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; n — 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.
Таблица 8.11. Пределы воспламеняемости газов в смеси с воздухом (при t = 20°C и p = 101,3 кПа)
Газ | Содержание газа в газовоздушной смеси, об. % | Максимальное давление взрыва, МПа | Коэффициент избытка воздуха α при пределах воспламенения | ||||
При пределах воспламеняемости | При стехиомет-рическом составе смеси | При составе смеси, дающем максимальное давление взрыва | |||||
нижнем | верхнем | нижнем | верхнем | ||||
Водород | 4,0 | 75,0 | 29,5 | 32,3 | 0,739 | 9,8 | 0,15 |
Оксид углерода | 12,5 | 74,0 | 29,5 | – | – | 2,9 | 0,15 |
Метан | 5,0 | 15,0 | 9,5 | 9,8 | 0,717 | 1,8 | 0,65 |
Этан | 3,2 | 12,5 | 5,68 | 6,28 | 0,725 | 1,9 | 0,42 |
Пропан | 2,3 | 9,5 | 4,04 | 4,60 | 0,858 | 1,7 | 0,40 |
н-Бутан | 1,7 | 8,5 | 3,14 | 3,6 | 0,858 | 1,7 | 0,35 |
Изобутан | 1,8 | 8,4 | 3,14 | – | – | ~1,8 | 0,35 |
н-Пентан | 1,4 | 7,8 | 2,56 | 3,0 | 0,865 | 1,8 | 0,31 |
Этилен | 3,0 | 16,0 | 6,5 | 8,0 | 0,886 | 2,2 | 0,17 |
Пропилен | 2,4 | 10,0 | 4,5 | ~5,1 | ~0,89 | 1,9 | 0,37 |
Бутилен | 1,7 | 9,0 | 3,4 | ~4,0 | ~0,88 | 1,7 | 0,35 |
Ацетилен | 2,5 | 80,0 | 7,75 | 14,5 | 1,03 | 3,3 | 0,019 |
Таблица 8.12. Пределы воспламеняемости газов в смеси с кислородом (при t = 20°C и p = 101,3 кПа)
Газ | Содержание газа в газокислородной смеси, об. %, при пределах воспламеняемости | Газ | Содержание газа в газокислородной смеси, об. %, при пределах воспламеняемости | ||
нижнем | верхнем | нижнем | верхнем | ||
Водород | 4,0 | 94,0 | Изобутан | 1,7 | 49,0 |
Оксид углерода | 12,5 | 94,0 | Этилен | 3,0 | 80,0 |
Метан | 5,0 | 6,0 | Пропилен | 2,0 | 53,0 |
Этан | 3,0 | 56,0 | Бутилен | 1,47 | 50,0 |
Пропан | 2,2 | 55,0 | Ацетилен | 2,5 | 89,0 |
н-Бутан | 1,7 | 49,0 |
Таблица 8.13. Давление, возникающее при взрыве пропанововоздушной смеси*, в зависимости от коэффициента сброса kсб и вида защитного устройства
Вид защитного устройства | Коэффициент сброса kсб, м2/м3 | ||
0,063 | 0,033 | 0,019 | |
Одинарное глухое остекление с наружным креплением стекла толщиной 3 мм | 0,005 | 0,009 | 0,019 |
Двойное глухое остекление с наружным креплением стекла толщиной 3 мм | 0,007 | 0,015 | 0,029 |
Поворотный одинарный оконный переплет с большим шарниром и пружинным замком на нагрузку 5 МПа/м2 |
0,002 | – | – |
Поворотный одинарный оконный переплет с верхним шарниром и пружинным замком на нагрузку 5 МПа/м2 |
0,003 | – | – |
Свободно лежащие на перекрытии плиты массой, кг/ м2: | |||
50 | 0,023 | ||
100 | 0,005 | ||
200 | 0,018 |