что такое критический размер
О критическом диаметре частиц аэровзвеси горючей пыли.
При определении категории помещений по взрывоопасности с наличием пылящих материалов возникает необходимость получения информации о критическом диаметре частиц аэровзвеси. Экспериментальные данные о величине критического диаметра для большинства материалов отсутствует. В данной статье рассматривается возможность расчётного определения критического диаметра из предположения что скорость распространения пламени по аэровзвеси сверху вниз близка к скорости витания частиц в воздухе. Воспользовавшись научно-техническими данными о скорости распространения пламени по аэровзвеси с критическим размером частиц авторы статьи предположили метод оценки критического диаметра частиц аэровзвеси.
Основной особенностью горения аэровзвеси твердых дисперсных материалов (в отличие от газо- или паровоздушных смесей) является гетерогенное взаимодействие между твердыми частицами и газообразным окислителем- кислородом и отсутствие четкой однозначной зависимости между концентрацией твердой фазы и поверхностью реагирования. Действительно при одной и той же концентрации твёрдой фазы в аэрозоле в зависимости от дисперсности материала поверхность контакта твердой фазы с воздухом может отличаться в десятки раз. Это обстоятельство приводит к тому что показатели пожаровзрывоопасности дисперсных материалов необходимо связывать не с концентрацией а с поверхностью через дисперсность. Однако дисперсности характеризует поверхность контакта реагентов не совсем однозначно поскольку последняя зависит от формы дисперсных частиц.
При увеличении размера частиц увеличивается нижний концентрационный предел распространения пламени по аэровзвеси и уменьшается скорость распространения пламени до тех пор пока при некотором размере частиц пламя вообще не будет распространяться. Этот размер частиц называется критическим.
В реальных условиях дисперсные промышленные материалы полидисперсны. При образовании аэровзвесей наиболее крупные частицы оседают с наибольшей скоростью и, если это скорость превышает скорость распространения пламени сверху-вниз, участие крупных частиц в горении будет нуцлевым.
Согласно (3) коэффициент участия были во взрыве
Остается неясным вопрос Каким образом оценивать полидисперсную пыль содержащая частицы с размером больше и меньше 350 мкм?
Величина F является приблизительной поскольку точно определить её затруднительно. Поэтому оценочный метод расчёта критического диаметра не только не вносит погрешность в определении давления взрыва и категорию помещения, но и при любом своём значении приближает результат к реальному значению.
Если принять, что критический размер частиц соответствует равенство скоростей витания частицы распространения пламени, то критический размер частиц определяется из этого равенства.
Скорость витания (осаждения) частиц можно вычислить по формуле [5]:
По этому уравнение легко определить критический диаметр частиц аэровзвеси, если известна скорость распространения пламени.
Для проверки корректности расчётов по этой формуле воспользуемся экспериментальными данными (6-8). В работе (6) определены значения критического диаметра частиц аэровзвесей кокса из бурого угля, поливинилхлорида, алюминия и полиэтилена.
Свойства образцов и их критические размеры частиц представлены в таблице 1.
| Вещество | НКПРП, г/м 3 | Плотность вещества, кг/м 3 | Критический диаметр частиц, мкм | Скорость распространения пламени, м/с (расчет) |
| Кокс | 34 | 1300 | ≥290 | 3,54 |
| ПХВ | 46 | 1390 | 150 | 0,95 |
| Алюминий | 34 | 2700 | 170 | 2,36 |
| Полиэтилен | 21 | 930 | 350 | 3,44 |
Из таблицы 1 видно, что скорость распространения пламени сверху вниз по аэровзвеси, составленной из частиц критического диаметра, изменяется в широких пределах (0,95-3,54 м/с). Поскольку в научно-технических источниках данных о скорости распространения пламени мало, имеет смысл в расчётах по СП 12.13130.2009 принимать скорость распространения пламени заведомо несколько больше реальной, что приведет к увеличению критического диаметра частиц и, в конце концов, несколько завышенному давлению взрыва. Это ближе к реальной ситуации, поскольку величина массовой долей частиц размером менее критического будет меньше единицы. При отсутствии же сведения о величине массовой долей частиц пыли размером менее критического F согласно п А.3.2 (5) следует принимать F=1.
Принимая для всех веществ скорость распространения пламени равной 3,54 м/с, получим величину критического диаметра для ПХВ- 290 мкм, для алюминия- 207 мкм, для полиэтилена- 355 мкм.
Если по этому принципу определить критический диаметр частиц муки и сахара, для которых в пособии приняты величины соответственно 250 и 200 мкм, получим следующие данные.
Для муки при плотности частиц 1500 кг/м 3 диаметр = 279 мкм, для сахара при плотности частиц 1600 кг/м3 диаметр равен 270 мкм.
Таким образом, если для определенной аэровзвеси неизвестен критический диаметр частиц, его можно оценить по формуле (1)
Расчетные значения критического диаметра части частиц наиболее часто встречающихая на правтике аэровзвесей приведены в таблице 2.
Полученные результаты показывают, что критический диаметр частиц аэровзвеси может быть как меньше так и больше 350 мкм, поэтому запись в пункте А.3.4 (5) о величине коэффициента пыления должна быть пересмотрена.
Опубликовано в журнале «Пожарная безопасность», 2019 год, № 3 (96)
Список литературы
1. Корольченко А.Я., Баратов А.Н. К вопросу оценки пожаро- и взрывоопасности промышленных пылей // Письмо в редакцию. ФГВ. 1975. № 5. С. 146–147.
2. ГОСТ 12.1.044–89. ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.
3. СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.
4. Пособие по применению СП 12.13130.2009 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности». М.: ВНИИПО, 2014.
5. Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли. М.: Химия, 1986. 216 с.
6. Полетаев Н.Л. Расчетно-экспериментальная оценка максимального размера частиц взрывоопасной монодисперсной аэровзвеси // Пожаровзрывобезопасность. 2014. Т. 23, № 9. С. 15–25.
7. Исследование скорости распространения пламени в аэровзвесях металлических порошков / В.П. Митин, В.С. Федотова, В.И. Туркин, Е.Г. Коняев // Технология легких сплавов. 1972. № 6. С. 82–85.
8. Palmer K.N., Topkin P.S.J. Chim. Simpozium Series (Inst. Chem. Eng., London). 1968. № 25. Р. 66.
9. Земский Г.Т. Огнеопасные свойства неорганических и органических материалов. М., 2016. 971 с.
Критическая масса
Масса, в которой возникает критичность, может быть изменена путем изменения определенных атрибутов, таких как топливо, форма, температура, плотность и установка вещества, отражающего нейтроны. Эти атрибуты имеют сложные взаимодействия и взаимозависимости. В этих примерах описаны только простейшие идеальные случаи:
Изменение количества топлива
Топливная сборка может оказаться критической при почти нулевой мощности. Если бы идеальное количество топлива было добавлено к слегка подкритической массе для создания «точно критической массы», деление было бы самоподдерживающимся только для одного поколения нейтронов (тогда потребление топлива снова делает сборку подкритической).
Точно так же, если бы идеальное количество топлива было добавлено к слегка подкритической массе, чтобы создать едва сверхкритическую массу, температура сборки увеличилась бы до начального максимума (например, на 1 K выше температуры окружающей среды), а затем снова снизилась бы до температура окружающей среды по прошествии некоторого времени, потому что топливо, израсходованное во время деления, снова возвращает сборку в подкритичность.
Изменение формы
Масса может быть в точности критической, не будучи идеальной однородной сферой. Более точное уточнение формы до идеальной сферы сделает массу сверхкритической. И наоборот, изменение формы на менее совершенную сферу снизит ее реактивность и сделает ее подкритической.
Изменение температуры
Изменение плотности массы
Чем выше плотность, тем ниже критическая масса. Плотность материала при постоянной температуре может быть изменена путем изменения давления или натяжения или путем изменения кристаллической структуры (см. Аллотропы плутония ). Идеальная масса станет подкритической, если ей позволено расшириться, или, наоборот, та же масса станет сверхкритической при сжатии. Изменение температуры также может изменить плотность; однако влияние на критическую массу затем усложняется температурными эффектами (см. «Изменение температуры») и тем, расширяется или сжимается материал при повышении температуры. Если предположить, что материал расширяется с температурой (например, обогащенный уран-235 при комнатной температуре) в точно критическом состоянии, он станет докритическим при нагревании до более низкой плотности или станет сверхкритическим при охлаждении до более высокой плотности. Говорят, что такой материал имеет отрицательный температурный коэффициент реактивности, что указывает на то, что его реакционная способность снижается при повышении температуры. Использование такого материала в качестве топлива означает, что деление уменьшается при повышении температуры топлива.
Использование отражателя нейтронов
Использование тампера
В бомбе плотная оболочка из материала, окружающая делящееся ядро, по инерции будет содержать расширяющийся делящийся материал. Это увеличивает эффективность. Тампер также имеет тенденцию действовать как отражатель нейтронов. Поскольку в бомбе используются быстрые нейтроны (а не нейтроны, замедляемые отражением от легких элементов, как в реакторе), нейтроны, отраженные тампером, замедляются из-за их столкновений с ядрами тампера, а также потому, что отраженным нейтронам требуется время, чтобы вернуться. делящемуся ядру им требуется гораздо больше времени для поглощения делящимся ядром. Но они вносят свой вклад в реакцию и могут снизить критическую массу в четыре раза. [1] Кроме того, если тампер представляет собой (например, обедненный) уран, он может делиться из-за нейтронов высокой энергии, генерируемых первичным взрывом. Это может значительно увеличить выход, особенно если еще больше нейтронов генерируется при синтезе изотопов водорода в так называемой усиленной конфигурации.
В центре: увеличивая массу сферы до критической массы, реакция может стать самоподдерживающейся.
Внизу: окружение исходной сферы отражателем нейтронов увеличивает эффективность реакций, а также позволяет реакции становиться самоподдерживающейся.
Критическая масса для низкосортного урана сильно зависит от сорта: при 20% 235 U она превышает 400 кг; с 15% 235 U это намного больше 600 кг.
Критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности. Если плотность на 1% больше, а масса на 2% меньше, то объем на 3% меньше, а диаметр на 1% меньше. Вероятность попадания нейтрона на см пройденного пути в ядро пропорциональна плотности. Отсюда следует, что увеличение плотности на 1% означает, что расстояние, пройденное до выхода из системы, будет на 1% меньше. Это необходимо учитывать при попытках более точных оценок критических масс изотопов плутония, чем приблизительные значения, приведенные выше, поскольку металлический плутоний имеет большое количество различных кристаллических фаз, плотность которых может сильно варьироваться.
Однако еще раз отметим, что это лишь приблизительная оценка.
что явно восстанавливает вышеупомянутый результат, что критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности.
В качестве альтернативы можно выразить это более кратко в терминах поверхностной плотности массы Σ:
Помимо математики, есть простой физический аналог, который помогает объяснить этот результат. Представьте, что из выхлопной трубы выбрасываются пары дизельного топлива. Сначала пары кажутся черными, затем постепенно вы можете без проблем видеть сквозь них. Это происходит не потому, что общее сечение рассеяния всех частиц сажи изменилось, а потому, что сажа рассеялась. Если мы рассмотрим прозрачный куб длиной L на стороне, заполненной сажей, то оптическая толщина этой среды обратно пропорциональна квадрату L и, следовательно, пропорциональна поверхностной плотности частиц сажи: мы можем облегчить видеть сквозь воображаемый куб, просто увеличивая куб.
Наконец, обратите внимание, что для некоторых идеализированных геометрий критическая масса формально может быть бесконечной, а для описания критичности используются другие параметры. Например, рассмотрим бесконечный лист расщепляющегося материала. Для любой конечной толщины это соответствует бесконечной массе. Однако критичность достигается только тогда, когда толщина этой плиты превышает критическое значение.
Критическая масса
Масса, в которой возникает критичность, может быть изменена путем изменения определенных атрибутов, таких как топливо, форма, температура, плотность и установка вещества, отражающего нейтроны. Эти атрибуты имеют сложные взаимодействия и взаимозависимости. В этих примерах описаны только простейшие идеальные случаи:
Изменение количества топлива
Топливная сборка может оказаться критической при почти нулевой мощности. Если бы идеальное количество топлива было добавлено к слегка подкритической массе для создания «точно критической массы», деление было бы самоподдерживающимся только для одного поколения нейтронов (тогда потребление топлива снова делает сборку подкритической).
Если бы идеальное количество топлива было добавлено к слегка подкритической массе, чтобы создать едва сверхкритическую массу, температура сборки увеличилась бы до начального максимума (например, на 1 K выше температуры окружающей среды), а затем снова снизилась бы до температуры окружающей среды. температура через некоторое время, потому что топливо, израсходованное во время деления, снова возвращает сборку в подкритичность.
Изменение формы
Масса может быть в точности критической, не будучи идеальной однородной сферой. Более точное уточнение формы до идеальной сферы сделает массу сверхкритической. И наоборот, изменение формы на менее совершенную сферу снизит ее реактивность и сделает ее подкритической.
Изменение температуры
Изменение плотности массы
Чем выше плотность, тем ниже критическая масса. Плотность материала при постоянной температуре может быть изменена путем изменения давления или натяжения или путем изменения кристаллической структуры (см. Аллотропы плутония ). Идеальная масса станет подкритической, если ей позволено расшириться, или, наоборот, та же масса станет сверхкритической при сжатии. Изменение температуры также может изменить плотность; однако влияние на критическую массу затем усложняется температурными эффектами (см. «Изменение температуры») и тем, расширяется или сжимается материал при повышении температуры. Если предположить, что материал расширяется с температурой (например, обогащенный уран-235 при комнатной температуре) в точно критическом состоянии, он станет докритическим при нагревании до более низкой плотности или станет сверхкритическим при охлаждении до более высокой плотности. Говорят, что такой материал имеет отрицательный температурный коэффициент реактивности, что указывает на то, что его реакционная способность снижается при повышении температуры. Использование такого материала в качестве топлива означает, что деление уменьшается при повышении температуры топлива.
Использование отражателя нейтронов
Использование тампера
В бомбе плотная оболочка из материала, окружающая делящееся ядро, по инерции будет содержать расширяющийся делящийся материал. Это увеличивает эффективность. Тампер также имеет тенденцию действовать как отражатель нейтронов. Поскольку в бомбе используются быстрые нейтроны (а не нейтроны, замедляемые отражением от легких элементов, как в реакторе), нейтроны, отраженные тампером, замедляются из-за их столкновений с ядрами тампера, а также потому, что отраженным нейтронам требуется время, чтобы вернуться. делящемуся ядру им требуется гораздо больше времени для поглощения делящимся ядром. Но они вносят свой вклад в реакцию и могут снизить критическую массу в четыре раза. [1] Кроме того, если тампер представляет собой (например, обедненный) уран, он может делиться из-за нейтронов высокой энергии, генерируемых первичным взрывом. Это может значительно увеличить выход, особенно если еще больше нейтронов генерируется при синтезе изотопов водорода в так называемой усиленной конфигурации.
В центре: увеличивая массу сферы до критической массы, реакция может стать самоподдерживающейся.
Внизу: окружение исходной сферы отражателем нейтронов увеличивает эффективность реакций, а также позволяет реакции становиться самоподдерживающейся.
Критическая масса для низкосортного урана сильно зависит от сорта: при 20% 235 U она превышает 400 кг; с 15% 235 U это намного больше 600 кг.
Критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности. Если плотность на 1% больше, а масса на 2% меньше, то объем на 3% меньше, а диаметр на 1% меньше. Вероятность попадания нейтрона на см пройденного пути в ядро пропорциональна плотности. Отсюда следует, что увеличение плотности на 1% означает, что расстояние, пройденное до выхода из системы, будет на 1% меньше. Это необходимо учитывать при попытках более точных оценок критических масс изотопов плутония, чем приблизительные значения, приведенные выше, поскольку металлический плутоний имеет большое количество различных кристаллических фаз, плотность которых может сильно варьироваться.
Однако еще раз отметим, что это лишь приблизительная оценка.
что явно восстанавливает вышеупомянутый результат, что критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности.
В качестве альтернативы можно выразить это более кратко в терминах поверхностной плотности массы Σ:
Помимо математики, есть простой физический аналог, который помогает объяснить этот результат. Представьте, что из выхлопной трубы выбрасываются пары дизельного топлива. Сначала пары кажутся черными, затем постепенно вы можете без проблем видеть сквозь них. Это происходит не потому, что общее сечение рассеяния всех частиц сажи изменилось, а потому, что сажа рассеялась. Если мы рассмотрим прозрачный куб длиной L на стороне, заполненной сажей, то оптическая толщина этой среды обратно пропорциональна квадрату L и, следовательно, пропорциональна поверхностной плотности частиц сажи: мы можем облегчить видеть сквозь воображаемый куб, просто увеличивая куб.
Наконец, обратите внимание, что для некоторых идеализированных геометрий критическая масса формально может быть бесконечной, а для описания критичности используются другие параметры. Например, рассмотрим бесконечный лист расщепляющегося материала. Для любой конечной толщины это соответствует бесконечной массе. Однако критичность достигается только тогда, когда толщина этой плиты превышает критическое значение.
Критическая масса
Масса, в которой возникает критичность, может быть изменена путем изменения определенных атрибутов, таких как топливо, форма, температура, плотность и установка вещества, отражающего нейтроны. Эти атрибуты имеют сложные взаимодействия и взаимозависимости. В этих примерах описаны только простейшие идеальные случаи:
Изменение количества топлива
Топливная сборка может оказаться критической при почти нулевой мощности. Если бы идеальное количество топлива было добавлено к слегка подкритической массе для создания «точно критической массы», деление было бы самоподдерживающимся только для одного поколения нейтронов (тогда потребление топлива снова делает сборку подкритической).
Точно так же, если бы идеальное количество топлива было добавлено к слегка подкритической массе, чтобы создать едва сверхкритическую массу, температура сборки увеличилась бы до начального максимума (например, на 1 K выше температуры окружающей среды), а затем снова снизилась бы до температура окружающей среды по прошествии некоторого времени, потому что топливо, израсходованное во время деления, снова возвращает сборку в подкритичность.
Изменение формы
Масса может быть в точности критической, не будучи идеальной однородной сферой. Более точное уточнение формы до идеальной сферы сделает массу сверхкритической. И наоборот, изменение формы на менее совершенную сферу снизит ее реактивность и сделает ее подкритической.
Изменение температуры
Изменение плотности массы
Чем выше плотность, тем ниже критическая масса. Плотность материала при постоянной температуре может быть изменена путем изменения давления или натяжения или путем изменения кристаллической структуры (см. Аллотропы плутония ). Идеальная масса станет подкритической, если ей позволено расшириться, или, наоборот, та же масса станет сверхкритической при сжатии. Изменение температуры также может изменить плотность; однако влияние на критическую массу затем усложняется температурными эффектами (см. «Изменение температуры») и тем, расширяется или сжимается материал при повышении температуры. Если предположить, что материал расширяется с температурой (например, обогащенный уран-235 при комнатной температуре) в точно критическом состоянии, он станет докритическим при нагревании до более низкой плотности или станет сверхкритическим при охлаждении до более высокой плотности. Говорят, что такой материал имеет отрицательный температурный коэффициент реактивности, что указывает на то, что его реакционная способность снижается при повышении температуры. Использование такого материала в качестве топлива означает, что деление уменьшается при повышении температуры топлива.
Использование отражателя нейтронов
Использование тампера
В бомбе плотная оболочка из материала, окружающая делящееся ядро, по инерции будет содержать расширяющийся делящийся материал. Это увеличивает эффективность. Тампер также имеет тенденцию действовать как отражатель нейтронов. Поскольку в бомбе используются быстрые нейтроны (а не нейтроны, замедляемые отражением от легких элементов, как в реакторе), нейтроны, отраженные тампером, замедляются из-за их столкновений с ядрами тампера, а также потому, что отраженным нейтронам требуется время, чтобы вернуться. делящемуся ядру им требуется гораздо больше времени для поглощения делящимся ядром. Но они вносят свой вклад в реакцию и могут снизить критическую массу в четыре раза. [1] Кроме того, если тампер представляет собой (например, обедненный) уран, он может делиться из-за нейтронов высокой энергии, генерируемых первичным взрывом. Это может значительно увеличить выход, особенно если еще больше нейтронов генерируется при синтезе изотопов водорода в так называемой усиленной конфигурации.
В центре: увеличивая массу сферы до критической массы, реакция может стать самоподдерживающейся.
Внизу: окружение исходной сферы отражателем нейтронов увеличивает эффективность реакций, а также позволяет реакции становиться самоподдерживающейся.
Критическая масса для низкосортного урана сильно зависит от сорта: при 20% 235 U она превышает 400 кг; с 15% 235 U это намного больше 600 кг.
Критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности. Если плотность на 1% больше, а масса на 2% меньше, то объем на 3% меньше, а диаметр на 1% меньше. Вероятность попадания нейтрона на см пройденного пути в ядро пропорциональна плотности. Отсюда следует, что увеличение плотности на 1% означает, что расстояние, пройденное до выхода из системы, будет на 1% меньше. Это необходимо учитывать при попытках более точных оценок критических масс изотопов плутония, чем приблизительные значения, указанные выше, поскольку металлический плутоний имеет большое количество различных кристаллических фаз, плотность которых может сильно варьироваться.
Однако еще раз отметим, что это лишь приблизительная оценка.
что явно восстанавливает вышеупомянутый результат, что критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности.
В качестве альтернативы можно выразить это более кратко в терминах поверхностной плотности массы Σ:
Помимо математики, есть простой физический аналог, который помогает объяснить этот результат. Рассмотрим дизельные пары, выходящие из выхлопной трубы. Сначала пары кажутся черными, затем постепенно вы можете без проблем видеть сквозь них. Это происходит не потому, что общее сечение рассеяния всех частиц сажи изменилось, а потому, что сажа рассеялась. Если мы рассмотрим прозрачный куб длиной L на стороне, заполненной сажей, то оптическая толщина этой среды обратно пропорциональна квадрату L и, следовательно, пропорциональна поверхностной плотности частиц сажи: мы можем облегчить видеть сквозь воображаемый куб, просто увеличивая куб.
Наконец, обратите внимание, что для некоторых идеализированных геометрий критическая масса формально может быть бесконечной, а для описания критичности используются другие параметры. Например, рассмотрим бесконечный лист расщепляющегося материала. Для любой конечной толщины это соответствует бесконечной массе. Однако критичность достигается только тогда, когда толщина этой плиты превышает критическое значение.