Вопрос 2. Гашение пламени в узких каналах. Огнепреградители

охладить горючую смесь

ввести в зону

рючими газами ния ингиби- горения ............... торы (Г, Ж) -

прекратить дос-

ввести в

ступ воздуха

ввести в

зону горения

зону горе- вещества с

горения вещества с большой теплотой фазо-

вых переходов

или X

изолировать го- ния порошки большой с_р, F

рючее от зоны

горения

Отсюда вытекает ряд следствий, очень важных для методов и способов предотвращения возникновения и тушения пожаров.

Для снижения температуры в зоне горения до Т_гаш достаточно только снизить скорость реакции горения до критической величины. Именно этим обстоятельством обусловлено существование целого ряда критических значений параметров, за пределами которых горение невозможно. Это, например, концентрационные пределы распространения пламени (КПР), минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК), минимальная энергия зажигания и др. Тепловая теория гашения пламени позволяет многие из них определить расчетным путем, но не все, и в этом - ее существенный недостаток.

Большинство этих параметров взаимозависимы, тесно взаимосвязаны меж собой. Все существующие способы предотвращения и тушения пожаров основаны на воздействии на горючую систему с целью достижения предельных, критических значений одного или нескольких параметров процессов горения. Виды и способы такого воздействия зависят от природы и агрегатного состояния горючего вещества. Одним из видов такого воздействия является применение специальных технических устройств, имеющих элементы с узкими каналами.

Теоретические основы процессов гашения пламени в узких каналах разработаны академиком Я.Б. Зельдовичем в 1941 году. Дальнейшее развитие эта теория получила в теоретических и экспериментальных работах И.И. Стрижевского, А.И. Розловского, Ю.Х. Шаулова, А.Е. Поттера и других отечественных и зарубежных исследователей.

Скорость распространения пламени на пределах горения имеет критическое значение.

Механизм тепловых потерь определяется размерами горючей системы.

При горении в узких каналах (d < 5 см) теплоотвод из зоны горения осуществляется передачей теплоты теплопроводностью в стенку (кондуктивная теплопередача). Оценим величину q_cT.

Тепловые потери из единицы элементарного объема фронта пламени в канале будут равны:

q_CT = cc-ATS/Vo, (8.8)

где а - коэффициент теплоотдачи;

AT - разность температур пламени и стенки;

S - площадь поверхности касания фронта пламени и стенки;

V₀ - объем фронта пламени в канале. Для цилиндрического канала коэффициент теплоотдачи равен:

а = 4А./г₀ = ЯШ. (8.9)

Температурный интервал охлаждения газа в канале будет равен: AT = Т_г - 0-Т_о = Т_гаш -Т₀. (8.10)

Выразим отношение поверхности элементарного объема канала к его объему через диаметр:

S = 7id5; Vo = 7id²5/4

Значит

S/V = 7id5/(7td²5/4) = 4/d, (8.11)

где 5 - толщина фронта пламени.

Подставив (8.9), (8.10) и (8.11) в (8.8) и имея в виду, что Т_гаш « Т_г и Т₀«Т_Г, получим:

_Чст = 32-ЦТ_гаш -T₀)/d². (8.12)

Из этого выражения видно, что теплоотвод из зоны горения в стенку канала определяется его диаметром. Значит, имеется возможность подобрать такой диаметр канала, при котором теплоотвод снизит скорость распространения пламени до ее критического значения и_Н(_Кр), и пламя погаснет. Такой диаметр действительно существует и называется критическим гасящим диаметром, d_Kp.

Нормальная скорость распространения пламени и критический гасящий диаметр связаны с так называемым критерием Пекле: Ре_кр = и„ • с₀ • ро • 4р/А._Пг • (8.13)

Многочисленными исследованиями установлено, что среднее значение Ре_кр равно 65 в случае гашения пламени на насадках из стальных шаров и колец Рашига, на многослойных сетках, стеклоткани, пористых керамических пластинах и т.д. Критическое значение Ре_кр для разных газов и паров остается постоянным, т.е. является универсальной константой в процессах гашения: Ре_кр = 65 « const.

Это позволяет превратить выражение (8.13) в удобную формулу для вычисления критического диаметра гасящего канала:

d_Kp = Ре_кр- с_р • R • Т / (и_н • Ао • р₀) (8.14)

По этой формуле, зная величину и„, можно ориентировочно вычислить величину d_Kp для любой газопаровоздушной смеси.

Следует особо подчеркнуть, что в выражение для d_Kp не входит длина пламегасящего канала, т.е. эффективность гашения не зависит ни от

объема канала V₀, ни от площади его поверхности S. Это очень важная для практики особенность процесса гашения.

Величина критического гасящего диаметра для каждого горючего газа или пара индивидуальна и зависит, главным образом от скорости распространения пламени. В табл.8.1 приведены значения критического гасящего диаметра и скорости распространения пламени.

Хотя гашение пламени в узких каналах имеет тепловую природу, однако эффективность его не зависит от теплопроводности материала стенки. Это обусловлено тем, что плотность газа в канале на 4-5 порядков ниже плотности материала стенки, поэтому разница изменения температуры газа и стенки очень велика. Расчеты показывают, что при гашении пламени, например, метано -воздушной смеси в стеклянном капилляре газовая фаза охлаждается на 1700 °С, а стенка нагревается всего на 7 град. В случае медного капилляра стенка нагревается еще меньше - на 0,25 град. Таким образом, газ в канале охлаждается, практически не нагревая его стенки. Значительный нагрев ее возможен только при длительном истечении продуктов горения через канал.

Таблица 8.1 Значения критического диаметра и скорости распространения пламени для некоторых горючих веществ

Горючее и_н, м/с d_Kp, мм вещество

Водород	2,80	0,9
Метан	0,35	3,7
Этан	0,40	2,5
Этилен	0,70	1,7
Ацетилен	1,56	0,8
Метанол	0,57	2,7

Ацетон 0,40 3,1

Этил ацетат 2,40 3,1

Явление гашения пламени в узких каналах используется в специальных технических устройствах - промышленных огнепреградителях, предназначенных для предотвращения распространения пламени по трубопроводам, сообщающимся сосудам, емкостям, реакторам, для предотвращения проникновения пламени внутрь резервуаров и т.д.

Конструктивно любой огнепреградитель представляет собой металлический кожух с входным и выходным патрубками для газов и паров (рис.8.2). Внутри кожуха устанавливается пламегасящий элемент (пакет сеток, насадка, кассета, пористая металлокерамическая пластина, гидрозатвор).

Рис.8.2. Основные виды огнепреградителей (а - сетчатый, б - насадочный, в - кассетный, г - металлокерамический)

По условиям локализации (гашения) пламени огнепреградители подразделяются на следующие виды:

1) . Взрывостойкие - локализуют взрыв, в том числе и детонацию, ограниченного объема горючей смеси и обеспечивают сброс продуктов горения в атмосферу;

2) . Огнестойкие - локализуют пламя истекающей горючей смеси, стабилизированное на поверхности пламегасящего элемента.

Явление гашения пламени в узких каналах кроме огнепреградителей широко используется во взрывозащите электрооборудования. Такое оборудование обычно заключается в кожух с кольцевыми зазорами и щелями, через которые его внутренний объем сообщается с окружающей средой. Пламя при возникновении внутри такого кожуха пламя гаснет в зазоре или щели и не выходит в загазованное окружающее пространство.