СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВАЕМОСТИ ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ Российский патент 1997 года по МПК G01N25/54 

Изобретение относится к технике взрывопожаробезопасности, а конкретно к способам определения взрывчатых свойств содержащих водород парогазовых смесей при различных начальных давлениях и температурах, и может быть использовано в народном хозяйстве для разработки мер взрывопожаробезопасности при аварийных режимах работы ядерно-энергетических и химических реакторов.

Во время аварии на ядерных энергетических установках (ЯЭУ) с разрушением активной зоны реактора образуется значительное количество водорода за счет химического взаимодействия конструкционных материалов твэлов с водяным паром. При аварийном выбросе водорода в защитную оболочку ЯЭУ образуется его смесь с воздухом, паром и другими компонентами, которая, как показали аварии на "Три-Майл-Айленд-2" и в Чернобыле, может воспламениться и привести к воздействию на защитную оболочку разрушающих тепловых и динамических нагрузок [1] Взрывы газовых смесей на химических предприятиях также приводят к большим материальным и людским потерям.

Параметры взрываемости многокомпонентных газовых смесей, определяющие степень повреждения защитных оболочек, зависят от характеристик смеси (состава, начальных давлений и температуры), источника инициирования, а также от конструктивно-габаритных характеристик реакционной камеры [1,2] Поэтому исследования по определению параметров взрываемости газовых смесей, актуальные как с практической так и с научной точки зрения, должны проводиться в условиях моделирующих возможные аварийные ситуации.

Известен способ определения параметров взрываемости разбавленных водяным паром газовых смесей, включающий приготовление в реакционной камере водяного пара путем сжигания предварительно поданной стехиометрической водородо-кислородной смеси, подачу в реакционную камеру с контролируемыми параметрами остальных компонентов газовой смеси, инициирование смеси и регистрацию ее параметров взрываемости.

Недостатком данного способа является невозможность определения параметров взрываемости парогазовых смесей в реакционных камерах большого объема (V>0,1 м³). Обусловлено это тем, что горение стехиометрических водородо-кислородных смесей в больших объемах без применения специальных предохранительных устройств, загромождающих внутренний объем реакционной камеры и нарушающих условия проведения экспериментов, неизбежно переходит в детонацию и к разрушению реакционной камеры ([2] с. 140-146).

Известен способ определения параметров взрываемости разбавленных водяным паром водородосодержащих смесей, включающий нагрев и термостатирование реакционной камеры, подачу в нее порциями воды с последующим ее испарением в реакционной камере, подачу в реакционную камеру остальных компонентов газовой смеси, перемешивание смеси инициирование смеси и регистрацию параметров ее взрываемости [4] Этот способ, как наиболее близкий по технической сущности, выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является техническая сложность определения параметров взрываемости парогазовых смесей при повышенных температурах в реакционных камерах объемом больше 0,1 м³. Нагрев и термостатирование реакционной камеры с увеличением ее объема требуют непропорционально возрастающих затрат энергии и сопровождаются увеличением времени проведения эксперимента. Кроме того, нагрев компонентов смеси путем термостатирования реакционной камеры не позволяет при определении параметров взрываемости разбавленных водяным паром водородосодержащих смесей смоделировать реальную аварийную ситуацию с истечением нагретой смеси в холодную реакционную камеру.

Решаемой технической задачей является разработка технологически простого способа определения параметров взрываемости разбавленных водяным паром водородосодержащих смесей в больших объемах (больше 0,1 м³).

Эта задача решается тем, что по отношению к известному способу, включающему подачу в реакционную камеру воды и негорючих газовых компонент с контролируемыми параметрами, нагрев, перемешивание, инициирование и регистрацию параметров взрываемости, новым является то, что перед подачей в реакционную камеру компонентов смеси в верхнюю часть камеры помещают деталь из гидрата щелочного металла с зарядом взрывчатых веществ (ВВ), подачу водорода, нагрев и перемешивание компонент газовой смеси производят за счет взаимодействия с водой гидрида щелочного металла, измельченного путем взрыва заряда взрывчатого вещества, а инициирование смеси осуществляют после достижения максимальных значений давления и температуры. Кроме того, концентрации водорода, водяного пара и температуру смеси регулируют выбором масс воды и гидрида щелочного металла, а также нагревом воды до температуры ниже температуры кипения. Дополнительно в качестве гидрида щелочного металла используют гидрид лития.

Технический результат, достигаемый изобретением, проявляется в сокращении по сравнению с прототипом времени испытания по определению параметров взрываемости водородосодержащих смесей независимо от объема реакционной камеры.

Взаимодействие гидрида щелочного металла, описываемое уравнением
MH+H₂O=H₂+MOH+Q (1)
сопровождается выделением водорода и большого количества тепловой энергии. При использовании гидрида лития [5] взаимодействие 1г гидрида лития с водой позволяет получить 0,25 г водород (2,8 литра в нормальных условиях). При этом выделяется 11,3 кдж энергии. Несложные вычисления показывают, что такого количества энергии достаточно для повышения температуры водородо-воздушной смеси с 10% содержанием водорода объемом 1 м³ на≈15 градусов. Скорость протекания реакции гидрида щелочного металла с водой определяется размером его частиц, увеличиваясь по мере уменьшения размера.

Помещение в верхнюю часть реакционной камеры детали из гидрида щелочного металла с зарядом ВВ, измельчение ее путем взрыва заряда ВВ позволяет осуществить химическую реакцию (1) с предварительно поданной в донную часть камеры водой. В процессе реакции (1), протекающей в замкнутом объеме, образующийся водород создает необходимую концентрацию водорода в реакционной камере, а выделяющаяся тепловая энергия, как показано экспериментально, идет на образование водяного пара (испарение части воды) и нагрев компонентов смеси. Также экспериментально установлено, что измельчение гидрида щелочного металла, осуществляемое подрывом заряда ВВ, приводит к бурному протеканию реакции и, следовательно, к таким скоростям выделения нагретых водорода и водяного пара, при которых они эффективно перемешивают компоненты смеси.

В ходе реакции (1) давление и температура смеси в реакционной камере за счет выделения водорода и тепловой энергии монотонно повышаются до момента окончания реакции, а затем медленно понижаются из-за отвода тепла путем теплопроводности в стенки реакционной камеры. Поэтому инициирование смеси после достижения максимальных значений давления и температуры позволяет определить параметры взрываемости водородосодержащих смесей с наиболее близкими к прогнозируемым с использованием уравнения (1) значениями концентраций, а также ее давления и температуры, что существенно сокращает объем предварительной экспериментальной отработки.

Согласно уравнения реакции (1) масса прореагировавшего гидрида щелочного металла определяет количество выделившихся водорода и тепловой энергии. Масса воды и ее начальная температура до значения ниже температуры кипения определяют количество образовавшегося водяного пара и температуры смеси в целом. Обусловлено это тем, что тепловая энергия, выделившаяся в ходе реакции, идет в основном на нагрев оставшейся после взаимодействия с гидридом щелочного металла воды. Чем больше масса этой воды и ниже ее начальная температура, тем ниже температура ее воспламенением. Нагрев воды перед подачей в реакционную камеру до температуры кипения и выше не дает положительного результата, так как в парах воды даже измельченная взрывом заряда ВВ деталь гидрида щелочного металла не сможет полностью прореагировать.

Таким образом, производя выбор масс гидрида щелочного металла и воды, а также осуществляя перед подачей в реакционную камеру нагрев воды до температуры ниже температуры кипения, можно эффективно регулировать концентрацию водорода, водяного пара и температуру смеси перед воспалением.

Заявляемый способ поясняется чертежом, где 1 реакционная камера; 2 - вода, нагретая до температуры ниже температуры кипения; 3 система подачи негорючих компонент; 4 система подачи воды; 5 отсеченные клапаны; 6 - датчики температуры; 7 деталь гидрида щелочного металла; 8 заряд взрывчатого вещества с электродетонатором; 9 источник инициирования смеси; 10 система управления; 11 датчик давления; 12 датчик концентраций компонентов смеси; 13 система стравливания смеси.

Заявляемый способ определения параметров взрываемости водородосодержащих смесей реализуется следующим образом. В верхнюю часть реакционной камеры 1 помещают деталь из гидрида щелочного металла (гидрида лития) 7 с зарядом взрывчатого вещества и электродетонатором 8. Внутри реакционной камеры устанавливают источник инициирования смеси 9. С помощью системы 4 через клапана 5₂ и 5₃ в донную часть реакционной камеры подают нагретую до температуры ниже температуры кипения воду 2. Затем из системы 3 через клапана 5₁ и 5₃ напускают в реакционную камеру негорючие компоненты смеси (например, воздух) с контролируемыми параметрами. Взрывом заряда ВВ измельчают деталь гидрида щелочного металла (гидрида лития) и помещают его в воду. В процессе экзотермической реакции гидрида щелочного металла с водой реакционная камера заполняется водородом и водяным паром, а смесь нагревается. Требуемые концентрации водорода, водяного пара и температура смеси регулируются путем выбора масс детали гидрида щелочного металла и воды, также ее начальной температурой. Выделяющиеся в процессе реакции нагретые водород и водяной пар перемешиваются с другими компонентами смеси. По окончании реакции, после достижения максимальных значений давления и температуры с помощью системы управления 10 инициируют источником инициирования 9 смесь и датчиками 6, 11, 12 регистрируют параметры ее взрываемости. После окончания процесса через систему 13 стравливают избыточное давление в реакционной камере.

На предприятии проведена экспериментальная проверка работоспособности заявляемого способа. В верхнюю часть реакционной камеры объемом 10^-2м³ помещали деталь гидрида лития массой 0,25 кг с зарядом пластического взрывчатого вещества ПВВ на основе мелкодисперсного тэна, а в донную часть подавали 2 кг воды при температуре 280^oK. Затем через слой воды напускали в реакционную камеру воздух до давления 0,2 МПа. Взрывом заряда ПВВ измельчали деталь гидрида лития и помещали в воду. После завершения взаимодействия гидрида лития с водой (через 7 мин. после подрыва заряда ВВ) максимальное значение давления составило 10 МПа, а температура смеси составила 385^oK. При этом парциальное давление водорода составило 0,4 МПа.

Таким образом, заявляемый способ позволяет по сравнению с прототипом значительно упростить процесс определения параметров взрываемости разбавленных водяным паром водородосодержащих смесей при повышенных температурах в реакционных камерах объемом больше 0,1 м³.

Источники информации, принятые во внимание.

1. Д. Хау, Д. Хеслер "Контроль за образованием водорода и его сжиганием при авариях на АЭС с разрушением активной зоны". Атомная техника за рубежом, N 11, 1989, с. 24.

2. М. Нетлетон "Детонация в газах", М. Мир, 1989.

3. А. С. Бетев, В.П. Карпов, Е.С. Северин. А.И. Спасский, ФГВ, т. 22, N 2, 1986, с. 33 аналог.

4. Ю.Н. Шебеко, А.Я. Корольченко, С.Г. Цариченко и др. ФГВ, т. 25, N 3, 1989, с. 32 прототип.

5. Э.Э. Шпильрайн, К.А. Якимович "Гидрид лития", М. Издательство стандартов, 1972.

Использование: изобретение относится к технике взрывопожаробезопасности, а конкретно к способам определения взрывчатых свойств, содержащих водород парогазовых смесей при различных начальных давлениях и температурах. Сущность изобретения: способ определения параметров взрываемости разбавленных водяным паром водородсодержащих смесей основан на подаче в реакционную камеру воды и негорючих газовых компонент с контролируемыми параметрами, нагреве, перемешивании и регистрации их параметров взрываемости. С целью упрощения способа его реализации в реакционных камерах объемом больше 0,1 м³ перед подачей в реакционную камеру компонентов смеси в верхнюю часть камеры помещают деталь из гидрида щелочного металла с зарядом взрывчатого вещества (ВВ), подачу водорода, нагрев и перемешивание компонент газовой смеси производят за счет взаимодействия с водой гидрида щелочного металла (гидрида лития), измельченного путем взрыва заряда ВВ, а инициирование смеси осуществляется после достижения максимальных значений давления и температуры. Кроме того, концентрации водорода, водяного пара и температуру смеси регулируют выбором масс воды и гидрида щелочного металла (гидрида лития), а также нагревом воды до температуры ниже температуры кипения. 2 3.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения параметров взрываемости водородсодержащих смесей, включающий подачу в реакционную камеру воды и негорючих газовых компонент с контролируемыми параметрами, нагрев, перемешивание, инициирование и регистрацию параметров взрываемости, отличающийся тем, что перед подачей в реакционную камеру компонентов смеси в верхнюю часть камеры помещают деталь из гидрида щелочного металла с зарядом взрывчатого вещества, подачу водорода, нагрев и перемешивание компонентов газовой смеси производят путем взаимодействия с водой гидрида щелочного металла, измельченного путем взрыва заряда взрывчатого вещества, а инициирование смеси осуществляют по достижении максимальных значений давления и температуры. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что концентрации водорода, водяного пара и температуру смеси регулируют выбором масс воды и гидрида щелочного металла, а также нагревом воды до температуры ниже температуры кипения. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве гидрида щелочного металла используют гидрид лития.