Зеленкин В.Г., Боровик С.И., Бабкин М.Ю. Теория горения и взрыва

Подождите немного. Документ загружается.

туры теплосодержание газов можно не учитывать. При сжигании газов с

низкой теплотой сгорания (генераторные, доменные и др.) их теплосодер-

жание (в особенности нагретых до сжигания) оказывает весьма существен-

ное влияние на калориметрическую температуру.

Теоретическая температура горения (t

) – максимальная температу-

ра, определяемая аналогично калориметрической t

, но с поправкой на эн-

дотермические (требующие теплоты) реакции диссоциации диоксида угле-

рода и водяного пара, идущие с увеличением объема:

СО

 СО + 0,5О

– 283 мДж/моль;

О  Н

+ 0,5О

– 242 мДж/моль.

При высоких температурах диссоциация может привести к образова-

нию атомарного водорода, кислорода и гидроксильных групп ОН. Кроме

того, при сжигании газа всегда образуется некоторое количество оксида

азота. Все эти реакции эндотермические и приводят к снижению темпера-

туры горения.

Теоретическая температура горения может быть определена по сле-

дующей формуле:

= (Q

+ q

физ

– q

дис

)/(ΣV

где q

дис

– суммарные затраты теплоты на диссоциацию СО

и Н

О в про-

дуктах сгорания, кДж/м

; ΣV

– сумма произведения объема и средней те-

плоемкости продуктов сгорания с учетом диссоциации на 1 м

газа.

Действительная (расчетная) температура продуктов сгорания (t

)

– температура, которая достигается в реальных условиях в самой горячей

точке факела. Она ниже теоретической и зависит от потерь теплоты в ок-

ружающую среду, степени отдачи теплоты из зоны горения излучением,

растянутости процесса горения во времени и др. Действительные усред-

ненные температуры определяются по тепловому балансу или приближен-

но по теоретической или калориметрической температуре горения в зави-

симости от температуры в зоне горения с введением в них эксперимен-

тально установленных поправочных коэффициентов:

= t

· η,

где η – пирометрический коэффициент.

В практике надо знать не только приведенные выше адиабатные темпе-

ратуры горения, но и максимальные температуры, возникающие в пламе-

ни. Их приближенные значения обычно устанавливают экспериментально

методами спектрографии. Анализ приведенных данных показывает, что

максимальные температуры в пламени меньше жаропроизводительности

(за счет затрат тепла на диссоциацию Н

О и СО

и отвода теплоты из пла-

менной зоны).

3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЗРЫВЕ

Взрыв – внезапное изменение физического или химического состояния

вещества, сопровождающееся крайне быстрым превращением (выделени-

ем) энергии.

Толковый словарь дает следующее определение взрыва: явление, со-

провождающееся:

1) резким грохотом;

2) быстрой химической или ядерной реакцией с выделением тепла и

стремительным расширением газов;

3) разрушающим действием за счет повышенного давления в области

взрыва.

Быстрое выделение энергии, как правило, приводит к разогреву, дви-

жению и сжатию продуктов взрыва и окружающей среды, возникновению

интенсивного скачка давления, разрушению и разбрасыванию. В окру-

жающей среде образуется и распространяется особого рода возмущение –

ударная волна. Полное количество выделившейся при взрыве энергии оп-

ределяет масштаб явления, объемы и площади, охваченные разрушением.

Концентрация энергии (энергии в единице объема) определяет интенсив-

ность разрушений в очаге взрыва.

При взрыве исходная потенциальная энергия, как правило, вначале

превращается в энергию нагретых сжатых газов, которая, в свою очередь,

при расширении газов переходит в энергию движения, сжатия, разогрева

среды. Часть энергии остается в виде внутренней (тепловой) энергии рас-

ширившихся газов [9–11].

3.1. Взрыв и его разновидности

Основные виды исходной энергии взрыва:

1) химическая энергия;

2) атомная энергия (ядерная энергия) – удельная энергия (энергия на

единицу веса) при ядерных взрывах в 10

–10

раз выше удельной химиче-

ской энергии;

3) электрическая энергия – взрыв может возникнуть при искровом

разряде или быстром разряде через тонкую проволоку; молния является

примером подобного рода взрыва в природе;

4) кинетическая энергия движущихся тел – при соударениях тел,

движущихся с большими скоростями, может внезапно выделиться тепло-

вая энергия, достаточная для превращения части вещества в нагретый сжа-

тый газ, что приводит к взрыву. Подобного рода взрывы возникают при

падении крупных метеоритов;

5) энергия сжатых газов – взрывы баллонов со сжатыми газами, паро-

вых котлов – примерами являются вулканические взрывы;

6) внезапный переход потенциальной энергии упругих деформаций в

энергию движения среды представляет собой своеобразный взрыв, проте-

кающий без какого-либо участия сжатых газов. Большинство землетрясе-

ний являются взрывами такого типа.

Наиболее изученными и имеющими важнейшее практическое значение

являются взрывы, связанные с внезапным выделением химической энер-

гии, возникающие при весьма быстром химическом превращении с выде-

лением теплоты и образованием нагретых сжатых газов.

Возникновение взрыва. В химических системах взрыв может возник-

нуть цепным или тепловым путем, от удара и трения, от взрыва другого

заряда (в частности, от капсюля-детонатора). Сущность теплового взрыва

вскрыта акад. Н.Н. Семеновым и заключается в том, что при определенных

условиях в веществе нарушается тепловое равновесие: приход тепла реак-

ции становится больше теплоотдачи. В результате в системе начинается

лавинообразное нарастание скорости реакции и температуры вплоть до по-

явления пламени и возникновения взрыва. Возникновение взрыва при уда-

ре связано с появлением местных микроскопических разогревов, приводя-

щих к развитию микроочагов горения. В химических системах взрыв

обычно возникает в некоторой части системы и затем распространяется на

всю систему. При поджигании взрывчатого вещества сначала возникает

медленное горение взрывчатого вещества. На открытом воздухе процесс

может полностью пройти в виде медленного горения, без развития мест-

ного повышения давления, без развития взрыва. Если же горение происхо-

дит в условиях замкнутого или полузамкнутого объема, то возникшее по-

вышение давления может привести к существенному ускорению горения и

развитию взрыва. Кроме повышения давления, являющегося основным

фактором перехода горения во взрыв, существенным также является пред-

варительный разогрев горящей системы. При сильном ударе по взрывча-

тому веществу одновременно возникают очаги разогрева и весьма высокое

давление, что способствует возникновению взрыва. Если местное повыше-

ние давления станет большим, то образуется ударная волна, способная пе-

редавать разложение от слоя к слою, возникает детонация – явление рас-

пространения по взрывчатому веществу экзотермической химической ре-

акции, возбуждаемой ударной волной. Скорость распространения детона-

ционной волны (скорость детонации) составляет несколько тысяч метров в

секунду.

Режимы взрывчатых превращений. Все многообразие взрывчатых

веществ и составов на их основе представляет собой необычайно широкий

ряд энергетических материалов (ЭМ). В отечественной литературе также

широко используется термин взрывчатые вещества – (ВВ) и взрывчатые

материалы (ВМ). ЭМ – химические соединения, находящиеся в нормаль-

ных условиях в одном из известных агрегатных состояний: твердом, жид-

ком или газообразном (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Поведение взрывчатых материалов

Для ЭМ режим энерговыделения определяет энергетическое поведение

системы, что сопровождается обязательным изменением агрегатного со-

стояния системы. Особенностью изменения агрегатного состояния систе-

мы является то, что вещество из твердого, жидкого или газообразного со-

стояния переходит обязательно в газообразное состояние. В ряде случаев

не исключено присутствие конденсированной фазы, парообразных или да-

же твердых составляющих.

Газообразное вещество, в зависимости от режима энерговыделения и

динамики фазового перехода, называют продуктами горения (ПГ), продук-

тами детонации (ПД) или продуктами взрыва (ПВ), когда не определен в

основных чертах режим взрывчатого превращения (ВП).

Переход от исходного состояния к конечному – процесс, сложный,

многоступенчатый по отношению к метастабильным состояниям, которые

проходит система. Указанный переход от исходного, начального состояния

к конечному и составляет существо режимов ВП.

Внешнее воздействие, приводящее к выделению потенциальной энер-

гии, называют инициированием.

Режим взрывчатых превращений (РВП) – подразумевает совокупность

взаимосвязанных, физически обусловленных процессов, целенаправленно

реализуемых в энергетическом материале.

Общим для всех режимов в конденсированных системах являются вы-

деление энергии и фазовый переход. Однако механизм перехода, опреде-

ляющие факторы, пространственно-временная газодинамическая картина

течения, существенно отличаются. Выделяют следующие режимы ВП:

− нормальное послойное горение (НГ) – горение, распространяющееся

с постоянной скоростью с неизменным профилем температуры и концен-

трации;

− конвективное горение (КГ) – разновидность горения твердых энерге-

тических материалов, обладающих газодинамической пористостью. Про-

цесс ведется струями сгоревшего вещества. Конвективное горение возни-

кает при достижении давления срыва нормального горения, р

кр

;

− частный случай преддетонационного волнового процесса (ПВП) –

низкоскоростная детонация (НСД), волновой процесс с малой долей раз-

ложения непосредственно за фронтом волны сжатия;

− нормальная детонация (НД) – сверхзвуковой стационарный комплекс,

состоящий из ударной волны и химической реакции за ней (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Ориентировочные диапазоны существования

режимов: 1 – детонация; 2 – НСД; 3 – детонационно-

подобный взрыв; 4 – конвективное горение; 5 – по-

слойное (нормальное) горение; p – давление;

V – скорость фронта

Режимы ВП отличаются передачей энергии в направлении распростра-

нения и механизмом инициирования химической реакции во фронте про-

цесса. Практическую ценность в большей степени представляют два про-

цесса, послойное горение (нормальное горение) и нормальная детонация

(стационарная детонация).

Наиболее естественно реализуются стационарные режимы НГ и НД.

Для КГ и НСД необходимы специальные условия, диапазон которых отно-

сительно узок.

В порядке возрастания мощности и уровня параметров, режимы распо-

лагаются в следующем порядке: НГ-КГ-НСД-НД. Указанная последова-

тельность обладает рядом особенностей:

− при определенных условиях один режим может переходить в другой

в поступательном направлении от процесса с низкоскоростными парамет-

рами к высокопараметрическому;

− возможно возбуждение любого из перечисленных режимов, который

может переходить в последующий;

− обратный переход НД-НСД-КГ-НГ исключается;

− чем выше порядок процесса, тем выше параметры процесса ВП: дав-

ление, скорость, тем короче время его протекания.

Нормальное горение – механизм передачи энергии и распространения

процесса определяется молекулярной теплопроводностью, волновые эф-

фекты полностью отсутствуют, внешние условия позволяют надежно

управлять процессом.

Конвективное горение – процесс ведется фильтрацией горячих ПГ из

зоны горения вглубь нереагирующего вещества, роль волновых процессов

существенна лишь в зоне горения, роль внешних условий в управлении па-

раметрами режима ограничена.

Низкоскоростная детонация возбуждается и поддерживается слабы-

ми волнами сжатия, генерирующими реакцию в локальных областях (оча-

гах), физико-механическая структура заряда является определяющим фак-

тором, наличие оболочки способствует, а в ряде случаев и определяет воз-

можность распространения процесса.

Нормальная детонация ведется совместным энерговыделением за счет

локального и гомогенного разогрева за фронтом сильной ударной волны.

Взрыв взрывчатых веществ (ВВ) – это быстрое химическое превра-

щение вещества, протекающее с выделением большого количества тепла и

образованием газов.

Для того чтобы протекать в форме взрыва, химическая реакция должна

удовлетворять четырем основным условиям:

1) экзотермичность;

2) образование газов;

3) большая скорость;

4) способность к самораспространению.

Все эти условия не являются абсолютными и независимыми друг от

друга. Так, большая скорость реакции определяется не только величиной

константы скорости, но и температурой, достигнутой при реакции. Точно

также способность реакции к самораспространению в значительной мере

зависит от скорости ее протекания и теплового эффекта. Отсутствие или

наличие газов в продуктах реакции также в известной степени обусловлено

тепловым эффектом.

Четыре условия в своем сочетании определяют не только возможность

самораспространения химической реакции в форме взрыва, но и механиче-

ское действие последнего.

Экзотермичность превращения ВВ в продукты взрыва может иметь

разные причины и определяется тем, что прочность связей между атомами

в продуктах превращения значительно больше, чем в самом ВВ. Следова-

тельно, способность к экзотермической реакции зависит от химической

структуры вещества. По Вант-Гоффу химическая инертность углеродной

связи делает возможным существование термодинамически неустойчивых

соединений, образование которых из элементов связано со значительной

затратой энергии, поэтому эти соединения способны распадаться с выде-

лением тепла.

Главное практическое значение в современной взрывной технике име-

ют органические вещества, содержащие NO

, – группу, связанную с угле-

родом непосредственно (нитросоединения), через азот (нитроамины) и че-

рез кислород (нитроэфиры). Основная часть теплового эффекта при взрыве

таких соединений получается за счет окисления углерода и водорода, со-

держащихся в их молекулах, кислородом нитрогруппы (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Атомные группировки, сообщающие соединению взрывчатость

О – О N = N

C  C

O – Cl

H – Sb H – As O – N

N – Cl N – S N – Se

C – S C – N C – Ag

Скорость реакции и способность ее к самораспространению. Харак-

терной особенностью ВВ является способность вызванной в них локальной

химической реакции в известных условиях к неограниченному саморас-

пространению в результате тепловой волны, передаваемой тем или иным

путем (теплопроводностью, ударной волной и т. д.). Тепловая волна, в

свою очередь, поддерживается химической реакцией, которую она вызы-

вает.

Существенным фактором, определяющим возможность возникновения

и распространения самоподдерживающейся тепловой волны, является ее

интенсивность, определяемая тепловым эффектом реакции и скоростью

превращения ВВ при данной температуре. Наряду с экзотермичностью оп-

ределенную роль играет также реакционная способность молекулы, харак-

теризуемая энергией активации. Определенную роль во взрывных явлени-

ях играет соотношение между теплотой реакции и энергии активации.

Таким образом, взрывчатость может быть достигнута как за счет боль-

шой экзотермичности реакции, так и за счет малой устойчивости молеку-

лы. Обычно стремятся использовать насколько возможно первый фактор

потому, что величина теплового эффекта реакции определяет и действие

взрыва, а также потому, что малая устойчивость молекулы увеличивает

опасность производства и применения ВВ.

Образование газов. Скорость передачи энергии от слоя к слою в ВВ

путем распространения скачка давления (ударной волной) несравненно

больше скорости теплопередачи. Соответственно быстрее распространяет-

ся и химическая реакция (так называемая детонация взрывчатого вещест-

ва). Необходимым условием такого режима распространения реакции яв-

ляется наличие среди ее продуктов газов. В этом и заключается значение

образования газов как условия возможности детонационного самораспро-

странения химической реакции.

Роль газообразных продуктов взрыва первостепенна. Образующиеся газо-

образные продукты разложения в момент образования являются энергоноси-

телем. С точки зрения совершения работы, газообразные продукты являются

лучшим из реально существующих рабочих тел. И независимо от того, каким

способом передается энергия окружающей среде: за счет ударной волны, за

счет плавно меняющегося давления при расширении горячих газов, или за

счет того и другого вместе, они позволяют передать значительную часть по-

тенциальной химической энергии системы окружающей среде.

Механизм передачи энергии окружающей среде предопределен режи-

мом взрывчатого превращения. Режимы, имеющие волновую природу, пе-

редают энергию среде волновым образом, а режимы с кондуктивной или

конвективной природой создают на границе давление, меняющееся во

времени, при этом не исключено, что в окружающей среде будут форми-

роваться и ударные волны.

Интенсивные методы передачи энергии характерны для волновых ре-

жимов и, в первую очередь, для детонации.

Экзотермичность реакции, образование газов, скорость химического

превращения и способность его к самораспространению являются также

факторами, которые определяют разрушающее действие взрыва. Так, обра-

зующиеся при взрыве сильно сжатые газы высокого давления производят

внешнюю работу, которая совершается за счет энергии, выделяющейся

при реакции.

Большая скорость реакции обеспечивает ту огромную мощность, кото-

рая является характерным признаком взрыва. Так, уголь горит на воздухе

без всякого взрыва, угольная пыль (взвесь) – взрывается.

Способность химического превращения к самостоятельному распро-

странению является также важнейшей характеристикой ВВ с точки зрения

реальной возможности его технического применения.

3.2. Классификация взрывных явлений

В табл. 3.2 приведена классификация взрывов, которая содержит пере-

чень источников взрыва, включая природные, преднамеренные и случай-

ные взрывы [9]. Перечень составлен с учетом различных способов энерго-

выделения и представляется достаточно полным, включен и перечень тео-

ретических моделей, описывающих источники, используемые для изуче-

ния взрывов. В разных столбцах таблицы приведены независимые данные.

Таблица 3.2

Классификация взрывов

Теоретические

модели

Природ

ные

взрывы

Преднамеренные

взрывы

Случайные

взрывы

Идеальный точечный

источник:

– в идеальном газе;

– в реальном газе

Автомодельный ис-

точник (источник с

бесконечно большим

энерговыделением)

Сфера с мгновенным

энерговыделением

(взрывающаяся сфе-

ра)

Сфера с плавным

энерговыделением

Поршень:

– с постоянной ско-

ростью;

– ускоряющийся;

– с конечным ходом

Волна энерговыделе-

ния:

– при горении с по-

стоянной скоростью;

Молнии

Вулканы

Метеориты

Ядерные взрывы

Взрывы конденси-

рованных ВВ:

– промышленных

ВВ;

– военных ВВ;

– пиротехнических

ВВ

Взрывы топливно-

воздушных обла-

ков

Ружейные и пу-

шечные взрывы:

– у дульного среза;

– у сброса безот-

катного орудия

Электрические

искры

Взрывающиеся

проволочки

Лазерные искры

Взрывы конденсиро-

ванных ВВ:

– в непрочной оболочке

или без нее;

– в прочной оболочке

Взрывы при горении

в замкнутом объеме без

избыточного давления

газов и паров пылевзве-

сей

Взрывы емкостей с га-

зом под давлением:

– при простых авариях;

– при горении;

– с последующим горе-

нием;

– при выходе из-под

контроля химической

реакции;

– при выходе из-под

контроля ядерного ре-

актора

Окончание табл. 3.2

Теоретические

модели

Природ

ные

взрывы

Преднамеренные

взрывы

Случайные

взрывы

– при детонации –

при ускоряющихся

пламенах;

– при пламенах, рас-

пространяющихся к

центру источника

Взрывы в замкну-

тых объемах, на-

пример, исследо-

вательские взрывы

газов и пылевзве-

сей, а также взры-

вы в цилиндрах

двигателей внут-

реннего сгорания

BLEVE (взрывы емко-

стей с перегретой жид-

костью):

– при внешнем нагреве;

– с горением после ава-

рии;

– без горения после ава-

рии;

– при выходе из-под

контроля химической

реакции

Взрывы неограничен-

ного облака паров

Физические взрывы

Из всего разнообразия взрывов наиболее распространенными и изучен-

ными являются взрывы за счет потенциальной химической энергии, кото-

рая превращается в энергию сжатых газов в результате быстрого протека-

ния химической реакции.

3.3. Характеристика аварийных взрывов

В химических и нефтехимических производствах используется и пере-

рабатывается большое количество горючих и взрывоопасных материалов.

Поэтому высока потенциальная опасность взрывов большой разрушитель-

ной силы, приводящих к травмам обслуживающего персонала, наносящих

значительный материальный ущерб народному хозяйству.

Анализ крупных аварий показывает, что при взрывах больших объемов

парогазовых выбросов разрушению подвергаются не только здания и со-

оружения самих промышленных предприятий, но и близлежащих жилых

массивов.

Как показывает анализ аварий, отдельные производства, характеризуе-

мые большой потенциальной опасностью, недостаточно снабжены средст-

вами, предупреждающими залповый выброс горючих продуктов в атмо-

сферу и взрывы в закрытых системах. С другой стороны, ряд производств

со сравнительно невысокой потенциальной опасностью необоснованно ос-

нащен ненужными и дорогостоящими средствами противоаварийной за-

щиты.