Устройство для определения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях, соответствующих невесомости
DEVICE FOR DETERMINING CONCENTRATION LIMITS OF FLAME PROPAGATION BY GAS MIXTURES UNDER CONDITIONS CORRESPONDING TO WEIGHTLESSNESS

Изобретение относится к области обеспечения пожаровзрывобезопасности и предназначено для определения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях пониженной интенсивности естественно-конвективного движения газовой среды, в том числе в условиях, соответствующих невесомости, и может быть использовано при разработке средств и способов обеспечения пожаровзрывоопасности объектов транспорта, объектов нефте - газохимической промышленности, атомных электростанций, объектов ракетно-космической техники и других объектов, на которых обращаются горючие газы.
В заявляемом техническом решении камера горения выполнена в виде цилиндра, соединенного с системой подачи газовой смеси заданного состава в центральную зону камеры горения через один из ее торцов, а противоположный торец камеры горения выполнен из прозрачного материала, при этом высота камеры горения для определения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях пониженной интенсивности естественно-конвективного движения газовой среды и в условиях, соответствующих невесомости, устанавливается исходя из найденного соотношения. Торцевые стенки камеры горения располагаются при определении концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям строго горизонтально.
Известны работы, касающиеся экспериментальных исследований процессов горения различных горючих систем и определения концентрационных пределов распространения пламени по полимерным материалам и газовым смесям в условиях невесомости, которые могут рассматриваться в качестве аналогов данного изобретения.
В работах (Bolodian I.A., Melikliov A.S., Tanklevskiy L.T. Automatic fire-extinguishing system for inhabited pressurized compartments of manned spacecraft. Journal Acta Astronautica. Volume 135, June 2017, Pages 100-108; Bolodian I.A., Melikliov A.S., Tanklevskiy L.T. Fire safety arrangement of inhabited pressurized compartments of manned spacecraft. Journal Acta Astronautica. Volume 135, June 2017, Pages 92-99.) представлены результаты изучения предельных условий горения полимерных материалов в невесомости на борту долговременной орбитальной станции «Мир».
lim
Работы посвящены исследованию пределов горения полимерных материалов по скорости потока V в невесомости.
Применяемые при этом технические решения не могут быть использованы для определения значений концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях невесомости по следующим причинам.
Экспериментальная установка «Скорость», доставленная на станцию «Мир» для изучения предельных условий горения полимерных материалов в невесомости (Bolodian I.A., Melikliov A.S., Tanklevskiy L.T. Automatic fire-extinguishing system for inhabited pressurized compartments of manned spacecraft. Journal Acta Astronautica. Volume 135, June 2017, Pages 100-108.), имеет средства подачи в камеру горения азотно-кислородной газовой среды, обогащенной кислородом, но не оснащена системой подачи в камеру горения горючей газовой смеси заданного состава.
Камера горения экспериментальной установки «Скорость» имеет прямоугольное сечение. Такое решение принято для обеспечения возможности воздействия на горящий образец полимерного материала одномерным потоком и фиксирования процесса горения образцов полимерных материалов видеокамерами в невесомости с двух взаимно перпендикулярных позиций через взаимно перпендикулярные окна.
Анализ показывает, что экспериментальная установка «Скорость» непригодна для определения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям по следующим причинам.
В камере горения прямоугольного сечения сферическое пламя при горении газовой смеси в условиях невесомости будет искажаться из-за несоответствия прямоугольной формы камеры горения и сферически развивающегося пламени и одностороннего стока продуктов сгорания из пламени. Это может приводить к ошибкам при определении концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях невесомости.
Работы по изучению процессов горения полимерных материалов на борту долговременной орбитальной станции являются трудоемкими и дорогостоящими. Работы на борту долговременной орбитальной станции или другого космического корабля по экспериментальному исследованию предельных условий горения газовых смесей оцениваются еще более трудоемкими и дорогостоящими, чем работы по изучению предельных условий горения полимерных материалов.
В работах (Мелихов А.С., Потякин В.И. О предельных условиях горения твердых веществ в невесомости. «Химическая физика процессов горения и взрыва». Материалы 6-го Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Алма-Ата, 23-26 сентября 1980 г. - С. 48-51; Мелихов А.С., Потякин В.И., и др. О предельных режимах горения полимеров в отсутствии естественной конвекции. В журнале «Физика горения и взрыва», №4, 1983. - С. 27-30) представлены результаты изучения предельных условий горения полимерных материалов в невесомости, создаваемой при свободном падении камеры горения с горящим образцом материала.
lim
Работа посвящена исследованию пределов горения полимерных материалов по скорости потока - V в невесомости.
Экспериментальная установка со свободнопадающей камерой горения не может быть предельно эффективно использована для определения значений концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям разного состава в условиях невесомости и, особенно для изучения механизма возникновения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям, из-за ограниченного времени существования невесомости при свободном падении камеры горения.
3
В работе (Stationary Premixed Flames in Spherical and Cylindrical Geometries. Ronney P.D., University of Southern California, Los Angeles, California 90089 and Whaling K.N., Abbud-Madridt A., Gatto J.L., Pisowicz V.L. Princeton University, Princeton, New Jersey 08544. AIAA Journal. Vol. 32, No. 3, March 1994. Pages 569-577) представлены результаты изучения предельных условий горения водородо-воздушных смесей в невесомости, создаваемой при свободном падении камеры горения. Экспериментальная установка включает герметичнозакрывающуюся камеру горения диаметром 25 см и длиной 25 см. Зажигание водородо-воздушных смесей в опытах при изучении предельных условий их горения в невесомости производится электрическим разрядом. Развитие очага горения водородо-воздушных смесей фиксировалось видеоаппаратурой. В экспериментах обеспечивалось существование состояния невесомости в течение 2,2 с. Поскольку пламя при горении водородо-воздушных смесей имеет голубой цвет и практически не фиксируется видеоаппаратурой, визуализация пламени производилась за счет добавления в готовящиеся для опытов водородо-воздушные смеси хладона 13 В1 (химическая формула: CFBr) в количестве, при котором образующееся в результате термической деструкции хладона свободные радикалы углерода и молекулы воды объединяются и делают пламя видимым, но не подавляется процесс горения водородо-воздушных смесей. Эксперименты проводились с водородо-воздушными смесями при концентрациях водорода в смеси, близким к концентрационным пределам распространения пламени по водородо-воздушным смесям -от 3,35% и более. При развитии очага горения водородо-воздушных смесей наблюдалась форма пламени, близкая к сферической. При определении концентрационных пределов горения водородо-воздушных смесей в невесомости было обнаружено явление, при котором фронт шарового пламени распадался на фрагменты в виде сфер диаметром в среднем около 1 см и/или несколько меньшим, в зависимости от концентрации водорода в водородо-воздушной смеси. В представленной работе фрагментирование пламени обсуждается как один из важных признаков механизма образования концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям.
Ограниченное время существования невесомости при свободном падении камеры горения не позволяет проследить завершение процесса горения газовых смесей, в частности, деградации фрагментов пламени в виде мелких сфер, их объединение друг с другом, и других процессов, протекающих при горении газовых смесей.
Кроме этого работы по изучению процессов горения на экспериментальных установках со свободнопадающей камерой горения являются также трудоемкими и дорогостоящими. Это ограничило получение данных о концентрационных пределах распространения пламени по газовым смесям в условиях невесомости, в частности, при высоких концентрациях горючих газов, то есть на верхних пределах распространения пламени.
В связи с изложенным, безусловно важным является разработка средств и способов экспериментального исследования предельных условий горения газовых смесей при длительном времени существования состояния, соответствующего невесомости, работа с которыми являлась бы малотрудоемкой и недорогостоящей.
lim
Известно устройство для определения пределов горения полимерных материалов по скорости потока V для условий невесомости методом физического моделирования процесса горения материалов в невесомости при наличии силы тяжести-в наземных условиях (Патент России №2116093. МПК А62С 3/08, B64G 9/00. Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости. Авторы: Мелихов А.С., Иванов А.В., Потякин В.И. Приоритет от 05.12.1995 г. Опубликован службой ФИПС Роспатента 27.07.1998. Бюл. №21).
Данное техническое решение принято за прототип заявляемого устройства.
k
k
ох
en
Устройство-прототип включает в себя камеру горения, выполненную в виде плоского горизонтально расположенного канала с определенной высотой - h. Камера горения выполнена из двух плоских параллельно размещенных пластин. С помощью одной из подвижных пластин обеспечено изменение высоты камеры горения - h. В камере горения с помощью смесителя газов создаются заданные расход газовой смеси и концентрация в ней кислорода. В опытах используются образцы полимерных материалов в виде пластины или цилиндра. Образец материала размещается в камере горения по оси ее симметрии. Образец материала зажигается газовой горелкой или электрической спиралью. Высота камеры горения в опыте в зависимости от концентрации кислорода в газовой смеси С и ее давления P, при которых предполагается испытывать материал, устанавливается исходя из соотношения:
ох
en
o
o
en
g
где С - объемная доля кислорода в газовой среде; Р=P/P - величина, характеризующая давление газовой среды; P - атмосферное давление, МРа; P - давление газовой среды в опыте, МРа; K - эмпирический коэффициент - функция ускорения силы тяжести.
lim
k
Формула (1) была составлена на основании результатов анализа зависимостей предела горения по скорости потока V полимерных материалов от высоты камеры горения h, полученных на устройстве-прототипе и на устройстве со свободно падающим контейнером (Болодьян И.А., Иванов А.В., Мелихов А.С. Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации. Материалы 5-го симпозиума Азии-Океании по науке и технике пожара, г. Ньюкасл, Австралия, 3-6 декабря 2001. - С. 195-204.).
lim
k
k
k
lim
k
k
lim
k
Эксперименты работы (Патент России №2116093. Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости. Авторы: Мелихов А.С, Иванов А.В., Потякин В.И.. Приоритет изобретения от 05.12.95 г. Опубликован службой ФИПС Роспатента. 27.07.98. Бюл. №21.) показали следующее. Зависимости значений V от h, полученные на устройстве-прототипе, имеют перегиб, отделяющий участок зависимости при малых значениях h, где тепловые потери из зоны горения в горизонтальные стенки камеры горения существенны, от участка зависимости - при больших значениях h, где тепловые потери в стенки несущественны. Эксперименты на устройстве со свободно падающим контейнером (в истинной невесомости) показали, что зависимости V от h также имеют перегиб при тех же значениях h, что и зависимости V от h, полученные на устройстве-прототипе.
k
lim
Отсутствие влияния теплопотерь в горизонтальные стенки камеры горения при рабочем значении h на процесс горения при определении значений V материалов доказано, во-первых, следующим.
lim
lim
k
lim
Исследования (Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. / «О расчете предельных условий горения полимерных материалов». // В сб. научн. тр. «Пожарная профилактика». -М.: ВНИИПО МВД СССР. 1977. Вып. 13. - С. 81-88.) показали, что значение C у всех материалов сильно зависит от теплопотерь из зоны горения. В тоже время, предел горения по концентрации кислорода C органического стекла, определенный с помощью устройства-прототипа - в плоском канале с рабочей высотой h, практически совпадает со значением Сит, определенным в большом пространстве, где стенки удалены от пламени на несколько сантиметров и не могут влиять через теплопотери на значение C (Болодьян И.А., Иванов А.В., Мелихов А.С. Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации. Материалы 5-го симпозиума Азии-Океании по науке и технике пожара, г. Ньюкасл, Австралия, 3-6 декабря 2001. - С. 195-204.).
Отсутствие теплопотерь из зоны горения в плоском канале на уровне, влияющем на значения пределов горения, подтверждается также следующим.
В смеси с воздухом практически все горючие газы и пары (этан, бутан, пропан, метан, сероводород, ацетон, метанол, и др.) имеют значения безопасного экспериментального максимального зазора, близкие к 1 мм (Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. / Справочник в 2-х книгах под ред. А.Н. Баратова и др. //-М.: «Химия». 1990.-970 с). Самотушение пламени горючей смеси, продвигающемся в плоском зазоре происходит за счет теплопотерь из пламени в стенки, образующий зазор. То есть, в плоском горизонтально расположенном канале, при горении указанных смесей теплопотери значительны из пристеночного слоя газа толщиной, равном не более 0,5 мм.
А условия, адекватные условиям невесомости в плоском горизонтально расположенном слое, согласно соотношению (1), имеют место при высоте слоя до значения, равного 7 мм, включительно.
k
То есть, при высоте камеры горения h, определенной, например, с помощью соотношения (1), теплопотери из зоны горения отсутствуют и как будет показано ниже, отсутствуют также естественно-конвективное движение газовой среды при горении.
k
То есть в камере горения устройства-прототипа высотой h, определенной с помощью, например, соотношения (1), созданы условия для определения параметров процесса горения, адекватных определенным в невесомости.
Однако данное техническое решение не предусматривает использование его для для определения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях, соответствующих невесомости.
Устройство - прототип не может быть использовано для определения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях, соответствующих невесомости, по следующим причинам.
lim
lim
В устройстве-прототипе определение предела горения полимерных материалов по скорости потока для условий невесомости V, производится при непрерывной подаче в камеру горения окислительной среды для создания в камере горения постоянного потока, обеспечивающего поставку окислителя в зону горения материала, так как горение материалов в невесомости происходит при скорости потока, превышающей значение V, материала.
Подача в камеру горения смеси горючих газов с окислительной средой не предусмотрена. При определении концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях, соответствующих невесомости, нет необходимости в подаче в камеру горения окислительной среды, так как окислитель уже находится в самой газовой смеси.
При этом в устройстве-прототипе не обеспечено требование к круговой симметрии камеры горения, при которой происходит круговое распространение фронта пламени. Сток продуктов горения из камеры горения в устройстве-прототипе производится только со стороны, противоположной подаче окислительной среды.
При произвольной форме камеры горения в плане и отсутствии круговой симметрии проемов для стока продуктов горения в камере горения при горении газовой смеси будет происходить искажение кругового фронта пламени, что неизбежно приведет к ошибке при определении концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям.
Целью настоящего изобретения является разработка устройства, которое позволяет определять концентрационные пределы распространения пламени по газовым смесям для условий, соответствующих условиям невесомости, в экспериментах при действии силы земного притяжения или притяжения другой планеты.
Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в устройстве для определения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях, соответствующих невесомости, содержащем камеру горения с плоскопараллельными стенками, установленными перпендикулярно вектору силы тяжести планеты, одна из которых выполнена с возможностью плоскопараллельного перемещения для изменения высоты камеры горения, для определения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях, соответствующих невесомости, при действии силы тяжести планеты, камера горения выполнена в виде цилиндра с введенными в камеру горения электродами для зажигания газовой смеси высоковольтным разрядом, которая соединена с системой подачи газовой смеси заданного состава в центральную зону камеры горения через один из ее торцов, при этом противоположный торец камеры горения выполнен из прозрачного материала, а высота камеры горения устанавливается исходя из соотношения:
k.lim
где h - высота камеры горения в эксперименте с газовой смесью заданного состава, м;
h
en.gm
2
2
K - коэффициент, с/м; ν - кинематическая вязкость газовой среды в зоне горения газовой смеси, м/с.
Технический эффект, реализуемый заявляемым устройством для определения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях, соответствующих невесомости, обуславливается следующим.
Выполнение камеры горения в виде цилиндра с плоскопараллельными стенками, установленными перпендикулярно вектору силы тяжести планеты, с одним из торцов камеры горения, выполненным из прозрачного материала, и выполнение камеры горения высотой, устанавливаемой исходя из приведенного соотношения, позволяет определять концентрационные пределы распространения пламени по газовым смесям для условий, соответствующих условиям невесомости, в экспериментах при действии силы земного притяжения или притяжения другой планеты.
Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения являются новыми и отвечают критерию «новизна».
При определении соответствия отличительных признаков предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень» был проанализирован уровень техники и, в частности, известные способы и устройства, относящиеся к техническим решениям, связанным с определением пределов горения для условий, соответствующих условиям невесомости.
Известны способ и устройство для определения нижнего предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости (Патент России №2318559. Способ определения нижнего предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости и устройство по его реализации. Авторы: Мелихов А.С., Потякин В.И. Приоритет изобретения от 05.12.95 г. Опубликован службой ФИПС Роспатента 10.03.2008. Бюл. №7).
Сущность данного способа заключается в снижение интенсивности естественной конвекции в камере сгорания образца испытываемого материала до состояния, соответствующего условиям невесомости, за счет установления определенной высоты камеры сгорания в зависимости от давления среды и концентрации кислорода в среде, в которой проводится испытание материала и обеспечение движения горящего образца материала с заданной при испытании скоростью относительно покоящейся газовой среды в камере сгорания.
Устройство по данному способу содержит камеру сгорания, образованную плоскими горизонтально расположенными стенками, в которой образец материала установлен на каретке, соединенной с приводом ее перемещения в камере сгорания с заданной скоростью в покоящейся окислительной газовой среде, при этом высота камеры сгорания устанавливается исходя из соотношения:
ох
en
o
o
en
g
где С - объемная Доля кислорода в газовой среде; Р=P/P - член, характеризующий давление газовой среды; P - атмосферное давление, МПа; P - давление газовой среды в опыте, МПа; K - эмпирический коэффициент - функция ускорения силы тяжести.
Данный способ не решает задачи, поставленные перед заявляемым техническим решением.
Камера горения устройства имеет прямоугольное сечение. Такое решение принято в связи с тем, что для определения нижнего предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости с помощью данного устройства необходимо, чтобы горящий образец материала, установленный на каретке, перемещался с помощью привода в камере горения с заданной скоростью в покоящейся окислительной газовой среде достаточно длительное время. Поэтому камера горения, имеющая прямоугольное сечение, является продолговатой.
Сток продуктов горения из камеры горения в устройстве не предусмотрен.
При данной форме камеры горения в плане и проемов для стока продуктов горения в камере горения при горении газовой смеси будет происходить искажение кругового фронта пламени, что приведет к ошибке при определении концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям.
Поэтому данные способ и устройство непригодны для определения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям.
Анализ других технических решений показал, что известные способы и устройства не решают отмеченные ранее задачи, решаемые заявляемым способом и устройством.
При реализации заявляемого технического решения необходимо учитывать следующие сведения.
Решение теоретических и практических вопросов, касающихся определения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям предполагает исследование предельных условий горения газовых смесей в невесомости, как важного средства изучения механизма возникновения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям (Paul D. Ronney. Near-Limit Flame Structures at Low Lewis Number. Combustion and Flame, 82: 1-14, 1990. Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Princeton University, Princeton NJ 08544).
Концентрационными пределами распространения пламени по газовым смесям являются нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени-минимальная и максимальная концентрации горючего газа в окислительной среде, при которых происходит воспламенение смеси от высокоэнергетического источника и последующее распространение горения на весь объем смеси.
Предполагаемое изобретение основано на фундаментальных закономерностях процессов тепло-массообмена в плоских каналах и результатах исследования предельных условий горения материалов в невесомости. Известно (Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: 1972. - С. 32-61.; Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: 1977. - С. 90-93.), что уменьшение высоты плоского газового слоя, заключенного между горизонтально расположенными плоско параллельными пластинами, образующих газовый слой ограниченной высоты, позволяет осуществлять процесс тепломассопередачи, эквивалентный кондуктивному (молекулярному).
Подтверждение отсутствия в плоском канале естественно-конвективного движения газовой среды при горении доказывается изображениями зоны горения твердых неметаллических материалов, показанными на фиг. 1 и фиг. 2. Результаты данных экспериментальных исследований опубликованы (Мелихов А.С, Потякин В.И., и др. / О предельных режимах горения полимеров в отсутствии естественной конвекции. // В журнале «Физика горения и взрыва», №4, 1983. - С. 27-30.; Мелихов А.С, Никитенко И.Н., Штепа А.В. / Исследование процесса тления материалов. // В сб. научн. тр. «Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение конденсированных систем. Материалы 9-го Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву». Суздаль, 19-24 ноября 1989. - С 110-112.).
lim
На фиг. 1 показана фотография картины горения образца 1 органического стекла в плоском канале высотой, определенной по соотношению (1), при движении образца влево со скоростью, превышающей значение V органического стекла при заданных в опыте значениях параметров газовой среды, при которой обеспечивается окислителем существование пламени 2.
Видно, что пламя 1 горящего образца 2, в данном случае органического стекла, в вертикальном разрезе является по форме симметричным относительно оси симметрии плоского канала.
На фиг. 2 показана теневая фотография, визуализированного шлирен-методом теплового пограничного слоя 3 перед зоной тления образца 4 хлопчатобумажного шнура ШХБ-4-3,5. Зона тления обдувается потоком газовой среды, направленным слева.
Видно, что тепловой пограничный слой перед зоной тления в вертикальном разрезе является по форме симметричным относительно оси симметрии плоского канала.
Симметрия формы пламени при горении органического стекла в потоке газовой среды, имеющем высокую температуру - около 1500 К, и симметрия формы теплового пограничного слоя перед зоной тления, имеющей температуру около 915 К, указывают на отсутствие в плоском канале высотой, определенной, например, по соотношению (1), потоков газовой среды в зоне пламени, направленных вдоль вектора ускорения силы тяжести, пламя имеет форму такую же как в истинной невесомости.
Известно, что относительная эффективность подъемной силы, вызывающей естественно-конвективное движение среды при горении в зоне ограниченных размеров характеризуется числом Грасгофа. Известно также, что в околопредельных условиях газофазного горения веществ и материалов, независимо от агрегатного состояния, температура пламени, составляет около 1500 К.
В свете предлагаемого изобретения это позволяет при высоте плоского канала, определенной, например, по соотношению (1), снизить естественную конвекцию в газовом слое и обеспечить условия протекания процесса горения в плоском канале, близкие к условиям горения в истинной невесомости.
lim
k
lim
ох
en
k
На основании изложенного сделано заключение, что точка перегиба зависимостей значений V от величины h, полученных на устройстве-прототипе, указывает значение V материала при заданных в опыте С и P и высоту камеры горения h, при которой можно определять значения пределов горения, равные значениям, определенным в истинной невесомости.
Отсюда, исходя из приведенных научных данных и исследованного уровня техники, автор изобретения считает, что наиболее перспективным для решения задачи, поставленные перед заявляемым техническим решением, является выполнение устройства с камерой горения, имеющей плоскопараллельные стенки, установленные перпендикулярно вектору силы тяжести планеты, одна из которых выполнена с возможностью плоскопараллельного перемещения для изменения высоты камеры горения, которая выполнена в виде цилиндра с введенными в камеру горения электродами для зажигания газовой смеси высоковольтным разрядом, соединенная с системой подачи газовой смеси заданного состава в центральную зону камеры горения через один из ее торцов, при этом противоположный торец камеры горения выполнен из прозрачного материала, а высота камеры горения устанавливается исходя из соотношения (2).
В дальнейшем предполагаемое изобретение поясняется примером его реализации.
На фиг. 3 приведена схема устройства для определения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях, соответствующих невесомости. Устройство содержит камеру горения 5, выполненную в виде цилиндра, соединенную с системой подачи в камеру горения газовой смеси заданного состава. В центре камеры горения в ее внутреннюю полость введены электроды 6, которые соединены с источником высокого напряжения 7 проводниками 8. Система подачи в камеру горения газовой смеси заданного состава включает в себя: баллон 9 с горючим газом, для которого проводится определение концентрационных пределов распространения пламени; баллон 10 с воздухом или другим окислительным газом, предназначенным для создания горючей газовой смеси; редукторы 11 для подачи газов на вентили 12, с помощью которых в емкости 13 при контроле манометром 14 создается горючая газовая смесь заданного состава; вентиль 15, предназначенный для подачи горючей газовой смеси в камеру горения 5 для определения концентрационных пределов распространения пламени по газовой смеси. Видеосъемка распространяющегося фронта пламени производится через торец камеры горения из прозрачного материала с помощью видеокамеры 16.
k
k
На фиг. 4 представлен вертикальный разрез цилиндрической камеры горения 5. Основание 17 камеры горения изготавливается точением из металла. Часть 18 камеры горения, изготовленная также точением из металла, надевается с подвижным зазором на основание 17. Для изменения высоты внутренней (рабочей) полости камеры горения h используются регулировочные винты 19, помощью которых верхняя часть 18 перемещается вверх или вниз. Высота внутренней полости камеры горения h должна регулироваться в пределах от 2 мм до значения, при котором в полной мере проявляется действие естественной конвекции - до, не менее 20 мм.
k
Высота цилиндрической камеры горения h контролируется с помощью измерительного щупа через отверстия 20, которые служат также для выхода исследуемой газовой смеси 21 при вентилировании камеры горения перед зажиганием газовой смеси, а также для выхода продуктов горения при сгорании газовой смеси.
Верхняя часть плоской камеры горения образована диском 22 из прозрачного материала - из термостойкого неорганического стекла. Для зажигания исследуемой газовой смеси после вентилирования ею камеры горения используются электроды 6. Исследуемая газовая смесь подается в камеру горения через трубопровод 23.
Исходя из опыта создания экспериментальных устройств и результатов исследования на них предельных условий горения различных газовых смесей, цилиндрическая камера горения должна иметь диаметр не менее 300 мм.
k
На фиг. 5 показан вид «А» узла зажигания исследуемой газовой смеси. Электрический разряд 24 регенерируется при импульсной подаче высокого напряжения на электроды 6 в межэлектродном промежутке, находящемся в центре камеры горения при любой величине h.
На фиг. 6 приведена схема цилиндрической камеры горения с указанием расположений фронта пламени при его продвижении в камере горения. Обозначение -элементов камеры горения соответствует фиг. 4. После зажигания электрическим разрядом (см. фиг. 5) фронт пламени 25 распространяется в направлении 26 от центра камеры горения. При достижении фронтом пламени 27 границы камеры горения газовая смесь считается способной к распространению горения - концентрация горючего компонента в смеси соответствует концентрации горючего компонента в смеси между нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени для данной смеси.
Для обеспечения изобарного процесса горения, в данном случае при атмосферном давлении среды, сброс газовой смеси из камеры горения при расширении газовой смеси в процессе ее горения происходит через отверстия 20 в периферийной зоне основания 17 камеры горения. Для предотвращения искажения кругового фронта пламени при его продвижении в камере горения отверстия 20 располагаются по кругу часто (на расстоянии, ориентировочно, не более 20 мм друг от друга). Диаметр сточных отверстий не должен превышать критического диаметра отверстия для тушения пламени для водорода, который равен 0,64 мм. Суммарная площадь отверстий 20 определяется из условия предотвращения подъема давления среды в камере горения при ее горении.
Для предотвращения не одинакового торможения фронта горения газовой среды при движении около противостоящих плоскопараллельных стенок камеры горения и искажения фронта горения поверхности противостоящих плоскопараллельных стенок, выходящие внутрь камеры горения, должны иметь одинаковую чистоту.
На фиг. 7 представлен вид на камеру горения 5 со стороны торца 22 камеры горения из прозрачного материала, через который производится видеосъемка процесса горения газовой смеси с помощью видеокамеры 16 (см. фиг. 3). Показаны регулировочные винты 19, с помощью которых устанавливается высота камеры горения в опыте, исходя из соотношения (2), в зависимости от физических свойств газовой смеси. Показан фронт пламени 25, сформировавшийся и распространяющийся в направлении 26 от центра камеры горения 5, после зажигания смеси в центре камеры горения 5 от электрического разряда, регенерируемого между электродами 6. За фронтом пламени 25, остаются продукты сгорания 28 газовой смеси, а перед фронтом пламени 25 - несгоревшая газовая смесь 29.
Определение концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях, соответствующих невесомости, на представляемом устройстве выполняется при следующей последовательности операций.
С помощью соотношения (2) определяют высоту камеры горения в соответствии с параметрами горючей газовой смеси.
Устанавливают высоту камеры с помощью регулировочных винтов 19.
Из баллонов 9 и 10 с помощью вентилей 12 при контроле манометром 14 в емкости 13 создается газовая смесь с заданной концентрацией горючего газа под избыточным давлением.
Из емкости 13 с помощью вентиля 15 создается подача созданной газовой смеси заданного состава в плоскую камеру горения 5 с расходом и в течение времени примерно в 3 раза превышающем время прохождения газом расстояние, равное радиусу камеры горения, определенное из расчета по скорости движения газовой смеси в камере горения. Это время составляет не менее 5 с.
Через определенное таким образом время с помощью вентиля 15 прекращают подачу газовой смеси в камеру горения.
Включают видеокамеру 16.
Сразу, в течение не более 3 с, от источника высокого напряжения 7 подают импульс напряжения на электроды 6 для создания разряда 24 и зажигания смеси в камере горения.
В зависимости от результатов предыдущего опыта (горит или не горит газовая смесь до границ камеры горения) следующий опыт проводится с повышенной или пониженной концентрацией горючего газа. Опыты проводятся до достижения разницы в концентрации горючего газа: «горит или не горит газовая смесь» до величины, оптимальной с точки зрения точности определения концентрационного предела распространения пламени по газовой смеси в условиях, соответствующих невесомости, необходимости выполнения большего объема опытов.
При изучении механизма образования концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям, среди которых состоит, например, влияние эффекта фрагментации на указанный механизм, эксперименты могут проводятся следующей последовательности.
k
Устанавливается некоторая начальная высота цилиндрической камеры горения h, например, 2 мм, превышающая безопасный экспериментальный максимальный зазор для любой газовой смеси.
Из баллонов 9 и 10 с помощью вентилей 12 при контроле манометром 14 в емкости 13 создается газовая смесь с заданной концентрацией горючего газа под избыточным давлением.
Из емкости 13 с помощью вентиля 15 создается подача созданной газовой смеси заданного состава в плоскую камеру горения 5 с расходом и в течение времени в 3 раза превышающем время прохождения газом расстояние, равное радиусу камеры горения, определенное из расчета по скорости движения газовой смеси на периферии камеры горения.
Через определенное таким образом время с помощью вентиля 15 прекращают подачу газовой смеси в камеру горения.
Включают видеокамеру 16.
Сразу (в течение не более 3 с) от источника высокого напряжения 7 подают импульс напряжения на электроды 6 для создания разряда 24 и зажигания смеси в камере горения.
k
Далее эксперименты проводятся при высоте камеры горения h, равной 3 мм, и более, вплоть до 20 мм.
По результатам экспериментов при разной интенсивности естественной конвекции и влиянии этого фактора на процесс фрагментации пламени будет выявляться механизм образования концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям.
Настоящее предполагаемое изобретение представляет новый подход к определению концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях, соответствующих условиям невесомости. Такие данные необходимы для разработки мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности объектов, на которых обращаются горючие газы.