1. Основные химические реакции процесса горения. Теплота сгорания
Скачать 1.45 Mb.
|
^ Горючие газы могут воспламеняться или взрываться, если они смешаны в определенных соотношениях с воздухом и нагреты не ниже температуры их воспламенения. Воспламенение и дальнейшее самопроизвольное горение газовоздушной смеси при определенных соотношениях газа и воздуха возможно при наличии источника огня (даже искры). Различают нижний и верхний пределы взрываемости — минимальное и максимальное процентное содержание газа в смеси, при которых может произойти воспламенение ее и взрыв. По химической сущности взрыв газовоздушной смеси — процесс очень быстрого (мгновенного) горения, приводящий к образованию продуктов горения, имеющих высокую температуру) и резкому возрастанию их давления. Расчетное избыточное давление при взрыве таких смесей следующее: природный газ — 0,75 МПа, пропана и бутана — 0,86, водорода — 0,74, ацетилена — 1,03 МПа. В практических условиях температура взрыва не достигает максимальных значений и возникающие давления ниже указанных, однако они вполне достаточны для разрушения не только обмуровки котлов, зданий, но и металлических емкостей, если в них произойдет взрыв. Пределы взрываемости смесей горючих газов с воздухом различны и зависят от химического свойства газов. Основной причиной образования взрывных газовоздушных смесей является утечка газа из систем газоснабжения и отдельных ее элементов (неплотность закрытия арматуры, износ сальниковых уплотнений, разрывы швов газопроводов, негерметичность резьбовых соединений и т. д.), а также несовершенная вентиляция помещений, топки и газоходов котлов и печей, подвальных помещений и различных колодцев подземных коммуникаций. Задачей эксплуатационного персонала газовых систем и установок является своевременное выявление и устранение мест утечек газа и строгое выполнение производственных инструкций по использованию газообразного топлива, а также безусловное качественное выполнение планово-предупредительного осмотра и ремонта систем газоснабжения и газового оборудования. ^ Стехиометрическая объемная доля (концентрация) горючего — объемная доля горючего в смеси с воздухом ст, вычисляемая по формуле ст = 100/(4,84 + l), где — стехиометрический коэффициент кислорода в уравнении химической реакции горения данного горючего, рассчитываемый по формуле (33). Метод расчета стехиометрической концентрации горючего вещества в воздухе Для горючих веществ, состоящих из атомов С, Н, О, N, S, Si, Р, F, Cl, Br, J, стехиометрическая концентрация в процентах объемных определяется по формуле ст = 100/(4,84 + 1), (32) где = mс + ms + msi + 2,5mР + 0,25(mн - mх) - 0,5mО. (33) В формуле (33) mc, ms, mSi, mP, mн, mО — число атомов углерода, серы, кремния, фосфора, водорода и кислорода в молекуле горючего; mх — суммарное число атомов F, Cl, Br, J в молекуле горючего. Пример. Рассчитать стехиометрическую концентрацию этиленгликоля С2Н6O2 в воздухе по формуле (32). По формуле (33) вычисляем: = 2 + 0,25 6 - 0,5 2 = 2,5. Рассчитываем ст по формуле (32): ст = 100/(4,84 2,5 + 1) = 7,63 % (об.). ^ Инженерная обстановка – это совокупность последствий ЧС техногенного, природного или военного характера, в результате которых имеют место разрушения элементов промышленной и жилой застройки, комунально – энергетических и технологических сетей и сооружений и трубопроводов, транспортных коммуникаций, гидротехнических и дорожных сооружений ,систем связи, оказывающих влияние на функционирование объектов хозяйственной деятельности, жизнедеятельности территорий, жизни и здоровью населения. Инженерная обстановка характеризуется масштабами (размерами зон) и характером (степенью) разрушений. Разрушение зданий и сооружений могут происходить по различным причинам – от ураганного ветра, проседания почвы снежных лавин, селевых потоков, землетрясений, взрывов газовоздушных смесей промышленного и бытового характера. Наличие множество взрыво-, пожароопасных ОХД, нефтепроводов делает актуальным для Донецкой области проблему прогнозирования возможной обстановки при взрыве ГВС, в основном, углеводородного состава – метан, пропан, пары нефтепродуктов, природный газ и т.п. Исходя из этого, в пособии рассмотрены принципы прогнозирования возможной инженерной обстановки при взрыве ГВС. Основными показателями характеризующими инженерную обстановку при взрыве ГВС являются: величины избыточного давления в зонах разрушения размеры и площади зон разрушений количество объектов(элементов объектов), зданий жилой застройки попавших в зоны разрушения и получивших слабые, средние, сильные и полные разрушения. Эффективность прогнозирования определяется наличием необходимой информации – исходных данных для прогнозирования. Точность прогнозирования, степень достоверности в определении реально сложившейся ситуации при взрыве ГВС во многом определяют качество и эффективность реагирования на такого вида ЧС. Основные исходные данные для заблаговременного и для оперативного прогнозирования практически совпадают: количество ГВС взрыв которой возможен при заблаговременном прогнозировании и реальное количество ГВС по факту аварии план(схема) жилой застройки в районе объекта –источника аварии характеристика зданий и сооружений, в районах источника взрыва. В очаге взрыва ГВС принято выделять три зоны : I зона – зона детонации, II зона – зона разлёта (действия) продуктов взрыва, III зона – зона действия воздушной ударной волны. I зона – определяется размерами облака ГВС – облака взрыва. Радиус этой зоны приближённо можно определить по эмпирической формуле : Р1 = 17,5 3ÖQ (1) Где Q – количество ГВС в тоннах. В пределах этой зоны развивается давление порядка 1700 кПа (среднее) (17 кг\см2; 170 т\м2). ІІ зона – охватывает площадь разлёта продуктов взрыва после детанации. Радиус этой зоны приближённо может быть определён по формуле : РІІ = 1,7 * РІ (2) В пределах этой зоны развивается давление в порядка 1350 – 300 кПа. ІІІ зона – действия ударной волны. Давление в ІІІ зоне зависит от расстояния до центра взрыва и может быть рассчитано по достаточно сложным эмпирическим формулам. В этой зоне избыточное давление спадает от 300 кПа до нормального давления (101 кПа). В связи с этим в ІІІ зоне выделяют так называемую зону разрушений, состоящую, в свою очередь, из четырёх зон – слабого, среднего, сильного и полного разрушения. Зона полных разрушений определяется радиусом с избыточным давлением более 60 кПа (0,6 кг\см2, 6 т\м2); Зона сильных разрушений – 60 – 40 кПа ; Зона средних разрушений – 40 –20 кПа ; Зона слабых разрушений – повреждений от 20 кПа до 10 кПа. При меньших избыточных давлениях 10 – 4 кПа возможны легкие повреждения зданий не наносящих существенных разрушений (кроме ветхих деревянных строений, сборно-щитовых построек и т.п.). В основе такой градации лежит оценка воздействия фронта ударной волны Р на здания и сооружения. Примерный характер этого воздействия показан на таблице № . Определив по таблице № внешние границы зон разрушения и наложив их на план(схему) жилой застройки можно определить вероятное количество зданий и сооружений, подвергшихся тем или иным разрушениям. ^ Интенсивность теплового излучения рассчитывают для двух случаев пожара (или для того из них, который может быть реализован в данной технологической установке): пожар проливов ЛВЖ, ГЖ или горение твердых горючих материалов (включая горение пыли); "огненный шар" - крупномасштабное диффузионное горение, реализуемое при разрыве резервуара с горючей жидкостью или газом под давлением с воспламенением содержимого резервуара. Если возможна реализация обоих случаев, то при оценке значений критерия пожарной опасности учитывается наибольшая из двух величин интенсивности теплового излучения. 57. Интенсивность теплового излучения q, кВт х м(-2), для пожара пролива жидкости или при горении твердых материалов вычисляют по формуле q = E F x тау, (48) f q где E_f - среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени, кВт х м(-2); F_q - угловой коэффициент облученности; тау - коэффициент пропускания атмосферы. Значение E_f принимается на основе имеющихся экспериментальных данных. Для некоторых жидких углеводородных топлив указанные данные приведены в табл.8. При отсутствии данных допускается принимать величину E_f равной: 100 кВт х м(-2) для СУГ, 40 кВт х м(-2) для нефтепродуктов, 40 кВт х м(-2) для твердых материалов. Примечание. Для диаметров очагов менее 10 м или более 50 м следует принимать величину E_f такой же, как и для очагов диаметром 10 м и 50 м соответственно. Рассчитывают эффективный диаметр пролива d, м, по формуле 4 x F d = кв.корень ———————, (49) пи где F - площадь пролива, м2. Вычисляют высоту пламени Н, м, по формуле 0,61 M Н = 42d(——————————————————————) , (50) ро (кв.корень (g x d) в где М - удельная массовая скорость выгорания топлива, кг х м(-2) х с(-1); ро_в - плотность окружающего воздуха, кг х м(-3); g = 9,81 м х с(-2) - ускорение свободного падения. Определяют угловой коэффициент облученности F_q по формулам: 2 2 F = кв.корень (F + F ), (51) q v н где F_v, F_н - факторы облученности для вертикальной и горизонтальной площадок соответственно, определяемые с помощью выражений: 1 1 h h F = —— x [ —— x arctg( —————————————————) - ——— x {arctg(кв.корень v пи S 2 S кв.корень(S - 1) S - 1 A (А + 1) x (S - 1) (—————)) - ——————————————— x arctg(кв.корень (——————————————————)}], (52) S + 1 2 (A - 1) x (S + 1) кв.корень(А - 1) 1 (B - 1/S) (В + 1) x (S - 1) F = ——— x [——————————————— x arctg(кв.корень(—————————————————) - н пи 2 (B - 1) x (S + 1) кв.корень(В - 1) (A - 1/S) (А + 1) x (S - 1) - —————————————————— x arctg(кв.корень(—————————————————))], (53) 2 (A - 1) x (S + 1) кв.корень(А - 1) 2 2 А = (h + S + 1)/(2S); (54) 2 В = (1 + S )/(2S); (55) S = 2r/d; (56) h = 2H/d, (57) где r - расстояние от геометрического центра пролива до облучаемого объекта, м. Определяют коэффициент пропускания атмосферы по формуле -4 тау = exp[-7,0 x 10 x (r - 0,5d)]. (58) 58. Интенсивность теплового излучения q, кВт х м(-2), для "огненного шара" вычисляют по формуле (48). Величину E_f определяют на основе имеющихся экспериментальных данных. Допускается принимать E_f равным 450 кВт х м(-2). Значение F_q вычисляют по формуле H/D + 0,5 s F = ——————————————————————————————————, (59) q 1,5 2 2 4 x [(H/D + 0,5) + (r/D ) ] s s где Н - высота центра "огненного шара", м; D_s - эффективный диаметр "огненного шара", м; r - расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром "огненного шара", м. Эффективный диаметр "огненного шара" D_s определяют по формуле 0,327 D = 5,33m , (60) s где m - масса горючего вещества, кг. Величину Н определяют в ходе специальных исследований. Допускается принимать величину Н равной D_s/2. Время существования "огненного шара" t_s , с, определяют по формуле 0,303 t = 0,92m . (61) s Коэффициент пропускания атмосферы тау рассчитывают по формуле -4 2 2 тау = exp[-7,0 x 10 x (кв.корень(r + H ) - D /2)]. (62) s ^ ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ (а. blasting, shotfiring; н. Schießarbeiten, Schießen; ф. travaux а l'explosif; travaux dus au tir; и. trabajos соn explosivos) — совокупность операций по подготовке и инициированию зарядов взрывчатого вещества. Применяют главным образом в горном деле и строительстве (см. взрывная технология). Проводят при условии обеспечения безопасности для рабочих, оборудования, сооружений и окружающей среды. Подготовительный этап взрывных работ — подбор персонала, оформление документов на право приобретения, хранения, перевозки взрывчатых материалов (BM) и ведения работ. Собственно взрывные работы включают составление проекта взрыва или паспорта буровзрывных работ, подготовку BM к употреблению, доставку их к месту взрыва, изготовление патронов-боевиков, заряжание и забойку зарядов взрывчатых веществ, монтаж взрывной сети и инициирование зарядов. Заключительный этап взрывных работ состоит из осмотра места взрыва и ликвидации в случае обнаружения остатков невзорвавшихся BM и отказавших зарядов. Для взрывания зарядов промышленных взрывчатых веществ используют различных способы инициирования, которые классифицируют: в зависимости от применяемых средств взрывания, — огневое взрывание, электроогневое взрывание, электрическое взрывание; от величины интервала замедления между взрывами отдельных зарядов в серии — мгновенное взрывание, замедленное взрывание, короткозамедленное взрывание; от особенностей расположения зарядов — однорядное, многорядное; от назначения взрыва — основное (первичное), в результате которого часть массива отделяется взрывом и дробится, вторичное — взрывание крупных (некондиционных) кусков породы, образовавшихся после основного взрывания, взрывание завышений и козырьков на уступе, зависаний руды при выпуске её из камер; на выброс и сброс при строительстве плотин, каналов и котлованов. ^ Согласно газовой теории потока течение газа в случае стационарности определяется с помощью специальной системы уравнений. В нее входят следующие соотношения: 1) уравнение энергии для газового потока; 2) уравнение состояния; 3) уравнение для неразрывности газового потока. Уравнение энергии следует из первого начала термодинамики для газовых потоков. Уравнением неразрывности называется соотношение: Gv = Fw. Из него следует, что в случае установившегося течения газа в каждом сечении потока расход газа по массе является постоянной величиной. Иначе это уравнение можно записать в виде: G =pFw =p1F1w1 =P2F2w2 =const, где r1,r2, r= 1/v плотность газа в поперечных сечениях; F1, F2– площадь сечения потока; w1, w2– скорость потока, измеряется в области сечения. В данном случае имеется два сечения потока (1-е и 2-е), а величина Gиз этого уравнения называется массовым расходом газа (в секунду). Как известно, второй закон Ньютона гласит: «Сила определяется произведением массы и ускорения». Если газовый поток имеет одномерный характер, то из второго закона следует:  В данном соотношении каждый член имеет определенное физическое значение. Рассмотрим каждый множитель из уравнения. 1. Величина  показывает, как изменяется давление в зависимости от Х-координаты. 2. Величина  показывает, как изменяется скорость в зависимости от Х-координаты. 3. Соотношение  равно силе, приложенной к элементарному объему, dV – выделенный объем. dw 4. Величина  газа равна ускорению массы pdV(элементарная масса). ^ Основные уравнения газовой динамики выводятся из законов сохранения массы, количества движения и энергии. Рассмотрим закон сохранения массы. Пусть в момент времени  имеется бесконечно малый объем  . Поскольку при движении газа количество вещества должно оставаться неизменным, то , (4.1)где  и  - плотность газа для моментов времени и  .Взяв полную производную по времени, получаем   или  Величина  представляет собой скорость относительного объемного расширения газа и равна расхождению (дивергенции) скорости в рассматриваемой точке. Следовательно,  .Так как  , данное уравнение (используя соотношение векторного анализа  ), можно представить в виде (4.2)Уравнение (4.2) называется уравнением неразрывности. Рассмотрим уравнение, характеризующее закон сохранения количества движения. По аналогии с выводом уравнения неразрывности выделим некоторый элементарный объем (  ). Со стороны газа на этот объем по его поверхности ( ) действует давление  . Сила, действующая на поверхность (), определяется интегралом  . Преобразуя поверхностный интеграл в объемный, находим Кроме поверхностных сил, на объем ( ) в общем случае могут действовать массовые силы (например, сила тяжести и др.). Пусть  - массовая сила, отнесенная к единице массы. Тогда на выделенный объем действует массовая сила  . Согласно принципу Даламбера в любой момент времени все силы, действующие на массу  , включая силы инерции  , должны находиться в равновесии. (4.3)Вследствие произвольности объема ( ) интеграл (4.3) равен нулю, если равно нулю подинтегральное выражение В предыдущем параграфе отмечалось, что во многих задачах, связанных со взрывом, массовой силой можно пренебречь.Производная  может быть представлена как сумма производной скорости по времени  и так называемой конвективной производной  , характеризующей изменение скорости в связи с переходом рассматриваемой частицы из одной точки пространства в другую.Таким образом  (4.4)Уравнение (4.4) – уравнение движения, известное как уравнение Эйлера. Рассмотрим уравнение, характеризующее закон сохранения энергии. При выводе этого уравнения целесообразно опираться на 1-ый закон термодинамики  , (4.5)где  - внутренняя энергия,  - энтропия,  - температура.Или в дифференциальной форме  Для адиабатического процесса (с учетом допущения о пренебрежении силами вязкости)  , следовательно,  . Поскольку  , искомое уравнение энергии имеет вид (4.6)Дополнив (4.2), (4.4), (4.6) уравнением состояния  , (4.7)приходят к замкнутой системе уравнений для определения скорости, давления, плотности и энтропии, характеризующих при заданных начальных и граничных условиях состояния газа, как функцию координат и времени. Для определения температуры среды необходимо знать уравнение состояния в виде  или  .В прямоугольной системе координат уравнения газовой динамики принимают вид:  (4.8)Здесь первые три уравнения – это уравнения движения, четвертое – уравнение неразрывности, пятое и шестое – уравнение энергии и уравнение состояния соответственно. Как отмечалось в § 4.1, решение системы уравнений (4.8) встречает большие математические трудности. В случае одномерного адиабатического движения идеального газа, т. е., когда все параметры среды зависят от одной геометрической координаты и времени, а уравнение состояния имеет вид (1.6) или (1.13), т. е.  или  , система уравнений газовой динамики упрощается:  (4.9)где  =1,2,3 для движений с плоской, цилиндрической и сферической симметрией соответственно.Системой уравнений (4.9) пользуются при решении целого ряда задач, связанных со взрывами. ^ Одномерное неустановившееся течение газа – наиболее простой случай движения. Тем не менее, он позволяет выяснить ряд физических закономерностей неустановившихся движений. Рассматриваемое движение газа определяется системой уравнений (4.9). В случае движения с плоской симметрией она дополнительно упрощается:   , (4.19)где ,  ,  - давление, плотность и массовая скорость газа.Следуя К.П. Станюковичу, приведем систему (4.19) к более удобному для последующих исследований виду [2]. Согласно (4.14) функция  , следовательно,  Кроме того, так как при изэнтропическом движении  =  , то  или  .Подставляя значения  , соответственно в первое и второе уравнения системы (4.19), домножая второе уравнение почленно на « », получаем: (4.20) (4.21)Данная система уравнений замыкается адиабатой Пуассона  .Решение системы уравнений (4.20), (4.21) приведено в [2]. Ниже рассматривается решение этой системы в изложении Ю.С. Яковлева [4]. Системы дифференциальных уравнений в частных производных обычно решаются с помощью метода характеристик. П На кривой  выполняются соотношения:  Установим ограничения, накладываемые на рассматриваемую систему вследствие того, что на кривой « » ее решение должно отвечать заданным значениям  ,  . С этой целью подставим частные производные усть в плоскости  ,  задана кривая «», рис. 24, и на этой кривой  известны функции , . Необходимо найти интегралы (решения) системы (4.20)-(4.21), которые на кривой обращались бы в заданные значения. Иначе говоря, необходимо найти интегральную поверхность, удовлетворяющую рассматриваемой системе уравнений и проходящей через кривую (задача Коши). ;  в исследуемые уравнения:   (4.22)Остановимся на определении  ,  . Имеем ;  ,где  ,  ,  - соответствующие определители системы (4.22).В процессе оценки величин  , возможны следующие основные случаи1.  ,  ,  2.  , , 3. ,  ,  .В первом случае имеется место вполне определенное значение производных в точке  и в ее окрестности вдоль кривой «». Задача Коши имеет единственное решение.Во втором случае значения производных бесконечны. Кривую « » в окрестности точки называют линией разрыва.В третьем случае существует бесчисленное множество значений производных ,  , отвечающих рассматриваемой системе. Задача Коши не имеет единственного решения. Направление касательной к кривой «» в точке называют характеристическим направлением.Кривую « », в каждой точке которой направление касательной отвечает характеристическому направлению, называют характеристикой. Известно, что решение уравнений характеристик эквивалентно решению исходной системы уравнений.Уравнения характеристик системы (4.22) можно записать, приравняв нулю определители   (4.23)Раскрыв определитель , получаем Видно, что этот определитель обращается в ноль в следующих случаях:   (4.24)Из уравнений (4.24) следует, что характеристики распространяются со звуковой скоростью. Рассмотрим определитель  При  получаем соответственно:  (4.25)Необходимо отметить, что соотношение  выполняется на характеристике  , соотношение  - на характеристике  .Равенство нулю определителя приводит к соотношения, аналогичным (4.25).Так как на кривой L значения  =  ,  =  , принято называть характеристикой первого семейства и условиями на этой характеристике соответственно соотношения: (4.26) (4.27)Аналогично характеристикой второго семейства и условиями на характеристике называют соотношения: (4.28) (4.29)Следует отметить, что соотношения (4.27), (4.29) можно получить другим способом. Умножая уравнение (4.20) на сомножитель  , вычитая и складывая затем полученное уравнение с уравнением (4.21), получаем:  (4.30)Возможным решением первого уравнения будет  , второго  .Кратко о физике процессов, описываемых соотношениями (4.26)-(4.29). Видно, что согласно (4.26), (4.27) состояние среды, определяемое величиной  , распространяется в виде волнового возмущения со скоростью  в положительном направлении оси по течению среды, а состояние, определяемое согласно (4.28), (4.29) величиной  , распространяется со скоростью  против течения среды. При этом распространение возмущений при дозвуковой скорости будет происходить как в положительном, так и отрицательном направлении по оси , при сверхзвуковой скорости возмущения будут сноситься течением, и распространение их будет происходить только в положительном направлении оси . Волны одного направления, проходя через волны другого направления, будут взаимодействовать и, следовательно, распространение волн противоположных направлений в общем случае не будет независимым.Со скоростью звука в среде распространяются малые возмущения. Они могут распространяться в виде волн сжатия и волн разрежения. Волнами сжатия называются такие движения среды, когда при движении каждого элемента среды давление в нем возрастает. Наоборот, когда в процессе движения в каждом элементе среды давление падает, имеют место волны разрежения. Особые решения уравнений (4.19) (или (4.20)-(4.21)). Пусть движение таково, что вдоль одной из характеристик (например, 1-го семейства) в плоскости , величины скорости и скорости звука сохраняют постоянное значение. Согласно (4.26) такая характеристика будет прямой, так как на ней  . Обазначим эту характеристику АВ.Рассмотрим далее характеристики 2-го семейства  . Пусть они пересекают рассматриваемую характеристику первого семейства  в точках  . Для данных характеристик справедливо соотношение  , 1 < I < n (4.31)Н |
Похожие:
 | Удельная теплоёмкость. Теплота нагревания и охлаждения Удельная теплота сгорания топлива. Теплота сгорания топлива | | Даже в наши дни значение огня и горения огромно. Работа многочисленных современных двигателей внутреннего сгорания, дизелей, паровых... |
| Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива необходимо вполне определенное количество воздуха, которое называется... | | Поскольку для возникновения и развития процесса горения, обусловливающего явления пожара, необходимо одновременное сочетание горючего... |
| Основные законодательные документы и нормативно-правовые акты в области пожарной безопасности 7 | | Этот катализатор, встречающийся только в mpg-boost™, ускоряет реальную скорость, при которой топливо смешивается с воздухом в камере... |
| Химические свойства альдегидов(реакции восстановления, окисления, присоединения) | | Реакции альдегидов и кетонов, приводящих к образованию новых углерод–углеродных связей |
| Несмотря на различия в условиях применения автомобильные и авиационные бензины характеризуются в основном общими показателями качества,... | | Садки к топливу являются обычными детергентами, то есть простыми очистителями камеры сгорания. Катализатор mpg также мягко очищает... |