Изучение процессов распространения пламени по паро-, газовоздушным смесям

Цель работы

1) Определить нижний концентрационный предел распространения пламени газовоздушной смеси на модельном стенде.

2) Определить концентрации паров горючих жидкостей в воздухе с помощью газоанализатора ПГФ-2М.

Введение

Процесс горения является основой любого пожара. Горение, как правило, происходит в газовой фазе. Поэтому горючие вещества, находящиеся в конденсированном состоянии (жидкости, твердые вещества), для возникновения и поддержания горения должны подвергаться газификации (испарению, разложению), в результате которой образуются горючие пары и газы в количестве, достаточном для горения.

Внешнее проявление горения – пламя, которое характеризуется свечением и выделением тепла. Возникшее в результате воспламенения пламя само становится источником потока тепла и химически активных частиц в прилегающие слои свежей горючей смеси, за счет чего обеспечивается перемещение фронта пламени. Движение пламени по газовой смеси называется распространением пламени.

Одними из основных показателей, характеризующих предельные условия возникновения горения, являются нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени (НКПРП и ВКПРП)[2] (рис.4.1).

Рисунок 4.1 – Схема концентрации пределов распространения пламени

Показатели пожаровзрывоопасности горючих газов и паров можно устанавливать (определять) расчетными и/или экспериментальными методами.

Предельно допустимая взрывобезопасная (невоспламеняемая) концентрация (ПДВК, % (об.)) – это наибольшая концентрация горючего газа, пара или взвеси в воздухе помещения или внутри технологического аппарата, при которой с нормативной вероятностью обеспечивается пожарная безопасность и взрывобезопасность данного помещения (аппарата).

Величина ПДВК рассчитывается с учетом коэффициента безопасности (К_б)[3], величина которого устанавливается индивидуально для каждого вещества. Степень надежности (вероятность отсутствия взрыва) определяется назначением объекта (здания); часто величина степени надежности составляет 0,999 (вероятность возникновения взрыва 1 из 1000 случаев) и 0,999999 (1 из 1000000).

Значения ПДВК применяются при проведении огневых работ (электро- и газосварки, бензо- и керосинорезки, паяльных работ, огневого разогрева битума и некоторых других, связанных с применением открытого огня) снаружи аппаратов, емкостей и трубопроводов. В случае повышения в аппаратах содержания горючих веществ выше ПДВК или снижения концентрации флегматизатора[4] в них (в аппаратах, трубопроводах резервуарах и технологическом оборудовании) огневые работы должны быть немедленно прекращены.

Определение нижнего концентрационного предела распространения пламени газовоздушной смеси на модельном стенде

Описание стенда

Рисунок 4.2 – Схема модельного стенда для определения НКПРП газовоздушной смеси:

1 – мерный цилиндр; 2 – смеситель; 3, 5 – аспираторы; 4 – взрывной цилиндр; 6 – высоковольтный индуктор; 7 – газовый кран; 8, 11, 12 – воздушные краны; 9 – кран; 10– трехходовой кран; 13 – электроды; 14, 15 – резиновые груши

Стенд (рис.4.2) состоит из мерного цилиндра (1), смесительной колбы (2) (общий объем этих сосудов равен 1600 см³). Мерный цилиндр соединяется с газовой линией при помощи крана (7) и с атмосферой – краном (8). Газовоздушная смесь из смесителя (2) во взрывной цилиндр (4) перемещается по стеклянной трубке при помощи кранов (9) и (10) (кран (10) – трехходовой). Вытеснение воздуха из смесительной колбы, мерного и взрывного цилиндров производится посредством аспираторов (3) и (5), которые имеют резиновые груши (14), (15) и краны для соединения с атмосферой (11), (12). Искровой разряд для воспламенения газовоздушной смеси создается при помощи электродов (13) от высоковольтного индуктора ИВ-100 (6).

Порядок выполнения работы

1) Рассчитайте нижний концентрационный предел распространения пламени (С_{н расч}, % (об.)) для газовоздушной смеси известного состава по формуле:

С_{н расч} = С_н1d₁ + С_н2d₂ + … + С_нid_i (4.1)

где С_н1, С_н2, …, С_нi – нижние концентрационные пределы индивидуальных горючих компонентов в смеси, % (об.); в данной работе исследуются смеси пропан-метан; для пропана НКПРП = 2,31% (об.); для метана НКПРП = 5,28% (об.);

d₁, d₂, …, d_i – объёмная доля горючих компонентов в смеси, доли единицы; принимается в соответствии с номером Вашей подгруппы по табл.4.1.

Таблица 4.1 – Процентный состав смеси пропан-метан

№ подгруппы	Состав смеси, % (об.)
пропан	метан

2) Рассчитайте объем горючей смеси газов (V_г, см³), который необходимо подать в мерный цилиндр и смесительную колбу, чтобы создать концентрацию, соответствующую НКПРП, по формуле:

V_г = С_н V_ц / 100(4.2)

где С_н – нижний концентрационный предел распространения пламени смеси горючих веществ, % (об.);

V_ц – суммарный объем мерного цилиндра и смесителя, см³; V_ц = 1600 см³.

3) В связи с тем, что на НКПРП влияют атмосферное давление и температура воздуха, необходимо рассчитать объем горючей смеси газов с учетом запаса в размере 10%:

V_г10 = V_г + 0,1 V_г = 1,1 V_г(4.3)

где V_г – расчетный объем горючей смеси газов, см³; 0,1 – запас, доли ед.

4) Включите в сеть высоковольтный индуктор (6), установите тумблер индуктора в положение «Включено» и нажмите кнопку с целью проверки искры во взрывном цилиндре.

5) Трехходовой кран (10) переведите в положение «I» для сообщения с атмосферой и с этой же целью откройте кран (8); остальные краны (7), (9), (11), (12) должны быть закрыты.

6) С помощью насоса (14) вытеснитес помощью воды воздух из смесительной колбы (2) и мерного цилиндра (1). Как только вода достигнет нулевой отметки, закройте кран (8), а кран (11) откройте.

7) Откройте газовый баллон[5].

8) Откройте кран (7) и наберите в мерный цилиндр количество газа, равное (V_г10, см³); после чего кран (7) закройте.

9) Закройте газовый баллон.

10) Откройте кран (8) для забора воздуха из атмосферы с целью получения газовоздушной смеси определенного состава. После полного удаления воды из смесительной колбы закройте краны (8) и (11).

11) Вытесните воздух из взрывного цилиндра, нажимаяна резиновую грушу (15). При подъеме воды к трехходовому крану (10) установите его в положение «II» для соединения взрывного цилиндра со смесительной колбой.

12) Краны (9) и (12) откройте для перемещения газовоздушной смеси из смесительной колбы во взрывной цилиндр; после полного удаления воды из взрывного цилиндра, краны (9) и (12) закройте.

13) Нажимая кнопку высоковольтного индуктора для получения искры во взрывном цилиндре, фиксируйте наличие или отсутствие распространения пламени (наличие распространения пламени определяется визуально по всплеску воды во взрывном цилиндре).

14) Для дальнейших измерений уменьшите количество газа при наличии распространения пламени, а при отсутствии – увеличьте на 10 см³. Последовательно изменяя концентрацию газа, найдите нижний концентрационный предел распространения пламени с точностью до 10 см³, для чего повторите п.п.5-13. Результаты работы внесите в протокол 4.1.

Протокол 4.1

Вариант № (номер подгруппы)………………………………………………………………………………………………………………………..

Состав горючей смеси ……………………………..………………………………………………………………………………………………….

Расчётное значение НКПРП С_н, % (об.)……………..………………………….………………………………………………………………….

Атмосферное давление Р_t, мм рт. ст……………………………………….………………......…………………………………………………..

Температура воздуха в помещении t_t, °С…………………………………….………………...…………………………………………………..

Параметры	Опыты
Объем взятого газа, см3
Отметка о наличии взрыва (да / нет)

Экспериментально определённый НКПРП С_{н эксп}, % (об.)……………………………………………………………………………………….

Предельно допустимая взрывобезопасная концентрация ПДВК¢, % (об.)……………………………………………………………………

15) Используя формулу (4.1), определите экспериментальный НКПРП (С_{н эксп}, % (об.)).

16) Используя экспериментальные данные, определите предельно допустимую взрывобезопасную концентрацию горючего газа (ПДВК, % (об.)) по формуле:

ПДВК= С_{н эксп} / К¢_б(4.4)

где С_{н эксп}– экспериментально определённый НКПРП, % (об.); принимается из протокола 4.1; К¢_б – коэффициент безопасности со степенью надёжности 0,999; для пропана К¢_б = 1,24, для метана К¢_б = 1,26, для смеси пропан-метан допускается принимать К¢_б = 1,25.

17) Дайте рекомендации по средствам тушения пожаров при загорании горючих газов (приложение В) и условиям хранения сжатых, сжиженных и растворенных газов в баллонах (приложение Г).