8.5. Пределы воспламеняемости и взрываемости

Газовоздушные смеси могут воспламеняться (взрываться) только тогда, когда содержание газа в смеси находится в определенных (для каждого газа) пределах. В связи с этим различают нижний и верхний концентрационные пределы воспламеняемости.

 

Нижний предел соответствует минимальному, а верхний — максимальному количеству газа в смеси, при котором происходят их воспламенение (при зажигании) и самопроизвольное (без притока тепла извне) распространение пламени (самовоспламенение). Эти же пределы соответствуют и условиям взрываемости
газовоздушных смесей.

 

 

Если содержание газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости, такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева смеси до температуры воспламенения недостаточно. Если содержание газа в смеси находится между нижним и верхним пределами воспламеняемости, подожженная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая смесь является взрывоопасной. Чем шире будет диапазон пределов воспламеняемости (называемых также
пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. И наконец, если содержание газа в смеси превышает верхний предел воспламеняемости, то количества воздуха в смеси недостаточно для полного сгорания газа.

 

Существование пределов воспламеняемости вызывается тепловыми потерями при горении. При разбавлении горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени уменьшается, и горение прекращается после удаления источника зажигания.

 

Пределы воспламеняемости для распространенных газов в смесях с воздухом и кислородом приведены в табл. 8.11–8.9. С увеличением температуры смеси пределы воспламеняемости расширяются, а при температуре, превышающей температуру самовоспламенения, смеси газа с воздухом или кислородом горят при любом объемном соотношении.
Пределы воспламеняемости зависят не только от видов горючих газов, но и от условий проведения экспериментов (вместимости сосуда, тепловой мощности источника зажигания, температуры смеси, распространения пламени вверх, вниз, горизонтально и др.). Этим объясняются несколько отличающиеся друг от друга значения этих пределов в различных литературных источниках. В табл. 8.11–8.12 приведены сравнительно достоверные данные, полученные при комнатной температуре и атмосферном давлении при распространении пламени снизу вверх в трубке диаметром 50 мм и более. При распространении пламени сверху вниз или горизонтально нижние пределы несколько возрастают, а верхние снижаются.

 

Пределы воспламеняемости сложных горючих газов, не содержащих балластных примесей, определяются по правилу аддитивности:

Lг = (r1 + r2+ … + rn)/(r1/l1 + r2/l2+ … + rn/ln) (8.17)


где     Lг — нижний или верхний предел воспламеняемости сложного газа в газовоздушной или газокислородной смеси, об. %;
r1, r2, …, rn — содержание отдельных компонентов в сложном газе, об. %;
r1 + r2 + … + rn = 100%;
l1, l2, …, ln — нижние или верхние пределы воспламеняемости отдельных компонентов в газовоздушной или газокислородной смеси по данным табл. 8.11 или 8.12, об. %.

При наличии в газе балластных примесей пределы воспламеняемости могут быть определены по формуле:

Lб = Lг[1 + Б/(1 – Б)•100]/[100 + LгБ/(1 – Б)] (8.18)


где     Lб — верхний и нижний пределы воспламеняемости смеси с балластными примесями, об. %;
Lг — верхний и нижний пределы воспламеняемости горючей смеси, об. %;
Б — количество балластных примесей, доли единицы.

При расчетах часто необходимо знать коэффициент избытка воздуха α при разных пределах воспламеняемости (см. табл. 8.11), а также давление, возникающее при взрыве газовоздушной смеси. Коэффициент избытка воздуха, соответствующий верхнему или нижнему пределам воспламеняемости, можно определить по формуле:
α = (100/L – 1) (1/VT) (8.19)


Давление, возникающее при взрыве газовоздушных смесей, можно определить с достаточным приближением по следующим формулам:
* для стехиометрического соотношения простого газа с воздухом:
Рвз = Рн(1 + βtк) (m/n) (8.20)
* для любого соотношения сложного газа с воздухом:
Рвз = Рн(1 + βtк) Vвлпс /(1 + αVm) (8.21)

где     Рвз — давление, возникающее при взрыве, МПа;
рн — начальное давление (до взрыва), МПа;
β — коэффициент объемного расширения газов, численно равный коэффициенту давления (1/273);
tK — калориметрическая температура горения, °С;
т — число молей после взрыва, определяемое по реакции горения газа в воздухе;
п — число молей до взрыва, участвующих в реакции горения;
Vвлпс — объем влажных продуктов сгорания на 1 м3 газа, м3;
Vт — теоретический расход воздуха, м3/м3.
 

Давления взрыва, приведенные в табл. 8.13 или определенные по формулам, могут возникнуть только в том случае, если происходит полное сгорание газа внутри емкости и ее стенки рассчитаны на эти давления. В противном случае они ограничены прочностью стенок или их наиболее легко разрушающихся частей — импульсы давления распространяются по невоспламененному объему смеси со скоростью звука и достигают ограждения гораздо быстрее, чем фронт пламени.
Эта особенность — различие скоростей распространения пламени и импульсов давления (ударной волны) — широко используется на практике для защиты газовых устройств и помещений от разрушения при взрыве. Для этого в проемах стен и перекрытий устанавливаются легко открывающиеся или разрушающиеся фрамуги, рамы, панели, клапаны и т.д.

 

Возникающее при взрыве давление зависит от особенностей конструкции устройств защиты и коэффициента сброса kсб, представляющего собой отношение площади защитных устройств к объему помещения.