МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ Федеральное государственное учреждение
МЕТОДИКА
ОБЕСПЕЧЕНИЯ
МОСКВА 2006
Методика позволяет определять условия самовозгорания грузов с учетом размеров и формы используемых на практике грузовых отсеков, а также климатических особенностей основных регионов транзита. В соответствии с ней можно рассчитать критическую температуру атмосферного воздуха, установить класс опасности самовозгорающихся грузов, определить безопасные размеры их компактной укладки при транспортировании. Методика предназначена для региональных подразделений ГПС и специализированных организаций. Разработана сотрудниками ФГУ ВНИИПО МЧС России: д-ром техн. наук, проф. И.А. Болодьяном; д-ром техн. наук, проф. Ю.Н. Шебеко; д-ром техн. наук, проф. В.И. Горшковым; канд. техн. наук И.А. Корольченко; А.В. Казаковым; Д.Н. Соколовым. Утверждена ФГУ ВНИИПО МЧС России 29.06.2006 г. Согласована УГПН МЧС России 21.07.2006 г. I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ1. Методика предназначена для определения возможности самовозгорания материалов в условиях транспортирования на основании экспериментально-аналитических исследований. Получаемые результаты позволяют отнести подобные грузы к соответствующим классам опасности (согласно классификации ГОСТ 19433 [1]) и разрабатывать мероприятия, предотвращающие самовозгорание материалов при перевозке. 2. Определение возможности теплового самовозгорания грузов выполняется по результатам расчетов критической температуры и периода индукции процесса для температуры окружающей среды, превышающей верхнюю границу климатического перепада среднесуточных значений для регионов транзита (40 °С). 3. Определение класса опасности грузов выполняется в следующей последовательности: а) на основании экспериментальных результатов определения температур самовозгорания образцов материала в лабораторных условиях рассчитываются параметры кинетики процесса. В расчетах могут также использоваться опубликованные значения кинетических характеристик для материала аналогичной марки; б) для грузового пространства рассматриваемых транспортных средств вычисляется параметр d0; в) рассчитывается критическая температура г) при д) определяется класс опасности груза при перевозке рассматриваемым транспортным средством. Для других условий транспортирования повторяют расчеты по пп. 3б - 3г; е) при выявлении возможности самовозгорания груза в условиях транспортирования рассчитывают безопасный размер компактной укладки материала для температуры среды 40 °С (использование такой укладки предотвращает самовозгорание материала при перевозке). II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ТЕРМООКИСЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ2.1. АппаратураАппаратура для определения кинетических параметров процесса термоокисления материалов включает в себя следующие элементы: 2.1.1. Термостат вместимостью рабочей камеры не менее 40 дм3 с терморегулятором, позволяющим поддерживать постоянную температуру от 60 до 500 °С с погрешностью не более ±1 °С. 2.1.2. Корзинки кубической или цилиндрической формы высотой 15, 30, 35, 50, 70, 100, 140 и 200 мм. Диаметр цилиндрической корзинки должен быть равен ее высоте. Материалом для корзинок 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. 2.1.3. Термоэлектрические преобразователи (термопары ТХА и ТХК) с максимальным диаметром рабочего спая не более 0,8 мм. 2.1.4. Измеритель термоэлектродвижущей силы, позволяющий осуществлять визуализацию изменения температуры образца материала во времени с записью на бумажном или электронном носителе. 2.1.5. Весы лабораторные с наибольшим пределом взвешивания 1000 г и точностью взвешивания 0,01 г. 2.2. Подготовка и проведение испытаний2.2.1. 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 (температуры испытаний) рабочий конец третьей термопары располагают на расстоянии (30 ± 1) мм от стенки корзинки на высоте ее центра. 2.2.2. 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 не более 7 мм для термоэлектрического преобразователя. 2.2.3. Свободные концы термопреобразователей подсоединяют к измерителю термоэлектродвижущей силы для регистрации изменения разности температур в центре образца и температуры в рабочей камере термостата. 2.2.4. Корзинку помещают в центр термостата, нагретого до заданной температуры (например, 200 °С) и наблюдают за изменением температуры в центре образца. 2.2.5. Самовозгорание образца проявляется при увеличении разности температур, фиксируемой дифференциальной термопарой, до величины более 100 °С или визуальном определении возгорания. 2.2.6. 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 меньшей на 10 °С. 2.2.7. Испытания продолжают с образцами данного размера при различных температурах рабочего пространства термостата до достижения минимальной температуры, при которой образец самовозгорается, а при температуре ниже минимальной на 1 °С самовозгорания не происходит. При этих температурах выполняют по два эксперимента. Минимальную температуру, при которой исследуемый материал самовозгорается, принимают за температуру самовозгорания образца данного размера. 2.2.8. Аналогичные испытания проводят с образцами исследуемого вещества в корзинках других размеров. Результаты испытаний оформляются в виде табл. 2. Таблица 1
Таблица 2
2.3. Расчет параметров кинетики термоокисления материаловИсходными данными для определения параметров кинетики термоокисления являются: - данные табл. 2 для критической температуры
самовозгорания - коэффициент теплопроводности материала l, Вт · м-1 · К-1; - теплоемкость исследуемого материала с, Дж · кг-1 · К-1; - теплота реакции Q, Дж · кг-1. Расчет выполняется в следующем порядке. 2.3.1. Для каждого размера образца рассчитать число Рэлея по уравнению: где
g - ускорение силы тяжести, м · с-2; v
- кинематическая вязкость воздуха при температуре Для облегчения расчетов зависимость комплекса 2.3.2. Для всех размеров образцов вычислить коэффициенты теплоотдачи a по уравнениям: при 5 · 102 < Ra £ 2 · 107 при Ra > 2 · 107 где s = 5,67 · 10-8 - постоянная Стефана-Больцмана, Вт · м-2 · К-1. Коэффициент теплопроводности
воздуха при температуре 2.3.3. По величине a, коэффициенту теплопроводности материала l и половине высоты r = D/2 вычисляют критерии Био для каждого образца: 2.3.4. Функцию 2.3.5. Рассчитывают параметры b и g, характеризующие индивидуальные свойства реакции окисления: 2.3.6. С учетом интенсивности теплообмена и характеристик реакции для каждого размера образца материала рассчитывают критическое значение параметра Франк-Каменецкого: 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
2.3.7. Зависимость
критического значения параметра Франк-Каменецкого записывают в виде r - плотность упаковки материала, кг · м-3; k0 - константа скорости реакции, 1 с-1. 2.3.8. 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. 2.3.9. Вычисляют
предэкспоненциальный множитель реакции окисления Таблица 4
2.3.10. Если величина энергии активации, вычисленная в п. 2.3.8, отличается от ранее принятой и равной 100 кДж · моль-1 более чем на 5 %, расчеты по пп. 2.3.1 - 2.3.10 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 %. III. РАСЧЕТ УСЛОВИЙ САМОВОЗГОРАНИЯ ГРУЗОВ3.1. Расчет параметра Франк-Каменецкого
|
Размер r, м |
T0, К |
Ra |
a, Вт · м-2 · К-1 |
Bi |
j(Bi) |
b · 10-2 |
g · 10-3 |
dкр |
0,0175 |
492 |
7683 |
32,5 |
3,7 |
0,625 |
4,00 |
1,26 |
1,68 |
0,025 |
474 |
24740 |
29,2 |
4,8 |
0,687 |
3,94 |
1,17 |
1,84 |
0,035 |
459 |
74272 |
26,5 |
6,1 |
0,736 |
3,82 |
1,05 |
1,97 |
0,05 |
444 |
238607 |
24,4 |
8,0 |
0,790 |
3,69 |
0,98 |
2,10 |
0,07 |
431 |
716774 |
21,9 |
10,1 |
0,828 |
3,58 |
0,93 |
2,21 |
0,10 |
418 |
2302797 |
19,9 |
13,1 |
0,863 |
3,47 |
0,87 |
2,47 |
7. По формуле (13) рассчитаем величину М:
8. С помощью этих значений и уравнения (12) методом наименьших квадратов определим численные значения N и энергию активации Е.
9. Вычислим предэкспоненциальный множитель реакции окисления Qk0/l путем деления N на Е. Данные расчетов по пп. 7 - 9 сведем в табл. П1.2.
Таблица П1.2
Размер r, м |
T0, К |
M, Дж · м · К кг · моль |
N, Дж · м · К кг · моль |
Е, Дж · моль-1 |
Qk0/l, м · К · кг-1 |
0,0175 |
492 |
1,68 · 107 |
5,76 · 1016 |
88054 |
6,55 · 10-11 |
0,025 |
474 |
8,39 · 106 |
|||
0,035 |
459 |
4,06 · 106 |
|||
0,05 |
444 |
1,98 · 106 |
|||
0,07 |
431 |
1,01 · 106 |
|||
0,10 |
418 |
5,17 · 105 |
10. Повторяя расчет по пп. 1 - 9 с величиной энергии активации Е = 88054, найдем новые значения энергии активации Е = 88068 Дж · моль-1 и предэкспоненциального множителя Qk0/l = 6,53 · 1011 м · К · кг-1. Так как последние величины практически не отличаются от предыдущих, процесс итераций следует прекратить и за кинетические параметры реакции окисления ржаной муки принять E = 88054 Дж · моль-1 и Qk0/l = 6,53 · 1011 м · К · кг-1.
Материал |
Е, Дж · моль-1 |
Qk0/l, м · К · кг-1 |
Дрожжи кормовые |
256212 |
5,11 · 1030 |
Дрожжи товарные (влажн. 8 %) |
106144 |
5,94 · 1014 |
Дрожжи товарные (влажн. 15 %) |
92285 |
1,67 · 1013 |
Мука ржаная |
88054 |
6,55 · 1011 |
Мука костная крупнозернистая |
50740 |
2,46 · 108 |
Пыль костной муки |
71623 |
8,67 · 1010 |
Сено |
179050 |
8,67 · 1022 |
Хлопок |
121825 |
1,37 · 1016 |
Льно-джут |
63134 |
4,826 · 109 |
Метионин кормовой |
88278 |
2,35 · 1010 |
Уголь-сырец марки А |
71280 |
4,31 · 1011 |
Уголь ОУ-А |
101458 |
2,82 · 1015 |
Уголь ОУ-Б |
97650 |
2,01 · 1013 |
Уголь-сырец после сортировки |
101450 |
2,82 · 1015 |
Технический углерод К 354 |
56943 |
4,343 · 1012 |
Технический углерод Н 990 |
90732 |
5,665 · 1014 |
Рассчитать грузового пространства в
железнодорожном вагоне. Вагон представляет собой параллелепипед шириной 2,75 м,
длиной 15,7 м и
высотой 4,692 м.
1. Отношение квадратов полувысоты вагона к эквивалентной сфере Франк-Каменецкого рассчитаем как для прямоугольного бруса по выражению (16)
где a, b, c - половины сторон бруса, а - наименьшая сторона;
q = c/a.
Подставляя р, q в эти равенства, получим
2. Средний радиус эквивалентной сферы Семенова равен
где V, S - объем и поверхность грузового пространства вагона.
3. На основании формул (16) - (18) отношение квадратов радиусов эквивалентных сфер Франк-Каменецкого и Семенова будет равно
4. Фактор формы прямоугольного бруса согласно уравнению (19) составит:
5. В соответствии с формулой (20) функция F(j) будет равна
6. Из уравнения (21) значение параметра равно
Тип грузового пространства (размеры) |
|
Мягкий контейнер (0,95´0,95´1,3 м) |
2,19 |
Крытый вагон (2,70´2,75´13,80 м) |
1,779 |
Крытый вагон (2,70´2,76´13,80 м) |
1,773 |
Крытый вагон (2,70´2,765´15,724 м) |
1,759 |
Крытый вагон (2,75´4,692´15,70 м) |
1,23 |
Вагон-хоппер (2,64´3,112´13,37 м) |
2,178 |
Вагон-хоппер (3,112´4,722´17,50 м) |
1,319 |
Универсальный контейнер (2,27´2,438´12,12 м) |
1,69 |
Универсальный контейнер (1,95´2,10´2,543 м) |
2,11 |
Универсальный контейнер (2,352´2,70´12,035 м) |
1,60 |
Автофургон - 25 мягких контейнеров в 1 ярус |
1,051 |
Трюм сухогруза (6,0´17,2´21,4 м) |
1,112 |
Трюм сухогруза (6,0´17,2´26,6 м) |
1,088 |
Трюм сухогруза (6,0´17,2´28,5 м) |
1,081 |
Рассчитать критическую температуру окружающей среды при транспортировании льно-джута в железнодорожных вагонах. Вагон представляет собой параллелепипед шириной 2,75 м, длиной 15,7 м и высотой 4,692 м.
Исходными данными для расчета являются:
- плотность материала r = 134 кг · м-3;
- коэффициент теплопроводности материала l = 0,049 Вт · м-1 · К-1;
- теплоемкость исследуемого материала с = 1505 Дж · кг-1 · К-1;
- теплота реакции Q = 17501000 Дж · кг-1;
- энергия активации реакции окисления Е = 63134 Дж · моль-1;
- предэкспоненциальный множитель Qk0/l = 4,826´109 м · К · кг-1.
1. Подставим полученную в
прил. 3 величину для
грузового пространства вагона в формулу
вместо и, решив его относительно Т0, получим нулевое
приближение для этой температуры равное 302 К.
2. С помощью полученной величины рассчитаем:
- параметр, определяющий выгорание вещества,
и
- параметр, характеризующий реакцию окисления.
3. Так как для размеров
упаковок, превышающих 1 м j(Bi) 1, безразмерное значение критического
параметра Франк-Каменецкого, учитывающего выгорание вещества и свойства реакции
горения, определим по формуле
4. Решая уравнение (11) относительно температуры получим
или
31 °С.
Следовательно, при перевозке льно-джута в железнодорожных вагонах при
температурах воздуха больших 31 °С возможно возникновение самовозгорания
транспортируемого продукта.
Рассчитать время индукции при перевозке льно-джута в вагоне при температуре 40 °С (313 К). Фактор формы вагона j = 1,83.
Исходными данными для расчета являются:
- температура перевозки материала T0 = 313 К;
- критическая температура
самовозгорания для заданного размера и формы упаковки материала
- фактор формы упаковки материала j = 1,83;
- размер упаковки r = 1,375 м;
- плотность упаковки материала r = 134 кг · м-3;
- коэффициент теплопроводности материала l = 0,042 Вт · м-1 · К-1;
- теплоемкость исследуемого материала с = 1505 Дж · кг-1 · К-1;
- теплота реакции Q = 17501000 Дж · кг-1;
- энергия активации реакции окисления Е = 63134 Дж · моль-1;
- предэкспоненциальный множитель Qk0/l = 4,826´10 м · К · кг-1.
1. По температуре Т0 вычислим параметры b и g с помощью формул (8) и (9):
2. По уравнениям (1) и (2) найдем число Рэлея:
3. Коэффициент теплоотдачи a определим по уравнению (4):
где теплопроводность воздуха рассчитана по формуле (5):
4. Вычислим критерий Био, соответствующий размеру и коэффициенту теплоотдачи для каждого образца:
5. По формуле (11) рассчитаем параметр ,
соответствующий температуре T0, и параметр
для критической температуры
6. Вычислим относительное удаление от предела воспламенения:
и функции
7. Рассчитаем безразмерное время индукции:
8. Определим размерное время
индукции по формуле
Определить класс опасности льно-джута при перевозке железной дорогой в крытых вагонах в течение 15 суток.
1. Рассматриваемый материал самовозгорается в условиях лабораторных испытаний, соответствующих требованиям разд. 2.2. Параметры кинетики процесса термоокисления определены согласно разд. 2.3 (см. прил. 2).
2. Наименьшее значение
критической температуры процесса самовозгорания льно-джута в крытых вагонах
определяем в соответствии с разд. 3.1
и 3.2 для модификации вагонов с
наибольшими размерами. Согласно прил. 3
расчет ведем для вагона с размерами 2,75´4,692´15,70 м.
Значение составляет
304 К или 31 °С.
3. В соответствии с п. 4.1.3 определяем время индукции до самовозгорания
льно-джута в вагоне при температуре среды (согласно разд. 3.3). Это значение равно 53,07 суток.
4. Так как время транспортирования материала не превышает 15 суток (< 51,7 суток), то согласно п. 4.1.3а льно-джут при перевозках в крытых железнодорожных вагонах относится к низкой степени опасности подкласса 4.2 (согласно классификации ГОСТ 19433).
Рассчитать безопасный для теплового самовозгорания размер компактной укладки при транспортировании костной муки в крытых железнодорожных вагонах.
Расчет проведем для верхней границы диапазона климатического перепада температур воздуха в средней полосе России равной 40 °С или 313 К.
Исходными данными для расчета критического размера являются:
- плотность упаковки материала r = 660 кг · м-3;
- коэффициент теплопроводности материала l = 0,14 Вт · м-1 · К-1;
- теплоемкость исследуемого материала с = 780 Дж · кг-1 · К-1;
- теплота реакции Q = 350000 Дж · кг-1;
- энергия активации реакции окисления Е = 50740 Дж · моль-1;
- предэкспоненциальный множитель Qk0/l = 2,46 · 108 м · К · кг-1.
1. Выбираем вагон с наибольшим размером грузового пространства, для которого согласно прил. 4 известно, что d0 = 1,23.
2. Для температуры Т0 = 313 К вычислим параметры b и g по уравнениям (8) и (9):
3. Считая j(Bi) » 1,
определим параметр по формуле (10):
4. В первом приближении минимальный размер найдем из выражения (28):
5. По уравнениям (1) и (2) для полученного размера вычислим число Рэлея:
6. Коэффициент теплоотдачи a найдем по уравнению (4):
где теплопроводность воздуха определена по формуле (5):
7. Вычислим критерий Био, соответствующий предварительному размеру компактной укладки материала в вагоне:
8. Величина функции j(Bi), учитывающая интенсивность теплообмена образца с воздухом, для полученного значения Bi составит:
9. Критическое значение параметра Франк-Каменецкого будет равно:
10. По формуле (28) вычислим новое значение размера насыпи материала:
11. Так как последнее значение отличается от предшествующего менее чем на 5 %, считаем его критическим размером компактной укладки согласно п. 4.2.9.
12. В соответствии с п. 4.2.10 безопасный характеристический размер компактной укладки составит 0,8r = 0,165 м. Полный безопасный размер составит 0,33 м.
13. Безопасная для теплового самовозгорания укладка костной муки при перевозке в крытых вагонах будет соответствовать штабелированию на поддонах в несколько ярусов с высотой укладки материала в каждом ярусе не более 0,33 м. Безопасные условия транспортирования костной муки железной дорогой в холодное время года могут определяться дополнительно согласно п. 4 разд. I методики.
СОДЕРЖАНИЕ