Устройство для определения пределов воспламенения газов и паров горючих жидкостей

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихреспублик(22) Заявлено 09.06,81 (21) 3297354/18-25 51)М.Ка з С 01 Н 25/54 с присоединением заявки йоГосударствеииый комитет СССР по делам изобретеиий и открытийДата опубликования описаиия 15.01. 83 Е.А. Кудрявцев, В.Н. Кривулин, А.Н. Баратов и В,С. Бабкин(72) Авторы изобретения 71) Заявитель есоюзный научно-.исследовательский инстит противопожарной обороны. ЛЕНИЯ ПРЕДЕЛОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ЮЧИХ ЖИДКОСТЕЙ Изобретение относится к исследованию пожарной опасности веществ.За предел воспламенения при его определении принимается граничная 5 концентрация горючего компонента в газовой смеси, при небольшом изменении которой в одну сторону смесь становится горючей, а при таком же изменении в другую сторону - негорю О чей. Различают два предела - нижний, где смесь перестает гореть из-за недостатка горючего, и верхний, гдегорение прекращается из-эа недостатка окислителя. Между двумя пределами находится так называемая область воспламенения. 20 5(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПГАЗОВ И ПАРО 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 газовых смесей, перемешивателя и двух реакционных сосудов (рабочих камер), закрепленных на поворотном валу электродвигателя. В каждом реакционном сосуде размещены испытуемая газовая смесь и запальная свеча (1).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 производствен ных 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 трубопроводами к вакуум-насосу, насосу-мешалке, манометру, узлу подачи газа или пара, и электродов зажигания, закрепленных в нижней части реакционного сосуда 2).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 го 989421(/4 1 ИОа 3(д 4/4 реть в реакционн ом сосуде указ анн огодиаметра, условия распространенияпламени в нем сильно отличаются отусловий распространения в свободном. Целью изобретения является повышение точности определения пределоввоспламенения.Поставленная цель достигается тем,что устройство для определения пределов воспламенения газов и паров 10горючих жидкостей, содержащее реакционный сосуд, вакуум-насос, к которому подключен через трубопроводыреакционный сосуд, манометр, узелподачи газа или цара и электроды 15зажигания, закрепленные в нижнейчасти реакционного сосуда, дополнительно снабжено нагревательным элементом, задерживающими сетками ивентилятором, подключенным через тру бопровод к реакционному сосуду, задерживающие сетки установлены подэлектродами зажигания, а нагревательный элемент - между электро",ами зажигания и задерживающими сетками, 25при этом минимальный внутренний диаметр реакционного сосуда равен33%С 1миниП30где с 1 - ускорение свободного падения;а - коэффициент температуропроводности смеси;О - нормальная скорость горениясмеси для предельных смесей,а высота реакционного сосуда надэлектродами зажигания ограничиваетсяпределами Ь=(2,3-2,8) Эмали.На основании анализа процесса воспламенения газов в свободных (неограниченных) объемах и расчетов возможных значений нормальных скоростейраспространения пламени на пределахвоспламенения любых предельных смесей величина минимального диаметра .сосуда может быть вычислена из слудующих соображений,Принимая характерйое время горебни я С-- а характерное время0 Од дфохлаждения Т" --- , условие гашения запишется в видеВ сЭдесь д= )- - толщина фронта пламени;С 3б - диаметр трубы;555 ф д - скорость конвективногоподъема продуктов сгорания.Из условия гашения найдем скорость горения для предельных смесей 60(с точностью до постоянного коэффи"циента) где К - коэффициент пропорциональности.Величину К можно определить по экспериментально найденной величине У 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,д 14 4. 5 фд 94а 1 ТЙ 9814 0,2 По известной величине К 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 размеровКи с а Кд амин ц и ц %Г Таким образом, каждая исполнительная лаборатория может найти минимально допустимый диаметр реакционного сосуда, пригодного для всех веществ, испытываемых в данной лаборатории, по характеристикам самого медленного горящего из этих веществРасчеты 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 опытахв 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, хотяЬ: Ч50 Ч: 0,328 Ч 1 В йМ/2 при большей высоте сосуда пламя успело бы затухнуть и смесь считалась бы негорючейВо-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 форосы параболоида вращения и распространения на некоторое расстояние вверх, пламя может вытолкнуться из трубы и затухнуть .Этот эффект наблюдается в любых околопредельных смесях и является причиной погрешностей определения пре 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) нение пламени в форме параболоида вращения не могло осуществиться, Высота подъема пламени до момента перекрытия пламенной сферой всего сечения сосуда мюкбт быть найдена из вы ражения где Ч - средняя скорость конвективного подъема пламенного ЗО.очага)ь= -- время подъема пламенногоочага до момента касанияройстенок;Я - ,степень. расширения продук 35тов сгорания.Необходимая высота реакционного сосуда может быть определена из следующих соображений.Максимальная допустимая высота со)суда для определения пределов воспла- О менения определяется из выраженияЧ, юсефlгде ЬЪ Й - выоота подъема пламени завремя изменения Формы (от 45сферы до параболоида вращения) .Скорость Ч в длинных трубах в предельных смесях любых горючих равна где й - 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 й = 0 и высотаМРЕМ 112 0)иНЬ = 0)328 Ч Рмин 2+ Ъдп) Принимая П = 2,7 сме-) найдем высоту и для наиболее медленногорящей .аммиачно-воздушной смеси (Е)2): Ь = 0)328 981 30 +22)75,2+ 30 = 90,1 сми для быстрогорящйх смесей углеводородов с воздухом (8=5)6-5)7)Ь = 0,32898 .30 --- +Ф 2 1 И 30+ 30 = 82,8 см 2.2,8 5,7 Эти расчеты показывают) что перестройка формы пламени (от сферическойдо формы параболоида вращения) заканчивается для быстрогорящих смесей на меньшей высоте и, следовательно, для избежания трубного эффекта, начинающего после изменения формы пламени, высота трубы должна быть рассчитана по характеристикам быстрогорящей смесиОтсюда опреде" ляем максимально допустимое отнсшениеи . 8218 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 сое" диненные проводами б с зажигающим устройством 7, нагревательный элемент 8 и пакет металлических сеток 9. Нагре" вательный элемент размещается ниже электродов зажигания, чтобы не препятствовать 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 со 989421суд имеет отверстие 16, сообщающеесятрубопроводом 17 и вентилем 18 с вентилятором 19.Работа прибора осуществляется следующим образом.Проверяют исправность зажигающегоустройства 7 путем замыкания цепи иподачи искры на концах электродов 4.Реакционный сосуд 1.с закрытойнижней крышкой 3 накуумируют до остаточного давления 1-2 мм рт.ст. спомощью вакуумного насоса 13 и проверяют сосуд на герметичность. Контроль за повышением давления в сосудеосуществляется с помощью измерителядавления (манометра) 14. Реакцион-ный сосуд считают герметичным и пригодным к работе, если повышение давления н нем за счет натечек не превышает 2 мм за 30 мин,Реакционный сосуд повторно вакуумируют до давления 1-2 мм рт.ст, и внего подают н необходимом количестве горючий газ или пар с помощью узла. подачи 15. Затем н реакцонныйсосуд с помощью узла подачи 15 подают окислитель н необходимом количестве, Контроль за количеством поданногогорючего компонента и воздуха осуществляют с помощью измерителя давления 14.Производят перемешивание компонентов смеси в реакционном сосуде с помощью нагревательного элемента 8.Для этого на нагревательный элементподают ток напряжением 80 В. Нагревательный элемент нагревает близлежащие слои смеси, и они конвективноподнимаются кверхуНа их место кнагревателю поступают холодные слоисмеси, которые тоже нагреваются,поднимаются кверху и т,д. Перемешивание осущестнляют н течение 5-10 минпосле чего прекращают подачу токана нагревательный элемент, Смеси дают время для успокоения и охлаждения.Через 5 мин после включения нагревательного элемента открывают нижнююкрышку 3 реакционного сосуда и поджигают смесь с помощью зажигающегоустройства 7 и электродов 4. Сетки9 служат для предотвращения выбросапламени, затруднения процессов перемешивания смеси с воздухом и вытекания ее из сосуда. Наблюдение запламенем проводят низуально черезпрозрачные стенки сосуда. После опыта производят продувку реакционногососуда воздухом с помощью вентилятора19, трубопронода 17 с вентилем 18через отверстие 16,При испытаниях на предлагаемомприборе смесь считается горючей, если происходит воспламенение смеси ипламенный очаг, поднимаясь и увеличиваясь н размерах, достигает крышки 2акционного сосуда. Если смесь неревоспламеняется, или после воспламенения пламенный очаг затух в объеме свежей смеси, не коснувшись верхней крышки сосуда, то смесь считается не- горючей, Предел воспламенения находится как среднее арифметическое из шести концентраций горючего компонента, отличающихся не более чем на 5, из которых при трех концентрациях происходит носпламенение и пламен ный очаг достигает верхней крышкиреакционного сосуда, а при других .,концентрациях .горючего компонента - не достигает верхней крышки или воспламенения .не происходит.15 Преимущество предлагаемого устройства заключается в том, что существенно повышается точность определения пределов воспламенения, появляется возможность исследовать вещест на, которые не имели пределов воспламенения в устройстве прототипе. формула изобретения 25 1ободного падени температуропроси;корость горения ых смесей,сосуда Ь над ами ограничивает Я 1- ускорение с коэФфициент водности см- нормальная для,предель а реакционног щими электрод еламигде50 а высозажигася пред 1 = (2 3-28) РминИсточники информации, принятые во внимание при экспертиз1. Авторское свидетельство СССР 9 347646, кл. С 01 В 25/54, 1970.2, Монахов В.Т. и др, Методы ис следования пожарной опасности веществ. М., Химия, 1979, с. 119 5 (прототип). Устройство для определения пределов,воспламенения газов и паров горючихжидкостей, содержащее реакционныйсосуд, вакуум-насос, к которому подЗ 0 ключен 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 - З 5 с я тем, что, с целью понышения точности определения, оно дополнительноснабжено нагревательным элементом,задерживающими сетками и вентилятором, подключенным через трубопронодк реакционному сосуду, задерживающие 40 сетки установлены под электродамизажигания,а нагревательный элементмежду электродами зажигания и задерживающими сетками, при этом минимальный диаметр реакционного сосуда Э 45 равен989421 оставитель П, ЕрастовТехред М. Н 4 Ф Корректор Л. Бокша селова 5 пиал ППП Патентф, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Редактор Т. В Эакаэ 11115/6 ВНИИПИпо дел113035, Мо раж 871сударственногм иэобретенийва, Ж, Раущ омытоткая Подписита СССРтийб. д