Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Теория горения и взрыва: Методические указания к выполнению лабораторных работ

Голосов: 0

Представлены указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине "Теория горения и взрыва". В издании рассмотрены методы расчета и моделирования основных процессов горения и взрыва. Методические указания предназначены для студентов специальности 280102 - "Безопасность технологических процессов и производств" заочной формы обучения.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                     21
  Начальное           количество нейтронов ν0 определим              из
уравнения для расчета активности распада ядер урана. Для этого
проведем расчет количества распадов ядер урана за 1 секунду в 1 м3 (A),
учитывая, что радиоактивный распад – необратимая реакция первого
порядка:

                                         A = 6,022 . 1023.m . ln2 / (235.t0,5);

A = (19,04.106 . 6,022.1023) . ln2 / (235 . 2,22.1016) = 1,524.1012 распадов/с;

где m – масса урана, t0,5 – период полураспада, равный 7,04.108 лет
(2,22.1016 с).
   Учитывая время жизни и количество образующихся нейтронов при
распаде одного ядра (2 нейтрона), определим концентрацию нейтронов
ν0 в объеме заряда до начала цепной реакции:

                         ν0 = 2 . 1,524.1012 . 5.10–9 = 1,524.104 нейтронов/м3.

    Константу скорости определим из начальных условий. Так, в момент
времени t = 0 N0 >> ν0, а скорость процесса равна величине, обратной
времени жизни нейтрона, умноженной на их количество. Решая
уравнение для скорости цепного процесса, получим константу скорости:
2 . 108 .1,524.104 = k . 1,524.104 . 4,88.1028 , k = 4,098.10–21 1/(с. атом).
 Кинетическое уравнение ядерного взрыва по предложенной модели
имеет следующий вид:
–dN / dt ~ 4,098.10-21 . (4,88.1028 – 7621.104 . 2 t/t0) 1,524 . 104 . 2t/t0.

–dN / dt ~ 6,245.10–17 . (4,88.1028 – 7621.104 . 2 t/t0) . 2t/t0.

t / t0 = 200000000 . t.
    На основе кинетического уравнения можно приближенно выполнить
оценки цепного процесса.

      6e+36
    V, а/с
      5e+36



    5.10e + 3 6
       4 36


      3e+36



    3.1036 3 6
      2e+


      1e+36


      0
             3 , 4. e - 7    3 ,5 e -7     3 ,6 e - 7 .   3 ,7 e - 7   3 ,8 e - 7    3 ,9 e -7   4 ,0 e - 7    4 ,1 e - 7   4 ,2 e - 7
                  3 10  -7
                                                 3,7 10-7                           4.10-7              t, c                   t, с

          Рис. 4. Зависимость скорости цепного процесса от времени


                                     22


   Время течения взрыва до полного израсходования урана-235
определим из      условия   –dN/dt=0. Согласно        кинетическому
уравнению, время процесса зависит от концентрации атомов урана,
начальной концентрации нейтронов в объеме, времени жизни нейтрона.
2. Выполнение работы.
1. Получить вариант выполнения работы в соответствии с табл.3.
2. Составить формальную схему цепного процесса:

                        А + n → продукты реакции + νn .

3. Составить кинетическое уравнение цепной реакции:

      υ= –dN / dt = kaА . an ,    -dN / dt = k(N0 – (ν0 /ν)2 t/t0) ν0ν t/t0 .

Здесь N0 – начальная концентрация вещества, кмоль/м3; k – константа
скорости цепной реакции, 1/(кмоль.с); ν0 – начальное количество
активных частиц, вызывающих цепную реакцию, кмоль/м3; t – время от
начала процесса, с; t0 – время жизни активной частицы, с; ν –
стехиометрический коэффициент активных частиц в формальной схеме
цепного процесса, υ – скорость цепного процесса, кмоль/с, aА , an.-
активности реагирующих частиц.
4. Определить время течения процесса (интервалы расчета) из условия:

                                 -dN / dt=0

5. С помощью специализированной программы «SIGMA» определить
скорость цепного процесса в различные периоды времени.
5.1. Для определения скорости процесса необходимо запустить
программу «SIGMA», выполняя следующие операции в меню: «Пуск»,
«Все программы», «SigmaPlot 8.0. Demo». В верхней панели программы
левой кнопкой курсора выделяем опции «Graf», «Plot Equation». В окно
программы для расчета скорости цепного процесса вносим параметры:
кинетическое уравнение, интервалы расчета (см. пункт 4). Запустить
программу, выделяя курсором опцию «Plot».
6. После проведения расчета перенести результаты в табличной и
графической форме в отчет по проведению работы. Определить период
индукции цепного процесса. На графике отметить время максимальной
скорости цепного процесса.


                                  23

                                                             Таблица 3
                    Варианты выполнения работы

     Начальная                    Начальная      Время       Констан-
                     Число
     концентра-                   концентра-     жизни ак-   та ско-
Вари                 частиц после
     ция                          ция актив-     тивной      рости
-ант                 разветвления
     вещества,                    ных частиц,    частицы,    процесса
                     реакции, ν
     N0, кмоль/м3                 ν0, кмоль/м3   t0, с       k, с-1
  1        1               2            0,1            0,1         1
  2        2               3            0,2            0,2         2
  3        3               4            0,3            0,3         3
  4        4               2            0,4            0,1         4
  5        5               3            0,5            0,2         5
  6        6               4            0,1            0,3         6
  7        7               2            0,2            0,1         7
  8        8               3            0,3            0,2         8
  9        9               4            0,4            0,3         1
  10      10               2            0,5            0,1         2
  11      11               3            0,1            0,2         3
  12      12               4            0,2            0,3         4
  13      13               2            0,3            0,1         5
  14      14               3            0,4            0,2         6
  15      15               4            0,5            0,3         8
  16      16               2            0,1            0,1         4
  17      17               3            0,2            0,2         7
  18      18               4            0,3            0,3         9
  19      19               2            0,4          0,01          4

                    Вопросы для самоподготовки

  1. Основные положения формальной кинетики процессов горения и
     распада веществ.
  2. Основные стадии цепных процессов.
  3. Формальная кинетика цепных процессов. Основные факторы,
     влияющие на скорость химических цепных процессов.
  4. Виды процессов горения и взрывов. Причины перехода процессов
     горения во взрыв.
                         Литература: (1-5)


                                 24

                  Лабораторная работа № 3
   Определение КПД нагревателя и скорости выгорания топлива

    Цель работы: овладеть методикой определения КПД нагревателя и
скорости выгорания различных видов жидкого топлива, изучить
особенности горения жидких видов топлив.

                  Основные понятия и определения

     Горение – сложное, быстро протекающее химическое превращение,
сопровождающееся выделением значительного количества тепла и ярким
свечением. В большинстве случаев горение происходит в результате
экзотермического окисления вещества, способного к горению (горючего),
- окислителем (кислородом воздуха, хлором, закисью азота и др.). К
горению относят и другие процессы, связанные с быстрым превращением
и тепловым пли цепным их ускорением; разложение взрывчатых веществ,
озона; взаимодействие оксидов натрия и бария с диоксидом углерода;
распад ацетилена и т. д
     Горючие вещества – вещества (или смеси), способные к
распространению горения.
     Горение представляет собой комплекс взаимосвязанных химических
и физических процессов. Важнейшие процессы при горении – тепло- и
массоперенос.
     Наиболее общим свойством горения является способность
возникшего очага пламени перемещаться по всей горючей смеси путем
передачи тепла или диффузии активных частиц из зоны горения в
свежую смесь. В первом случае реализуется тепловой, а во втором –
диффузионный механизм распространения пламени. Как правило,
горение протекает по комбинированному тепловому диффузионному
механизму.
     Для процессов горения характерно наличие критических условий (по
составу смеси, давлению, температуре, геометрическим размерам
системы) возникновения и распространения пламени.
     Во всех случаях для горения характерны три типичные стадии:
возникновение, распространение и погасание пламени.
     В зависимости от агрегатного состояния горючего и окислителя
различают три вида горения: гомогенное горение газов и парообразных
горючих веществ в среде газообразного окислителя; гетерогенное
горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного
окислителя (разновидность гетерогенного горения — горение жидких
горючих в жидких окислителях); горение взрывчатых веществ и порохов.
     По скорости распространения пламени горение подразделяют на
дефлаграцнонное, протекающее с дозвуковыми скоростями, и детонацию,
распространяющуюся со сверхзвуковыми скоростями. Дозвуковое
горение подразделяется на ламинарное и турбулентное. Скорость


                                  25
ламинарного горения зависит от состава смеси, начальных давления
и температуры, а также от кинетики химических превращении в пламени.
Скорость     распространения     турбулентного    пламени     помимо
перечисленных факторов зависит от скорости потока, степени и
масштаба турбулентности.
     Структура пламени. Горение жидкостей представляет собой
сложный физико-химический процесс, протекающий при взаимном
влиянии кинетических, тепловых и гидродинамических явлений. Горение
жидкостей происходит в газовой фазе. В результате испарения над
поверхностью жидкости образуется паровая струя, смешение и
химическое взаимодействие которой с кислородом воздуха обеспечивает
формирование зоны горения. Упрощенная схема диффузионного пламени
показана на рис. 6.
     Зоной горения является тонкий светящийся слой газов, в который с
поверхности жидкости поступают горючие пары, а из воздуха
диффундирует кислород. Образующаяся стехиометрическая смесь
сгорает в доли секунды. На рис. 6 показана качественная картина
распределения газов и паров в диффузионном пламени. Кривая 1 –
характеризует распределение кислорода, кривая 2 – продуктов горения,
кривая 3 – азота, кривая 4 - паров горючего. Поскольку скорость
химического превращения в зоне горения в рассматриваемом случае
зависит от скорости поступления реагирующих компонентов к
поверхности пламени путем молекулярной или конвективной диффузии,
процесс горения жидкостей называют диффузионным горением.




  Рис. 5. Схема диффузионного        Рис. 6. Зависимость скорости
   пламени: а — распределение     выгорания от диаметра резервуара:
  концентраций паров и газов в      1 — бензин; 2 – керосин; 3 —
  пламени; б — диффузионное         дизельное топливо; 4 — нефть
              пламя

    Форма и размеры пламени жидкостей существенно зависят от
диаметра резервуара, в котором происходит горение. Высота пламени
растет с увеличением диаметра резервуара. Пламя жидкостей в горелках


                                 26
с малым диаметром является ламинарным, в резервуарах –
турбулентным.
    Воспламенение жидкостей. Пламя над поверхностью горючей
жидкости устойчиво, если к нему с определенной скоростью подводятся
пары горючего и кислорода. Скорость поступления горючего зависит от
давления его паров над поверхностью жидкости, а следовательно, и от ее
температуры. Тв – наименьшая температура жидкости, при которой
возникшее пламя не погаснет, называется температурой воспламенения.
    В. И. Блинов установил, что температура воспламенения
определяется зависимостью:
                          В  A /  Д 0Т В 
     где в — давление насыщенных паров жидкости при температуре
воспламенения; А — постоянная прибора; Д0 — коэффициент диффузии
пара в воздух;  — стехиометрический коэффициент кислорода.
     Процесс выгорания жидкостей характеризуется скоростью
выгорания. Скорость выгорания не является физико-химической
константой; она зависит от свойств горючей жидкости, диаметра
резервуара и условий тепло- и массообмена в зоне пожара.
     Для всех жидкостей зависимость скорости выгорания от диаметра
резервуара имеет общий характер (рис. 5). При горении жидкости в
горелках разных диаметров реализуются три режима с характерными для
каждого из них условиями тепло- и массопереноса: ламинарный (при
диаметрах горелок до 10 см), переходный (при диаметрах от 10 до 100
см) и турбулентный (при диаметрах более 100 см).

                     Порядок выполнения работы

     Установка для определения КПД горения топлива изображена на
рис. 7.
     Лабораторная работа проводится под вытяжной установкой.
                    1

                                  1

                                                 2


                                                     5
                                                 3




                                            4




    Рис. 7. Установка для определения КПД нагревателя и скорости
 выгорания топлива: 1 – штатив, 2 – термометр, 3 – сосуд для воды, 4 –
                        горелка, 5 - секундомер


                                          27

     После полного выгорания топлива в горелке секундомер
останавливают и полученное время горения топлива (гор) заносят в отчет
(табл. 5). Также по окончанию горения фиксируют температуру воды в
сосуде (T2).
     Скорость выгорания топлива (г, г/см2сек) рассчитывают по
формуле:
                                          Vтопл   топл
                                   г 
                                           S гор  гор ,
где   Vтопл - объем топлива (мл),  топл - плотность топлива (г/мл); S гор -
площадь сечения горелки (см2),  гор - продолжительность выгорания
топлива (сек).
        КПДн нагревателя вычисляется по формуле:
                                       Q
                              КПД н  вод 100% ,
                                       Qтопл
где Qтопл - теплота сгорания топлива (кДж); Qвод - тепло, приобретенное
водой от нагревателя (кДж).
                           Qтопл  Vтопл   топл  qт ,
где q - теплота сгорания топлива (кДж/кг); Vтопл - объем топлива (мл),
        т

 топл - плотность топлива (г/мл) по табл. 1.

                               Qвод  mв с Т 2  Т1  ,
где mв - масса воды в сосуде (г); с – теплоемкость воды (4,210-3
кДж/(гК)); T1, T2 – температура воды до нагревания и после (С).
                                                               Таблица 4
                      Свойства жидких видов топлив
                                Удельная теплота
 №               Название                                   Плотность топлива
                                 сгорания qт ,                 топл , г/см3
 п/п             топлива
                                     кДж/г
  1           Бензин                      47                      0,702
  2           Керосин                     46                      0,780
  3           Ацетон                      31                      0,791
  4           Этиловый спирт              29                      0,789



    Исходные данные и полученные результаты заносятся в отчет в
таблицу 5. Опыт повторяется для каждого вида топлива.


                                            28


                                                       Таблица 5
         Исходные, экспериментальные и расчетные данные
                                                                      Расчетные
                    Топливо                         Вода
   №                                                                   данные
   п/п                             гор ,           T1,               г,
         Название    Vтопл , мл             mв, г          T2,К               КПДн
                                  сек                К             г/см2сек



    По расчетам КПДн нагревателя и скорости выгорания различных
топлив делают вывод об эффективности применения того или иного
жидкого топлива.

                              Контрольные вопросы

  1. Определение адиабатической температуры горения топлива.
  2. Что такое горение? Горение газообразного топлива.
  3. Что такое горючее вещество? Горение жидкого топлива.
  4. Горение твердого топлива.
  5. Назовите основные факторы, влияющие на скорость выгорания
     топлива. Режимы горения топлива.
  6. Структура пламени. Параметры, влияющие на структуру пламени и
     скорость выгорения топлива.
                       Литература: (2, 4, 6, 7).


                    Лабораторная работа № 4
    Определение температур вспышки и воспламенения жидкого
                            топлива
     Цель работы:     освоить методику определения температуры
вспышки и воспламенения жидкого топлива.

      Пожаро- и взрывоопасность веществ и материалов определяется
показателями (свойствами), характеризующими предельные условия
возникновения процесса горения. Если горючее вещество является газом,
то его основные показатели следующие:
  1) концентрационные пределы распространения пламени (КП) или
пределы воспламенения;
  2) скорость распространения пламени Uн;
  3) минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК);
  4) температура самовоспламенения Tс;
  5) давление взрыва Рmaх;
  6) скорость его нарастания dP/dt;
  7) минимальная энергия зажигания (МЭЗ).


                                  29
      Применяют              также показатели:                 нижний
концентрационный предел распространения пламени (НКП) и верхний
концентрационный предел распространения пламени (ВКП). При оценке
пожароопасности      жидкостей    перечисленные     выше    показатели
дополняются следующими: температура вспышки Твсп; температура
воспламенения Тв; температурные пределы распространения пламени
(ТП); нижний предел (НТП) и верхний предел (ВТП) – это температуры
жидкости, при которых давление насыщенных паров создает над
жидкостью      концентрации,    соответствующие     концентрационным
пределам распространения пламени.
   Пожарная опасность твердых веществ и материалов характеризуется
их склонностью к возгоранию и самовозгоранию.
   Различают следующие виды горения:
  а) вспышка – быстрое сгорание горючей смеси без образования
повышенного давления газов;
  б) возгорание – возникновение горения от источника зажигания;
  в) воспламенение – возгорание, сопровождающееся появлением
пламени;
  г) самовозгорание – горение, возникающее при отсутствии внешнего
источника зажигания;
  д) самовоспламенение – самовозгорание, сопровождающееся
появлением пламени;
  е) взрыв – чрезвычайно быстрое горение, при котором происходит
выделение энергии и образование сжатых газов, способных производить
механические разрушения.
  Температурой вспышки называется самая низкая температура
горючего вещества, при которой над его поверхностью образуются пары
и газы, способные давать вспышку в воздухе от источника зажигания, но
скорость образования паров и газов недостаточна для устойчивого
горения. Значения температуры вспышки применяют при классификации
жидкостей по степени пожароопасности, при определении категории
производств по взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности в
соответствии с требованиями СНиП; классов взрывоопасных и
пожароопасных зон в соответствии с требованиями Правил устройства
электроустановок (ПУЭ), а также при разработке мероприятий для
обеспечения пожарной безопасности и взрывобезопасности в
соответствии с ГОСТ 12.1.004–85 и ГОСТ 12.1.010–76.
  По температуре вспышки горючие вещества делятся на два класса:
  1) Легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ). К ним относятся
жидкости с температурой вспышки, не превышающей 61°С (или 66°С в
открытом тигле) – бензин, этиловый спирт, ацетон, нитроэмали и др.
  2) Горючие жидкости (ГЖ). Жидкости, имеющие температуру
вспышки выше 61°С (или 66°С в открытом тигле), относятся к классу ГЖ
(масла, мазут, формалин и др.).
  Температура воспламенения – наименьшая температура горючего
вещества, при которой оно выделяет горючие пары и газы с такой


                                   30
скоростью, что при поднесении источника зажигания возникает
устойчивое горение.
   Температурой     самовоспламенения     называют    самую    низкую
температуру вещества, при которой оно загорается в процессе нагревания
без непосредственного контакта с огнем.
   Самовоспламенение       возможно    только    при     определенных
соотношениях горючего вещества и окислителей. Существуют понятия:
нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения. Интервал
между ними называется диапазоном или областью воспламенения.
Различают и температурные пределы воспламенения.
   Процессы самовозгорания в зависимости от внутреннего импульса
бывают:
   1. Химические. Химическое самовозгорание возникает от воздействия
на вещество кислорода, воздуха, воды или от взаимодействия веществ
(самовозгорание промасленных тряпок, спецодежды, ваты и даже
металлических стружек).
   2.   Микробиологические.     Микробиологическое      самовозгорание
происходит при соответствующих влажности и температуре в
растительных продуктах (от грибка).
   3. Тепловые. Тепловое самовозгорание происходит в результате
продолжительного действия незначительного источника тепла, при этом
вещества разлагаются, адсорбируются и в результате действия
окислительных процессов самонагреваются (опилки, ДВП, паркет при
температуре 100 °С).
    К повышению температуры вспышки приводит и повышение
давления. Зависимость между температурой вспышки при нормальном
давлении t760 и температурой вспышки tp при ином барометрическом
давлении ρ (мм рт. ст.) выражается эмпирической формулой

                   t760= tр+0,00012(760 – ρ)(273+ tр).
     (1)

  Температуру вспышки определяют по стандартным методикам в
открытых и закрытых тиглях. Различие между температурой вспышки,
определяемой в открытом и закрытом тиглях, составляет 20...60 °С. В
закрытых тиглях пары, образующиеся при нагревании жидкого топлива,
не удаляются в окружающее пространство. Концентрация паров топлива
в смеси с воздухом, при котором происходит вспышка, достигается при
нагреве более низкой температуры, чем в открытых тиглях. При низкой
температуре вспышки жидкого топлива ее определяют обычно в
закрытых, а при высокой – в открытых тиглях. Температура вспышки
мазута различных марок должна быть не ниже 80…140 °С.



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика