Характеристики взрываемости горючих пылей

Действительно,

     (17)

И для расчета этой величины необходимо конкретизировать механизм горения частицы.

В дальнейшем предполагаем  диффузионный режим горения частиц[9]. Тогда

      (18)

Здесь коэффициент массообмена β в случае неподвижной относительно газа частицы равен:

       (19)

Тогда, с учетом

       (20)

процесс горения можно  описать уравнениями массового  баланса для горючего и окислителя:

    (21)

или

 

.  (22)

Интегрируя выражение (22), можно получить:

  (23)

Введем начальную массовую концентрацию горючего:

      (24)

Тогда (23) принимает вид:

   (25)

Вводя:

, , ,      (26)

запишем выражение (25) в виде:

      (27)

В случае избытка окислителя частица сгорает полностью и  .

Тогда

(28)

Время горения индивидуальной частицы в безграничной окисляющей  среде (его легко получить из (18)):

                                                            (29)

Тогда выражение (28) записывается следующим образом:

  (30)

Зависимость безразмерного  времени сгорания от начальной массовой концентрации для случая горения частиц магнии графически показана на рис1.

Можно отметить, что при время полного сгорания в диффузионном режиме . При этом, стоит помнить, что физическое затухания частиц при выгорании окислителя будет предшествовать времени полного выгорания окислителя , то есть отмечено стремление является математическим, а не физической границей при . То есть найденным соотношением можно пользоваться только при . 

_{При  B ≥ Bст необходимо использовать численное интегрирование исходной системы уравнений.}

Максимальная скорость нарастания давления

_{В случае диффузионного режима горения скорость гетерогенного выгорания  частицы, которая  и соответствует  , достигается при r=r0 [9], т.е.:}

    (31)

 

_{Тогда максимальная скорость нарастания давления равна:}

 

            (32)

_{То есть скорость роста давления принимает максимальное значение в начальный  момент выхода горения  частиц на диффузионный режим и при  заданном  В тем больше, чем больше и меньше r0. Если частица горит в парофазном режиме, подвод окислителя осуществляется к поверхности зоны горения радиусом r0=krг, в несколько раз превышающем размер самой частицы. В этом случае в выражение (31) r0 вместо необходимо подставить rг и, соответственно, правую часть выражения (32) умножить на k.}

_{Примеры расчета для пылей  Al и Mg с r0=7,7 мкм приведены в таблице 2:}

 

      

 

 

    _{Расчетные значения}  

                  Таблица2

В, г/м3	, 106 Па/с
	Al	Mg
300	14.0	21.5
500	20.6	31,3
800	28.0	42.0
1000	32.0	47.3
1100	33.6	46.7

 

 

_{Поскольку объемную теплоемкость взвеси можно представить  в виде, где cgρg - объемная теплоемкость газового компонента, то из (32) (если взять производную по В и приравнять её к нулю), следует, что максимальное значение достигается при значениях концентрации горючего , в несколько раз превышающих стехиометрические.}

_{Для алюминия указанное значение хорошо согласуется  с экспериментальными данными приведенными в [2], где для приведено значение 1,25 кг/м³.  Отметим также, что в этой работе приведены результаты систематических экспериментальных данных по зависимости Pmax(B) и (B) для наночастиц алюминия (размером 35, 75 и 100 нм) и обычного алюминия (размеры частиц не приводятся). Основные тенденции соответствуют вышеприведенным теоретическим оценкам. Однако, абсолютные значения могут отличатся в 2-4 раза. Причин этому может быть несколько.  Во-первых, расчетные значения дают максимально возможные значения взрывных характеристик. Во-вторых, экспериментальные данные различных авторов [1,2,4,6,8] дают для алюминия значения, отличающиеся в несколько раз. Анализировать эти данные крайне затруднительно, поскольку зачастую приводятся не все параметры взвеси (размер, концентрация, форма частиц, характеристики пневмоимпульса, время задержки воспламенения, степень заполнения реакционного объёма и т.д.). Условия создания взвеси могут существенно сказыватся на реализуемых параметрах взрыва. Например, в [2] данные по Pmax  и   для нанодисперсных порошков алюминия, размеры которых изменялись в 2-3 раза, практически совпадают. Причина этого, по нашему мнению, заключается в сильной агломерации частиц в облаке, так, что практически сгорает газовзвесь мелких конгломератов.}

_{Таким образом, систематически экспериментальные  исследования зависимостей Pmax , , от концентрации и размера частиц для различных горючих пылей, являются крайне необходимыми для объективизации их физической сущности.}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА2. экспериментальная установка

 

2.1Описание экспериментальной установки

Для экспериментального исследования экстремальных  характеристик  проводится модификация установки  ПВ-20 в  лаборатории областного управления Министерства Чрезвычайных Ситуаций в  Одесской области.

Установка предназначена  для экспериментального определения  максимального давления взрыва, максимальной скорости нарастания давления взрыва. [10].

Определение показателей проводится на установке ПВ-20

 

1 - реакционная камера, 2- источник зажигания, 3- датчики давления, 4- манометры, 5- блок управления и регистрации, 6- вакуумметр, 7- вакуумный насос, 8- газоанализатор, 9- ресивер, 10- вентиль мембранный с электромагнитным приводом, 11- форкамера, 12- обратный клапан

Реакционная камера, имеющая  форму близкую к сферической, с внутренним диаметром цилиндрической части (300 ± 10) мм, толщиной стенки (3,2 ± 0,3)мм и рассчитанная на рабочее давление 1 МПа. Вместимость камеры (20,0 ± 2,5) дм³. Камера снабжена штуцерами для ее вакуумирования, подачи газовых компонентов, подсоединения датчика давления.

  Система распыления исследуемого вещества, рассчитанная на давление 1 МПа, состоит из:

1.ресивера вместимостью (0,5 ± 0,1) дм³, снабженного штуцерами для подачи газовых компонентов и подсоединения датчика давления;

2.вентиля мембранного с электромагнитным приводом ПЗ 26237-015,        обеспечивающего импульс сжатого воздуха длительностью (0,10  ± 0,01) с;

3.форкамеры вместимостью (0,20  ± 0,01) дм³, в которую помещают образец исследуемого вещества;

4.обратного клапана, вмонтированного в нижний штуцер реакционной камеры;

5.конусного распылителя диаметром (30  ± 1) мм, установленного в нижней части реакционной камеры на высоте (15  ± 1) мм.

Источник зажигания, представляющий собой пиротехнический заряд  на основе смеси мелкодисперсного порошка  алюминия с перекисью бария в  соотношении 1:10. Масса пиротехнического заряда составляет 0,3 г, что соответствует  запасу тепловой энергии около 400 Дж. Пиротехнический заряд закрепляется на электродах в геометрическом центре камеры. Инициирование источника  зажигания осуществляется через 0,11 с после начала распыления исследуемого вещества.

 Система регистрации  давления взрыва, состоящая из  полупроводниковых датчиков давления, подключаемых к реакционной камере  и ресиверу, и вторичных приборов  с погрешностью измерения не  более 10 %. Время реакции системы регистрации давления взрыва на прямоугольный импульс не должно превышать 1 мс.

 Блок управления, обеспечивающий  срабатывание в заданной последовательности  вакуумного насоса, системы распыления, источника зажигания и системы  регистрации с последующим выводом  информации в виде протоколов  и графиков на экран монитора  и принтер.

 

2.2Методика проведения эксперимента и обработки результатов

Проводят серию экспериментов  с разными навесками исследуемого вещества для получения зависимости  давления взрыва от концентрации пыли. Рекомендуемая первоначальная масса навески соответствует концентрации взвеси (250 ¸ 500) г/м³, масса каждой последующей навески отличается от предыдущей на 50 %. Для определения максимального давления взрыва и скорости его нарастания проводят две дополнительных серии экспериментов на трех различных навесках с рекомендуемым шагом изменения масс навесок в области наибольших значений давления взрыва, определенной в первой серии.

По результатам единичного испытания определяют наибольшее значение избыточного давления взрыва Р_взр,  скорости его нарастания dP/dt и концентрацию исследуемого вещества во взвеси r_s по формулам

Р_взр = 101,3 (Р_гр - D Р)/ Р₀;      

где Р_гр - максимальное изменение давления по графику единичного испытания, кПа;

D Р = V_Р/V_К (Р_нач - Р_кон) (V_Р и V_К - соответственно вместимость ресивера и камеры, м³; Р_нач и Р_кон - начальное и конечное давления в ресивере, фиксируемые датчиком давления, кПа);

Р₀ = Р_В + D Р  (Р_В - давление в камере после вакуумирования, кПа);

dP/dt = 101,3 (dP/dt)_М / Р₀;      

где (dP/dt)_М - максимальная скорость изменения давления в процессе единичного испытания, МПа/с;

r_s = 101,3 m / Р₀;      

где m - масса навески, г.

За максимальное давление взрыва Р_max принимают среднее арифметическое из наибольших значений давления взрыва, полученных в каждой из трех серий.

 За максимальную скорость  нарастания давления взрыва (dP/dt) принимают среднее арифметическое из наибольших значений скорости нарастания давления взрыва, полученных в каждой из трех серий.

При определении Р_mах, навеска исследуемого вещества, помещенная в форкамеру, впрыскивается импульсом сжатого до 1,0 МПа воздуха в предварительно вакуумированную реакционную камеру. С заданной на пульте управления задержкой зажигания срабатывает пиротехнический источник зажигания, инициирующий воспламенение пылевоздушной смеси. Сигналы с датчиков давления, установленных на реакционной камере и ресивере, поступают в систему регистрации пульта управления. Повторяют опыты с навесками разной массы для получения зависимостей давления продуктов горения и скорости нарастания давления от концентрации исследуемого вещества в пылевоздушной смеси.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Свойства рабочих порошков.

 

3.1 Определение дисперсного состава порошков.

Нами были получены результаты для порошков, полученных смешиванием  двух промышленных порошков в различных  соотношениях по массе. Были выбраны  порошки алюминия АСД1 и АСД4. Смешивание проводилось в небольших сосудах в пропорциях: 8:2, 7:3, 6:4, 5:5, 4:6, 3:7, 2:8, 9:1 соответственно[11].

Для определения дисперсного состава  порошков мы использовали автоматизированную систему определения дисперсности (АСОД)[12]. Система АСОД состоит из трех составляющих: измерительного блока, блока дезагрегации и программного обеспечения для связи с компьютером, которое открывает дополнительные возможности управления и использования АСОД.

Измерительный блок построен по схеме  теневого счетчика аэрозольных частиц. В нем формируется однородный луч света, который направлен  на фоточувствительный элемент –  фотоприемник. Подготовленная дезагрегирующим  устройством аэровзвесь вводится через  воздушный канал в счетный  объем (область пересечения луча с траекториями пролета частиц). Частицы, пролетая по одной, через луч  света, вызывают изменение интенсивности  освещения приемника. Электронная  схема регистрирует эти изменения, определяет по ним размер частиц и  строит гистограмму распределения  частиц по размерам либо объемным долям (в зависимости от выбора оператора).

Блок дезагрегации обеспечивает дезагрегацию пробы и ввод аэровзвеси в рабочий  объем счетчика.

Блок дезагрегации и измерительный  блок связываются друг с другом таким  образом, что выход дезагрегатора  и вход измерительного блока соосны. Режим работы двух блоков подобран так, что аэрозольное облако втягивается в счетный объем без искажений дисперсного состава пробы, что обеспечивает ее репрезентативность.