`POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT SPALANIA I PALIW
Wydz. Mechaniczno-Energetyczny Grupa nr. 3 godz. 11:15 - 13:15 Prowadzący: mgr inż. Arkadiusz Dyjakon	Temat: Własności wybuchowe pyłów.	Ćwiczenie Nr. 5
Skład grupy: Perłowski Marcin Pelski Waldemar Kret Sławomir	Data laboratorium: ...........................................	Data i ocena: ............................

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z aparaturą do wyznaczania własności wybuchowych pyłów, oraz pomiary maksymalnego ciśnienia wybuchu i maksymalnej prędkości narostu ciśnienia wybuchu.

2. Schemat stanowiska.

3. Wstęp teoretyczny.

3.1.Ogólnie wybuchy można podzielić następująco:

• wybuch chemiczny (termiczny)

• wybuch jądrowy

• wybuch mechaniczny

• gwałtowne parowanie.

Wybuch chemiczny (często nazywany także termicznym) jest gwałtowną reakcją chemiczną, połączoną z intensywnym wydzielaniem ciepła, która jest zdolna do samopodtrzymującej propagacji w materiale. W przypadku procesów spalania wspomniana wyżej reakcja chemiczna jest utlenianiem paliwa. Należy jednak dodać, że istnieją substancje chemiczne, które mogą rozkładać się wybuchowo. Do takich substancji należą niektóre materiały wybuchowe (jak materiały wybuchowe inicjujące: piorunian rtęci, azydek ołowiu, nadtlenki organiczne i inne), a nawet pospolity nawóz mineralny - saletra amonowa, która ulega gwałtownemu rozkładowi po podgrzaniu powyżej 460 K.

Wybuchy paliw można w uproszczeniu podzielić na wybuchy gazowe i pyłowe. Wybuchy paliw ciekłych można zaliczyć do jednej z wymienionych kategorii wybuchów; po odparowaniu wybuchają jak gaz, a po przeprowadzeniu w stan aerozolu wybuchają podobnie jak pył. Czynniki niezbędne do wystąpienia wybuchu gazowego lub pyłowego przedstawione są na poniższych rysunkach.

GAZOWY PYŁOWY

3.2. Najłatwiej jest wywołać zapłon wybuchowej mieszanki gazowo powietrznej o stężeniu gazu palnego nieznacznie przekraczającym skład stechiometryczny. W przypadku mieszanek pyłowo-powietrznych doświadczenie wskazuje na istnienie optymalnego stężenia pyłu, dla którego inicjacja wymaga najmniejszej energii; wartość tego stężenia zależy znacznie od czynników natury fizycznej, takich jak stopień rozdrobnienia, rozpylanie, zawartość wilgoci, turbulencja i inne. Nie każda jednak mieszanina paliwa z powietrzem jest wybuchowa, po obniżeniu stężenia paliwa dochodzi się do dolnej granicy wybuchowości (DGW), poniżej której zapłon nie wystąpi. Analogicznie określa się górną granicę wybuchowości. Wybuch może zatem nastąpić dla stężeń zawartych pomiędzy dolną i górną granicą stężeniową, które w danej temperaturze i ciśnieniu są wielkościami charakterystycznymi dla danej substancji.

Dla mieszanin pyłowo-powietrznych podaje się tylko dolna granicę wybuchowości (DGW). Górną granicę wybuchowości dla pyłów trudno jest określić, przede wszystkim z powodu niemożności wytworzenia wysokiej i równomiernej koncentracji pyłu w powietrzu.

3.3. Inicjacja wybuchu.

Wybuch, lub inaczej eksplozję, w mieszaninie palnej może wywołać odpowiednie źródło zapłonu, takie jak: nagrzane ciało, iskra elektryczna, strumień gorących gazów, płomień. Zewnętrzne źródła zapłonu nie są jednak zawsze konieczne. Niekiedy eksplozja ma charakter samoistny, mówi się wówczas o samozapłonie. Samorzutne przejście do wybuchu może nastąpić dzięki reakcją egzotermicznym, przez samo nagrzewanie się materiału, lub przez łańcuchowe powlekanie się wolnych rodników. Pierwszy z wymienionych sposobów inicjacji nazywa się wybuchem cieplnym, drugi natomiast wybuchem łańcuchowym.

3.4. Teoria wybuchu łańcuchowego.

Zasadniczą rolę w takich reakcjach odgrywają wolne rodniki, które ulegają powielaniu w wyniku reakcji łańcuchowych. W sprzyjających warunkach (temperatura, ciśnienie) wolne rodniki mogą ulegać niekontrolowanemu rozgałęzieniu, w wyniku czego ich liczba będzie ekspotencjalnie wzrastać w czasie. Ważne jest, że wymienione procesy przebiegają praktycznie izotermicznie.

3.5. Zapłon wymuszony.

Zapłon wymuszony jest to zapoczątkowanie procesu spalania w palnej mieszaninie przez intensywne, lokalne dostarczenie energii cieplnej. Ten rodzaj zapłonu ma, jak wiadomo, ważne znaczenie praktyczne (np. w silnikach z zapłonem iskrowym), ale bywa niestety także przyczyną niepożądanych wybuchów.

Zapłon wymuszony może być spowodowany przez:

• iskrę elektryczną

• palące się cząstki paliwa

• płomień

• chemiczne źródła zapłonu

• silnie skupione promieniowanie

• gorącą strugę gazów

• nagrzane ciało stałe.

3.6. Minimalna energia zapłonu jest to najmniejsza ilość energii dostarczonej jednorazowo do mieszanki palnej, zdolna zapoczątkować propagację płomienia. To jeden z najważniejszych parametrów charakterystycznych właściwości wybuchowe substancji. Minimalna energia zapłonu zależy od wielu czynników:

• składu mieszanki palnej

• charakteru i rozmiaru urządzenia zapłonowego

• prędkości przepływu

• poziomu turbulencji.

Im mniejsza objętość obszaru zapłonowego, tym większa musi być dostarczona energia do wywołania zapłonu. Mieszankę spokojną łatwiej zapalić niż mieszankę w ruchu, zwłaszcza, gdy jej przepływ jest turbulentny.

3.7. Parametry wybuchowe mieszanin pyłowych:

• ciśnienie maksymalne wybuchu pmax

• maksymalna prędkość wzrostu ciśnienia (dp/dt)max lub współczynnik K = (dp/dt)max V ³

• stężeniowe granice wybuchowe

• granice stężeniowe detonacji

• temperatura samozapalenia

• minimalna energia zapłonu.

3.8. Metody zabezpieczeń przeciwwybuchowych:

• dekompresja

• tłumienie wybuchu

• zbiorniki wytrzymałe na uderzenie ciśnienia.

3.9. Sposób przeprowadzania ćwiczenia.

Do komory wybuchowej wprowadzana jest wcześniej odmierzona ilość drobin węgla brunatnego (g) o rozmiarach 60 mikronów, oraz o wilgotności 5% przy pomocy sprężarki, a następnie są one rozpylane wewnątrz tej komory. Jednorodne rozprowadzenie drobin węgla zapewnia rurka w kształcie rogów z nawierconymi otworkami, przez które wydmuchiwane są drobiny węgla. W czasie tego rozpylania wygenerowana jest iskra o napięciu 2500 - 3000V, która powoduje wybuch zaobserwowany przez szybkę w komorze. Po wykonaniu doświadczenia komora jest dokładnie czyszczona w celu pozbycia się resztek pyłu. Wszystkie potrzebne nam pomiary wykonuje zespół czujników podłączonych do komputera.

4. Dane i tabele pomiarowe.

L.p.	Koncentracja pyłu węglowego C[kg/m³]	Maksymalne ciśnienie wybuchu Pmax[b]	Prędkość narastania ciśnienia Vp[b/s]
1	0,893	4,415	22,87
2	1,317	3,559	18,3
3	0,71	4,129	19,82
4	1,406	4,451	27,45
5	0,397	4,177	21,35
6	0,201	4,2	21,33
7	0,112	2,512	15,23
8	0,799	4,159	25,92
9	0,304	3,541	11,17
10	0,5	4,267	15,24
11	0,705	4,245	15,25
12	0,804	4,52	24,39
13	1	4,44	21,34
14	1,232	4,36	27,44
15	0,911	4,42	25,91
16	1,429	4,38	25,92
17	0,911	4,48	21,34
18	0,109	0,902	12,2
19	0,201	1,36	11,1
20	0,205	2,78	15,23
21	0,786	4,46	19,81
22	0,313	3,52	18,3
23	0,875	4,4	24,4
24	0,531	4,6	24,4
25	0,446	4,48	27,45
26	0,888	4,24	27,45
27	0,643	3,95	21,33
28	0,643	3,47	21,35
29	0,643	4,05	33,52
30	0,853	4,13	24,4
31	0,281	3,43	18,3
32	0,313	3,65	22,86
33	0,5	3,67	21,34
34	0,237	3,38	21,35
35	0,96	3,97	24,4
36	0,719	3,89	15,24
37	1,585	4,36	24,39
38	0,83	4,135	21,31
39	0,83	4,16	24,35
40	0	0,153	4,57
41	0	0,671	7,12
42	0	0,641	5,19
43	0	0,316	15,25
44	0	0,426	15,24

5. Wykresy i obliczenia.

Z pierwszego wykresu odczytuje dolną granicę wybuchowości (DGW), wynosi ona 0,037 kg/m³.

Z drugiego wykresu odczytuję maksymalną prędkość przyrostu ciśnienia, wynosi ona Vpmax = 25 b/s.

Na podstawie odczytu z wykresu drugiego wyliczam współczynnik :

K = Vpmax * V ³

Gdzie:

• Vpmax - maksymalna prędkość przyrostu ciśnienia, [b/s]

• V - objętość komory wybuchowej, [m³].

K = 25 * 0,28 =7,04 [b*m/s]

6. Wnioski.

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów można stwierdzić, że:

• dolna granica wybuchowości DGW jest dla C = 0,037 kg/m³, co oznacza że po niżej tego stężenia pyłu wybuch nie nastąpi.

• górnej granicy wybuchowości GGW nie można określić na podstawie naszych pomiarów, ponieważ obie charakterystyki nie opadają w miarę zwiększania koncentracji pyłu. Opadanie charakterystyki wiąże się z tym, że dla większych stężeń tylko część pyłu bierze udział w wybuchu, a jego nadmiar działa jak tłumik przez co maleje ciśnienie p_max oraz maleje prędkość rozchodzenia się ciśnienia maximum record size = 21 record size = 2147678976
  .

• maksymalna prędkość przyrostu ciśnienia wynosi Vpmax = 25 b/s

• współczynnik K = 7,04 b*m/s , którego wielkość oznacza, że badany przez nas pył posiada klasę niebezpieczeństwa wybuchu P = 1 (pyły słabo wybuchowe). Badany pył był pozbawiony substancji lotnych, które wzmagają wybuch (substancje odparowały z drobin węgla brunatnego).

GAZ

POWIETRZE

INICJAŁ

PYŁ

POWIETRZE

PRZESTRZEŃ OGRANICZONA

INICJAŁ

MIESZANIE

---