Устройство для определения пределов воспламенения газов и паров горючих жидкостей

 

ОП ИСАИ ИЕ изовгкткния ""98942

Союз Советских

Социалистических республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 09.06. 81 (21) 3297354/18-25

511М. Ка.з

G 01 N 25/54 с присоединением заявки NоГосударствеииый -комитет

СССР ио делам изобретеиий и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 1501.83. Бюллетень No 2 (Щ УДК543. 544 (088. 8) Дата опубликования описаиия15.01. 83

Е.A Кудрявцев, В.Н. Кривулин, А.Н. Баратов и В.С. Бабкин (72) Авторы изобретения

Всесоюзный научно-исследовательский институт противопожарной обороны. (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

ГАЗОВ И ПАРОВ ГОРЮЧИХ ЖИДКОСТЕЙ

Изобретение относится к исследованию пожарной опасности веществ.

3а предел воспламенения при его определении принимается граничная концентрация горючего компонента в газовой смеси, при небольшом изменении которой в одну сторону смесь становится горючей, а при таком же изменении s другую сторону - негорючей. Различают два предела — нижний, где смесь перестает гореть из-за недостатка горючего, и верхний, где горение прекращается из-эа недостатка окислителя. Между двумя пределами находится так называемая область воспламенения. !

Реакционный сосуд, в котором происходит сжигание смесей должен быть

Достаточно большого диаметра, чтобы исключить гасящее влияние стенок, и достаточно большой длины чтобы успела рассеяться избыточная энергия источника зажигания.

Известен прибор для определения пределов воспламенения газовых смесей, состоящий из вакуум-насоса, узла для приготовления и подачи газо вых смесей, перемешивателя и двух реакционных сосудов (рабочих камер), закрепленных на поворотном валу электродвигателя. В каждом реакционном сосуде размещены испытуемая газовая смесь и запальная свеча (1J.

Недостатком этого устройства является то, что соотношение размеров реакционного сосуда, являющегося основным элементом в приборе, выбирается произвольно, беэ учета свойств испытываемых газовых смесей и законсмерностей развития пламенных очагов в реальных условиях производственных аппаратов и помещений.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения. пределов воспламенения газов и паров горючих жидкостей, состоящее из реакционного сосуда (трубы) с открываемым нижним концом, подключенного

2О трубопроводами к вакуум-насосу, насосу-мешалке, манометру, узлу подачи газа или пара, и электродов зажигания, закрепленных в нижней части реакционного сосуда (2l.

Однако смеси некоторых веществ с воздухом (например, бромистого этила, хлористого метилена) вообще не могут гореть (не имеют пределов воспламенения) в реакционном сосуде указанного диаметра. Для веществ, .смеси которых с воздухом могут го989421 f/4 1И

0 )( /4

//4,„1/2

g

Поставленная цель достигается тем, что устройство для определения пределов воспламенения газов и паров 10 горючих жидкостей, содержащее реакционный сосуд, вакуум-насос, к которому подключен через трубопроводы реакционный сосуд, манометр, узел подачи газа или цара и электроды 15 зажигания, закрепленные в нижней части реакционного сосуда, дополнительно снабжено нагревательным элементом, задерживающими сетками и вентилятором, подключенным через тру-20 бопровод к реакционному сосуду, задерживающие сетки установлены под электродами зажигания, а нагревательный элемент — между электро",ами зажигания и задерживающими сетками, 25 при этом минимальный внутренний диаметр реакционного. сосуда равен

33 %с мин и

30 где q — ускорение свободного падения; а — коэффициент температуропроводности смеси;

U — нормальная скорость горения смеси для предельных смесей, а высота реакционного сосуда над электродами зажигания ограничивается пределами h=(2,3-2,8) D» .

На основании анализа процесса воспламенения газов в свободных (неограниченных) объемах и расчетов возможных значений нормальных скоростей распространения пламени на пределах воспламенения любых предельных смесей величина минимального диаметра . сосуда может быть вычислена из слуду- 45 ющих соображений.

Принимая характерйое время горед ния — — а характерное время

0 02 ,, 3 д" охлаждения т " — — —, условие raс 5С %1/2> шения запишется в виде

Г I

"в= "сЭдесь =- )- — толщина фронта пламени;

Q д — диаметр трубы; 55

5 q / - д — скорость конвективного подъема продуктов сгоран ия.

Из условия гашения найдем скорость горения для предельных смесей 60 (с точностью до постоянного коэффициента) К коэффициент пропорциональ ности °

Величину К можно определить по экспериментально найденной величине

U в трубах диаметром 5 см, равной

4 см/с и расчетной величине а для предельных смесей, изменяющейся в зависимости от вида горючего в пределах 0,2-0,215 см /с

4 11/4 4-5 /+ цен ° р>Р 9>14.0,2 >

По известной величине K можно определить минимальный диаметр сосуда для определения пределов воспламенения смесей, характеризующихся низким значением нормальной скорости, равным 2,7-2,8 см/с, так как для тех смесей, которые не горят в трубе диаметром 5,0 см, но горят в сосудах других форм и размеров

К с(а Кд ° а >кин >> и ц %Г

Таким образом, каждая исполнительная лаборатория может найти минимально допустимый диаметр реакционного сосуда, пригодного для всех веществ, испытываемых в данной лаб>оратории, по характеристикам самогс> медленного горящего из этих веществ ° Расчеты показывают, что при всех возможных значениях нормальных скоростей на пределах воспламенения (в свободных объемах) и коэффициентов температуропроводности любых предельных смесей, величина минимального диаметра сосуда находится в пределах 20-28 см.

Это позволяет для опытного определения пределов воспламенения для всех смесей выбрать сосуд одного постоянного диаметра (с запасом), например

30 см„ и применять его без предчарительного расчета в любой лаборатории. Этот размер хорошо согласуется с экспериментальной величиной макси» мального горизонтального размера пламенных очагов, затухающих в свежей смеси, при опытах в больших объемах. Так как затухающие очаги не достигают размеров более 20 см, то в сосуде выбранного размера они распространяются и затухают, не касаясь стенок.

Во-первых, она должна быть больше той высоты (50-70 см), на которую могут подниматься очаги пламени, за-. тухающие в объеме свежей смеси. В противном случае (при критерии предела — распространение пламени до потолка сосуда) очаги достигают потолка, не успевая затухнуть, и смесь классифицируется как горючая, хотя

989421

h = V "С>

V = 0,328 Ч1В d

Во-вторых, высота не должна быть слишком большой для того, чтобы избежать так называемого трубного эффекта . Этот эффект, причины которого до конца еще не выяснены, заключается в том, что после приобретения характерной форьы параболоида вращения и распространения на некоторое расстояние вверх, пламя может вытолкнуться из трубы и затухнуть .

Этот эффект наблюдается в любых око-. лопредельных смесях и является причиной погрешностей определения пре- 15 делов воспламенения, так как смеси, в которых пламя выталкивается из трубы, являются горючими в больших объемах. Таким образом, высота сосуда должна быть такой, чтобы распростра-,ф нение пламени в форме параболоида вращения не могло осуществиться, Высота подъема пламени до момента перекрытия пламенной сферой всего сечения сосуда мюкбт быть найдена из выражения где v — средняя скорость конвективного подъема пламенного ЗО. очага1 ь= — — время подъема пламенного очага до момента касания ой стенок;

Я вЂ”,степень. расширения продук-35 тов сгорания.

Необходимая высота реакционного сосуда может быть -определена из следующих соображений .

Максимальная допустимая высота со суда для определения пределов воспламенения определяется из выражения

h=ч. +h

l где ЬЪ d — выоота подъема пламени за время изменения формы (от 45 сферы до параболоида вращения) .

Скорость Ч в длинных трубах в предельных смесях любых горючих равна где d — диаметр трубы.

Эта формула удовлетворительно описывает динамику очага пламени и в коротких трубах, когда очаг. имеет форму деформированной сферы н не ка- . . сается стенок трубы.

Реакционный сосуд предлагаемого устройства также представляет собой короткую трубу, поэтому d = Вм„„ и высота

Ц2 1i2 0е иН

h = 0 328 Ч Рмин 20K + Рдйяс

Принимая U = 2,7 сме, найдем высоту h для наиболее медленногорящей

-аммиачно-воздушной смеси (Е5,2):

11 = 0,328 ° 981 30 +

2 2,7 5,2

+ 30 = 90,1 см и для быстрогорящйх смесей углеводородов с воздухом (8=5,6-5,7)

h = 0,328 ° 98 .-30 — — — +

Р2 2 30

+ 30 = 82,8 см

Эти расчеты показывают, что перестройка формы пламени (от сферической до формы параболоида вращения) заканчивается для быстрогорящих смесей на меньшей высоте и, следовательно, для избежания трубного эффекта, начинающего после изменения формй пламени, высота трубы должна быть рассчитана по характеристикам быстрогорящей смеси ° Отсюда определяем максимально допустимое отнсшение

82д 8 8— 2 8.

Минимальное отношение определяется по экспериментально установленной максимальной высоте .подъема (равной

70 см) затухающих пламенных очагов в свободных объемах

Следовательно, отношение — 1— )мин должно лежать в пределах 2,3-2,8.

На чертеже представлено .предлагаемое устройство.

Устройство для определения пределов воспламенения газов и паров горючих жидкостей содержит герметичный реакционный сосуд 1, имеющий прозрачные стенки. Сосуд сверху закрывается крышкой 2, а снизу — съемной крышкой

3. Внутри сосуда установлены электроды зажигания 4, с искровым. зазором

5-7 мм проходящие сквозь изоляторы

5 в стенке реакционного сосуда и соединенные проводами б с зажигающим устройством 7, нагревательный элемент 8 и пакет металлических сеток 9. Нагревательный элемент размещается ниже электродов зажигания, чтобы не препят-. ствовать подъему пламенных очагов, и на расстоянии 30-40 мм от них, чтобы пробой высокого напряжения с электродов на нагревательный элемент был невозможным. Сетки(в пакете)располагаются под нагревательным элементом, чтобы они не могли препятствовать свободному подъему конвективных потоков смеси., отходящих от нагревательного элемента. Реакционный сосуд сообщен трубопроводами 10-12 соответственно с вакуум-насосом 13, измерителем давления (манометром) 14 и узлом 15 подачи газов и паров. В верхней части со989421

Формула изобретения

Ъингде — ускорение свободного падениями

50 а — коэффициент температуропроводности смеси;

U — нормальная скорость горения для,предельных смесей, а высота реакционного сосуда h над зажигающими электродами ограничивает ся пределами

Э = (2, 3-2, 8) Рмин

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 347646, кл. G 01 N 25/54, 1970.

2. Монахов В.Т. и др, Методы исследования пожарной опасности веществ. N., Химия, 1979, с. 119

65 (прототип). суд имеет отверстие 1 б, сообщающееся трубопроводом 17 и вентилем 18 с вентилятором 19.

Работа прибора осуществляется следующим образом.

Проверяют исправность зажигающего устройства 7 путем замыкания цепи и подачи искры на концах электродов 4.

Реакционный сосуд 1 с закрытой нижней крышкой 3 вакуумируют до остаточного давления 1-2 мм рт.ст. с помощью вакуумного насоса 13 и проверяют сосуд на герметичность. Контроль за повышением давления в сосуде осуществляется с помощью измерителя давления (манометра) 14. Реакцион- 15 ный сосуд считают герметичным и пригодным к работе, если повышение давления в нем за счет натечек не превышает 2 мм за 30 мин.

Реакционный сосуд повторно вакуумируют до давления 1-2 мм рт.ст. и в него подают в необходимом количестве горючий газ или пар с помощью узла. подачи 15. Затем в реакц онный сосуд с помощью узла подачи 15 пода. ют окислитель в необходимом количестве. Контроль за количеством поданного горючего компонента и воздуха осуществляют с помощью измерителя давления 14. 30

Производят перемешивание компонентов смеси в реакционном сосуде с помощью нагревательного элемента 8.

Для этого на нагревательный элемент подают ток напряжением 80 В. Harpe- З5 вательный элемент нагревает близлежащие слои смеси, и они конвективно поднимаются кверху ° На их место к нагревателю поступают холодные слои смеси, которые тоже нагреваются, 40 поднимаются кверху и т. д. Перемешивание осуществляют в течение 5-10 мин, после чего прекращают подачу тока на нагревательный элемент. Смеси дают время для успокоения и охлаждения. 45

Через 5 мин после включения нагревательного элемента открывают нижнюю крышку 3 реакционного сосуда и поджигают смесь с помощью зажигающего устройства 7 и электродов 4. Сетки

9 служат для предотвращения выброса пламени, затруднения процессов перемешивания смеси с воздухом и вытекания ее из сосуда. Наблюдение за пламенем проводят визуально через прозрачные стенки сосуда. После опыта производят продувку реакционного сосуда воздухом с помощью вентилятора

19, трубопровода 17 с вентилем 18 через отверстие 16.

При испытаниях на предлагаемом приборе смесь считается горючей, если происходит воспламенение смеси и пламенный очаг, поднимаясь и увеличиваясь в размерах, достигает крышки 2 реакционного сосуда. Если смесь не воспламеняется, или после воспламенения пламенный очаг затух в объеме свежей смеси, не коснувшись верхней крышки сосуда, то смесь считается негорючей. Предел воспламенения находится как среднее арифметическое из шести концентраций горючего компонента, отличающихся не более чем на 5Ъ, из которых при трех концентрациях происходит воспламенение и пламенный очаг достигает верхней крышки реакционного сосуда, а при других .

;концентрациях .горючего компонента— не достигает верхней крышки или воспламенения не происходит.

Преимущество предлагаемого устрой. ства заключается в том, что существенно повышается точность определения пределов воспламенения, появляется возможность исследовать вещества, которые не имели пределов воспламенения в устройстве прототипе.

Устройство для определения пределов ,воспламенения газов и паров горючих жидкостей, содержащее реакционный сосуд, вакуум-насос, к которому подключен через трубопроводы реакционный сосуд, манометр, узел подачи газа или пара и электроды зажигания, закрепленные в нижней части реакционного сосуда, о т л и ч а ю щ е е— с я тем, что, с целью повышения точности определения, оно дополнительно снабжено нагревательным элементом, задерживающими сетками и вентилятором, подключенным через трубопровод к реакционному сосуду, задерживающие сетки установлены под электродами зажигания, а нагревательный элемент между электродами зажигания и задерживающими сетками, при этом минимальный диаметр реакционного сосуда Э равен

989421

Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35,-Раушская наб., д. 4/5

Эакаэ 11115/62

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель П. Ерастов

Редактор T. Веселова Техред М. Н ДВ Корректор Л. Бокшан