ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОГНЕПРЕГРАДИТЕЛЕЙ

Троценко А.А.¹, Коновалова И.И.²

¹Кандидат биологических наук, Мурманский филиал Санкт-Петербургского университета государственной противопожарной службы Министерства по чрезвычайным ситуациям, ² Исследователь, Петрозаводский Государственный Университет, Медицинский институт. Кафедра Лучевой Диагностики и Лучевой Терапии с курсом Критической и Респираторной медицины

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОГНЕПРЕГРАДИТЕЛЕЙ

Аннотация

В статье рассмотрены основные физико-химические принципы выбора огнепреградителей. На основе теории гашения пламени предложены некоторые расчётные  теоретические решения повышения эффективности огнепреградителей. Описано значение химического состава горючей смеси для определения технических характеристик огнепреградителей. Показано значение расчёта избыточного давления взрыва и максимальной нормальной скорости распространения пламени горючей смеси для определения устойчивости огнепреградителей.

Ключевые слова: огнепреградители, теория гашения пламени.

Trotsenko A.A.¹, Konovalova I.I.²

¹PhD in Biology, Murmansk Branch of Saint-Petersburg University of State Fire Service of The Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters, ²Researcher, Petrozavodsk State University, Institute of medicine. Department of Radiology and Radiation Therapy which the course of Critical Care and Respiratory Medicine

PHYSICAL AND CHEMICAL JUSTIFICATION FOR FLAME ARRESTERS SELECTION

Abstract

The article considers the basic physical and chemical principles of flame arresters selection; based on the flame chilling theory, it provides some calculations and guidelines on flame arresters efficiency improvement. The article also describes the parameters of chemical formulation of fuel combination for determination of flame arresters technical data. The article shows the importance of blast overpressure calculations and a maximum normal flame speed of combustible mixtures for the determination of flame arresters reliability.

Keywords: flame arresters, flame chilling theory.

На всех взрывоопасных производствах, в газопроводах, в коммуникациях по добыче природного газа и нефти устанавливают огнепреградители, препятствующие развитию процесса горения. Существует несколько способов ингибирования горючей смеси, например, введение флегматизаторов, а действие различного рода огнепреградителей в узких каналах основано не на химическом, а на физическом препятствовании распространения пламени  и прекращении несанкционированного горения. Согласно теории пределов распространения пламени, ликвидация пламенного горения именно в узких каналах обусловлено тепловыми потерями из зоны химической окислительно-восстановительной реакции к стенкам самого канала. Однако при уменьшении диаметра канала возрастают потери тепла из области химической системы на единицу массы смеси. Когда эти потери достигают некоторой критической величины, скорость распространения пламени настолько снижается, что дальнейшее распространение пламенного горения прекращается. Иными словами, гашение пламени в канале, заполненном горючей смесью, происходит лишь при некоторой минимальной величине диаметра канала, определяемой химическим составом и давлением горючей смеси на стенки канала [2, С. 286]. Подобными огнепреградителями чаще всего защищают такие каналы, в которых по условиям технологии или при нарушении нормального режима работы (при внештатных ситуациях) могут образоваться дополнительные горючие компоненты или конденсат из горючих веществ.

В учебных пособиях расчёт потенциальной прочности огнепреградителей осуществляется с учётом недостижимого максимального давления взрыва газовоздушной смеси. В настоящей статье предлагается учитывать не максимальное, а избыточное давление взрыва и давление детонации для расчёта запаса надёжности огнепреградителей, что устанавливается по предельному рабочему (реальному) давлению. Для достижения приближенных к реальности математических моделей следует различать результаты расчётов по определению избыточного давления взрыва и результаты по давлению детонации исследуемой газовоздушной смеси.

Для начала необходимо произвести теоретические расчёты, приближенные к реальности, по выбору оптимального материала для их изготовления.

Таблица 1 - Характеристика металлов, наиболее подходящих для создания огнепреградителей

Химическое вещество	M, (г/моль)	tплавления, К	tкипения, К	Электроотрицательность по Полингу / ПСЭ
Re	186,207	3459	5869	1,9
Zr	91,22	2125	4650	1,33
Nb	92,9	2741	5015	1,6
W	183,85	3695	5828	2,36
Fe	55,849	1812	3134	1,83
Al	26,98	933,5	2792	1,61

 

На первый взгляд более подходящим веществом для изготовления огнепреградителей является вольфрам, т.к. у него наиболее высокая температура плавления, также самая высокая электроотрицательность (табл. 1). Но с экономической стороны чистый вольфрам не выгоден, поэтому при изготовлении деталей огнепреградителей его используют как компонент легированной стали, обладающей высокой конструктивной прочностью. Легирование также позволяет повысить уровень механической устойчивости и глубину прокаливаемости и, как следствие, - повысить огнестойкость материала.

Скорость перемещения паровоздушной смеси в газопроводе имеет решающее значение для определения важного критерия эффективности - гидравлического сопротивления огнепреградителя:

  (1)

где λ — коэффициент гидравлического сопротивления слоя насадки; h — высота слоя насадки; ρ — плотность парогазовоздушной смеси; Ʋ — скорость перемещения горючей смеси в поперечном сечении насадки огнепреградителя; d_э — эквивалентный диаметр огнегасящих каналов (просветы огнепреградителя).

Эффективная насадка огнепреградителя оказывает незначительное гидравлическое сопротивление (давление) движению потока горючей смеси, это достигается оптимальной толщиной слоя самой насадки (чаще λ = от 101 до 310 Па). Высокое сопротивление имеют зернистые насадки огнепреградителей, низкое - кассетные и сетчатые насадки. Коэффициент гидравлического сопротивления (λ) зависит от важного показателя - числа Рейнольдса:

для насадки из колец и зернистой насадки (эффективно если Re > 60)

  (2)

для насадки из стеклянных и металлических шариков (эффективно если Re > 60)   (3) для металлокерамической насадки (эффективно если Re > 10 и Re < 250):   (4)

Число Рейнольдса указывает на соотношение ламинарного и турбулентного режима горения паровоздушной смеси, т.е. на возможность перехода от ламинарного горения к турбулентному за счёт установленного огнепреградителя, и определяется по изменению (по степени снижения) объёмной нормальной скорости распространения пламени газового потока в свободном поперечном сечении насадки огнепреградителя. И в этом случае для повышения эффективности защитной конструкции предлагается принимать во внимание максимальную нормальную скорость горения.

Другой критерием эффективности огнепреградителя - величина его критического диаметра. По тепловой теории гашения пламени в каналах именно небольшого диаметра возможно сохранение постоянства числа Пекле (Ре), т.е. фиксированного безразмерного значения, равного 65, указывающего на снижение теплопроводности материала и повышение теплоотведения (конвективного переноса теплоты) [1, С. 6]:

  (5)

где Ре_к — критическое значение числа Пекле; а — коэффициент теплопроводности; и_н — нормальная скорость распространения пламени.

  (6)

где λ — коэффициент теплопроводности конкретной горючей смеси (табличные данные); с_р — теплоемкость горючей смеси; ρ — плотность горючей смеси.

Подставляя (6) в (5) и решая уравнение относительно критического диаметра канала, получим:

  (7)

Если производить теоретические расчёты с обязательным соблюдением постоянства числа Пекле, то действительный диаметр канала огнегасящей насадки огнепреградителя необходимо будет взять с учетом коэффициента запаса надежности, заведомо уменьшающего вдвое критический диаметр до оптимального (действительного):

d_действ = 0,5d_кpитич   (8)

Математическая модель действия огнепреградителей с критическим диаметром канала огнегасящей насадки без учёта коэффициента запаса надёжности указывает на снижение эффективности гашения пламени на 6% за счёт повышения теплопроводности конструкции и понижения конвективного переноса теплоты.

В формуле (5) и (7) указана и_н — нормальная скорость распространения пламени. Важной особенностью параметра является то, что учитывается именно объёмная скорость перемещения фронта пламени горючего вещества относительно условной плоскости несгоревшего газа в направлении, перпендикулярном к её поверхности [3, С. 206]. Данная физико-химическая величина применяется при исследовании материального и теплового баланса любого вида горения.

Однако для пожарно-технических расчетов эффективности огнепреградителей целесообразнее использовать максимальную нормальную скорость горения в газовых смесях, в которой учитываются не только усреднённые данные нормальной скорости горения определённого класса органических веществ, но и коэффициенты, зависящие от химического состава и особенности строения горючих компонентов смеси (табл. 2):

Su = Su₀ + ∑  ^m _i ^h _i / n_с²  ,   (9)

где h_i – коэффициент, соответствующий i-й структурной группе (табл. 2); n_C -  число атомов углерода в молекуле конкретного горючего компонента; Su₀ – значение средней нормальной скорости горения класса органических веществ.

Таблица 2 -Таблица функциональных групп, структурных элементов молекул и соответствующих коэффициентов [3, С. 210]

Выводы:

1. Огнепреградители необходимо делать из металлов с наиболее высокой температурой плавления и кипения, также самой высокой электроотрицательностью;
2. Предварительные теоретические расчёты прочности огнепреградителей необходимо производить, исходя из устойчивости к избыточному давлению взрыва горючей смеси;
3. Расчёт коэффициента гидравлического сопротивления насадки огнепреградителя необходимо производить, исходя из максимальной нормальной скорости распространения пламени конкретного горючего вещества во взрывоопасной смеси;
4. Для определения действительного диаметра огнегасящей насадки необходимо уменьшать в два раза результат теоретических расчётов.

Список литературы / References

1. ГОСТ Р 53323-2009 «Огнепреградители и искрогасители. Общие технические требования. Методы испытаний» - Москва: Стандартинформ, 2009.
2. Троценко А. А. Некоторые аспекты химизма самовосгорания и самовоспламенения / Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: в 2-х ч. Ч. 1 / ФГБОУ ВО Воронежский институт ГПС МЧС России. – Воронеж, 2016. – 523 с. (С. 284-288).
3. Андреев С. Г. Экспериментальные методы физики взрыва и удара / Андреев С. Г., Бойко М. М., Селиванов В. В.— М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013.— 752 c.

Список литературы на английском языке / References in English

1. GOST R 53323-2009 «Ognepregraditeli i iskrogasiteli. Obshhie tehnicheskie trebovanija. Metody ispytanij» [«Flame-arrester and spark arrestors. General technical requirements. Test methods - Moskva: Standartinform»], 2009. [in Russian]
2. Trocenko A. A. Nekotorye aspekty himizma samovosgoranija i samovosplamenenija [Some aspects of the chemistry of fire and ignition] / Sovremennye tehnologii obespechenija grazhdanskoj oborony i likvidacii posledstvij chrezvychajnyh situacij [Modern technologies ensure civil defence and elimination of consequences of emergency situations]: v 2-h ch. Ch. 1 / FGBOU VO Voronezhskij institut GPS MChS Rossii. – Voronezh, 2016. – 523 s. (S. 284-288). [in Russian]
3. Andreev S. G. Jeksperimental'nye metody fiziki vzryva i udara [Experimental methods of physics of explosion and shock] / Andreev S.G., Bojko M.M., Selivanov V.V.— M.: FIZMATLIT, 2013.— 752 c. [In Russian]