احتراق مخاليط الغاز والهواء البخاري. انفجار، تفجير

حركة اللهب من خلال خليط الغازيسمى انتشار اللهب. اعتمادًا على سرعة انتشار اللهب، يمكن أن يكون الاحتراق مشتعلًا بسرعة عدة م/ث، وينفجر بسرعة تصل إلى عشرات أو مئات م/ث، وينفجر بسرعة آلاف م/ث.
للاحتراق أو التوزيع الطبيعياحتراقتتميز بانتقال الحرارة من طبقة إلى أخرى، ويتحرك اللهب الذي ينشأ في الخليط المسخن والمخفف بالجذور النشطة ومنتجات التفاعل في اتجاه الخليط الأصلي القابل للاحتراق. ويفسر ذلك حقيقة أن اللهب يصبح مصدرًا ينبعث منه تدفق مستمر للحرارة والجزيئات النشطة كيميائيًا. ونتيجة لذلك، تتحرك جبهة اللهب نحو الخليط القابل للاحتراق.
احتراق الاحتراقمقسمة إلى الصفحي والمضطرب.
يتميز الاحتراق الصفحي بسرعة انتشار اللهب العادية.
السرعة الطبيعية لانتشار اللهب، وفقًا لـ GOST 12.1.044 SSBT، تسمى سرعة اللهب الأماميةبالنسبة للغاز غير المحترق، في اتجاه عمودي على سطحه.
إن قيمة سرعة انتشار اللهب الطبيعية، وهي أحد مؤشرات خطر الحريق والانفجار للمواد، تميز خطورة الصناعات المرتبطة باستخدام السوائل والغازات، ويتم استخدامها في حساب معدل الزيادة في الضغط الانفجاري الغاز ومخاليط البخار والهواء والقطر الحرج (الإطفاء) وفي تطوير التدابير لضمان السلامة من الحرائق والانفجارات العمليات التكنولوجيةوفقًا لمتطلبات GOST 12.1.004 وGOST 12.1.010 SSBT.
تعتمد السرعة الطبيعية لانتشار اللهب - الثابت الفيزيائي الكيميائي للخليط - على تركيبة الخليط والضغط ودرجة الحرارة ويتم تحديدها بمعدل التفاعل الكيميائي والتوصيل الحراري الجزيئي.
تزيد درجة الحرارة من السرعة الطبيعية لانتشار اللهب بشكل ضعيف نسبياً، بينما تعمل الشوائب الخاملة على تقليلها، كما أن زيادة الضغط تؤدي إما إلى زيادة السرعة أو نقصانها.
في تدفق الغاز الصفحيسرعات الغاز منخفضة، ويتكون الخليط القابل للاحتراق نتيجة للانتشار الجزيئي. يعتمد معدل الاحتراق في هذه الحالة على معدل تكوين الخليط القابل للاحتراق. لهب مضطربيتشكل عندما تزداد سرعة انتشار اللهب، عندما تنتهك صفيحة حركته. في اللهب المضطرب، تعمل دوامة نفاثات الغاز على تحسين خلط الغازات المتفاعلة، حيث تزداد مساحة السطح التي يحدث من خلالها الانتشار الجزيئي.
نتيجة لتفاعل مادة قابلة للاحتراق مع مؤكسد، يتم تشكيل منتجات الاحتراق، وتكوينها يعتمد على مركبات البداية وظروف تفاعل الاحتراق.
مع الاحتراق الكامل مركبات العضويةيتم تشكيل CO 2، SO 2، H 2 O، N 2، وأثناء احتراق المركبات غير العضوية - أكاسيد. اعتمادا على نقطة الانصهار، يمكن أن تكون منتجات التفاعل إما على شكل ذوبان (Al 2 O 3، TiO 2) أو ترتفع في الهواء على شكل دخان (P 2 O 5، Na 2 O، MgO). المواد الصلبة المنصهرة تخلق لمعان اللهب. عند حرق الهيدروكربونات، يتم ضمان لمعان اللهب القوي من خلال توهج جزيئات الكربون الأسود، والتي تتشكل بكميات كبيرة. يؤدي انخفاض محتوى أسود الكربون نتيجة أكسدته إلى تقليل لمعان اللهب، كما أن انخفاض درجة الحرارة يؤدي إلى تعقيد أكسدة أسود الكربون ويؤدي إلى تكوين السخام في اللهب.
من أجل مقاطعة رد فعل الاحتراق، من الضروري تعطيل شروط حدوثه وصيانته. عادة، يتم استخدام انتهاك الشرطين الرئيسيين للحالة المستقرة للإطفاء - انخفاض في درجة الحرارة ونظام حركة الغاز.
انخفاض درجة الحرارةيمكن تحقيق ذلك عن طريق إدخال مواد تمتص الكثير من الحرارة نتيجة التبخر والتفكك (على سبيل المثال الماء والمساحيق).
وضع حركة الغازيمكن تعديلها عن طريق الحد من تدفق الأكسجين والقضاء عليه.
انفجار حسب GOST 12.1.010 " سلامة الانفجار"، - تحول سريع للمادة (احتراق متفجر) مصحوبًا بإطلاق الطاقة وتكوين غازات مضغوطة قادرة على إنتاج عمل.
يؤدي الانفجار، كقاعدة عامة، إلى زيادة شديدة في الضغط. في بيئةتتشكل موجة الصدمة وتنتشر.
هزة أرضيةله قدرة تدميرية إذا كان الضغط الزائد فيه أعلى من 15 كيلو باسكال. وينتشر في الغاز أمام جبهة اللهب سرعة الصوت– 330 م/ث. أثناء الانفجار، تتحول الطاقة الأولية إلى طاقة الغازات المضغوطة الساخنة، والتي تتحول إلى طاقة حركة وضغط وتسخين الوسط. ممكن أنواع مختلفةطاقة الانفجار الأولية - طاقة الضغط الكهربائية والحرارية والمرونة والذرية والكيميائية.
المعلمات الرئيسية التي تميز خطر الانفجار وفقًا لـ GOST 12.1.010 هي الضغط عند مقدمة موجة الصدمة، والحد الأقصى لضغط الانفجار، ومتوسط وأقصى معدل لزيادة الضغط أثناء الانفجار، وخصائص التكسير أو الانفجار الشديد بيئة متفجرة.
التأثير العام للانفجاريتجلى في تدمير المعدات أو المباني الناجمة عن موجة الصدمة، وكذلك في الإصدار مواد مؤذية(منتجات متفجرة أو موجودة في المعدات).
أقصى ضغط الانفجار(P max) - أعلى ضغط يحدث أثناء انفجار الحريق لخليط الغاز أو البخار أو الغبار والهواء في وعاء مغلق عند ضغط أولي للخليط يبلغ 101.3 كيلو باسكال.
معدل ارتفاع الضغط أثناء الانفجار(dР/dt) - مشتق من ضغط الانفجار بالنسبة للوقت في القسم الصاعد من اعتماد ضغط الانفجار لخليط الغاز والبخار والغبار والهواء في وعاء مغلق في الوقت المحدد. في هذه الحالة، يتم التمييز بين الحد الأقصى ومتوسط معدلات زيادة الضغط أثناء الانفجار. عند تحديد السرعة القصوى يتم استخدام زيادة الضغط في القسم المستقيم لضغط الانفجار مقابل الزمن، وعند التحديد متوسط السرعة- المنطقة الواقعة بين الضغط الأقصى للانفجار والضغط الأولي في الوعاء قبل الانفجار.
تعتبر هاتان الخاصيتان من العوامل المهمة للحماية من الانفجارات. يتم استخدامها لتحديد فئة المباني والمباني المخصصة للانفجار والحماية من الحرائق و خطر الحريق، عند حساب أجهزة السلامة، عند وضع تدابير للسلامة من الحرائق والانفجارات للعمليات التكنولوجية.
تفجيرهي عملية تحول كيميائي لنظام مؤكسد-مخفض، وهي عبارة عن مزيج من موجة صادمة تنتشر بسرعة ثابتة وتتجاوز سرعة الصوت، وتتبع أمام منطقة التحولات الكيميائية للمواد البادئة. الطاقة الكيميائية، المنبعثة في موجة التفجير، تغذي موجة الصدمة، وتمنعها من التلاشي. تعد سرعة موجة التفجير من سمات كل نظام محدد.

تنص النظرية على أن انفجار خليط الغاز أو البخار والهواء ليس ظاهرة لحظية. عندما يتم إدخال مصدر الإشعال في الخليط القابل للاحتراق، يبدأ تفاعل أكسدة الوقود مع المؤكسد في منطقة تأثير مصدر الإشعال. يصل معدل تفاعل الأكسدة في بعض الأحجام الأولية لهذه المنطقة إلى الحد الأقصى - ويحدث الاحتراق. ويسمى الاحتراق عند حدود الحجم الأولي مع الوسط جبهة اللهب. واجهة اللهب لها شكل كرة. سمك واجهة اللهب حسب حسابات Ya.B. زيلدوفيتش , يساوي 1-100 ميكرون. على الرغم من أن سمك منطقة الاحتراق صغير، إلا أنه يكفي لحدوث تفاعل الاحتراق. درجة حرارة واجهة اللهب بسبب حرارة تفاعل الاحتراق هي 1000-3000 درجة مئوية وتعتمد على تركيبة الخليط القابل للاحتراق.

ومع تحرك جبهة اللهب، تزداد درجة حرارة الجزء غير المحترق من الخليط القابل للاحتراق مع زيادة ضغط الخليط. بالقرب من واجهة اللهب، ترتفع أيضًا درجة حرارة الخليط، وهذا بسبب
انتقال الحرارة عن طريق التوصيل وانتشار الجزيئات الساخنة والإشعاع. وعلى السطح الخارجي لمقدمة اللهب، فإن درجة الحرارة هذه تساوي درجة حرارة الاشتعال الذاتي للخليط القابل للاحتراق.

بعد اشتعال الخليط القابل للاحتراق، يتشوه الشكل الكروي للهب بسرعة كبيرة ويمتد بشكل متزايد نحو الخليط الذي لم يتم إشعاله بعد. تمديد لهب الجبهة و الزيادة السريعةويصاحب سطحه زيادة في سرعة حركة الجزء المركزي من اللهب. ويستمر هذا التسارع حتى يلامس اللهب جدران الأنابيب، أو على أي حال يقترب من جدار الأنابيب. في هذه اللحظة، يتناقص حجم اللهب بشكل حاد، ولا يبقى سوى جزء صغير من اللهب يغطي كامل المقطع العرضي للأنبوب. تمديد جبهة اللهب
وتسارعه الشديد مباشرة بعد الاشتعال بالشرارة، عندما لم يصل اللهب بعد إلى جدران الأنبوب، ناتج عن زيادة حجم منتجات الاحتراق. وبالتالي، في المرحلة الأولية من عملية تكوين جبهة اللهب، بغض النظر عن درجة قابلية اشتعال خليط الغاز، يحدث تسارع وكبح لاحق للهب، وسيكون هذا الكبح أكبر، كلما زادت سرعة اللهب.

يتأثر تطور مراحل الاحتراق اللاحقة بطول الأنبوب. يؤدي استطالة الأنبوب إلى ظهور الاهتزازات وتكوين البنية الخلوية لموجات اللهب والصدمة والانفجار.

يمكن تحديد عرض منطقة التسخين (بالسم) من الاعتماد

1 = أ/ت

أين أ- معامل الانتشار الحراري. الخامس- سرعة انتشار اللهب .

السرعة الخطية للحركة الخامس(في م/ث) يمكن تحديدها من خلال الصيغة

الخامس = الخامس ر /

أين الخامس ر- معدل الاحتراق الشامل، ز/(ث م3)؛ - كثافة الخليط الأولي القابل للاحتراق كجم/م3.

السرعة الخطيةحركة جبهة اللهب ليست ثابتة، فهي تختلف حسب التركيب. مخاليط ومخاليط الغازات الخاملة (غير القابلة للاشتعال)، ودرجة حرارة الخليط، وقطر الأنبوب، وما إلى ذلك. لا يتم ملاحظة الحد الأقصى لسرعة انتشار اللهب عند التركيز المتكافئ للخليط، ولكن في خليط به فائض من الوقود. عند إدخال غازات خاملة إلى خليط قابل للاشتعال، تقل سرعة انتشار اللهب. ويفسر ذلك بانخفاض درجة حرارة احتراق الخليط، حيث يتم إنفاق جزء من الحرارة على تسخين الشوائب الخاملة التي لا تشارك في التفاعل.

مع زيادة قطر الأنابيب، تزداد سرعة انتشار اللهب بشكل غير متساو. عندما يزيد قطر الأنبوب إلى 0.1-0.15 م، تزداد السرعة بسرعة كبيرة. وتزداد درجة الحرارة حتى يصل القطر إلى حد أقصى معين للقطر،
والتي لا تحدث فوقها أي زيادة في السرعة. ومع انخفاض قطر الأنبوب، تقل سرعة انتشار اللهب، وعند قطر صغير معين لا ينتشر اللهب في الأنبوب. يمكن تفسير هذه الظاهرة من خلال زيادة فقدان الحرارة عبر الجدران
أنابيب.

ولذلك، من أجل وقف انتشار اللهب في خليط قابل للاحتراق، من الضروري خفض درجة حرارة الخليط بطريقة أو بأخرى، عن طريق تبريد الوعاء (في مثالنا، أنبوب) من الخارج أو تخفيف الخليط مع الغاز الخامل البارد.

السرعة الطبيعية لانتشار اللهب منخفضة نسبيا (لا تزيد عن عشرات الأمتار في الثانية)، ولكن في بعض الظروف ينتشر اللهب في الأنابيب بسرعة هائلة (من 2 إلى 5 كم/ثانية)، تتجاوز سرعة الصوت في بيئة معينة. وسميت هذه الظاهرة تفجير. السمات المميزةالتفجيرات هي كما يلي:

1) معدل حرق ثابت بغض النظر عن قطر الأنبوب؛

2) ضغط مرتفعاللهب الناتج عن موجة انفجارية، والتي يمكن أن تتجاوز 50 ميجا باسكال حسب الطبيعة الكيميائية للخليط القابل للاشتعال والضغط الأولي؛ علاوة على ذلك، وبسبب معدل الاحتراق المرتفع، فإن الضغط المتطور لا يعتمد على شكل الوعاء (أو الأنبوب) وقدرته وضيقه.

ومع تسارع اللهب، تزداد أيضًا سعة موجة الصدمة، وتصل درجة حرارة الضغط إلى درجة حرارة الاشتعال الذاتي للخليط.

يزيد الرقم الإجمالييتم تفسير احتراق الغاز لكل وحدة زمنية من خلال حقيقة أنه في طائرة ذات سرعة مقطعية متغيرة، تنحني جبهة اللهب، ونتيجة لذلك يزداد سطحها وتزداد كمية المادة المحترقة بشكل متناسب.

عندما تحترق مخاليط الغاز في حجم مغلق، لا تؤدي منتجات الاحتراق العمل؛ يتم إنفاق طاقة الانفجار فقط على تسخين منتجات الانفجار. في هذه الحالة، يتم تعريف الطاقة الإجمالية على أنها مجموع الطاقة الداخلية للخليط المتفجر Q ext.en.cm. وحرارة احتراق مادة معينة ΔQ g. القيمة Q ext.en.cm. يساوي مجموع منتجات السعات الحرارية لمكونات الخليط المتفجر عند حجم ثابت بدرجة الحرارة الأولية
درجة حرارة الخليط

س ext.en.cm. = C 1 T + C 2 T + …+ C p T

حيث C 1، C 2، C p هي السعات الحرارية المحددة للمكونات التي تتكون منها
خليط متفجر، كيلو جول/(كجم ك)؛ ت -درجة الحرارة الأولية للخليط K.

يتم حساب درجة حرارة انفجار مخاليط الغاز عند حجم ثابت باستخدام نفس طريقة حساب درجة حرارة احتراق الخليط عند ضغط ثابت.

يتم استخدام درجة حرارة الانفجار لتحديد ضغط الانفجار. يعتمد الضغط أثناء انفجار خليط الغاز والهواء في حجم مغلق على درجة حرارة الانفجار ونسبة عدد جزيئات منتجات الاحتراق إلى عدد الجزيئات الموجودة في الخليط المتفجر. عندما تنفجر مخاليط الغاز والهواء، فإن الضغط عادة لا يتجاوز 1.0 ميجاباسكال إذا كان الضغط الأولي للخليط طبيعيا. عند استبدال الهواء في خليط متفجر بالأكسجين، يزداد ضغط الانفجار بشكل حاد مع زيادة درجة حرارة الاحتراق.

ضغط الانفجار للمخاليط المتكافئة من الميثان والإيثيلين والأسيتون و
إيثر الميثيل مع الأكسجين هو 1.5 - 1.9 ميجا باسكال، والمخاليط المتكافئة مع الهواء 1.0 ميجا باسكال.

يتم استخدام الحد الأقصى لضغط الانفجار في حسابات مقاومة الانفجار للمعدات، وكذلك في الحسابات صمامات الأمانوالأغشية المتفجرة ومرفقات المعدات الكهربائية المقاومة للانفجار. ضغط الانفجار ريتم حساب مخاليط الغاز والهواء البالغة (بالآلام والكروب الذهنية) باستخدام الصيغة

رالكبار =

أين ص 0- الضغط الأولي للخليط المتفجر MPa؛ تي 0و تي بالغ- درجة الحرارة الأولية للخليط المتفجر ودرجة حرارة الانفجار، K؛

عدد جزيئات الغازات الناتجة عن الاحتراق بعد الانفجار؛
- عدد جزيئات الغازات الموجودة في الخليط قبل الانفجار.

إن دراسة عمليات احتراق المخاليط القابلة للاشتعال من قبل العلماء الروس والأجانب مكنت من إثبات العديد من الظواهر المصاحبة لعملية الاحتراق نظريًا، بما في ذلك سرعة انتشار اللهب. إن دراسة سرعة انتشار اللهب في مخاليط الغاز تجعل من الممكن تحديد السرعات الآمنة لتدفقات الهواء والغاز في التهوية والاسترداد وخطوط أنابيب الشفط وفي خطوط أنابيب المنشآت الأخرى التي يتم من خلالها نقل مخاليط الغاز والغبار والهواء.

في عام 1889، العالم الروسي V.A. اعتبر ميخلسون اثنين حالات الحدانتشار اللهب أثناء الاحتراق العادي أو البطيء وأثناء التفجير.

تم تطوير نظرية اللهب الطبيعي وانتشار التفجير في أعمال ن.ن. سيمينوفا، ك. ششيلكينا ، د. فرانك كامينيتسكي، إل.إن. خيطرينا، أ.س. سوكوليكا، ف. Skobelkin وغيرهم من العلماء، وكذلك العلماء الأجانب B. Lewis، G. Elbe وآخرون، تم إنشاء نظرية اشتعال المخاليط المتفجرة. ومع ذلك، هناك محاولات لتفسير ظاهرة انتشار اللهب على أنها انتشار المراكز النشطةأو أن تفسيرات حدود انتشار اللهب عن طريق ظروف الدائرة المفتوحة ليست مقنعة بما فيه الكفاية.

في عام 1942، العالم السوفيتي يا.ب. صاغ زيلدوفيتش مبادئ نظرية الاحتراق وتفجير الغازات. تجيب نظرية الاحتراق على الأسئلة الأساسية: هل سيختلط الخليط؟ من هذه التركيبةقابلة للاشتعال، ما هو معدل احتراق الخليط المتفجر، ما هي خصائص وأشكال اللهب المتوقعة. تنص النظرية على أن انفجار خليط الغاز أو البخار والهواء ليس ظاهرة لحظية. عندما يتم إدخال مصدر الإشعال في الخليط القابل للاحتراق، يبدأ تفاعل أكسدة الوقود مع المؤكسد في منطقة تأثير مصدر الإشعال. يصل معدل تفاعل الأكسدة في بعض الأحجام الأولية لهذه المنطقة إلى الحد الأقصى - ويحدث الاحتراق. ويسمى الاحتراق عند حدود الحجم الأولي مع الوسط جبهة اللهب. واجهة اللهب لها شكل كرة. سمك واجهة اللهب حسب حسابات Ya.B. زيلدوفيتش، يساوي 1 – 100 ميكرون. على الرغم من أن سمك منطقة الاحتراق صغير، إلا أنه يكفي لحدوث تفاعل الاحتراق. درجة حرارة جبهة اللهب بسبب حرارة تفاعل الاحتراق هي 1000 - 3000 درجة مئوية وتعتمد على تركيبة الخليط القابل للاحتراق. وبالقرب من جبهة اللهب، ترتفع أيضًا درجة حرارة الخليط، وذلك بسبب انتقال الحرارة عن طريق التوصيل وانتشار الجزيئات الساخنة والإشعاع. وعلى السطح الخارجي لمقدمة اللهب، فإن درجة الحرارة هذه تساوي درجة حرارة الاشتعال الذاتي للخليط القابل للاحتراق. يظهر في الشكل بيانياً التغير في درجة حرارة الخليط على طول محور الأنبوب في لحظات زمنية. 4.1. طبقة الغاز سي سي 1والتي ترتفع فيها درجة حرارة الخليط تمثل جبهة اللهب. مع زيادة درجة الحرارة، تتوسع جبهة اللهب (حتى كك 2) باتجاه الجدران النهائية للأنبوب أو م، مما يؤدي إلى إزاحة الخليط غير المحترق نحو الحائط بسرعة معينة موالغاز المحترق باتجاه الحائط أ. بعد اشتعال الخليط القابل للاحتراق، يتشوه الشكل الكروي للهب بسرعة كبيرة ويمتد بشكل متزايد نحو الخليط الذي لم يتم إشعاله بعد. إن استطالة جبهة اللهب والزيادة السريعة في سطحها يصاحبها زيادة في سرعة الحركة

الجزء المركزي من اللهب. ويستمر هذا التسارع حتى يلامس اللهب جدران الأنابيب، أو على أي حال يقترب من جدار الأنابيب. في هذه اللحظة، يتناقص حجم اللهب بشكل حاد، ولا يبقى سوى جزء صغير من اللهب يغطي كامل المقطع العرضي للأنبوب. إن تمدد جبهة اللهب وتسارعها الشديد مباشرة بعد الاشتعال بالشرارة، عندما لم يصل اللهب بعد إلى جدران الأنبوب، يرجع إلى زيادة حجم منتجات الاحتراق. وبالتالي، في المرحلة الأولية من عملية تكوين جبهة اللهب، بغض النظر عن درجة قابلية اشتعال خليط الغاز، يحدث تسارع وكبح لاحق للهب، وسيكون هذا الكبح أكبر، كلما زادت سرعة اللهب.

أرز. 4.1. التغير في درجات الحرارة أمام وخلف واجهة اللهب: 1 – المنطقة

منتجات الاحتراق؛ 2 - جبهة اللهب. 3 - منطقة الاشتعال الذاتي.

4 – منطقة التسخين. 5- الخلطة الأولية

دعونا نفكر في عرض منطقة التسخين أمام واجهة اللهب. في هذه المنطقة تفاعل كيميائيلا يتسرب ولا يولد حرارة. عرض منطقة التدفئة ل(بالسم) يمكن تحديده من الاعتماد:

أين أ- معامل الانتشار الحراري؛ الخامس– سرعة انتشار اللهب .

بالنسبة لخليط الميثان والهواء، يكون عرض منطقة التسخين 0.0006 م؛ أما بالنسبة لخليط الهواء والهيدروجين فهو أصغر بكثير (3 ميكرون). يحدث الاحتراق اللاحق في خليط تغيرت حالته بالفعل نتيجة للتوصيل الحراري وانتشار المكونات من الطبقات المجاورة. ليس لإضافة منتجات التفاعل أي تأثير تحفيزي محدد على سرعة حركة اللهب.

دعونا الآن نفكر في سرعة حركة جبهة اللهب خلال خليط الغاز. السرعة الخطية للحركة الخامس(في م/ث) يمكن تحديدها من خلال الصيغة

حيث هو معدل الاحتراق الشامل، g/(cm×m2)، p هي كثافة الخليط الأولي القابل للاحتراق، كجم/م3.

السرعة الخطية لحركة واجهة اللهب ليست ثابتة، فهي تختلف حسب تركيبة الخليط وخليط الغازات الخاملة (غير القابلة للاشتعال)، ودرجة حرارة الخليط، وقطر الأنابيب، وما إلى ذلك. لا تتم ملاحظة سرعة انتشار اللهب عند التركيز المتكافئ للخليط، ولكن في خليط به فائض من الوقود. عند إدخال غازات خاملة إلى خليط قابل للاشتعال، تقل سرعة انتشار اللهب. ويفسر ذلك بانخفاض درجة حرارة احتراق الخليط، حيث يتم إنفاق جزء من الحرارة على تسخين الشوائب الخاملة التي لا تشارك في التفاعل. تتأثر سرعة انتشار اللهب بالسعة الحرارية للغاز الخامل. كلما زادت السعة الحرارية للغاز الخامل، كلما انخفضت درجة حرارة الاحتراق وزادت سرعة انتشار اللهب. وهكذا، في خليط من الميثان مع الهواء المخفف بثاني أكسيد الكربون، تكون سرعة انتشار اللهب أقل بثلاث مرات تقريبًا من الخليط المخفف بالأرجون.

عندما يتم تسخين الخليط، تزداد سرعة انتشار اللهب. لقد ثبت أن سرعة انتشار اللهب تتناسب مع مربع درجة الحرارة الأولية للخليط.

مع زيادة قطر الأنابيب، تزداد سرعة انتشار اللهب بشكل غير متساو.

عندما يزيد قطر الأنبوب إلى 0.10 - 0.15 م، تزداد السرعة بسرعة كبيرة؛ ومع زيادة أخرى في قطر الأنابيب، يستمر في الزيادة، ولكن بدرجة أقل. وتزداد درجة الحرارة حتى يصل القطر إلى قطر محدد معين لا تزيد السرعة فوقه. ومع انخفاض قطر الأنبوب، تقل سرعة انتشار اللهب، وعند قطر صغير معين لا ينتشر اللهب في الأنبوب. يمكن تفسير هذه الظاهرة من خلال زيادة فقدان الحرارة عبر جدران الأنابيب.

السرعة الطبيعية لانتشار اللهب منخفضة نسبيا (لا تزيد عن عشرات الأمتار في الثانية)، ولكن في بعض الظروف ينتشر اللهب في الأنابيب بسرعة هائلة (من 2 إلى 5 كم/ثانية)، تتجاوز سرعة الصوت في بيئة معينة. هذه الظاهرة كانت تسمى التفجير. السمات المميزة للتفجير هي كما يلي:

1) معدل حرق ثابت بغض النظر عن قطر الأنبوب؛

2) ارتفاع ضغط اللهب الناتج عن موجة التفجير، والذي يمكن أن يتجاوز 50 ميجاباسكال حسب الطبيعة الكيميائية للخليط القابل للاحتراق والضغط الأولي؛ علاوة على ذلك، وبسبب معدل الاحتراق المرتفع، فإن الضغط المتطور لا يعتمد على شكل الوعاء (أو الأنبوب) وقدرته وضيقه.

دعونا نفكر في انتقال الاحتراق السريع إلى التفجير في أنبوب طويل ذو مقطع عرضي ثابت عند إشعال الخليط عند الطرف المغلق. وتحت ضغط جبهة اللهب تظهر موجات الضغط – موجات الصدمة – في الخليط القابل للاحتراق. في موجة الصدمة، ترتفع درجة حرارة الغاز إلى القيم التي يحدث عندها الاشتعال الذاتي للخليط قبل جبهة اللهب بكثير. يسمى وضع الاحتراق هذا بالتفجير. ومع تحرك جبهة اللهب، تتباطأ حركة الطبقات المجاورة للجدار، وبالتالي تتسارع حركة الخليط في وسط الأنبوب؛ توزيع

النمو عبر المقطع العرضي يصبح غير متساو. وتظهر نفاثات من مخاليط الغاز تكون سرعتها أقل من متوسط سرعة خليط الغاز أثناء الاحتراق العادي، وتتحرك النفاثات بشكل أسرع. في ظل هذه الظروف، تزداد سرعة اللهب بالنسبة للخليط، وتزداد كمية الغاز المحترق لكل وحدة زمنية، ويتم تحديد حركة جبهة اللهب من خلال السرعة القصوى لنفث الغاز.

ومع تسارع اللهب، تزداد أيضًا سعة موجة الصدمة، وتصل درجة حرارة الضغط إلى درجة حرارة الاشتعال الذاتي للخليط.

يتم تفسير الزيادة في إجمالي كمية الغاز المحروق لكل وحدة زمنية من خلال حقيقة أنه في الطائرة ذات سرعة المقطع العرضي المتغيرة، تنحني مقدمة اللهب؛ ونتيجة لذلك يزداد سطحه وتزداد كمية مادة الاحتراق بشكل متناسب.

إحدى طرق تقليل معدل احتراق المخاليط القابلة للاشتعال هي التأثير على اللهب بالغازات الخاملة، ولكن بسبب كفاءتها المنخفضة، يتم حاليًا استخدام تثبيط الاحتراق الكيميائي عن طريق إضافة الهيدروكربونات المهلجنة إلى الخليط.

تحتوي مخاليط الغاز القابلة للاحتراق على درجتي حرارة نظريتين للاحتراق - عند حجم ثابت وعند ضغط ثابت، والأولى دائمًا أعلى من الثانية.

تمت مناقشة طريقة حساب درجة حرارة الاحتراق المسعرية عند ضغط ثابت في القسم 1. دعونا نفكر في طريقة حساب درجة حرارة الاحتراق النظرية لمخاليط الغاز عند حجم ثابت، وهو ما يتوافق مع انفجار في وعاء مغلق. الأساس لحساب درجة حرارة الاحتراق النظرية عند حجم ثابت هو نفس الشروط الموضحة في القسم الفرعي. 1.7.

عندما تحترق مخاليط الغاز في حجم مغلق، لا تؤدي منتجات الاحتراق العمل؛ يتم إنفاق طاقة الانفجار فقط على تسخين منتجات الانفجار. في هذه الحالة، يتم تعريف الطاقة الإجمالية على أنها مجموع الطاقة الداخلية للخليط المتفجر Q ext.en.cm وحرارة احتراق المادة المعطاة. قيمة Q int.en.cm تساوي مجموع منتجات السعات الحرارية لمكونات الخليط المتفجر عند حجم ثابت ودرجة الحرارة الأولية للخليط

Q int.en.cm = s 1 T + s 2 T +… + s n T,

حيث с 1, с 2, с n هي السعات الحرارية المحددة للمكونات التي يتكون منها الخليط المتفجر، kJ/(kg × K); T هي درجة الحرارة الأولية للخليط، K.

يمكن العثور على قيمة Q ext.en.cm في الجداول المرجعية. يتم حساب درجة حرارة انفجار مخاليط الغاز عند حجم ثابت باستخدام نفس طريقة حساب درجة حرارة احتراق الخليط عند ضغط ثابت.

يتم استخدام درجة حرارة الانفجار لتحديد ضغط الانفجار. يعتمد الضغط أثناء انفجار خليط الغاز والهواء في حجم مغلق على درجة حرارة الانفجار ونسبة عدد جزيئات منتجات الاحتراق إلى عدد الجزيئات الموجودة في الخليط المتفجر. عندما ينفجر خليط غاز-هواء، فإن الضغط عادة لا يتجاوز 1.0 ميجاباسكال إذا كان الضغط الأولي للخليط طبيعيا. عند استبدال الهواء في خليط متفجر بالأكسجين، يزداد ضغط الانفجار بشكل حاد مع زيادة درجة حرارة الاحتراق.

أثناء انفجار خليط غاز-هواء متكافئ، يتم إنفاق كمية كبيرة من الحرارة على تسخين النيتروجين في الخليط، وبالتالي فإن درجة حرارة انفجار هذه المخاليط أقل بكثير من درجة حرارة انفجار المخاليط مع الأكسجين. وبالتالي، فإن ضغط الانفجار لخليط متكافئ من الميثان والإيثيلين والأسيتون وإيثر الميثيل

ra مع الأكسجين هو 1.5 - 1.9 ميجا باسكال، ومخاليطها المتكافئة مع الهواء هي 1.0 ميجا باسكال.

يتم استخدام الحد الأقصى لضغط الانفجار في حسابات مقاومة الانفجار للمعدات، وكذلك في حسابات صمامات الأمان وأغشية الانفجار ومرفقات المعدات الكهربائية المقاومة للانفجار.

يتم حساب ضغط الانفجار P البالغ (بالميجا باسكال) لمخاليط الغاز والهواء باستخدام الصيغة

حيث P 0 – الضغط الأولي للخليط المتفجر، MPa؛ T0 وTexp - درجة الحرارة الأولية للخليط المتفجر ودرجة حرارة الانفجار، K؛ - عدد جزيئات الغازات الناتجة عن الاحتراق بعد الانفجار؛ – عدد جزيئات الغازات الموجودة في الخليط قبل الانفجار .

مثال 4.1 . احسب الضغط أثناء انفجار خليط من بخار الكحول الإيثيلي والهواء.

ف 0 = 0.1 ميجا باسكال؛ T البالغ = 2933 كلفن؛ تي 0 = 273 + 27 = 300 ك؛ = 2 + 3 + 11.28 = 16.28 مول؛ = 1 + 3 + 11.28 = 15.28 مول.

1 تتمثل الطريقة في تحديد الحدود العليا للحد الأقصى ومتوسط معدل الزيادة في ضغط انفجار مخاليط الغاز والبخار والهواء في وعاء تفاعل كروي ذو حجم ثابت.

يتم حساب الحد الأعلى للمعدل الأقصى لارتفاع الضغط بـ kPa s -1 باستخدام الصيغة

أين ص أنا-الضغط الأولي، كيلو باسكال؛

س و. أنا- سرعة انتشار اللهب العادية عند الضغط الأولي ودرجة الحرارة، م ث -1؛

أ-نصف قطر وعاء التفاعل الكروي، م؛

الحد الأقصى لضغط الانفجار بدون أبعاد؛

ر  -الحد الأقصى لضغط الانفجار المطلق، كيلو باسكال؛

 و- مؤشر ثابت الحرارة للخليط قيد الدراسة؛

- الأس الحركي الحراري يعتمد على السرعة الطبيعية لانتشار اللهب عند الضغط ودرجة الحرارة. إذا كانت القيمة  غير معروف، يؤخذ يساوي 0.4.

يتم حساب الحد الأعلى لمتوسط معدل زيادة الضغط بـ kPa s -1 باستخدام الصيغة

, (98)

أين هي وظيفة المعلمات  ه ,  و ,  ، والتي تم العثور على قيمها باستخدام الرسوم البيانية الموضحة في الشكل. 26 و 27.

قيم  هو  وتم العثور عليها عن طريق الحساب الديناميكي الحراري، أو إذا كان الحساب مستحيلًا، يتم أخذها على أنها تساوي 9.0 و1.4 على التوالي.

لا يتجاوز الجذر النسبي لمتوسط مربع الخطأ في الحساب باستخدام الصيغتين (97) و(98) 20%.

2. يتم حساب الحد الأقصى لمعدل الزيادة في ضغط انفجار مخاليط الغاز والهواء البخاري للمواد المكونة من ذرات C، H، O، N، S، F، Cl بواسطة الصيغة

, (99)

أين الخامس-حجم وعاء التفاعل م3.

لا يتجاوز الخطأ التربيعي للجذر النسبي للحساب باستخدام الصيغة (99) 30%.

طريقة للتحديد التجريبي لظروف الاحتراق الحراري التلقائي للمواد الصلبة والمواد

1. المعدات.

تشتمل المعدات اللازمة لتحديد ظروف الاحتراق الحراري الذاتي على العناصر التالية.

1.1. قدرة الترموستات غرفة العملما لا يقل عن 40 ديسيمتر 3 مع منظم الحرارة الذي يسمح لك بالحفاظ على درجة حرارة ثابتة من 60 إلى 250 درجة مئوية مع خطأ لا يزيد عن 3 درجات مئوية.

1.2. سلال مصنوعة من معدن مقاوم للتآكل، مكعب أو إسطوانيالارتفاعات 35 و 50 و 70 و 100 و 140 و 200 ملم (10 قطع من كل مقاس) مع الأغطية. يجب أن يكون قطر السلة الأسطوانية مساوياً لارتفاعها. سمك جدار السلة (1.0±0.1) ملم.

1.3. المحولات الحرارية (3 على الأقل) مع الحد الأقصى لقطر وصلة العمل لا يزيد عن 0.8 مم.

2. التحضير للاختبار.

2.1. قم بإجراء اختبار المعايرة لتحديد التصحيح ( ر ت) لقراءات المحولات الحرارية 2 و 3 . للقيام بذلك، ضع سلة تحتوي على مادة غير قابلة للاشتعال (على سبيل المثال، الرمل المكلس) في منظم حرارة مُسخن إلى درجة حرارة معينة. يتم تثبيت المحولات الكهروحرارية (الشكل 2) بحيث يكون تقاطع العمل لمحول كهروحراري واحد على اتصال بالعينة ويقع في مركزها، والثاني على اتصال بالجانب الخارجي للسلة، والثالث هو على مسافة (30±1) ملم من جدار السلة. يجب أن تكون تقاطعات العمل لجميع المحولات الحرارية الثلاثة موجودة على نفس المستوى الأفقي، الموافق للخط المركزي للحرارة.

1 , 2 , 3 - وصلات عمل المحولات الحرارية.

يتم الاحتفاظ بالسلة التي تحتوي على مادة غير قابلة للاشتعال في منظم الحرارة حتى يتم إنشاء وضع ثابت، حيث يتم تسجيل قراءات جميع المواد الكهروحرارية

تظل المحولات دون تغيير لمدة 10 دقائق أو تتقلب بسعة ثابتة حول متوسط درجات الحرارة ر 1 , ر 2 , ر 3 . التعديل  ريتم حساب T باستخدام الصيغة

, (100)

2.2. يجب أن تصف عينات الاختبار متوسط خصائص المادة (المادة) التي يتم اختبارها. عند اختبار مادة الصفائح، يتم جمعها في كومة تتوافق مع الأبعاد الداخلية للسلة. في عينات المواد المتجانسة، يتم حفر ثقب بقطر (7.0 ± 0.5) ملم لمحول كهروحراري مسبقاً إلى المركز.