Расчет и обоснование безопасной работы топочного устройства (стр. 5 )

Таблица 2

Концентрационные пределы воспламенения газовоздушных смесей

при атмосферном давлении 101,3 кПа и температуре 20 °С [8]

Вещество	Химическая формула	Концентрационные пределы воспламенения в воздушных смесях, % газа по объему
Нижний	Верхний
Метан		5	15
Этан		3,22	12,45
Пропан		2,37	9,5
Н-бутан		1,86	8,41
Пентан		1,4	7,8
Водород		4	74,2
Окись углерода		12,5	74,2
Ацетилен		2,5	80
Этилен		3,75	29,6
Сероводород		4,3	45,50

Пределы воспламенения соответствуют условиям взрываемости газовоздушных смесей. Если содержание газа в газовоздушной смеси меньше НКПР воспламенения, то такая смесь называется бедной. Гореть и взрываться не может, т. к. выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева близлежащих слоев смеси до температуры самовозгорания будет недостаточно. Аналогичная картина наблюдается, если содержание горючего газа в газовоздушной смеси выше ВКПР воспламенения. Такая смесь называется богатой. Гореть и взрываться она также не может, т. к. при выгорании окислителя около источника зажигания полученной теплоты будет недостаточно для разогрева ближайших объемов смеси до температуры самовозгорания. Если содержание газа в смеси находится между НКПР и ВКПР воспламенения, то при появлении источника зажигания смесь воспламеняется и самостоятельно горит. Такая смесь взрывоопасна.

Значения пределов воспламенения некоторых горючих газов в смеси с воздухом приведены в табл. 2.

При оценке и обосновании пожарной и взрывной безопасности технологического оборудования всегда необходимо оценить расчетным путем возможность образования в нем зон взрывоопасных газовоздушных смесей, ограниченных нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения.

6.2. Расчет концентрационных пределов воспламенения

в топочном устройстве

Обоснование безопасной работы оборудования, где возможно создание замкнутых объемов с взрывоопасными концентрациями газовоздушных смесей, проводится на основе уравнений, применимых для идеальных газов.

Пределы воспламенения горючих технических газов, представляющих собой газовоздушную смесь простых горючих газов , , , , и воздуха, можно определить, используя правило Ле-Шателье. В основе правила лежит предположение о независимости горючих свойств каждого из газов, входящих в газовоздушную смесь. Тогда нижний концентрационный предел воспламенения смеси газов можно вычислить по формуле, %:

, (15)

где ,,,, - нижние концентрационные пределы воспламенения каждого отдельного газа горючей смеси (приведены в табл. 2), %. По аналогичной формуле рассчитывается верхний концентрационный предел воспламенения, необходимо только заменить индекс НКПР на ВКПР.

После нахождения концентрационных пределов воспламенения студенту следует для своих данных в масштабе на рисунке показать область воспламенения газовоздушной смеси.

При работе топочных устройств на газообразном топливе иногда могут возникать нештатные ситуации, например погасание пламени. Если не сработает автоматика по отсечению подачи газа в топочную камеру, то через горелку будут подаваться газовое топливо и воздух. Это приведет к созданию взрывоопасной смеси в топочной камере и при достижении нижнего концентрационного предела произойдет ее воспламенение, т. к. поверхности в топке нагреты до высокой температуры. Произойдет взрыв.

Примем, что при заполнении всего объема топочной камеры газовоздушной смесью, последняя может воспламениться при достижении НКПР . Это приведет к взрыву. При этом объем поступившего в топку горючего газа , при котором будет достигнут НКПР воспламенения газовоздушной смеси, может быть вычислен по формуле, м3:

, (16)

где - геометрический объем топочного устройства, м3.

Время работы горелки после погасания пламени , когда она успеет подать горючий газ и воздух в топочную камеру до достижения в ней НКПР воспламенения газовоздушной смеси , можно определить по формуле, с:

. (17)

При нахождении газовоздушной смеси в разогретой топочной камере, когда концентрация смеси находится в области воспламенения, обычно приводит к взрывам.

7. ЭНЕРГИЯ И МОЩНОСТЬ ВЗРЫВА

ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

Оценка последствий взрывов газовоздушных смесей и разработка мероприятий по уменьшению их последствий может быть сделана на основе рассчитанных энергии и мощности взрыва.

7.1. Взрывное горение

Химический взрыв - это быстрое неуправляемое химическое превращение вещества (взрывное горе­ние), сопровождающееся образованием большого количества сжа­тых газов, под давлением которых могут происходить разрушения различных объектов. Взрыв несет потенциальную опасность травмирования людей.

При взрыв­ном го­ре­нии про­дук­ты сго­ра­ния на­гре­ва­ют­ся до температур 1500-3000 °С, что часто приводит к пожару, усу­губляющему негативные последствия взрыва.

Про­дол­жи­тель­ность ре­ак­ции го­ре­ния газовоздушной смеси до наступления взрыв­но­го ре­жи­ма, т. е. когда идет дефлаграционное горение, и продолжительность самого взрыва, обычно со­став­ля­ют достаточно короткий промежуток времени – доли секунды.

Параметрами, по которым определяют мощность взрыва, являются энергия взрыва и скорость её выделения, где энергия определяется физико-химическими превращениями во взрывоопасной среде.

7.2. Расчет энергии и мощности химического взрыва

При химических промышленных взрывах реагируют обычно горючие органические вещества с кислородом воздуха. Взрыв газо - или пылевоздушной смеси в виде облака или в замкнутом объеме приводит к мгновенному адиабатическому расширению продуктов горения и возрастанию давления в месте взрыва. Причиняемые оборудованию и промышленным объектам разрушения зависят от мощности и энергии взрыва. Эти два параметра лежат в основе расчетов давления в центре взрыва и давления во фронте взрывной волны, которые будут изучены студентами на практических занятиях.

Наиболее просто приближенный расчет энергии взрыва газовоздушной смеси может быть проведен по формуле, кДж:

, (18)

где - секундный расход газа, подаваемого в точную камеру, м3/c;

- время работы горелки (горелок) до достижения в топочной камере , после того как погасло пламя и создалась нештатная ситуация, с;