Определение условий самовозгорания => Министерство российской федерации по делам гражданской . Обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий ....

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ

ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ

СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА

"ЗНАК ПОЧЕТА" НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ОБОРОНЫ»

 

 

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСЛОВИЙ ТЕПЛОВОГО

САМОВОЗГОРАНИЯ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

 

 

Методика позволяет определять условия теплового самовозгорания материалов на основании предварительных экспериментальных исследований. Приводятся способы расчета критических условий для скоплений вещества различной формы. Разработаны методы определения условий теплового самовозгорания отложений материала на поверхностях трубопроводов и другого технологического оборудования.

Методика предназначена для использования подразделениями ГПН и специализированными организациями. Она позволяет определять пожаробезопасные условия переработки, транспортирования и хранения самовозгорающихся веществ (на основании критического размера скопления материала, критической температуры окружающей среды, времени индукции процесса теплового самовозгорания).

Разработана сотрудниками ФГУ ВНИИПО МЧС России: д.т.н., профессором Ю.Н. Шебеко; д.т.н., профессором В.И. Горшковым; к.т.н. И.А. Корольченко; А. С. Кухтиным; В.Л. Крыловым.

Согласована с ГУГПС МЧС России письмом № 18/2/848 от 02.04.2004 г. и утверждена ФГУ ВНИИПО МЧС России 21.04.2004 г.

 

 

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

 

1.1. Аппаратура

 

Аппаратура для определения условий теплового самовозгорания включает в себя следующие элементы:

1.1.1. Термостат вместимостью рабочей камеры не менее 40 дм³ с терморегулятором, позволяющим поддерживать постоянную температуру от 60 до 500 °С с погрешностью не более 2 °С.

1.1.2. Корзиночки кубической или цилиндрической формы высотой 15, 30, 35, 50, 70, 140 и 200 мм. Диаметр цилиндрической корзиночки должен быть равен ее высоте. Материалом для корзиночек служит сетка из латуни или нержавеющей стали для сыпучих материалов (с размером ячеек не более 1 мм) или листовая нержавеющая сталь толщиной не более 1 мм - для плавящихся веществ.

1.1.3. Термоэлектрические преобразователи (термопары ТХА и ТХК) с максимальным диаметром рабочего спая не более 0,8 мм.

1.1.4. Измеритель термоэлектродвижущей силы, позволяющий осуществлять визуализацию изменений температуры образца материала во времени с записью на бумажном или электронном носителе.

1.1.5. Весы лабораторные с наибольшим пределом взвешивания 1000 г и точностью взвешивания 0,01 г.

 

1.2. Подготовка и проведение испытаний

 

1.2.1. К корзинкам крепят по три термоэлектрических преобразователя таким образом, чтобы один конец одной термопары находился внутри корзинки в ее центре, а второй - на расстоянии не более 5 мм от внешней ее стороны (на высоте центра корзинки). Эти термопары соединяют по дифференциальной схеме, с тем чтобы они измеряли разность температур между образцом материала и температурой рабочей камеры. Для фиксирования температуры в термостате рабочий конец третьей термопары располагают на расстоянии (30±1) мм от стенки корзинки на высоте ее центра.

1.2.2. Корзинки заполняют исследуемым веществом и взвешивают на весах. При испытаниях листового материала его набирают в стопку, соответствующую внутренним размерам корзинки. В образцах монолитных материалов предварительно высверливают до центра отверстие диаметром (7±5) мм для термоэлектрического преобразователя.

1.2.3. Свободные концы термопреобразователей подсоединяют к измерителю термоэлектродвижующей силы для регистрации изменения разности температур в центре образца и температуры в рабочей камере термостата. За температуру испытания принимают показания термоэлектрического преобразователя, расположенного на расстоянии 30 мм от образца.

1.2.4. Корзинку помещают в центр термостата, нагретого до заданной температуры (например, 200 °С) и наблюдают за изменением температуры в центре образца. 

1.2.5. Самовозгорание образца проявляется при резком увеличении разности температур, фиксируемой дифференциальной термопарой, до величины более 100 °С или плавном росте температуры до величины, превышающей значение температуры самовоспламенения вещества.

1.2.6. Если при первом испытании самовозгорание не происходит в течение времени, указанного в табл. 1, то испытание с новым образцом материала того же размера проводят при температуре на 20 °С больше заданной. Если самовозгорание произошло, то испытание проводят при температуре на 10 °С меньше.

 

Таблица 1

 

Размер образца, мм	Продолжительность испытаний, ч
35	6
50	12
70	24
100	48
140	96
200	192

 

1.2.7. Испытания продолжают с образцами данного размера при различной температуре рабочего пространства термостата до достижения минимальной температуры, при которой образец самовозгорается. При уменьшении температуры ниже минимальной на 1 °С самовозгорания не должно происходить. При этих температурах выполняют по два эксперимента. Минимальную температуру, при которой исследуемый материал самовозгорается, принимают за температуру самовозгорания образца данного размера.

1.2.8. Аналогичные испытания проводят с образцами исследуемого вещества в корзинках других размеров. Результаты испытаний оформляются в виде табл. 2.

 

Таблица 2

 

 

Размер образца, мм	Температура самовозгорания
	°С	К

 

2. РАСЧЕТ УСЛОВИЙ ТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА

 

2.1. Определение параметров кинетического уравнения реакции окисления

 

Исходными данными для определения параметров кинетического уравнения реакции окисления являются:

• данные табл. 2 для критической температуры самовозгорания Т₀ (К) образцов размером D, м;

• коэффициент теплопроводности материала l, Вт/(м × К);

• теплоемкость исследуемого материала с, Дж/(кг × К);

• теплота реакции Q, Дж/кг.

Расчет предэкспоненциального множителя и энергии активации реакции окисления выполняется в следующем порядке.

2.1.1. Для каждого размера образца рассчитать число Рэлея по уравнению

(1)

где g - ускорение силы тяжести, м/с²; n - кинематическая вязкость воздуха при температуре T₀, м²/с; а - температуропроводность воздуха при температуре T₀, м²/с; D - высота образца, м; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль×К); T₀ - температура рабочего пространства термостата, К; Е - энергия активации реакции окисления. В первом приближении допускается принимать равной 100 кДж/моль.

Для облегчения расчетов зависимость комплекса g/na от температуры в диапазоне T₀ = (350-800) К может быть рассчитана по формуле

(2)

2.1.2. Для всех размеров образцов вычислить коэффициенты теплоотдачи a по уравнениям:

при 5 × 10² < Ra £ 2 × 10⁷

(3)

при Ra >2 × 10⁷

(4)

где s = 5,67 × 10^-8 - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м² × К⁴).

Зависимость коэффициента теплопроводности воздуха от температуры может быть определена по формуле

l_в = 6,98 × 10^-3 + 6,41 × 10^-5Т₀. (5)

2.1.3. По величине a, коэффициенту теплопроводности материала l и половине высоты r = D/2 вычисляют критерии Био для каждого образца:

(6)

2.1.4. Функцию j(Вi), учитывающую интенсивность теплообмена образца с воздухом, определяют по уравнению

(7)

2.1.5. Рассчитывают параметры b и g, характеризующие индивидуальные свойства реакции окисления:

(8)

(9)

где с - теплоемкость материала, Дж/(кг×К), a Q - теплота реакции окисления, Дж/кг.

2.1.6. С учетом интенсивности теплообмена и особенностей реакции для каждого размера образца материала рассчитывают критическое значение параметра Франк-Каменецкого:

d_кр = d₀j (Bi) (1 + b) (1 + 2,4g^2/3), (10)

где d₀ - критическая величина параметра d при интенсивном теплообмене, равная 2,52 для образцов кубической формы и 2,76 для цилиндра с высотой, равной диаметру.

Результаты вычислений по формулам (1)-(10) сводят в табл. 3.

 

Таблица 3

 

Размер r, м	Т0, К	Ra	a, Вт/(м2×К)	Bi	j(Bi)	b	g	dкр

 

2.1.7. Зависимость критического значения параметра Франк-Каменецкого d_кр от кинетических параметров реакции окисления

(11)

записывают в виде

(12)

где (13)

(14)

r - плотность упаковки материала, кг/м³; k₀ - константа скорости реакции, 1/с.

2.1.8. По уравнению (13) для каждого размера образца рассчитывают величину М. С учетом значений М и N по уравнению (12) методом наименьших квадратов или программ обработки экспериментальных данных для персональных компьютеров Eureka, Curve Expert 1.3, Mathematica 3.0, Mathematica 4.0 и других определяют численные значения N и энергию активации Е.

2.1.9. Вычисляют предэкспоненциальный множитель реакции окисления Qk₀/l путем деления N на Е. Данные расчетов по уравнениям (12)-(14) сводят в табл. 4.

 

Таблица 4

 

Размер r, м	T0, К	М, Дж × м × К кг×моль	N, Дж × м × К кг×моль	Е, Дж/моль	Qk0/l, м×К/кг

 

2.1.10. Если величина энергии активации, вычисленная в п. 2.1.8, отличается от ранее принятой и равной 100 кДж/моль более чем на 5 %, расчеты по пп. 2.1.1-2.1.10 необходимо повторить с новым значением энергии активации. Процесс итераций необходимо выполнять до тех пор, пока энергии активации в начале и конце расчета не будут отличаться менее чем на 5 %.

 

2.2. Расчет критической температуры

 

Исходными данными для расчета критической температуры при хранении и транспортировании веществ и материалов являются:

• форма и размеры упаковки материала;

• плотность упаковки материала, кг/м³;

• коэффициент теплопроводности материала l, Вт/(м × К);

• теплоемкость исследуемого материала с, Дж/(кг × К);

• теплота реакции Q, Дж/кг;

• энергия активации Е реакции окисления, Дж/моль;

• предэкспоненциальный множитель Qk₀/l, м × К/кг.

Расчет выполняется в следующем порядке.

2.2.1. Для заданной формы упаковки материала из табл. 5 выбрать или рассчитать в соответствии с прил. 1 величину критерия Франк-Каменецкого d₀.

2.2.2. Подставив полученную величину в уравнение (11) вместо d_кр и решив его относительно Т₀, найти нулевое приближение для температуры самовозгорания.

2.2.3. По формуле (1) п. 2.1.1 вычислить значение критерия Рэлея для заданного размера упаковки материала.

2.2.4. Рассчитать коэффициент теплоотдачи по уравнению (4) и величину критерия Био по формуле (6).

2.2.5. Определить численное значение функции j(Bi) по уравнению (7).

2.2.6. По формулам (8) и (9) найти величину параметров b и g.

2.2.7. Рассчитать критическое значение параметра Франк-Каменецкого по уравнению (10).

2.2.8. Подставить величину d_кр в уравнение (11) и найти новое значение температуры Т₀.

2.2.9. Используя это значение Т₀, повторить расчет параметров по пп. 2.2.2-2.2.8.

2.2.10. Указанную процедуру расчета продолжать до тех пор, пока предыдущее и последующее значения температуры не будут отличаться друг от друга менее чем на 1 °С. За критическую температуру принимается результат последнего расчета.

 

 

 

Таблица 5

 

Форма тела	d0
Бесконечная пластина толщиной 2r	0,88
Бесконечный цилиндр радиусом r	2,00
Бесконечный квадратный стержень, сторона 2r	1,70
Сфера радиусом r	3,32
Цилиндр радиусом r высотой 2r	2,76
Куб, высота 2r	2,52
Тетраэдр, радиус вписанной сферы r, сторона 2а = 2r	2,23
Полусфера	6,27

 

Примеры расчетов приведены в прил. 2.