Лабораторна робота № 2

 

Зміна тиску вибуху газоповітряної суміші від її складу

 

Мета роботи. Розрахунковим і експериментальним методами вивчити вплив складу горючої газоповітряної суміші на тиск вибуху.

 

Зміст роботи. 1. Розрахунковим методом визначити адіабатичну температуру і максимальний тиск вибуху газоповітряної суміші різного складу.

2. Експериментально визначити тиск вибуху газоповітряної суміші в замкнутому об’ємі.

3. За розрахунковими та експериментальними результатами побудувати графік залежності тиску вибуху від складу суміші.

4. За отриманими даними зробити висновки.

 

Введення. При вибуховому згорянні газопаровоздушних суміші (кінетичний режим) в замкнутому об’ємі відбувається підвищення тиску. Коли тиск досягає межі міцності, настає руйнування елементів конструкцій будівель, споруд, апаратів. Тиск вибуху є важливим параметром, який необхідно враховувати при проектуванні конструкцій, які легко руйнуються, перевірках на міцність апаратів, запобіжних мембран, клапанів і т.д.

Швидкість наростання тиску пропорційна швидкості кінетичного горіння газоповітряної суміші, яка може становити від декількох сантиметрів в секунду в ламінарному режимі горіння до сотень метрів в секунду при турбулентному режимі.

Зростання тиску відбувається головним чином у результаті підвищення температури від початкової до температури вибуху, тобто до максимальної температури продуктів реакції. Для вибухів стехіометричних сумішей тиск вибуху можна розрахувати за формулою:

 

                                              (2.1)

 

де  – початковий тиск газоповітряної суміші, Па, атм;

 – початкова температура газоповітряної суміші, К;

– адіабатична температура вибуху, К;

 – теоретичний об’єм продуктів горіння, кмоль/кмоль, м³/м³;

 – об’єм горючої речовини, кмоль/кмоль, м³/м³;

a – коефіцієнт надлишку повітря;

 – теоретичний об’єм повітря, необхідний для згорання одиниці об’єму горючої речовини, кмоль/кмоль, м³/м³.

 

Порядок виконання роботи

1. Заповнюється таблиця вихідних даних.

Таблиця 2.1

№ п/п	Параметр	Значення параметра
1	Горючий газ
2	Концентрація газу в повітрі, % об.
3	Початкова температура, оС
4	Атмосферний тиск, Па

 

Горючий газ і його концентрація в повітрі задаються викладачем, температура і атмосферний тиск визначаються за відповідними  приладами в лабораторії.

2. Розрахункова частина.

2.1. Розрахунок обсягу продуктів горіння і коефіцієнта надлишку  повітря.

При згорянні стехіометричної суміші, коефіцієнт надлишку повітря  α = 1, з цього обсяг продуктів горіння дорівнює теоретичному, тобто:

 

При згорянні сумішей, коли α ˃ 1,

 

+

де  – надлишок повітря

 

            Коефіцієнт надлишку повітря при відомій концентрації горючої речовини (φ_п) визначається за рівнянням:

 

2.2. Розрахунок адіабатичної температури вибуху газоповітряної суміші проводиться з рівняння теплового балансу.

Точне значення Т_виб⁰ розраховують методом послідовних наближень, використовуючи значення внутрішньої енергії продуктів горіння.

Наближено Т_виб⁰ можна розрахувати за рівнянням

де  – теплоємність при постійному об’ємі i-го продукту вибуху кДж/(моль×К).

 

2.3. Розрахунок тиску вибуху проводиться за рівнянням (2.1). наприклад, розрахувати тиск вибуху бутаноповітряних сумішей: стехіометричної (3,1%) і збідненої (2,0%) концентрації. Припустимо, що в п. 2.2 при розрахунку температури вибуху отримані відповідні значення для стехіометрії 2200 ^оС і для збідненої суміші 1300 ^оС. З рівняння горіння слідує:

 

С₄Н₁₀ + 6,5 О₂ + 6,5×3,76 N₂ = 4 CО₂ + 5 Н₂О +6,5×3,76 N₂.

 

Для стехіометрії:

a=1; V_г=1 кмоль/кмоль; V_пг^о=4+5+6,5×3,76=33,44 кмоль/кмоль

V_в^о=6,5+6,5×3,76=30,94 кмоль/кмоль.

Для збідненої суміші з концентрацією бутану 2% об.:

 

a ==1,58

 

= 30,94×(1,58-1) = 17,94 кмоль/кмоль.

V_пг = 33,44 + 17,94 = 51,38 кмоль/кмоль.

Тиск вибуху для стехіометричної суміші:

 

Р_стех= =8,8 атм

Тиск вибуху для збідненої суміші:

Р_бід= =5,5 атм

 

Результати розрахунку заносяться в таблицю.

Таблиця 2.2

№ п/п	Концентрація горючої речовини в повітрі, % об.	Адіабатична температура вибуху, оС	Тиск вибуху, атм
1
2
3

 

3. Експериментальна частина .

Експериментальна установка (рис. 2.1.) складається з вибухової посудини-бомби постійного об’єму 1, забезпеченою електродами 2 для іскрового запалювання горючої суміші через високовольтний генератор 3,

підключається до електричної мережі.

У корпус бомби вмонтований датчик тиску 4, який через аналоговий цифровий перетворювач 5 з’єднаний з комп’ютером 6, на якому з допомогою програмного забезпечення показання датчика перетвориться в графічну залежність зміни тиску в посудині у часі – Р = f (t).

Посудина через крани 7 і 8 з’єднана з атмосферою і манометром 13, через кран 9 і триходовий кран 10 з вакуумметром 11 і вакуумним насосом 12. Концентрація горючого газу (φ_п)  у вибуховій посудині дорівнює

                                                         (2.7)

де Р_п – тиск горючого газу в посудині, Па;

Р_о – атмосферний тиск, Па.

З (2.7) за заданим значенням концентрації (табл. 2.1) визначається необхідний тиск горючого газу

 

      

Рис. 2.1. Схема експериментальної установки:

1 – посудина для вибуху; 2 – електроди запалювання; 3 – генератор; 4 – датчик тиску; 5 – аналогово-цифровий перетворювач; 6 – комп’ютер; 7, 8, 9 – крани; 10 – триходовий кран; 11 – вакуумметр; 12 – вакуумний насос; 13 – манометр. А – посудина з’єднана з вакуумним насосом; В – посудина з’єднана з вакуумметром.

 

Результати заносяться в таблицю експериментальних даних.

 

Таблиця 2.3

№ п/п	Концентрація горючого газу в в бомбі, % об.	Тиск горючого газу в бомбі, Па	Максимальний тиск за показами приладу (тиск вибуху, Па)
1
2
3

 

Дослід проводиться в наступному порядку.

3.1. У положенні А триходового крана 10 і закритому крані 8 проводиться чотириразове вакуумування посудини 1 з періодичним відкриванням і закриванням крана 7, тим самим посудину звільняють від продуктів вибуху.

3.2. При закритих кранах 7 в посудині створюється розрідження і кран переводиться в положення В – з’єднується з вакуумметром, покази якого відзначаються.

3.3. До крану 7 підключають посудину з горючим газом і при його повільному відкриванні запускається необхідну кількість газу:

=

де Р_п – початкове показання вакуумметра, Па;

Р_к – кінцеве показання вакуумметра, Па .

3.4. Перекривається кран 9 , від’єднується від крана 7 посудину з газом і кран 7 відкривається у атмосферу.

3.5. Закривається кран 7, включається кнопка іскрового розрядника 3, газоповітряна суміш запалюється. Зміна тиску в посудині фіксується на моніторі комп’ютера 6. Тиск вибуху суміші даної концентрації заноситься в табл. 2.2.

3.6. Приступають до наступного досвіду з іншого концентрацією горючого газу в послідовності пп. 3.1-3.5.

За даними таблиць 2.2 і 2.3 будується графік залежності тиску вибуху від концентрації горючого газу в газоповітряної суміші.

 

Контрольні питання

1. Що називається вибухом ?

2. За рахунок яких чинників в замкнутому об’ємі зростає тиск?

3. Розрахуйте тиск у посудині при вибуху горючого газу А стехіометричної концентрації та охолодженні продуктів до початкової температури.

4. Як зміниться тиск вибуху при додаванні в горючу суміш інертного газу?

5. Як зміниться тиск вибуху при заміні повітря на кисень?

6. При якій концентрації горючого газу А тиск вибуху буде максимальним:

– у повітрі,

– в кисні ?

7. Вкажіть інтервал концентрацій газу А в повітрі при впливі джерела запалювання, якщо тиск не буде змінюватися.