Файл: Розловский А.И. Взрывобезопасность паро-газовых систем в технологических процессах учеб. пособие.pdf

дорода II ацетилена; величины dKV (мм) даны для наи­ более опасных составов при нормальных условиях:

в том, что пределы гашения не зависят от свойств мате­ риала стенок, в том числе его теплопроводности, хотя этот процесс обусловлен теплоотдачей от газа к твердым стенкам канала. Это вызвано большой разностью плот­ ностей сгорающего газа и материала пламегасящей стен­ ки. Поэтому газ, сгорающий в огнепреградителе, охлаж­ дается, практически не нагревая стенки канала. Сущест­ венная часть процесса теплопередачи реализуется в га­ зовой, а не в твердой фазе, хотя тепло и отводится в стенки. Лишь длительное истечение сгоревшего газа через канал может приводить к заметному нагреванию его стенок.

Независимость пламегасящей активности огнепрегра­ дителей от материала существенно облегчает их изго­ товление и использование. Огнепреградители выбирают по конструктивным соображениям, учитывая величину диаметра их каналов, газопроницаемость, механическую прочность и стоимость. Отсутствие влияния материала стенок на пределе гашения подтверждается многими экспериментами.

В выражения для пределов гашения не входит также длина пламегасящих каналов. Эта важная особенность, еще больше унифицирующая закон гашения, — следствие механизма гашения. Возможность гашения определяется условиями охлаждения слоя газа, толщина которого со­ измерима с шириной фронта пламени. Охлаждение бо­ лее далеко отстоящих слоев продуктов сгорания не ска­ зывается на тепловом режиме зоны реакции. Опыт под­ тверждает, что в отсутствие искажающих воздействий, указываемых ниже, длина каналов Іі действительно не влияет на пределы гашения, если h ^>6, где б — ширина фронта пламени.

Закономерности гашения неоднократно изучались для различных огнеп£еградителей: единичных узких тру­ бок, отверстий в диафрагмах, плоских щелей, металли­

104

ческих сеток, насадок из гранулированных материалов, в которых каналы образованы зазорами между гранула­ ми; различных пористых материалов. Опыт показывает, что в отсутствие упомянутых возмущений уравнения (4.1) и (4.2) неизменно оказываются справедливыми не­ зависимо от химических свойств горючей среды и уст­ ройства огнепреградителя.

Тепловая теория подтверждается данными различ­ ных исследователей для диапазона изменения основных параметров — нормальной скорости пламени, диаметра каналов и давления — более чем в 100 раз. При этом критическое значение критерия Пекле (РеІф) прибли­ зительно равно 65; эта величина является универсаль­ ной константой для всех процессов горения*. Теоретиче­ ский расчет также дает примерную оценку РеІф, значе­ ние которого практически совпадает с эксперименталь­ ным. Следует подчеркнуть, что сама теория является приближенной, а значение Рекр= 65— средним для мно­ жества измерений. Отклонения, обусловленные 'напод­ дающимися учету возмущениями, могут достигать dz 100% измеряемой величины; однако в результатах из­ мерений одного автора погрешность может быть мень­ ше— до ±50% .

Из теории следует, что критический диаметр гашения d„р для данной среды слабо зависит от ее температуры То. Опыт подтверждает эту закономерность. Она обус­ ловлена тем, что теплоотдача от продуктов сгорания оп­ ределяется разностью температур Ть—Т0, эта разность мало изменяется при изменении Т0, которое всегда мало по сравнению с Ть.

Детонация в узких каналах. Несмотря на широкое распространение огнепреградителей в технике, еще не­ давно оставалось неясным, окажутся ли огнепрегради­ тели, гасящие дефлаграционное пламя, столь же эффек­ тивны и для гашения детонации; в некоторых учебниках дается неверный ответ на этот вопрос. При его решении подразумевается, что огнепреградитель и заключающая его оболочка имеют достаточную механическую проч­ ность длятого, чтобы выдержать ударную нагрузку.

В дальнейшем было установлено, что детонацион­ ная волна, распространяющаяся в достаточно узком ка­

* Для плоско/і щели Рекр=46.

105

нале, разрушается уже в таких условиях, в которых еще возможна устойчивая дефлаграция. Ее разрушение обусловлено потерями тепла в стенки от фронта дето­ национной волны. При наличии потерь ударное сжатие детонирующей среды ослабевает, температура во фронте волны понижается, прекращается самовоспламенение сжатого газа, детонационная волна разрушается. Это происходит при сгорании в трубах уже такого диаметра, - для которого потери от дефлаграционного пламени еще не достигают критического значения. Такое различие обусловлено большой шириной зоны реакции и интен­ сивностью процессов переноса в детонационной волне.

При гашении в узких каналах пламени, в процессе распространения которого горение приняло характер де­ тонации, наблюдается следующая закономерность. Пре­ дельная величина критерия Пекле, построенная из пара­ метров горючей системы для исходного, до возникнове­ ния детонации состояния, т. е. начальных давления и температуры и нормальной скорости пламени, имеет обычное для дефлаграции значение — около 65. Значи­ тельное возрастание давления и скорости горения в дето­ национной волне никак не сказывается на процессе га­ шения. Причина заключается в том, что процесс начи­ нается с разрушения детонационной волны, гашение пламени происходит в среде, состояние которой совпа­

Как показали опыты, это давление можно снизить в не­ сколько раз уже в том случае, если детонационная вол­ на проходит через каналы, диаметр которых значительно превосходит критический для ее гашения. Аналогичный эффект наблюдается и при распространении быстрого сильно турбулизованного дефлаграционного пламени. Для предотвращения разрушения аппаратуры, для кото­ рой невозможно гарантированно исключить распростра­ нение в ней пламени, эффективны насадки из крупных гранул, заполняющие защищаемый аппарат. Такое при­ способление во много раз снижает рост давления при сгорании.

Роль возмущений при использовании огнепреградите­ лей. Результаты некоторых исследований пределов гаше­ ния, казалось бы, резко противоречат тепловой теории.

106

Величина РеІф, соответствующая начальному, до сгора­ ния, состоянию горючей среды, оказывается в несколько раз меньше 65 (см. стр. 105). Она существенно за­ висит от аппаратурных условий: от объема и формы ка­ меры сгорания, от длины пламегасящих каналов и поло­ жения точки зажигания.

Причина отклонений от требований теории, в дейст­ вительности лишь кажущихся, заключается в росте дав­ ления в процессе сгорания, которое происходило при таких измерениях. Используемые при измерениях каме­ ры сгорания следует отнести к классу полузамкнутых (см. гл. 1, разд. 2). Камеры сообщались с окружающим пространством только единичными каналами огнепрегра­ дителей, имеющими малое общее сечение и потому ока­ зывающими значительное сопротивление потоку исте* кающего газа. К моменту, когда пламя достигало огне­ преградителя, давление значительно превосходило начальное.

Строя критерий Ре при сгорании в полузамкнутой ка­ мере для исходного состояния сгорающего газа, можно допустить значительную ошибку. Возрастание истинно­ го давления при сгорании в полузамкнутой камере вос­ принимается как снижение критического значения кри­ терия Пекле. Если учесть истинное максимальное дав­ ление, развивающееся при сгорании, то критерий РеКр,

—построенный из соответствующих этому давлению пара­ метров, будет иметь обычное значение.

Необходимо также учесть, как будет влиять движе­ ние горящего газа на условия гашения пламени. В тех­ нологических процессах возможно возникновение очага горения в потоке горючей смеси. Независимо от этого, горение всегда сопровождается движением газа ввиду его теплового расширения. Возникновение потока горю­ чей смеси, направленного в сторону огнепреградителя, рассматривалось некоторыми исследователями как фак­ тор, способствующий прохождению пламени по каналам огнепреградителя, т. е. снижающий эффективность огне­ преградителя.

Исследования показали, что это не так. Возникнове­ ние организованного потока газа в сторону огнепрегра­ дителя либо не влияло на пределы гашения, либо облегчало гашение; критическое значение РеКр для дви­ жущегося газа было равно или больше Рекр для непо-

107

двпжного газа*. Таком результат согласуется с тепловой теорией гашения. Ускорение истечения через огнепре­ градитель и турбулизация горящего газа усиливают теплоотвод от газа к твердой 'поверхности.

Промышленные огнепреградители. Огнепреградители различных конструкций находят значительное примене­ ние в технике, прежде всего для изготовления оболочек искрящего электрооборудования. Приборы, снабженные защитными оболочками, способными выдерживать дав­ ление взрыва, принято называть взрывонепроницаемыми. У большинства таких приборов огнепреградителем слу­ жит зазор между фланцами или другими деталями, стро­ го нормируемой ширины.

В ряде случаев использование опіепреградителей для технологических объектов носит случайный характер и не обосновано измерением пределов гашения. Остает­ ся неизвестным, какую защиту способны обеспечить эти случайные огнепреградптели. Иногда испытания огнепреграднтеля ограничивают установлением факта гашения пламени определенной горючей смеси. Проверка без из­ мерения пределов гашения и имеющегося «запаса на­ дежности», ничего не говорит о последствиях возможных отклонений от нормального режима технологического процесса и потому недостаточна для обеспечения взры­ вобезопасности.

Широко используемые для изготовления оболочек _ взрывонепронпцаемого электрооборудования щелевые огнепреградители имеют существенный недостаток — большое гидравлическое сопротивление. Сгорание внут­ ри оболочки, снабженной подобным огнепреградителем, сопровождается значительным ростом давления. Это приводит к повышению требований в отношении проч­ ности оболочки, т. е. ее утяжелению, а с другой стороны, к уменьшению предельного диаметра гашения в соответ­ ствии с уравнением (4.2), т. е. к еще большему ужесто­ чению требований, предъявляемых к самому огненреградителю. Детали, образующие гасящий зазор, в случае малых зазоров требуют высокой точности изготовления.

Для изготовления огнепреградителей, в особенности пригодных для наиболее быстрогорящих смесей, жела­

* Если ие возникает стационарный поток, а с ним и стацио­ нарное пламя у кромки огнепреградителя, который начинает при этом заметно прогреваться.

108