовясь к практическому занятию, курсант (студент) должен: 1) письменно ответить на контрольные вопросы (см. ниже планы практи-

ческих занятий); 2) выбрать тему выступления и подготовить по ней доклад (в рефератив-

ной форме). Хорошо проработанная тема выступления может стать основой од-ного из разделов выпускной квалификационной работы. Время выступления с докладом не должно превышать 5–10 минут.

На занятии преподаватель выборочно проверяет наличие конспектов (отве-ты на вопросы) и проводит устный опрос.

Время для выступления с докладами отводится в начале занятия. Высту-пающий должен быть готов ответить на дополнительные вопросы, которые мо-гут задать курсанты (студенты) группы и преподаватель.

Уровень знаний обучаемых оценивается по 4-балльной системе. При оценке знаний, умений и навыков учитывается следующее:

– глубина знаний рассматриваемых вопросов; – последовательность изложения, грамотное применение профессиональ-

ной и специализированной терминологии; – иллюстративное сопровождение доклада или сообщения; – доказательность и обоснованность ответов, выводов, предложений; – правильность выполнения необходимых расчетов по теме практическо-

го занятия.

П. П. Воднев

Теория горения и взрыва. Метод. указания по подготовке к практическим и лабораторным занятиям

© НИЛ НОТ НИО УВАУ ГА(и), 2011 г 3

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1. Определение скорости химической реакции горения метана.

Расчет нижнего и верхнего концентрационных пределов возгорания углеводородов

Вопросы для подготовки 1. Дайте определение понятию «горение». 2. Что такое гомогенное и гетерогенное горение? 3. Что входит в состав воздуха? 4. При каких условиях происходит горение (горючее вещество, окислитель,

источник зажигания, горючая среда)? 5. Напишите уравнение горения метана в воздухе. 6. Массовая и линейная скорость выгорания, их определение (формулы). 7. Напишите формулу закона Аррениуса по определению зависимости кон-

станты скорости реакции от температуры. 8. Что такое концентрационные пределы воспламенения горючих смесей? 9. Напишите формулы определения стехиометрического концентрационного

предела воспламенения, верхнего и нижнего концентрационных пределов вос-пламенения.

Темы докладов 1. Физико-химические основы процесса горения. 2. Условия возникновения горения.

Рекомендуемая литература: [1], [3]–[5], [13].

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 2. Методы оценки теплового самовоспламенения

по О. М. Тодесу и Д. А. Франк-Каменецкому

Вопросы для подготовки 1. Что такое самовоспламенение (самовозгорание)? 2. Какие критерии самовоспламенения Вы знаете? 3. Напишите формулу самовоспламенения по О. М. Тодесу. 4. Напишите формулы для определения:

– времени полного горения газовоздушной смеси (ГВС) в сосуде; – температуры стенки сосуда для самовоспламенения ГВС в сосуде.




5. Напишите формулу самовоспламенения по Д. А. Франк-Каменецкому. 6. Напишите формулу для определения температуры самовоспламенения

ГВС в различных сосудах. 7. Приведите значение безразмерного критерия (Sкп) для сферы, плоскопа-

раллельного сосуда и сферического сосуда.

Темы докладов 1. Теории воспламенения. 2. Процесс самовоспламенения.

Рекомендуемая литература: [2], [4], [5], [10].

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3. Определение скорости распространения пламени

в газовоздушной смеси метана с воздухом

Вопросы для подготовки 1. Перечислите признаки, характеризующие пламя. 2. Какие существуют виды пламени? 3. Что такое фронт пламени? Опишите его структуру и процесс перемещения. 4. Что такое линейная и массовая скорость выгорания? 5. Какие факторы влияют на скорость распространения пламени?

Темы докладов 1. Особенности развития пожаров на воздушных судах гражданской авиации. 2. Открытые и внутренние пожары. Закономерности их развития.

Рекомендуемая литература: [1], [2], [4], [5], [10], [13].

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 4. Определение теплового импульса возгорания древесины. Определение предельно безопасного содержания воздуха

в пылевоздушных смесях

Вопросы для подготовки

1. Опишите процесс горения твердых горючих материалов. Что такое коэф-фициент поверхности горения?




2. Что такое тепловой импульс возгорания древесины? Напишите формулу для его определения.

3. Как определяется интенсивность облучения для возгорания различных горючих материалов?

4. Какие Вы знаете способы приобретения частицами пыли статического электричества?

5. Какие существуют концентрационные пределы воспламенения пылевоз-душных смесей?

6. Что такое предельно безопасное содержание воздуха в пылевоздушных смесях?

Темы докладов 1. Условия возникновения и развития процесса горения твердых горючих

материалов. 2. Аэрозоли, аэрогели, порошки. Распространение пламени в пылевоздуш-

ных смесях.

Рекомендуемая литература: [4], [5], [9], [10], [13].

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 5. Определение параметров воздушной ударной волны.

Работа адиабатического расширения газов

Вопросы для подготовки 1. Сформулируйте определения терминов – физический, химический и теп-

ловой взрыв. 2. Какие Вы знаете поражающие факторы аварийного взрыва? 3. Какие существуют основные характеристики ударной волны? 4. Какие параметры характеризуют воздушную ударную волну? 5. Какие Вы знаете формы работы взрыва? 6. Нарисуйте график, характеризующий работу адиабатического расшире-

ния газов.

Темы докладов 1. Возбуждение взрыва. Детонация. 2. Начальный импульс, его длительность.

Рекомендуемая литература: [1], [5]–[8], [11], [12].




Л А Б О Р А Т О Р Н Ы Е З А Н Я Т И Я

Лабораторные занятия проводятся с целью: – закрепления полученных на лекциях и в ходе самостоятельной работы

теоретических знаний; – формирования навыков работы с установками, приборами и оборудова-

нием, используемым в исследовательских целях; – формирования умений обработки математическими методами получен-

ных результатов экспериментов; – приобретения умений и навыков, необходимых при решении практиче-

ских задач по месту профессиональной деятельности выпускников. Учебной программой дисциплины предусмотрено проведение пяти лабора-

торных занятий. Готовясь к лабораторным занятиям, курсанты (студенты) должны руковод-

ствоваться следующим: 1. Теоретическая подготовка к лабораторной работе, а также частичная под-

готовка отчета по ней должна быть проведена заранее (дома), так как время ла-бораторных занятий ограничено и предназначено в основном для проведения измерений (расчетов) и обработки полученных результатов.

2. При подготовке к лабораторному занятию обучаемые должны: – повторить лекционный материал по соответствующим темам; – используя рекомендуемую литературу письменно ответить на вопросы,

приведенные в планах лабораторных занятий (см. далее); – изучить материал по соответствующей лабораторной работе (цель рабо-

ты, описание лабораторной установки, порядок проведения испытания и обра-ботки результатов исследования).

Отчет по лабораторной работе оформляется на листах формата А4 в руко-писном или печатном виде. Обложка должна содержать:

– номер и название лабораторной работы; – номер учебной группы и фамилию курсанта (студента), выполнившего

лабораторную работу; – фамилию преподавателя.




В отчете необходимо привести: 1) цель работы; 2) описание лабораторной установки и ее схему, а также описание прибо-

ров, используемых в эксперименте, с указанием их класса точности (если тако-вой имеется);

3) метод измерения; 4) формулы, необходимые для вычислений; 5) результаты измерений (рекомендуется приводить в таблицах); 6) результаты вычислений и расчеты их погрешностей; 7) выводы: указывается оценка полученного результата и погрешность его

определения, перечисляются установленные закономерности и даются их объ-яснения.

Примечания: 1. Пункты 1–4 можно оформить в отчете заранее, в процессе подготовки к лабораторной работе.

2. Информация по пунктам 1–4 приведена в описании каждой лабораторной ра-боты.

3. Рекомендуется в отчете привести ответы на контрольные вопросы к лабора-торной работе (также заранее).

Перед началом лабораторного занятия преподаватель проводит инструктаж по технике безопасности, и каждый курсант (студент), присутствующий на за-нятии, должен расписаться в журналах инструктажа по технике безопасности. После инструктажа преподаватель проверяет готовность курсантов (студентов) к занятию – проводит устный опрос по контрольным вопросам, после чего, по итогам опроса, проставляет в журнале отметки о допуске обучаемых к выпол-нению лабораторной работы.

Курсанты (студенты), не ответившие на контрольные вопросы, к дальней-шему выполнению экспериментальной части работы не допускаются.

В конце занятия проводится защита отчетов по выполнению лаборатор-ной работы. После чего преподаватель выставляет оценку (по 4-балльной системе).




ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. Определение температуры вспышки

авиационного керосина в закрытом тигле


1. Что такое температура вспышки нефтепродукта? 2. Какой прибор применяется для определения температуры вспышки

в закрытом тигле? 3. В чем заключается сущность метода определения

температуры вспышки авиационного керосина? 4. Какая аппаратура, какие реактивы и материалы применяются

для проведения испытаний? 5. Каков порядок подготовки к испытанию:

– образца нефтепродукта, – прибора для проведения испытания?

6. В каком порядке проводится испытание? 7. Назовите порядок обработки результатов испытания.

Цель работы: ознакомиться с порядком и правилами проведения измере-ний с помощью прибора для определения температуры вспышки, освоить мето-дику расчета температуры вспышки образца нефтепродукта.

Теоретические положения

Сущность метода определения температуры вспышки в закрытом тигле за-ключается в определении самой низкой температуры горючего вещества, при которой в условиях испытания над его поверхностью образуется смесь паров или газов с воздухом, способная вспыхнуть в воздухе от источника зажигания, но скорость их образования еще не достаточна для последующего горения.

Для определения температуры вспышки испытуемый продукт нагревается в закрытом тигле с постоянной скоростью при непрерывном перемешивании и испытывается на вспышку через определенные интервалы температур.

Температура вспышки определяется как в открытых, так и в закрытых при-борах. Для горючих с температурой вспышки более 70 °С определение произ-водится в открытых приборах, менее 70 °С – в закрытых. Температура вспышки лежит в основе классификации жидкостей по степени их пожарной опасности.




Аппаратура, реактивы и материалы

При определении температуры вспышки в закрытом тигле применяются: – аппарат для определения температуры вспышки нефтепродуктов в закры-

том тигле типа ТВЗ (ТВ-1) (рисунок), а также автоматический прибор типа АТВЗ (АТВ-1), обеспечивающие точность метода. Тигель и крышка прибора с укреплен-ными на ней деталями для испытания органических химических продуктов долж-ны быть изготовлены из материала, не реагирующего с испытуемым продуктом;

– термометры типов ТН №1, ТН №2 и ТН-6; – испытуемый продукт (горючее), не содержащий присадок; – растворитель (при испытании органического химического продукта); – секундомер; – барометр; – кальций хлористый гранулированный или натрий хлористый; – бумага фильтровальная лабораторная; – смесь охладительная или камера холодильная; – колба; – экран, окрашенный с внутренней стороны черной краской, трехсекци-

онный (каждая секция шириной 46 см, высотой 61 см).

Стандартный прибор для определения температуры вспышки:

1 – тигель из цветного металла; 2 – плотно пригнанная к тигелю крышка; 3 – рукоятка; 4 – тер-мометр; 5 – мешалка с гибким тросиком; 6 – поворачивающаяся на оси лампочка; 7 – обезво-женный продукт; 8 – чугунный воздушный термостат с электроподогревателем (нагреватель-ная ванна)




Подготовка к испытанию

Подготовка образца. Образец продукта перед испытанием перемешивают в течение 5 минут – встряхивают в колбе, заполненной не более чем на 2/3 ее вместимости.

Образцы продуктов, имеющих температуру вспышки ниже 50 °С, охлаж-дают до температуры, которая не менее чем на 17 °С ниже предполагаемой температуры вспышки.

Образцы очень вязких и твердых продуктов перед испытанием нагревают до достаточной текучести, но не выше температуры, которая на 17 °С ниже пред-полагаемой температуры вспышки.

При испытании химических гигроскопических продуктов с температурой вспышки выше 50 °С следует до минимума свести время контакта образца с воздухом.

Образцы нефтепродуктов, содержащие воду в количестве более 0,05 %, обезвоживают: обрабатывают их свежепрокаленным и охлажденным хлори-стым натрием или хлористым кальцием или фильтруют через фильтровальную бумагу, после этого на испытание берут верхний слой.

При необходимости (в случае содержания в образце воды) допускается не-продолжительный нагрев образца, но не выше температуры, которая на 17 °С ниже предполагаемой температуры вспышки.

Подготовка прибора. Прибор устанавливают на ровном устойчивом столе в таком месте, где нет заметного движения воздуха и свет настолько заметен, что вспышка хорошо видна. Для защиты от движения воздуха прибор с трех сторон окружают экраном.

Тигель и крышку прибора промывают растворителем, высушивают, удаляя все следы растворителя, и охлаждают до температуры не менее чем на 17 °С ниже предполагаемой температуры вспышки.

При испытании продуктов с температурой вспышки до 50 °С нагреватель-ную ванну охлаждают до температуры окружающей среды. Тигель должен иметь температуру образца, то есть на 17 °С ниже предполагаемой температуры вспышки.

Испытуемый продукт наливают в тигель до метки, не допуская смачивания стенок тигля выше указанной метки.




Тигель закрывают крышкой, устанавливают в нагревательную ванну, встав-ляют термометр и зажигают зажигательную лампочку, регулируя пламя так, чтобы форма его была близкой к шару диаметром 3–4 мм.

При испытании токсичного продукта или продукта, который выделяет ток-сичные вещества при разложении и горении, необходимо соблюдать правила техники безопасности, принятые для работ с токсичными веществами: прибор устанавливают в вытяжном шкафу или применяют соответствующий противо-газ и дегазационные средства.

Проведение испытания

Нагревательную ванну включают и нагревают испытуемый продукт в тигле. Во время нагрева осуществляют перемешивание продукта.

Нагрев прибора производят следующим образом: – при испытании продуктов с температурой вспышки до 50 °С – на 1 °С за

40–60 с; – при испытании продуктов с температурой вспышки свыше 50 °С – на

1 °С за 10–12 с (для органических химических продуктов за 30 °С до предпола-гаемой температуры вспышки – на 1 °С за 30–40 с).

Испытания на вспышку начинают проводить для продуктов с температурой вспышки до 50 °С – не более чем за 10 °С до предполагаемой температуры, а свыше 50 °С – не более чем за 17 °С до предполагаемой температуры вспышки.

Испытание на вспышку проводят при повышении температуры на каждый 1 °С для продуктов с температурой вспышки до 104 °С и на каждые 2 °С для продуктов с температурой вспышки выше 104 °С.

В момент испытания на вспышку перемешивания прекращают, приводят в действие расположенный на крышке механизм (рычаг), который открывает за-слонку и опускает пламя. При этом пламя опускают в паровое пространство за 0,5 с, оставляют в самом нижнем положении на 1 с и затем поднимают в верх-нее положение.

За температуру вспышки каждого измерения принимают показания термо-метра в момент четкого появления первого (синего для нефтепродуктов) пла-мени над поверхностью продукта внутри прибора.

При появлении неясной вспышки она должна быть подтверждена после-дующей вспышкой при повышении температуры на 1 или 2 °С. Если при этом вспышка не произойдет, испытание повторяют вновь.




При применении газовой зажигательной лампочки (газовой горелки) по-следняя в процессе испытания должна находиться в зажженном состоянии для исключения возможности проникновения газа в тигель.

Если в процессе какого-либо испытания на вспышку зажигательная лампоч-ка погаснет в момент открытия отверстий крышки, то результат этого измере-ния не учитывают, если он отличается от остальных более, чем это допускается (табл. 1, 2).

Обработка результатов

Для обработки результатов вычисляют поправку на барометрическое давле-ние. Для этого:

1. Записывают барометрическое давление. 2. Вычисляют температуру вспышки с поправкой на стандартное баро-

метрическое давление, равное 101,325 кПа (или 1,013 бар, 760 мм рт. ст.), ал-гебраическим сложением найденной температуры и поправки, определенной по одной из приведенных ниже формул:

9,0)3,3

325,101( ⋅−

=∆Pt , (1)

9,0)033,0

013,1( ⋅−

=∆Pt , (2)

)760(0362,0 Pt −=∆ , (3)

где Р – фактическое барометрическое давление соответственно в кПа, бар и мм рт. ст.

3. Допускается пользоваться поправками, вычисленными с погрешностью не более 1 °С по формуле (3) (см. табл. 1).

Таблица 1

Барометрическое давление Поправки, °С

кПа бар мм рт. ст.

84,8–88,4 88,5–92,1 92,3–95,7 95,9–99,4

103,2–106,8

0,848–0,884 0,885–0,921 0,923–0,957 0,959–0,994 1,032–1,068

636–663 664–691 692–718 719–746 774–801

+4 +3 +2 +1 – 1




Допускаемые расхождения между параллельными измерениями, проведен-ными на одном аппарате, не должны превышать значений, указанных в табл. 2.

Таблица 2

Температура вспышки, °С Допускаемые расхождения, °С

Для нефтепродуктов

до 104 свыше 104

2 6

Для химических органических продуктов

до 50 свыше 50

2 3

К температуре вспышки, определенной по шкале термометра, добавляется

или отнимается полученная поправка, после чего за температуру вспышки про-дукта принимают среднее арифметическое не менее двух параллельных изме-рений при испытании нефтепродуктов и не менее трех параллельных измере-ний при испытании органических химических продуктов. Полученное значение температуры вспышки округляют до целого числа.


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. Определение максимальной высоты некоптящего пламени

авиационного керосина


1. По каким признакам характеризуется пламя? 2. Какие существуют виды пламени? 3. В чем заключается сущность метода определения высоты

некоптящего пламени авиационного керосина? 4. Какая аппаратура, какие реактивы и материалы применяются

для проведения испытаний? 5. Какой прибор применяется для определения высоты некоптящего пламени? 6. Каков порядок подготовки к испытаниям лампы, фитилей, топлива? 7. Назовите порядок проведения испытаний. 8. В каком порядке производится обработка результатов испытания?




Цель работы: ознакомиться с порядком и правилами проведения измере-ний с помощью лампы для определения максимальной высоты некоптящего пламени, освоить методику расчета высоты некоптящего пламени в топливах для реактивных двигателей (или для осветительных керосинов).


Высотой некоптящего пламени называется максимальная ширина зоны го-рения, при которой не появляется копоть.

Высота некоптящего пламени характеризует склонность топлива к нагаро-образованию. С увеличением содержания ароматических углеводородов и смо-листых веществ высота некоптящего пламени у испытуемого топлива умень-шается.

Государственный стандарт устанавливает метод определения высоты некоп-тящего пламени в топливах для реактивных двигателей (авиационных кероси-нов) и соответствующих керосинов. Сущность метода заключается в сжигании навески используемого образца нефтепродукта в лампе специальной конструк-ции с фитилем и измерении по шкале высоты пламени, при которой отсутству-ет дымление.

Аппаратура, реактивы, материалы

При проведении испытания по определению высоты некоптящего пламени применяют:

– лампу специальной конструкции для определения максимальной высо-ты некоптящего пламени (рис. 1);

– цилиндр (объем 22 мм); – эксикатор; – воронку В-56-80XV-1; – изооктан эталонный; – толуол; –эфир петролейный; – фитили круглые с оплеткой из хлопчатобумажной пряжи длиной не ме-

нее 130…150 мм, нарезанные из штопорного шнура (артикул № 1338) или из обычной хлопчатобумажной ткани и имеющие оплетку 17 нитей, основу 9 ни-тей и утóк. Допускается использовать другие фитили, дающие воспроизводи-мые результаты на контрольных топливах;




– бумагу фильтровальную лабора-торную;

– ножницы или лезвие бритвы без защитного покрытия или специальное приспособление для подрезки фитилей;

– пинцет; – аппарат для экстракции; – щетку для очистки вытяжной

трубы лампы; – шкаф сушильный, обеспечиваю-

щий температуру нагрева (105 ± 5) °С; – ящик из дерева или плотных ас-

бестовых листов, открытый спереди, ок-рашенный внутри матовой черной крас-кой. Верхняя стенка ящика должна на-ходиться на расстоянии не менее 150 мм от верхнего края вытяжной трубы.

Лампа для определения максимальной высоты некоптящего пламени должна отвечать следующим требованиям:

– верхний конец направляющей фитиля должен быть точно на уровне ну-левой отметки шкалы лампы;

– шкала должна быть нанесена белыми линиями на черном стекле, с каж-дой стороны от белой или черной вертикальной линии шириной 2 мм;

– диапазон шкалы по высоте 50 мм, цена деления 1 мм, цена большого деления 5 мм, цифровые отметки через каждые 10 мм;

– лампа должна быть закреплена на устойчивом штативе и иметь надеж-ное устройство для подъема и опускания горелки;

– общее расстояние перемещения горелки должно быть не менее 10 мм, а движение – плавным и равномерным;

– стекло в дверце лампы должно иметь вогнутую форму для предотвра-щения многократных отражений;

– соединение между основанием и резервуаром горелки должно быть не-проницаемым для нефтепродуктов.

Рис. 1. Лампа для определения макси-мальной высоты некоптящего пламени:

1 – резервуар; 2 – втулка для резервуара; 3 – камера со стеклом в дверце; 4 – на-правляющая фитиля; 5 – шкала; 6 – вы-тяжная труба




Подготовка к испытанию

Лампу устанавливают в помещении в вертикальном положении. При нали-чии сквозняков лампу устанавливают в ящик из дерева или плотных асбесто-вых листов.

В качестве контрольных топливных смесей используют смеси изооктана и толуола. Соотношение компонентов и максимальная высота некоптящего пла-мени в зависимости от состава смесей приведены ниже в табл. 1.

Таблица 1

Контрольные топливные смеси

Объем, % Максимальная высота некоптящего пламени, мм, при стандартном давлении толуола изооктана

40 25 15 10 5 0

60 75 85 90 95 100

14,7 20,2 25,8 30,2 35,4 42,8

Для работы с лампой и обработки результатов необходимо определить по-

правочный коэффициент лампы. Для этого испытывают две контрольные сме-си, имеющие максимальную высоту некоптящего пламени в таких пределах, чтобы максимальная высота некоптящего пламени испытуемого нефтепродукта оказалась промежуточной между ними.

Найденное максимальное значение высоты некоптящего пламени исследуе-мого продукта умножают на поправочный коэффициент (К), который опреде-ляют по формуле

,2

// 11 BBAAК

+=

где А – максимальная высота некоптящего пламени первой контрольной смеси при стандартном давлении, мм (берется из табл. 1); А1 – измеренная макси-мальная высота некоптящего пламени первой контрольной смеси, определенная при калибровке лампы, мм; В – максимальная высота некоптящего пламени второй контрольной смеси при стандартном давлении, мм (берется из табл. 1);




В1 – измеренная максимальная высота некоптящего пламени второй контроль-ной смеси, определенная при калибровке лампы, мм.

Тщательно следят за тем, чтобы отверстия для воздуха в галерее и впуска в цоколь горелки были чистыми и открытыми.

Горелку промывают петролейным эфиром, высушивают 30 мин в сушиль-ном шкафу при (105 ± 5) °С, затем продувают воздухом и охлаждают до ком-натной температуры.

Испытуемый образец нефтепродукта доводят до температуры окружающей среды (без искусственного обогрева), если образец мутный или содержит меха-нические примеси, его фильтруют.

Фитили, новые и ранее использованные, обрабатывают в экстракторе (в те-чение 25 циклов сифонирования) петролейным эфиром, подсушивают под тя-гой, затем в течение 30 мин высушивают в сушильном шкафу при температуре (105 ± 5) °С и до использования хранят в эксикаторе.

Для обработки фитилей экстрагированием допускается использовать другие растворители (например, диэтиловый эфир), если они дают аналогичные ре-зультаты.

При использовании фитилей артикула № 1338 для уменьшения площади се-чения из середины фитиля пинцетом вынимают 15–17 ниток.

При использовании горелки с неразрезной трубкой фитиль пропитывают испытуемым нефтепродуктом и вставляют в трубку. Вращательные движе-ния, связанные с этой операцией, следует проводить очень осторожно. Пере-кручивание, возникающее в процессе вставки фитиля, должно быть устране-но путем легкого натяжения фитиля и осторожного продвижения вдоль труб-ки. Затем зажигаемый конец фитиля вновь смачивают используемым нефте-продуктом.

При использовании горелки с разрезанной трубкой фитиль смачивают ис-пользуемым нефтепродуктом и закладывают между половинками разрезанной трубки.


В чистый сухой резервуар наливают 20 см ³ нефтепродукта, вставляют трубку с фитилем и завинчивают до отказа. Допускается наливать в резервуар 10 см³ нефтепродукта, если объем его составляет менее 20 см³ , при этом необходимо




следить за тем, чтобы испытуемый нефтепродукт не попадал в отверстие для пропускания воздуха в резервуар. Обрезают фитиль горизонтально и подрезают распустившиеся концы так, чтобы фитиль выступал над трубкой на 6 мм.

Подготовленную горелку с нефтепродуктом и фитилем выдерживают 10 мин при температуре окружающей среды. После этого горелку вставляют в лампу. Зажигают фитиль лампы и устанавливают высоту пламени около 10 мм. По истечении 5 мин горения при указанной высоте пламени поднимают фитиль до появления копоти, а затем медленно отпускают.

При этом форма пламени меняется следующим образом (рис. 2): – неустойчивое пламя с длинным язычком и чуть

заметной копотью; – вытянутый заостренный кончик языка с немного

выгнутыми вверх сторонами (А); – заостренный кончик исчезает, оставляя слегка за-

кругленный язычок пламени (В); – закругленный язычок пламени (С). Иногда около язычка пламени наблюдается зубчатое

неустойчивое пламя, которое в расчет не принимается. Измеряют высоту пламени В с погрешностью не бо-

лее 0,5 мм. При измерении глаз наблюдателя должен быть чуть смещен в сторону от центральной вертикаль-ной линии шкалы так, чтобы по одну сторону этой линии по шкале можно было видеть пламя, а по другую – его отражение. При этом уровни верхних точек пламени должны лежать на одной горизонтали.

Для более точного определения момента исчезновения коптящего пламени рекомендуется под верхним краем вытяжной трубы установить под углом 45° зеркало, в котором легко заметить исчезновение черного или затемненного пятна из центра отраженного светящегося фитилька пламени, что соответствует моменту исчезновения коптящего языка пламени.

Фиксируют полученную величину как высоту некоптящего пламени. Вы-полняют три измерения высоты некоптящего пламени с таким расчетом, чтобы оно прошло через все стадии, как это описано выше.

Если расхождение между наибольшим и наименьшим значениями больше 1 мм, определение повторяют на другом образце нефтепродукта и другом фитиле.

Рис. 2. Форма пламени: А – слишком высокое; В – нормальное; С –

слишком низкое; D – ос-нование пламени





Высоту некоптящего пламени (в миллиметрах) вычисляют по формуле ,LKН =

где L – среднее арифметическое значение результатов трех определений, мм; K – поправочный коэффициент лампы.

Полученное значение округляют до первого десятичного знака. За результат определения высоты некоптящего пламени принимают среднее

арифметическое значение двух параллельных определений, расхождение между которыми не превышает норм, указанных в табл. 2 (при 95-процентном уровне доверительной вероятности).

Таблица 2

Нормы расхождений параллельных определений Н

Максимальная высота некоптящего пламени Повторяемость Воспроизводимость

до 20

1

2

свыше 20 до 30 3

свыше 30 до 40 4


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. Определение температуры воспламенения

авиационного керосина


1. Назовите условия возникновения и развития процесса горения жидкости. 2. Какие Вы знаете показатели пожаро- и взрывоопасности нефтепродуктов? 3. Что такое температура воспламенения? 4. Дайте определения понятий «нижний и верхний концентрационные пределы

воспламенения». 5. В чем заключается сущность метода определения температуры воспламене-

ния авиационного керосина? 6. Какой прибор применяется для определения температуры воспламенения? 7. Каков порядок проведения испытания? 8. В каком порядке производится обработка результатов испытания?




Цель работы: ознакомиться с порядком и правилами проведения измере-ний с помощью прибора для определения пределов воспламенения, освоить ме-тодику расчета концентрационных пределов воспламенения топлива для реак-тивных двигателей.


За пределы воспламенения принимаются те значения состава смеси, при ко-торых становится возможным воспламенение.

Вместо концентрационных пределов иногда удобно пользоваться темпера-турными пределами воспламенения.

Нижним температурным пределом воспламенения называется та низшая температура горючего, при которой насыщенные пары его образуют с воздухом смесь, способную воспламеняться при поднесении источника зажигания. Кон-центрация паров при нижнем температурном пределе взрываемости является нижним концентрационным пределом воспламенения.

Верхним температурным пределом воспламенения называется та наивысшая температура горючего, при которой насыщенные пары его образуют с возду-хом смесь, способную воспламеняться при поднесении источника зажигания. Концентрация паров при верхнем температурном пределе взрываемости явля-ется верхним концентрационным пределом воспламенения.

Температура воспламенения определяется как наинизшая температура, дос-тигнув которой смесь воспламеняется. В некоторых методах испытания за тем-пературу воспламенения принимается наинизшая температура стенок реакци-онного сосуда, при нагревании которых осуществляется воспламенение.

Начало воспламенения фиксируется по началу интенсивного свечения или ионизации.

Наиболее часто в практике применяют метод измерения температуры или давления реагирующей смеси. Начало воспламенения определяют по линии пе-рехода от плавного к резкому изменению этих величин.

Аппаратура, реактивы, материалы

При проведении испытаний по определению температуры воспламенения применяют:

– прибор закрытого типа, в котором образующиеся пары горючего не рас-сеиваются в атмосферу (рисунок);




– автотрансформатор; – испытуемый продукт (горючее); – термометр с пределами шкалы от 20 до 150 °С с делениями через 1 °С; – ртутный манометр для измерения давления насыщенных паров горючего; – кальций хлористый гранулированный или натрий хлористый; – бумага фильтровальная лабораторная; – колба; – экран, окрашенный с внутренней стороны черной краской, трехсекционный; – барометр для измерения атмосферного давления.

Прибор для определения пределов воспламенения:

1 – воздушный термостат с электроподогревом; 2 – ртутный манометр; 3 – металлическая бомба с крышкой на резьбе; 4 – предохранительный клапан для стравливания давления, рез-ко возрастающего при воспламенении горючей смеси; 5 – спираль для зажигания смеси па-ров нефтепродукта и воздуха; 6 – контакты для подключения автотрансформатора; 7 – тер-мометр для измерения температуры горючего внутри бомбы

В бомбе на внутренней поверхности нанесена риска, до которой заливают испытуемое горючее. В крышку бомбы ввернут штуцер, к которому подсоеди-няют ртутный манометр для измерения давления насыщенных паров горючего.

Подготовка прибора и испытуемого горючего к испытаниям аналогична описанной в лабораторной работе № 1.


Перед проведением испытания на приборе с герметизацией парового про-странства проверяют надежность работы предохранительного клапана и под-жигающего устройства. При проверке работы клапана обращают внимание на




надежность срабатывания пружины и плотную посадку клапана в гнездо. Для проверки работы поджигающего устройства присоединяют электропитание че-рез автотрансформатор к контактам спирали. На трансформаторе устанавлива-ют напряжение 2-6 В, затем включают цепь и наблюдают за нагревом спирали, через 2-3 с спираль нагревается до яркого накаливания. Заливают испытуемое горючее в бомбу до метки, закрывают ее крышкой, бомбу устанавливают в гнездо подогревателя. При определении нижнего температурного предела вос-пламенения нагрев ведут со скоростью 5-6 °С в минуту.

При достижении температуры горючего на 15 °С ниже ожидаемого предела воспламенения скорость нагрева устанавливают 2 °С в минуту. За 7-8 °С до воспламенения замечают давление насыщенных паров горючей смеси в бомбе и включают поджигающее устройство на 4-5 с.

При появлении вспышки вследствие повышения давления в бомбе клапан открывается и газы выходят из бомбы. Если воспламенения не происходит, ис-пытание продолжают при повышении температуры горючего через 1 °С. Ми-нимальную температуру, при которой произошла вспышка смеси, считают нижним температурным пределом воспламенения.

При определении верхнего температурного предела воспламенения испы-туемое горючее нагревают на 10-15 °С выше ожидаемого предела, замечают давление насыщенных паров горючей смеси и включают поджигающее устрой-ство на 4-5 с. Если воспламенение не осуществляется, горючую смесь охлаж-дают. При снижении температуры горючего на 1 °С включают поджигающее устройство. Максимальную температуру, при которой горючая смесь воспла-меняется, принимают за верхний температурный предел воспламенения.

Зная температурные пределы и давление насыщенных паров горючего, рас-считывают концентрационные пределы воспламенения.

После определения нижнего температурного предела воспламенения про-должают испытание, последовательно нагревая горючее через 2 °С до тех пор, пока вспышки не прекратятся. За верхний температурный предел воспламене-ния принимают ту максимальную температуру, при которой еще осуществляет-ся вспышка паров.

Для горючего с неизвестными температурными пределами воспламенения выполняют предварительное приближенное определение этих пределов, а затем проводят повторное испытание.




При температуре, соответствующей нижнему и верхнему температурному пределу воспламенения, определяют экспериментально или по имеющимся данным давление насыщенных паров. На основании полученных результатов рассчитывают концентрационные пределы воспламенения.


Для определения концентрационных пределов воспламенения используется зависимость между концентрацией паров и их парциальным давлением при температурах, соответствующих низшему и высшему температурному пределу:

,100

б

SПВ P

PС

⋅=

где СПВ – концентрационный предел воспламенения в % по объему; РS – давление паров при соответствующем температурном пределе воспламенения, мм рт. ст. (температура определяется по термометру, давление – по ртутному манометру); Pб – атмосферное давление при проведении испытаний по определению преде-лов воспламенения, мм рт. ст. (Pб определяется по барометру).

Рекомендуемая литература: [1], [3]–[5], [9], [10], [13]–[15].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. Определение категории помещения

по взрыво- и пожароопасности

Вопросы для подготовки 1. Какие существуют виды пожаров? 2. Дайте определение терминам: воспламенение,

концентрационные пределы воспламенения, температура воспламенения, вспыхиваемость, температура самовозгорания.

3. Какие имеются категории помещений (зданий) по взрыво- и пожароопасности? 4. Чем определяется пожаро- и взрывоопасность производства? 5. Что такое избыточное давление взрыва? Приведите формулу

для его определения. 6. Напишите формулу для определения плотности газа или пара

при расчетной температуре.

Цель работы: Освоить методику расчетов для определения категорий помещений производственного, складского назначения по взрыво- и пожаро-опасности.





По взрыво- и пожароопасности помещения производственного и складского назначения независимо от их функционального назначения подразделяются на следующие категории (табл. 1):

– взрыво- и пожароопасность (Б); – пожароопасность (В1–В4); – умеренная пожароопасность (Г); – пониженная пожароопасность (Д); – повышенная взрыво- и пожароопасность (А).

Таблица 1

Категории помещений по взрыво- и пожароопасности

Категория Характеристика веществ и материалов,

находящихся (обращающихся) в помещении

А. Повышенная взрыво- и пожаро-опасность

Горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости (температура вспышки не выше 28 ˚С) в таком количестве, что могут образовать-

ся взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в по-мещении, превышающее 5 кПа.

Вещества и материалы, способные взрываться, гореть при взаимо-действии с водой, кислородом воздуха или друг с другом в таком количестве, что расчетное избыточное давление взрыва в помеще-нии превышает 5 кПа

Б. Взрыво- и пожа-роопасность

Горючие пыли или волокна, легковоспламеняющиеся жидкости (температура вспышки выше 28 ˚С), горючие жидкости в таком ко-

личестве, что могут образовать взрывоопасные пылевоздушные или паровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышаю-щее 5 кПа

В1–В4. Пожаро-опасность

Горючие и трудногорючие жидкости, твердые горючие вещества и материалы (в том числе пыли и волокна), вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть, при условии, что помещения, в которых они хранятся или обращаются, не относятся к категории А или Б

Г. Умеренная по-жароопасность

Негорючие вещества и материалы в горячем или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделени-ем лучистого тепла, искр и пламени; горючие газы, жидкости и твер-дые вещества, которые сжигают и утилизируют в качестве топлива

Д. Пониженная по-жароопасность

Негорючие вещества и материалы в холодном состоянии




Категории помещений по взрыво- и пожароопасности определяются исходя из вида находящихся в помещениях горючих веществ и материалов, их количе-ства и пожароопасных свойств, а также исходя из объемно-планировочных ре-шений помещений и характеристик проводимых в них технологических про-цессов.

Пожарные свойства веществ и материалов определяют на основании резуль-татов испытаний или расчетов по стандартным методикам с учетом параметров состояния (давления, температуры и т. д.).

Нормы, приведенные в табл. 1, не распространяются на помещения и здания для производства и хранения взрывчатых веществ, средств инициирования взры-вов, а также здания и сооружения, проектируемые по специальным нормам и правилам, утвержденным в установленном порядке. Категорию помещений и зданий предприятий и учреждений определяют на стадии проектирования в со-ответствии с действующими нормами пожарной безопасности, ведомственными нормами технического проектирования или специальными перечнями. Это необ-ходимо для установления нормативных требований по обеспечению взрыво- и пожаробезопасности помещений и зданий (планировка и застройка, этажность, площади, размещение помещений, конструктивные решения инженерного обо-рудования).

Категории взрыво- и пожароопасности помещений и зданий определяют для наиболее неблагоприятного в отношении пожара или взрыва периода, путем последовательной проверки принадлежности помещения к категориям от наи-более опасной (А) к наименее опасной (Д).

Отнесение помещения к категории В1, В2, В3 или В4 осуществляется в за-висимости от количества и способа размещения пожарной нагрузки в указан-ном помещении и его объемно-планировочных характеристик, а также пожаро-опасных свойств веществ и материалов, составляющих пожарную нагрузку.

Категории зданий, сооружений и строений по взрыво- и пожароопасности определяются исходя из доли суммированной площади помещений той или иной категории опасности в этом здании, сооружении, строении.

Здание относится к категории А, если в нем суммированная площадь поме-щений категории А превышает 5 % площади всех помещений или 200 м2.

Здание не относится к категории А, если суммированная площадь помеще-ний категории А в здании не превышает 25 % суммированной площади всех




помещений (не более 1000 м2) и эти помещения оснащаются установками авто-матического пожаротушения.

Здание относится к категории Б, если одновременно выполнены следующие условия: здание не относится к категории А и суммированная площадь поме-щений категорий А и Б превышает 5 % суммированной площади всех помеще-ний или 200 м2.

Здание не относится к категории Б, если суммированная площадь помеще-ний категорий А и Б в здании не превышает 25 % суммированной площади всех помещений (не более 1000 м2) и эти помещения оснащаются установками авто-матического пожаротушения.

Здание относится к категории В, если одновременно выполнены следующие условия: здание не относится к категории А или Б и суммированная площадь по-мещений категории А, Б, В1, В2 и В3 превышает 5 % (10 %, если в здании отсут-ствуют помещения категорий А и Б) суммированной площади всех помещений.

Здание не относится к категории В, если суммированная площадь помеще-ний категорий А, Б, В1, В2 и В3 в здании не превышает 25 % суммированной площади всех помещений (не более 3500 м2) и эти помещения оснащаются ус-тановками автоматического пожаротушения.

Здание относится к категории Г, если оно не относится к категории А, Б или В и суммированная площадь помещений категорий А, Б, В1, В2, В3 и Г превы-шает 5 % суммированной площади всех помещений.

Здание не относится к категории Г, если суммированная площадь помеще-ний категорий А, Б, В1, В2, В3 и Г в здании не превышает 25 % суммированной площади всех помещений (не более 5000 м2) и помещения категории А, Б, В1, В2 и В3 оснащаются установками автоматического пожаротушения.

Здание относится к категории Д, если оно не относится к категории А, Б, В или Г.

Методы определения классификационных признаков отнесения зданий и по-мещений производственного и складского назначения к категориям по взрыво- и пожароопасности устанавливаются нормативными документами по пожарной безопасности.

Категории зданий, сооружений, строений и помещений производственного и складского назначения по взрыво- и пожароопасности указываются в проект-ной документации на объекты капитального строительства и реконструкции.




Методика проведения расчетов

При расчете значений критериев взрыво- и пожароопасности в качестве рас-четного следует выбирать самый неблагоприятный вариант аварии или такой период нормальной работы аппаратов, при котором во взрыве участвует мак-симальное количество веществ или материалов, наиболее опасных в отношении последствий взрыва.

Чтобы определить категорию здания или помещения по взрыво- и пожаро-опасности, необходимо рассчитать избыточное давление взрыва (∆P), сравнить его со значениями, приведенными в табл. 1.

Избыточное давление взрыва для индивидуальных горючих веществ, со-стоящих из атомов C, H, O, N, Br, I, F, определяется по формуле

,1100ρ

)(нст

0Г.Пcв

max КСVmzPPP ⋅⋅−=∆

где Pmax – максимальное давление взрыва стехиометрической газо- или паро-воздушной смеси в замкнутом объеме, определяемое экспериментально или по справочникам для наиболее неблагоприятных вариантов аварии, кПа (при от-сутствии данных допускается принимать равным 900 кПа); P0 – начальное дав-ление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа); m – масса горючего газа (ГГ) или паров легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ), поступивших в результате расчетной аварии в помещение, кг; z – коэффициент участия горючего во взрыве; Vсв – свободный объем помещения, м3; ρГ.П – плот-ность газа или пара при расчетной температуре, кг/м3; Сст – стехиометрическая концентрация газов или паров ЛВЖ и ГЖ, %; Kн – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения (допускает-ся принимать равным 3).

Масса горючих газов определяется по зависимости

m = (Va + Vт)ρГ.П,

где Va – объем газа, вышедшего из аппарата, м3; Vт – объем газа, вышедшего из трубопровода, м3.

Va = 0,01 P1V, где P1 – давление в аппарате, кПа; V – объем аппарата, м3.




Vт = V1т + V2т,

где V1т – объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м3; V2т – объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м3.

qTV =1т ,

где q – расход газа, определяемый в соответствии с технологическим регламен-том в зависимости от давления в трубопроводе, его диаметра, температуры га-зовой среды и т.д., м3/с; Т – расчетное время отключения трубопроводов, опре-деляется в каждом конкретном случае, исходя из реальной обстановки, и долж-но быть минимальным с учетом паспортных данных на запорные устройства, характера технологического процесса и вида расчетной аварии.

Т принимается равным: а) времени срабатывания системы автоматики отключения трубопроводов

согласно паспортным данным установки, если вероятность отказа системы ав-томатики не превышает 0,000001 в год или обеспеченно резервирование ее элементов (10 с);

б) 120 с, если вероятность отказа системы автоматики превышает 0,000001 в год и не обеспечено резервирование ее элементов;

в) 300 с при ручном отключении. Под временем срабатывания и временем отключения следует понимать

промежуток времени от начала возможного поступления горючего вещества из трубопровода (разрыв, изменение нормального давления и т.д.) до полного пре-кращения поступления газа или жидкости в помещение.

В общем случае

),...(01,0 2221

2122т nLrrLrPV n+++π=

где P2 – максимальное давление в трубопроводе по техническому регламенту, кПа; r1, r2, ..., rn – внутренний радиус трубопроводов, м; L1, L2, ..., Ln – длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м.

Коэффициент участия горючего во взрыве (z) можно рассчитать по характе-ру распределения газов и паров в объеме помещения. При выполнении лабора-торной работы для расчетов значения z берутся из табл. 2.




Таблица 2

Горючее вещество z Водород 1,0

Газы (кроме водорода) 0,5

Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые до температуры вспышки, если возможно образование аэрозоля

0,3

Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые ниже темпера-туры вспышки, если образование аэрозоля невозможно

0

Свободный объем помещения определяют как разность между объемом по-

мещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием. Если сво-бодный объем помещения определить невозможно, то его допускается прини-мать условно равным 80 % геометрического объема помещения.

Плотность газа или пара при расчетной температуре:

,)367,0(

ρp0

Г.П tVМ

+=

где M – молярная масса, кг/моль; V0 – молярный объем, равный 22,413 м3/моль; tp – расчетная температура, °C.

В качестве расчетной температуры следует принимать максимально воз-можную температуру воздуха по технологическому регламенту с учетом её возможного повышения в аварийной ситуации.

Если такого значения расчетной температуры по каким-либо причинам оп-ределить не удается, допускается принимать ее равной 61 °C.

Стехиометрическая концентрация ГГ или паров ЛВЖ и ГЖ определяется по формуле

β48,41100

ст +=С ,

где β – стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения. Стехиометрические коэффициенты – это небольшие числа, которые показы-

вают, в каком количестве реагируют и образуются вещества в результате реак-ции. Стехиометрические коэффициенты подбирают в соответствии с законом сохранения вещества: количество атомов до и после реакции должно быть оди-наковым.




Стехиометрический коэффициент можно также рассчитать по формуле

24β OH

Cnnnn x −

−+= ,

где nC, nH, nO, nx – число атомов С, H, O и галогенов в молекуле горючего.

Пример. Необходимо определить стехиометрический коэффициент кисло-рода в реакции горения хлопковой пыли. Формула хлопка (С6H10O5)n.

Уравнение реакции горения

QO5H6CO6OOHC 2225106 ++→+ t ,

где nC = 6; nH = 10; nO = 6; nx = 0.

625

40106 =−

−+=β ,

т. е. стехиометрический коэффициент равен 6 (что равно числу молекул кисло-рода, участвующих в реакции горения).

Расчеты по указанным формулам производятся на лабораторных занятиях по данным, выданным преподавателем.

Рекомендуемая литература: [6], [7], [10]–[12], [17].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5. Расчет последствий теплового взрыва пропана

при его транспортировке в вагоне-цистерне

Вопросы для подготовки 1. Перечислите факторы, возникающие в результате аварийных взрывов,

и их поражающее воздействие. 2. Что такое тепловой взрыв? 3. Назовите основные характеристики ударной волны. 4. Перечислите параметры, характеризующие воздушную ударную волну. 5. Напишите формулы для определения радиусов:

– полных разрушений, – сильных разрушений, – средних разрушений, – слабых разрушений, – безопасности для человека.




Цель работы: освоить методику расчета последствий теплового взрыва при транспортировке углеводородных газов (на примере пропана) в вагонах-цистернах.


Тепловой взрыв является следствием изменения состояния сжатых газов в замкнутом пространстве.

Свойства большинства веществ, находящихся в газообразном состоянии, при обычных условиях подчиняются уравнению Клайперона – Менделеева (уравнение состояния идеального газа)

μmRTPV = , (1)

где P – давление газа, кг/м2; V – удельный объем газа, м3/кг; R – универсальная газовая постоянная (R = 8314,41 Дж/(Кмоль⋅К) = 847,8 (кг⋅м)/(Кмоль⋅К) = = 1,98718 ккал/(Кмоль⋅К)); T – температура, K; m – масса газа, кг; µ – молекуляр-ный вес, кг/моль.

Удельный объем газа можно выразить как

gmVρ

= , (2)

где ρ – плотность газа, кг/м3; g – ускорение свободного падения (9,8 м/с2). Заменив V в формуле (1), получим:

μRTgΡ ⋅

=ρ

. (3)

Уравнение (3) является основным уравнением, которое используется для оценки последствий теплового взрыва на практике.

Анализ уравнения (3) показывает, что с повышением температуры давление в сосуде со сжиженным газом существенно возрастает и может достичь вели-чин, превышающих предел прочности конструкционных материалов резервуа-ров, баллонов, газгольдеров и вагонов-цистерн.

Методика проведения расчетов Рассмотрим условия и последствия произошедшего теплового взрыва про-

пана при его транспортировке в вагоне-цистерне, оказавшейся в зоне пожара, как показано на рисунке.




ПРОПАН

rпр rср

rcр.р

rсл.р

rб

Vц= 54 м3

D = 2,6 м Т = 491 К

Условия и последствия теплового взрыва

Из уравнения (3) следует, что температура внешней среды, а следовательно,

и внутри цистерны, при которой давление превысит предел прочности корпуса, будет определяться по формуле

RgPTρв.ц

µ= , (4)

где Tв.ц – температура внутри цистерны, К. Заменим давление газа на предел прочности конструктивного материала

(Pp), получим:

RgΡ

T Ρ

ρв.ц

µ= . (5)

При производстве, транспортировке и хранении сжиженных газов, в том числе и пропана, температура окружающей среды, как правило, не превышает 300 К. Следовательно, температура более 300…500 К для вагона-цистерны с пропаном возникла в результате чрезвычайных ситуаций (диверсии, пожара), которые могут привести к тепловому взрыву.

Последствия теплового взрыва оцениваются по методике, выработанной в результате многочисленных исследований.

Для определения параметров воздушной ударной волны (ВУВ) массу сжи-женного газа приводят к адекватному заряду взрывчатого вещества (ВВ) троти-ла (тринитротолуола, ТНТ) – наиболее распространенного эталонного ВВ.




Для этого используется зависимость

СТНТ = 0,074 mсж.г , (6)

где 0,074 – тротиловый эквивалент сжатого газа, находящегося в сосудах; mсж.г – масса газа в вагоне-цистерне, кг.

ц8H3Ссж.г Vm ⋅ρ= , (7)

где Vц – объем цистерны, м3; ρС3Н8 – плотность пропана, кг/м3. В соответствии с законом подобия (принцип «кубического корня») и при-

нимая за эталон заряд ВВ C1 = 500 кг, при наземном взрыве которого на рас-стоянии r1 = 30 м давление во фронте ВУВ составляет ∆Pф = 1 кг/см2 = 100 кПа, что соответствует радиусу полных разрушений административных и жилых зданий, определяется радиус полных разрушений (rп.р) от возникшего теплового взрыва пропана в вагоне-цистерне:

31

1п.р CCrr ТНТ= . (8)

Радиус сильных разрушений (rс.р) можно ожидать на удалении:

rс.р = 1,7 ⋅ rп.р. (9) Радиус средних разрушений (rср.р) составит:

rср.р = 1,4 ⋅ rс.р. (10) Радиус слабых разрушений (rсл.р) составит:

rсл.р = 2 ⋅ rср.р, (11) а радиус безопасности (rб) для человека составит:

rб = 2 ⋅ rсл.р . (12) Для сравнения: в США rб определяется по формуле

3ТНТб )50...30( Cr = . (13)

По результатам практических исследований получена математическая зави-симость для оценки дальности разлета фрагментов вагона-цистерны в результа-те возникшего теплового взрыва.

Опыт показывает, что в результате повышения давления внутри цистерны происходит отрыв торцевых стенок по сварным швам основы корпуса. В связи с этим основными фрагментами разлета вагона-цистерны в результате взрыва будут торцевые стенки.




Радиус разлета фрагментов (rр.ф) зависит от площади и веса торцевых стенок:

][03,02

2/3ТНТ

ф

фр.ф rm

SСr

⋅

⋅= , (14)

где r2 – расстояние от торца адекватного ВВ до торцевых стенок вагона-цистерны (принимается равным 0,1 м); mф – масса фрагмента, кг; Sф – площадь фрагмента, м2.

4π 2

фDS = , (15)

где D – диаметр цистерны, м.

стст.кф Sm ⋅ρ= , (16)

где ρст.к – плотность стали конструкционной, из которой изготовлены стены корпуса, кг/м3; Sст – толщина стенок вагона-цистерны, мм.

Справочные данные для проведения расчетов

1. Предел прочности материалов: – сталь для конструкции Pp = 38…42 кг/мм2; – сталь углеродистая Pp = 32…80 кг/мм2.

2. Плотность пропана ρС3H8 = 528 кг/м3.

3. Объем вагона-цистерны Vц = 54 м3. 4. Диаметр вагона-цистерны D = 2,6 м. 5. Плотность стали конструкционной ρст.к = 8 ⋅ 103 кг/м3. 6. Толщина стенок вагона-цистерны Sст = 22 мм.

Рекомендуемая литература: [1], [2], [5], [7], [8], [10], [18].




Р Е К О М Е Н Д У Е М А Я Л И Т Е Р А Т У Р А

Основная

1. Баратов, А. Н. Горение – пожар – взрыв – безопасность / А. Н. Баратов. – М. : ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003. – 364 с.

2. Мастрюков, Б. С. Безопасность в чрезвычайных ситуациях : учебник для студ. высш. учеб. заведений / Б. С. Мастрюков. – 2-е изд., стереотип. – М. : Академия, 2004. – 336 с.

3. Драйздел, Д. Введение в динамику пожаров / пер. с англ. К. Г. Бомштей-на; под ред. Ю. А. Кошмарова, В. Е. Макарова. – М. : Стройиздат, 1990. – 424 с.

4. Абдурагимов, И. М. Физико-химические основы развития и тушения по-жаров / И. М. Абдурагимов, В. Н. Говоров, В. Е. Макаров. – М. : Высшая инже-нерная пожарно-техническая школа МВД СССР, 1980. – 256 с.

5. Чагаев, В. П. Теория горения и взрыва : учеб. пособие / В. П. Чагаев, Ю. Н. Тарабаев, В. А. Репринцев. – Новогорск : АГЗ МЧС России, 2001. – 116 с.

Дополнительная

6. О пожарной безопасности : федер. закон от 21.12.1994 № 69-ФЗ. 7. Пожарная безопасность. Взрывобезопасность. Справочник / А. Н. Бара-

тов, Е. Н. Иванов, А. Я. Корольченко и др. – М. : Химия, 1987. – 272 с. 8. Поздняков, З. Г. Справочник по промышленным взрывчатым веществам и

средствам взрывания / З. Г. Поздняков, Б. Д. Росси. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Недра, 1977. – 253 с.

9. Правила пожарной безопасности (с приложениями). – М. : Омега-Л, 2004. – 144 с.

10. ССБТ. Пожаро- и взрывобезопасность веществ и материалов. Номенкла-тура показателей и методы их определения : ГОСТ 12.7.044-89 : утв. пост. ГК СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 12.12.1989 № 3683.

11. О промышленной безопасности опасных производственных объектов : федер. закон от 21.07.1997 № 116-ФЗ.

12. Мугин, Ю. Г. Безопасность жизнедеятельности. Чрезвычайные ситуа-ции. Практические работы : учеб. пособие для студентов учреждений СПО / Ю. Г. Мугин. – М. : Мир, 2003. – 80 с.




13. Повзик, Я. С. Справочник руководителя тушения пожара / Я. С. Повзик. – М. : ЗАО «Спецтехника», 2000. – 361 с.

14. Нефтепродукты. Продукты химические органические. Метод определе-ния температуры вспышки в закрытом тигле : ГОСТ 6356-75 : утв. пост. ГК СССР по стандартам 03.09.1975 № 2321; введ. в действие 01.01.1977.

15. Практикум по исследованию эксплуатационных свойств и контролю ка-чества горючего, смазочных материалов и специальных жидкостей / Е. И. Гу-лин, А. П. Лесников, И. Ф. Кувайцев и др. – Л. : ВАТТ, 1972.

16. Нефтепродукты. Метод определения высоты некоптящего пламени : ГОСТ 4338-74 (СТ СЭВ 2878-81) : утв. пост. ГК СССР по стандартам.

17. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности : федер. закон РФ от 22.07.2008 № 123-ФЗ.

18. Определение степени защищенности промышленных и гражданских объектов г. Москва и выработка мероприятий по степени снижения последст-вий аварийного взрыва : отчет о НИР / МТСУ; исполн. : А. В. Мишуев и др. – М., 1996.




Методические указания по подготовке к практическим

и лабораторным занятиям

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

Составитель ВОДНЕВ

ПАВЕЛ ПАВЛОВИЧ

Редактор Е.С. Дергилева

Компьютерная верстка И. А. Еремина Разработчик электронного учебника Н.В. Цысс

Подписано в печать 2010. Формат 60х90/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,5. Уч.-изд. л. 2,07.

Тираж Заказ

РИО и типография УВАУ ГА(И). 432071, г. Ульяновск, ул. Можайского, 8/8

Теория горения и взрыва.venec.ulstu.ru/lib/disk/2014/vodnev_8.pdf · 7)...

Documents