Устройство для определения пределов воспламенения газов и паров горючих жидкостей Советский патент 1983 года по МПК G01N25/54 

Изобретение относится к исследованию пожарной опасности веществ.

За 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 в другую сторону - негорючей. Различают два предела - нижний, где смесь перестает гореть из-за недостатка горючего, и верхний, где горение прекращается из-за недостатка окислителя. Меящу 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 определений пределов воспламенения газовых смесей, состоящий из вакуум-насо.са, 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 ij. 5 Недостатком зтого устройства является то, что соотношение размеров реакционного сосуда, являхицегося основным элементом в приборе, выбирается произвольно, без учета свойств Ю испытываа1«ых газовых смесей и закономерностей развития пламенных оча. гов в реальных условиях производственных аппаратов и помещений.

Наиболее близким1 предлагаемому является устройство для определения,

15 пределов воспламенения газов и паров горючих жидкостей, состоящее из реакционного сосуда (трубы) с открываемым нижним концом, подключенного трубопроводами к вакуум-насосу, на20сосу-мешалке, манометру, узлу подачи газа,или пара, и электродов зажигания, закрепленных в нижней части реакционного сосуда f 2.

Однако смеси некоторых веществ

25 с воздухом (например, бромистого этила, хлористого метилена) вообще не могут гореть (не имеют пределов воспламенения) в реакционном сосуде указанного диаметра. Для веществ,

30 смеси которых с воздухом могут гореть в реакционном сосуде указанног диаметра, условия распространения пламени в нем сильно отличаются от условий распространения в свободном (неограниченном) объеме. Целью изобретения является повышение точности определения пределов воспламенения. Поставленная цель достигается те что устройство для определения пределов воспламенения газов и паров горючих жидкостей, содержащее реакционный сосуд, вакуум-насос, к кото рому подключен через трубопроводы реакционный сосуд, манометр, узел подачи газа или пара и электроды зажигания, закрепленные в нижней части реакционного сосуда, дополнительно снабжено нагревательным элементом, задерживающими сетками и вентилятором, подключенным через тр бопровод к реакционному сосуду, задерживакндие сетки установлены под электродами зажигания, а нагревател ный элемент - между электро .ами зажигания и задерживакхцими сетками, при этом минимальный внутренний диаметр реакционногососуда равен 33j4 и где q - ускорение свободного падени а - коэффициент температуропроводности смеси; и - нормальная скорость горения смеси для предельных смесей а высота реакционного сосуда над электродами зажигания ограничиваетс пределами h(2 ,3-2,8) Dfл,H На основании анализа процесса во пламенения газов в свободных (неограниченных) объемах и расчетов возможных значений нормальных скоросте распространения пламени на пределах воспламенения любых предельных смесей величина минимального диаметра сосуда может быть вычислена из слуд ющих соображений. Принимая характерное время горения tg-- --, а характерное время d а охлаждения --г- -ТлГ, условие гаСшения запишется в виде oЭдесь - - толщина фронта пламени сЗ.и диаметр трубы; Sc-q; «-d скорость конвективного подъема продуктов сгорания. Из условиягашения найдем скоIXiCTb горения для предельных смесей (с точностью до постоянного коэффициента) 1/4 7/2 где К - коэффициент пропорциональности. Величину К можно определить по экспериментально найденной величине и 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 . 2,4, gl/4;. ain 9 О , 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 размеров К g-aZ K.g.a 1Т« - ij . Таким образом, каждая исполнительная лаборатория может найти минимально допустиидлй диаметр реакционного сосуда, пригодногЬ для всех веществ, испытываемых в данной лаборатории, по характеристикам самого 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 предварительного расчета в любой лаборатории. Этот размер хорошо согласуется с экспериментальной величиной максимального 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. I Во-первых, она должнс1 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 при большей высоте сосуда пламя успело бы затухнуть и смесь считалась бы негорючей 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, за ключается в том что после приобретения характерной форлы 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 пределов воспламенения, так как смеси, в которых пламя выталкивается из ТРУ бы, являются горючими в больших объемах. Таким образом, высота сосуда должна быть такой, чтобы распростра ненйе пламени в форме параболоида вращения не могло осуществиться. Вы сота подъема пламени до момента перекрытия- пламенной сферой всего сече ния сосуда быть найдена из выргикенияh VT, где V - средняя скорость конвективного подъема пламенног , очага; л- о - время подъема пламенного очага до момента касания стенок; - .степень. расширения продук тов сгорания. Необходимая высота реакционного сосуда может быть -определена из следующих соображений. Максимальная допустимая высота со суда для определения пределов воспла менения определяется из выражения h V Г + h где hc; d - выоота подъема пламени за время изменения формы (от сферы до параболоида вращения) . Скорость V в длинных трубах в пре дельных смесях любых горючих равна V 0,328 где d - диаметр трубы. Эта формула удовлетворительно опи сывает динамику очага пламени и в коротких трубах, когда очаг- имеет форму деформированной сферы и не ка:сается стенок труйл. Реакционный сосуд предлагаемого устройства также представляет собой короткую трубу, поэтому d и высота h 0,328 g I pv 2ое Принимая и 2,7 , найдем высоту h для наиболее медленногорящей аммиачно-воздушной смеси (5,2): . h 0,328 -981 2.-2,7-5,2 + 30 -.90,1 см и для быстрогорящих смесей углеводородов с воздухом (,б-5,7) h 0,328,98l -30 ;r-:r | 2-2,8-5,7 + 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 формы пламени, высота трубы должна быть рассчитана по характеристикам быстрогорящей смеси. Отсюда определяем максимально допустимое отношение Ь , . 2,8. ( Ь ) мин г men JU Минимальное отношение определяется по экспериментально установленной максимальной высоте-подъема(равной 70 см) затухающих племенных очагов в свободных объемах / 1t .70 2 , и„„н/пй«30 - 23Следовательно, отношение 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 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 нагревательньву элементом, что бы 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 сосуя имеет отверстие 16, 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 1с 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. Реакционный сосуд считают герметичным и пригодным к работе, если повышение давления в нем за счет натечек не превы:шает 2 мм за 30 мин. I . .

Реакционный сосуд повторно вакуум руют до давления 1-2 мм рт.ст. и в него подают в необходимом количестве горючий газ или пар с помощьто узла подачи 15. Затем в реакц энный сосуд с помощью узла подачи 15 подают окислитель в необходимом количестве. Контроль за количеством поданног горючего компонента и воздуха осуществляют с помощью измерителя давления 14.

Производят перемешивание компонентов смеси в реакционном сосуде с помощью нагревательного элемента 8. Дпя этого на нагревательньгй элемент подают ток напряжением ВО В. Нагревательный элемент нагревает- близлежащие слои смеси, и они конвективно поднимаются кверху. На их место к нагревателю поступают ХОЛОДНЕЕ слои смеси, которые тоже нагреваются, поднимаются кверху и т.д. Перемешивание осуществляют в течение 5-10 ми после чего прекращают подачу тока на нагревательный элемент. Смеси дают время для успокоения и охлаждения Через 5 мин после включения нагревательного элемента открывают нижнюю к;рышку 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 помсядью вентилятор 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 5%, из которых при трех концентрациях происходит воспламенение и пламенный очаг достигает верхней крышки реакционного сосуда, а при других конц.ентрациях .горючего компонента не достигает верхней крышки или воспламенения .не происходит.

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

Формула изобретения

Устройство для определения предел 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 згокигания, закрепленные в нижней части реакционного сосуда, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности определения, оно дополнительно снабжено нагревательным элементом, задерживающими сетками к вентилятором, подключенным через трубопровод к реакционному сосуду, защерживающие сетки установлены под электродами зажигания,а нагревательный элемент между электродами зажигания и задерживающими сетками, при этом минимальный диаметр реакционного сосуда равен

--iiS

мини

ускорение свободного падения

ЯГ а

коэффициент xeivmepaTyponpoводности смеси;

о нормальная скорость горения

для. предельных смесей, а высота реакционного сосуда h нал зажигающими электродами ограничивается пределами

(2,3-2,8)0,ииИсточники информации, принятые во внимание при экспертизе О 1, Авторское свидетельство СССР 347646, кл. G 01 N 25/54, 1970.

2. Монахов В.Т. и др. Методы исследования пожарной опасности ве. ществ. М., Химия, 1979, с. 119 65 (прототип).