Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва




Скачать 216.79 Kb.
НазваниеИнститут механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва
Дата12.12.2012
Размер216.79 Kb.
ТипЛабораторная работа
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

« МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. П. ОГАРЕВА»

(ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева»)


ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ И ЭНЕРГЕТИКИ

КАФЕДРА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ


Теория горения и взрыва


Специальность – 330600 «Защита в чрезвычайных ситуациях – 65»

Направление подготовки специалиста – 656500 «Безопасность жизнедеятельности»


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3


ИССЛЕДОВАНИЕ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ

Определение теплоты горения (теплотворной способности) топлива

Определение теоретической температуры горения.


Саранск 2011


Лабораторная работа №3

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ГОРЕНИЯ

Цель работы:

Изучение физики процесса и механизма самовоспламенения, овладение методикой определения периода индукции. Работа сводится к решению следующих задач.

  • Изучение физики процесса самовоспламенения.

  • Определение периода индукции.


Общие сведения:

Температура, до которой необходимо нагреть горючее вещество, чтобы оно воспламенилось, называется температурой самовоспламенения Т*. Химическая реакция может закончиться самовоспламенением при следующих условиях.

  • Выделение теплоты в результате реакции, то есть экзотермичность реакции.

  • Возможность протекания реакции при температурах более низких, чем температура самовоспламенения.

  • Способность реакции к резкому ускорению при повышении температуры (по закону Аррениуса).



Процесс самовоспламенения веществ происходит следующим образом. При нагревании горючей смеси (например, смеси паров бензина с воздухом) можно достигнуть такой температуры, при которой в смеси начинает протекать медленная реакция – окисление. Эта реакция сопровождается выделением теплоты, и смесь начинает нагреваться выше той температуры, до которой ее нагрели.

Одновременно с тепловыделением и нагревом смеси происходит теплоотдача от смеси в окружающую среду за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Если скорость реакции окисления мала, то теплоотдача превышает выделение теплоты. При этом, после некоторого повышения температуры, скорость реакции начинает снижаться и самовоспламенения не происходит.

Если смесь нагреть извне до более высокой температуры, то вместе с увеличением скорости реакции увеличивается и количество теплоты, выделяемой в единицу времени. При достижении определенной температуры Т*, которая зависит от внешних условий, скорость тепловыделения начинает превышать скорость теплоотдачи, в результате чего реакция интенсивно ускоряется. В этот момент происходит самовоспламенение вещества. Таким образом, температура самовоспламенения реагирующего вещества – это такое значение температуры, при котором скорость тепловыделения Q+ (Дж/с) становится равной скорости теплоотвода Q- (Дж/с):


Q+(Т) = Q- (Т).


Зависимости Q+(Т) и Q- (Т), построенные на одном графике, называются диаграммой Семенова (рис. 3.1). Точка пересечения кривых теплоприхода и теплоотвода определяет величину температуры самовоспламенения Т* (рис. 3.1).

Количественная теория теплового самовоспламенения была развита академиком Н.Н. Семеновым в 1928г. на основе механизма цепных реакций. Согласно этому механизму, увеличение температуры смеси ведет к увеличению длины цепи и числа образующихся вследствие теплового движения активных молекул. При некотором значении температуры Т* длина цепи становится такой, что число разветвлений в ней становится больше числа обрывов. Реакция при этом приобретает ускорение и происходит самовоспламенение смеси. Из этого следует, что условием цепного самовоспламенения является равенство числа разветвлений числу обрывов.




Рис. 3.1. Диаграмма Семенова


Температура самовоспламенения одного и того же вещества зависит от внешних условий и может изменяться в широких пределах. Величина Т* характеризует степень пожароопасности вещества – чем ниже температура самовоспламенения Т*, тем больше пожароопасность.

Для определения температуры самовоспламенения используются два метода – нагрев горючей смеси в сосуде заданного объема и воспламенение смеси нагретым шариком или нитью. В последнем случае измеренная величина Т* будет зависеть как от размера шарика, так и от его материала. Чем меньше диаметр шарика, тем выше должна быть его температура, обеспечивающая самовоспламенение газовой смеси. Большое влияние на величину Т* оказывает каталитическое действие материала шарика или нити. График зависимости Т* от диаметра платинового шарика D для некоторых горючих газов приведен на рис. 3.2.




Рис. 3.2. Зависимость температуры самовоспламенения газов

от диаметра нагретого шарика:

1 – пентан, 2 – светильный газ, 3 – водород


2. Область самовоспламенения

Величина температуры самовоспламенения Т* сильно зависит от давления реагирующих газов. На рис. 3.3 приведены границы области самовоспламенения типичных углеводородов (смеси горючих газов и паров с воздухом) в зависимости от давления среды.

Для смесей, параметры которых – давление р и температура Т – лежат выше кривой ABCDEF, произойдет самовоспламенение. Если параметры смеси р, Т лежат ниже кривой ABCDEF, то самовоспламенение не происходит. Рассмотрим изменение температуры самовоспламенения Т* углеводородных смесей при повышении и понижении давления. При повышении давления смеси выше атмосферного (р > 0.1 МПа) величина Т* резко снижается, особенно при р > 0,2 МПа (участок DЕ). При р > 0,3 МПа величина температуры самовоспламенения становится постоянной, то есть Т* = const (участок ЕF). При давлениях ниже атмосферного величина температуры самовоспламенения Т* сначала резко повышается, достигая максимума (точка С), а затем снижается, образуя полуостров АВС.




Рис. 3.3. Область самовоспламенения углеводородов

в зависимости от давления смеси


Кроме параметров окружающей среды, то есть давления и температуры, величина Т* зависит от состава горючей смеси. На рис. 3.4 приведена зависимость температуры самовоспламенения Т* от процентного содержания метана (СН4) в воздухе. Как видно из графика, наиболее низкое значение Т* соответствует смеси, содержащей 6% метана в воздухе, а наиболее высокое значение Т* – смеси, содержащей 14% метана (верхний предел взрыва). Отметим, что зависимость Т* от состава смеси всегда имеет минимум, приведенный на рис. 2.4. При этом наименьшей температурой самовоспламенения из смесей горючих паров и газов с воздухом обладает смесь, близкая к стехиометрической.




Рис. 3.4. Зависимость Т* от содержания метана в воздухе


3. Период индукции

Горючее вещество, введенное в нагретый сосуд, воспламеняется не сразу, а через некоторый промежуток времени. Время с момента ввода горючего вещества в нагретый сосуд до его самовоспламенения называется периодом индукции t*. Величина периода индукции t* зависит от состава горючей смеси, а также изменяется в зависимости от количества вещества, давления, температуры сосуда, его размеров и других факторов. На рис. 3.5 приведена зависимость t* от давления для смеси диметилового эфира (СН3ОСН3) с кислородом при температуре в сосуде Т = 2450С. Как следует из графика, с ростом давления период индукции резко уменьшается.

На рис. 3.6 приведена зависимость периода индукции t* смеси метана (СН4) с кислородом от давления для разных значений температуры сосуда. Как видно из приведенного графика, период индукции также резко уменьшается с увеличением давления. Для одинаковых значений давления смеси, например, для р = р0 (рис. 3.6), величина периода индукции t* тем больше, чем ниже температура сосуда.

Кроме термодинамических параметров среды – температуры и давления, величина t* зависит и от состава газовой смеси. В табл. 3.1 приведены данные по t* для метано-воздушной смеси с разным содержанием метана. Как следует из приведенных данных, с увеличением содержания горючего газа в смеси, период индукции возрастает.

Период индукции играет большую роль не только для смесей горючих газов с воздухом, но также для пылевоздушных смесей и твердых топлив. Этот параметр имеет практическое значение при оценке пожарной безопасности некоторых производств. Отметим, в частности, лакокрасочные цехи, крупные гаражи, шахты, рудники, элеваторы и т.д., в которых находятся испаряющиеся и легковоспламеняющиеся жидкости (лак, бензин) или аэрозоли.



Рис. 3.5. Влияние давления на величину периода индукции

смеси (СН3ОСН3 + О2) при Т = 2450С


Таблица 3.1 - Значения периода индукции (t*, с) в зависимости от температуры и состава метано-воздушной смеси

Содержание СН4 в смеси, %

t* при 7750С

t* при 8250С

t* при 8750С

6

1.08

0.58

0.35

7

1.15

0.60

0.36

8

1.23

0.62

0.37

9

1.30

0.65

0.39

10

1.40

0.68

0.41

12

1.64

0.74

0.44



Рис. 3.6. Влияние температуры на величину периода индукции

смеси (СН4 + О2): 1 – Т = 7300С; 2 – Т = 7500С; 3 – Т = 7800С; 4 – Т = 8000С


4. Температура самовоспламенения газов и жидкостей

Температура самовоспламенения сильно зависит от давления. Это связано с тем, что Т* есть функция скорости реакции окисления, которая зависит от давления. Особенно сильно влияние давления на Т* проявляется для газообразных и жидких веществ. Чем выше давление горючей смеси, тем ниже Т* и наоборот. Для подтверждения этого приведем таблицу зависимости Т* от давления р для некоторых углеводородов.


Таблица 3.2 - Зависимость температуры самовоспламенения (Т* , 0С) от давления для некоторых углеводородов

Вещество

Т* при 0.1 МПа

Т* при 0.5 МПа

Т* при 1.5 МПа

Т* при 2.5 МПа

Бензин

480

350

290

250

Бензол

680

620

520

490

Керосин

460

330

220

200



Самовоспламенение газо- и паровоздушных смесей в компрессорах и аппаратах с повышенным давлением всегда происходит при более низких температурах, чем при атмосферном давлении. В табл. 3.3 приведена зависимость температуры самовоспламенения Т* метано- воздушной смеси от давления.


Таблица 3.3 - Зависимость температуры самовоспламенения метано-воздушной смеси от давления

р, МПа

0.05

0.1

0.3

0.5

0.7

Т*, 0С

741

728

695

666

644



Газо- или паровоздушная смесь может иметь различный состав, в зависимости от которого изменяется и его температура самовоспламенения. Это связано с тем, что скорость химической реакции при постоянной температуре зависит от концентрации реагирующих веществ. Наиболее бедная горючая смесь (с недостатком горючего) должна иметь более высокую температуру самовоспламенения, так как скорость реакции в такой смеси мала и, следовательно, малó тепловыделение. Концентрация окислителя (кислорода) в такой смеси значительно больше необходимой для полного сгорания горючего. Поэтому большое количество теплоты расходуется на нагрев газов, не участвующих в реакции. Это ведет к тому, что превышение тепловыделения над теплоотдачей может наступить в такой смеси только при более высокой температуре.

При увеличении горючего в смеси, скорость реакции увеличивается и температура самовоспламенения понижается. Такая зависимость температуры самовоспламенения от концентрации горючего вещества соблюдается только до определенного состава смеси, близкого к стехиометрическому.

При дальнейшем увеличении горючего в смеси, температура самовоспламенения будет повышаться, так как увеличение концентрации горючего теперь ведет к уменьшению доли окислителя и, следовательно, к уменьшению скорости реакции (табл. 3.4).


Таблица 3.4 - Зависимость температуры самовоспламенения метано-воздушной смеси от концентрации метана

СН4, %

2

4

7

10

12

Т*, 0С

710

696

697

707

724



Если в качестве окислителя служит не воздух, а кислород, то величина температуры самовоспламенения резко снижается. В табл. 3.5 приведены температуры самовоспламенения для смесей некоторых углеводородов с воздухом и с кислородом. Из приведенных данных следует, что в среде кислорода температура самовоспламенения почти в два раза ниже чем в среде воздуха.


Таблица 3.5 - Значения температуры самовоспламенения (Т*, 0С) для смесей нефтепродуктов с воздухом и кислородом

Нефтепродукты

В среде кислорода

В среде воздуха

Эфир

301

647

Бензин

311

685

Керосин

285

609

Дизельное топливо

327

515



Большое влияние на температуру самовоспламенения Т* оказывают катализаторы. Катализаторами могут являться как стенки сосуда, так и специальные присадки, вводимые непосредственно в горючее. Катализаторы могут как уменьшать, так и увеличивать температуру самовоспламенения. В частности, сильным катализатором, ускоряющим скорость реакции, является платина. Введение платинового катализатора значительно снижает температуру самовоспламенения Т* углеводородов. Для исключения явления детонации в двигателях внутреннего сгорания в моторное топливо (бензин) вводятся катализаторы – антидетонаторы, повышающие температуру самовоспламенения бензино-воздушной смеси. К таким катализаторам относятся, в частности: тетраэтилсвинец Pb(C2H5)4 – 0.5 г/л; пентакарбонил железа Fe(CO)5 – 3 г/л; тетраэтилолово Sn(C2H5)4 – 2г/л. Эти катализаторы повышают температуру самовоспламенения на (80–170)0С.

Положительный эффект, получаемый при введении тетраэтилсвинца и других катализаторов, сопровождается повышением токсичности продуктов сгорания.

Величина Т* зависит также и от объема горючей смеси (сосуда). Чем меньше объем сосуда, тем выше Т* (табл. 3.6).


Таблица 3.6 - Температура самовоспламенения метано-воздушной смеси (6 % CH4)

V, см3

15

80

225

Т*, 0С

730

695

675



При уменьшении объема сосуда происходит увеличение поверхности теплоотдачи, приходящейся на единицу объема смеси. Если принять сосуд в виде куба с ребром 1 см, то объем сосуда составит V = 1 см3, а поверхность теплоотдачи S = 6 см2. Если увеличить ребро куба до 2 см, то его объем будет V = 8 см3, а поверхность теплоотдачи S = 24 см2. В первом случае на 1 см3 смеси приходится 6 см2 поверхности теплоотдачи, а во втором – только 3 см2. Согласно тепловой теории самовоспламенения, увеличение поверхности теплоотдачи ведет к повышению Т* за счет увеличения тепловых потерь. При очень малом объеме сосуда горючие смеси вообще не смогут самовоспламеняться, так как скорость теплоотдачи намного превысит скорость тепловыделения за счет реакции горения.

Отметим, в частности, что этот принцип положен в основу огнепреградителей. При этом пламя разбивается специальными сетками на мелкие ячейки, которые приводят к большим теплопотерям (например, противопожарная лампа Дэви, используемая в шахтах и на рудниках в XIX веке).

Анализ литературных данных показывает, что Т* для газов и жидкостей из класса углеводородов, спиртов и альдегидов лежит в пределах от 400 до 7000С.


6. Температура самовоспламенения твердых тел


Для большинства твердых тел температура самовоспламенения Т* ниже, чем у жидкостей и газов. Для твердых тел, способных при нагревании плавиться и испаряться (фосфор, сера, стеарин, канифоль и т.д.) Т* зависит от тех же факторов, что и для жидкостей и газов. Некоторые твердые вещества при нагревании не плавятся, а разлагаются с выделением газообразных продуктов (торф, дерево, уголь, сено, солома, хлопок, целлюлоза). Для таких топлив величина Т* тем ниже, чем больше выделяется летучих продуктов при их нагревании. Эта зависимость приведена в табл. 3.8.

Величина Т* для твердых тел зависит также от степени их измельчения. Чем больше измельчено твердое вещество, тем ниже его температура самовоспламенения. Это показано в табл. 3.9 для серного колчедана.

Многие металлы, которые в компактном состоянии не горят, способны самовоспламенятся, и гореть в порошкообразном виде. В табл. 3.10 приведены значения Т* порошков некоторых металлов на открытом воздухе.


Таблица 3.8 - Зависимость температуры самовоспламенения

твердых углеводородов от их состава и количества летучих фракций

Топливо

Состав, %

Летучие

фракции, %

Т*, 0С

С

Н

О

N

Древесина

50.8

6.2

42.0

1.0

86.0

250÷350

Торф

58.9

6.0

33.1

2.0

70.0

225÷280

Бурый уголь

71.7

5.4

21.6

1.3

46.7

250÷450

Каменный уголь

81.1

5.7

11.4

1.8

45.5

400÷500

Древесный уголь

91.0

2.0

7.0

-

11.0

350

Кокс

97.4

0.7

0.5

1.4

4.0

700



Таблица 3.9 - Зависимость температуры самовоспламенения

от диаметра частиц серного колчедана

D, мм

0.15÷0.20

0.1÷0.15

0.08÷0.1

0.06÷0.08

Т*, 0С

406

401

400

340



Таблица 3.10 - Температура самовоспламенения некоторых порошков

Металл

Zn

Fe

Mg

Ca

Al

Si

Т*, 0С

450

500

550

600

800

900



Особый интерес представляют закономерности воспламенения для взрывчатых веществ, пиротехнических составов и твердых ракетных топлив.

В настоящее время в ряде лабораторий и исследовательских центров как в России, так и за рубежом, проводятся масштабные экспериментально-теоретические исследования процессов воспламенения и горения данных перспективных высокоэнергетических материалов.


Содержание отчета


1. Теоретические сведения о сущности вопроса и ходе выполнения работы (опыта).

2. Краткое описание лабораторной установки, технические и метрологические характеристики средств измерений, краткие пояснения проводимых опытов

3. Данные эксперимента, занесенные в таблицу, расчеты, рисунки.

4. Анализ результатов эксперимента, выводы по работе и анализ результатов.


Библиографический список


  1. Безуглов П.Т. Справочные таблицы огнеопасных веществ. – М.-Л.: Гостоптехиздат, 1950. – 108 с.

  2. Вильямс Ф.А. Теория горения. – М.: Наука, 1971. – 615 с.

  3. Гришин А.М. Моделирование и прогноз катастроф. Томск: ТГУ, 2004. – 524 с.

  4. Гришин А.М, Фильков А.И. Прогноз возникновения и распространения лесных пожаров. Кемерово: Практика, 2005. – 201 с.

  5. Демидов П.Г. Основы горения веществ. – М.: МКХ РСФСР, 1951. – 296 с.

  6. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.Н., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. – М.: Наука, 1980. – 478 с.

  7. Злобинский Б.М., Иоффе В.Г., Злобинский В.Б. Воспламеняемость и токсичность металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1972. – 264 с.

  8. Конев Э.В. Физические основы горения растительных материалов. – Новосибирск: Наука, 1977. – 101 с.

  9. Коробейничев О.П. Химическая физика горения: Учебное пособие. Новосибирск: НГУ, 2003. – 164 с.

  10. Красноперов Л.Н. Химическая кинетика. – Новосибирск: НГУ, 1988. – 92 с.

  11. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. – М.: Химия, 1972. – 416 с.

  12. Осипков В.Н., Орионов Ю.Е., Росторгуев А.Н., Шейтельман Г.Ю. Твердотопливные газогенерирующие устройства и перспективы их использования в средствах пожаротушения // Безопасность труда в промышленности. 2003, № 4. – С. 33-37.

  13. Основы практической теории горения: Учебное пособие для вузов / В.В. Померанцев, К.М. Арефьев, Д.Б. Ахмедов и др. – Л.: Энергоатомиздат, 1986.   312 с.

  14. Платунов Е.С., Самолетов В.А., Буравой С.Е. Физика. Словарь-справочник. – М-С. Петербург: Питер, 2005. – 496 с.

  15. Самовозгорание и взрывы пыли натуральных топлив / В.В. Померанцев, С.Л. Шагалова, В.А. Резник и др. – Л.: Энергия, 1978. – 144 с.

  16. Уэйт Н. Химическая кинетика. Элементарный курс. – М.: Мир, 1974.   80 с.

  17. Фарадей М. История свечи. (Библиотечка “Квант”). – М.: Наука, 1980.   128 с.



Похожие:

Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconИнститут механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва
Научиться определять расчетным путем теоретические температуры взрыва – при постоянном давлении Тp и постоянном объеме тv, и давление...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconИнститут механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва
Основными факторами воздействия продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ на окружающую среду являются их бризантное...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconИнститут механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва
Детонация, характерные свойства детонации. Исследование распространения детонационной волны. Зависимость скорости детонации от состава...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconИнститут механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва
Рассмотрим скорость распространения пламени в смесях горючих газов и паров с воздухом. Зная эту скорость, можно определить безопасные...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconРабочая программа дисциплины «Теория горения и взрыва»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconКурсовая работа по дисциплине: «Теория горения и взрыва»
Определение количества вещества, которое должно испариться в помещении чтобы в нем создалась наиболее взрывоопасная паровоздушная...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconУчебно-методический комплекс дисциплины «теория горения и взрыва»
Выписка из государственного образовательного стандарта специальности гос с базовыми дидактическими единицами по дисциплине (для специальностей...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconРабочая программа дисциплины опд. Ф. 09 «Теория горения и взрыва»
Учебный план подготовки дипломированных специалистов направления 280100 «Безопасность жизнедеятельности» специальностей 280102 «Безопасность...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва icon1. Цель и задачи дисциплины, ее место в системе подготовки аспиранта, требования к уровню освоения содержания дисциплины
Дисциплина «Газодинамические явления в шахтах» предполагает связь с дисциплинами: «Аэрология горных предприятий», «Теория горения...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconМетодические указания рассмотрены и одобрены на заседании Методического совета Уральского института гпс мчс россии 19 декабря 2007 года. Протокол № © УрИ гпс мчс россии, 2007 введение изучение дисциплины «Теория горения и взрыва»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница