Характеристики взрываемости горючих пылей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И.И.МЕЧНИКОВА

Физический факультет

Кафедра химической физики

Направление подготовки 6.040203 «Физика»

Образовательно-квалификационный уровень: бакалавр

Квалификационная работа

Характеристики  взрываемости горючих пылей

Студента IV курса                      дневной формы обучения            Кудлая Евгения Анатольевича

Научный руководитель

       д.ф.-м.н.,проф ._____Шевчук В.Г..

Рецензент

к.ф.-м.н.доц., Вовчук Я.И.

Рекомендовано к защите:

протокол заседания кафедры общей химической физики

№  от « » г.

Заведующий  кафедрой

Золотко. А.Н.

Защищено на заседании ГЭК: 
протокол № от « » г.

Оценка 

Глава ГЭК

  Контуш С.М.

Одесса 2011

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………..3

ГЛАВА 1.ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

1.1 Признаки экстремальных  условий…………………………………5

1. Описание экстремальных характеристик…………………………6

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

2.1  Описание экспериментальной установки...…………….………..17

2.2 Методика проведения эксперимента и обработки результатов…19

ГЛАВА 3. СВОЙСТВА РАБОЧИХ  ПОРОШКОВ

3.1 Определение дисперсного  состава порошков……………………21

3.2 Анализ смесей и чистых  порошков……………………………….22

ВЫВОДЫ ……………………………………………………………………..25

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………...26

ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………….27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Во многих технологических  процессах химической и других отраслей промышленности используются материалы, которые находятся в дисперсном состоянии. В технологических аппаратах, в воздухе промышленных зон та складских помещениях они могут  образовывать аэровзвеси – системы, которые содержат взвешенные в воздухе  твердые частицы, в том числе  и горючие.

Процессы взрываемости и  распространения пламени в аэровзвесях  горючих порошков существенным образом  зависят от их дисперсных характеристик. Которые определяются функцией распределения  частиц по размерам. Важнейшими параметрами  являются средний размер и дисперсия. Поэтому для практических задач  очень важно изучить зависимость  характеристик горения от указанных  параметров.

В настоящей работе поставлена цель изучить зависимость максимального давления, средней скорости нарастания давления и максимальной скорости нарастания давления от концентрации горючего и дисперсных характеристик. В качестве объекта исследования были выбраны аэровзвеси частиц алюминия, как наиболее часто применяемые на практике.

Максимальное давление (Р_max), средняя скорость нарастания давления ( ), максимальная скорость нарастания давления ( ) являются одними из основных показателей пожаровзрывобезопастности [1]. Вместе с тем для пыли систематические исследования указанной зависимости практически не проводились. В литературе имеются отдельные фрагменты сведений (прежде всего для алюминия), однако численные  значения существенно разнятся. При чем зачастую не приводятся в полном объеме не дисперсные характеристики используемых порошков, ни условия проведения опытов.

Исключительной является работа [2], в которой изучена зависимость максимального давления и максимальной скорости нарастания давления от концентрации горючего в диапазоне от 40 до 1700 . Для нанопорошков алюминия (размером 35, 75, 100нм) и обычного алюминия (дисперсные характеристики не указаны) единственным достоверным, с нашей точки зрения, результатом является наличие максимума на этих зависимостях. Другие результаты вызывают сомнения поскольку, например для нанодисперсных порошков результаты практически не зависят от размера частиц. Что свидетельствует о том, что в эксперименте имели дело не с дезагрегированными частицами, а с газовзвесью  конгломерата.

Теоретические исследования взрываемости порошков практически  не проводились. В нашей работе мы попытались теоретически исследовать  экстремальные характеристики взрываемости (в режиме теплового взрыва) в  зависимости от параметров пыли алюминия и магния, кроме того обеспечили экспериментальную базу для дальнейших экспериментальных исследований этих характеристик. С этой целью мы приняли  участие в модификации установки  ПВ-20 на базе лаборатории областного управления Министерства Чрезвычайных Ситуаций в Одесской области. Кроме  того подготовили набор порошков с различными дисперсными характеристиками (10 видов) на основе смешения исходных порошков алюминия АСД1 и АСД4 в различных массовых  отношениях.  Для этих порошков были построены функции распределения частиц по размерам и определены их дисперсные характеристики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_{ГЛАВА 1. Экстремальные характеристики}

 

_{1.1Признаки  экстремальных условий}

_{При сгорании газовзвесей горючих  порошков в изохорных  условиях (сосудах  постоянного объема) появляется возможность  оценить такие  параметры как  давление взрыва, среднюю  и максимальную скорость нарастания давления[3,4]. На сегодня еще нет достаточно надежных методов теоретического расчета этих величин. В обычных условиях они исследуются при локальной инициации процесса горения, то есть горение происходит в режиме распространения пламени по всей горючей смеси в условиях переменного давления, температуры, теплообмена, возможной турбулизации смеси и тому подобное, что делает задачу теоретического моделирования слишком сложной.  Возникает потребность оценивать экстремальные значения этих величин, что формирует представление о верхней границе технологически опасных значений} 

_{Основными признаками экстремальных  условий согласно [5] являются:}

_{1. Одновременное протекание процессов во всем объеме (то есть в режиме теплового взрыва). Это условие оправдано в том случае, когда время распространения пламени по всему объему намного меньше, чем характерное время достижения максимального давления. Например, в случае газовзвеси титана в камере объемом 4 л время достижения Pmax  составляет ~0,16 с, а время распространения пламени ~0,025 с [6].}

_{2.Условие  адиабатичности, когда  время распространения  волны горения  намного меньше, чем  характерное время  теплоотдачи за  пределы системы.  С увеличением  размера системы,  то есть с уменьшением  отношения поверхности  теплоотдачи к  объему горючей  смеси, происходит  приближение к  адиабатичности.} 

_{3. Отсутствие  в системе клапанов  сброса давления.}

_{В выше упомянутых условиях можно провести оценку взрывных характеристик. Для газовзвесей, частицы которых реагируют в кинетическом режиме, для которого характерен степенной закон окисления, такая задача реализована в [5]. В данной работе аналогичные исследования проверены для газовзвесей, частицы которых горят в диффузионном режиме.}

 

_{1.2Описание  экстремальных характеристик}

_{Максимальное  давление взрыва Pmax  .  В адиабатических условиях, когда теплоотдачей системы можно пренебречь, максимальное давление взрыва является термодинамической характеристикой (а не динамической) и будет одинаковым, как в случае объемного взрыва, так и в случае волнового развития процесса. Он определяется величиной максимального разогрева смеси, чему отвечает выгорание горючего (в бедных по содержанию горючего в сравнении со стехиометрическим составом) или окислителя (в сверхстехиометрических составах). Кроме того, максимальное давление зависит от количества газа, который выделяется (в случае горючих, которые образуют газообразные продукты реакции) и (или) поглощаются, как это имеет место, например, для металлов, которые образуют конденсируемые окислы. Таким образом, Pmax обусловлено только термодинамическими свойствами горючей смеси и не зависит собственно от механизма горения отдельной частицы. То есть Pmax может быть установлено из совместимого рассмотрения уравнений теплового и массового баланса в реагирующей смеси.}

_{Запишем стехиометрическое  уравнение реакции  в виде}

          (1)

    где символы M,O,MO относятся соотносительно к горючему,  окислителю и продуктам реакции.

Определим - стехиометрический коэффициент реакции, который представляет массу окислителя, расходуемого на единицу массы горючего, а – молекулярные веса компонентов.

Скорость выгорания частицы  горючего связана с текущим значением  концентрации окислителя в объеме уравнением массового баланса. В случае диффузионного  режима горения:

    (2)

где - масса частицы, W_p- константа скорости реакции по окислителю, r- текущий радиус частицы (предполагается гетерогенный характер режима ее горения). Текущая концентрация окислителя в объеме:

    (3)

где - начальная концентрация окислителя,  - начальная масса частицы (газовзвесь считается монодисперсной),   - численная концентрация частиц.

Закон сохранения энергии  имеет вид:

     (4)

где - тепловой эффект реакции, в расчете на единицу массы горючего;   - объемная теплоемкость смеси, которая считается постоянной; - теплоемкости горючего, инертного газа, (для определенности - азота) и окислителя. Согласно (4) температура газовзвеси определяется уравнением:

            (5)

где - начальная температура смеси. Максимальная температура

          (6)

где - количество горючего, которое осталось в частице (в случаях избытка окислителя или стехиометрии горючего с окислителем = 0).

В соответствии с законом  Дальтона, максимальное давление, которое  получается в результате сгорания газовзвеси, имеет вид:

                      (7)

где - остается неизменной, - конечная концентрация окислителя, - конечная концентрация продуктов, которую необходимо учитывать только в случае, когда продукты реакции являются газообразными.

Нетрудно заметить, что 

    (8)

где  - стехиометрический коэффициент для продуктов реакции.

Если учесть, что 

                                   (9)

и соответственно:

 

Тогда

                 (10)

     и

           (11)

С учетом:

      (12)

в случае   можно получить:

                    (13)

В случае :

(14)

Соотношение (13)-(14), в общем решают поставленную задачу. Заметим также, что, в зависимости от физико-химических параметров горючего, возможны различные уточнения найденных соотношений, учетом фазовых превращений (плавление и испарение горючего, которое не прореагировало, в случае ). Так, например, учет испарения материала, который не прореагировал, дает:

 

                                                         (15)

 

а в выражении (13) для P_max дополнительно появляется составляющая

               (16)

Пример конкретных расчетов P_max , согласно (13)-(16), приведен в таблице 1. Отметим,  что для конкретных расчетов целесообразно для T_max и доли газообразных продуктов сгорания γ необходимо использовать термодинамические расчеты [7],

 

                                         Расчетные значения Р_max                         Таблица1

 

вещество	В, г/м3	Tmax	γ	Рmax ,105Н/м2
Mg	200	2500	0.8	9.3
	300	2960	0.77	11.8
	500	3000	0.72	12.9
	700	2940	0.71	14.7
	1000	2700	0.7	17.3
Al	200	3200	0.75	10.9
	300	3500	0.7	11.5
	500	3200	0.77	12.6
	700	2600	0.83	8.7
	1000	2350	0.9	7.8

      

Максимальные значения Р_max  близки  к экспериментальным данным [1,2,4,8]. Однако, систематические исследования зависимости Р_max от концентрации горючего не проводились по крайней мере для металлических пылей, для которых хорошо известны исходные физико-химические характеристики.

Средняя скорость нарастания давления

Если определение Р_max не является особенно сложным, то расчет средней скорости нарастания давления и максимальной скорости нарастания  давления существенно более сложен, поскольку требует учета динамики процесса горения частиц и оценки времени сгорания частиц .