Меню

Процесс взрыва по сравнению с горением обладает



Взрывные процессы. Типы взрывов

Пожары и взрывы тесно связаны друг с другом. Очень часто слу­чайно возникший взрывной процесс (взрыв) приводит к пожару. А пожар может сопровождаться взрывом. Особенно часто при пожаре взрываются закрытые емкости (цистерны, баллоны) со сжатыми или сжиженными га­зами.

По своей сути взрывные процессы (взрывы) — это очень быстрое пре­вращение большого количества потенциальной химической или физиче­ской энергии системы в кинетическую энергию продуктов взрыва (газы, осколки). На практике взрывы подразделяют на два типа: физические и химические.

Если при взрывном процессе в кинетическую энергию переходит по­тенциальная физическая энергия, то такие взрывы относят кфизическим взрывам.

Если при взрывном процессе в кинетическую энергию переходит по­тенциальная химическая энергия, то такие взрывы относят к химическим взрывам.

Взрывы могут быть вызваны различными физическими или химическими явлениями.

Можно привести следующие примеры взрывов, обусловленных физическими причинами:

1. «Взрыв» парового котла, баллона или бомбы со сжатым газом. В первом случае явление вызвано быстрым переходом перегретой воды в парообразное состояние, во втором случае — повышенным давлением газа в бомбе. В обоих случаях взрыв возникает вследствие преодоления сопротивления стенок резервуара, а его разрушительный эффект зависит от давления, под которым пары или газы находились в резервуаре.

Причиной физических взрывов является не химическая реакция, а физический процесс, обусловленный высвобождением внутрен­ней энергии сжатого или сжиженного газа. Сила таких взрывов зависит от величины давления внутри сосуда.

2. Взрывы, возникающие при мощных искровых разрядах, например молниях, или при пропускании электрического тока высокого напряжения через тонкие метталические нити.

При мощных разрядах разность потенциалов выравнивается за промежутки времени порядка 10 -6 —10 -7 сек, благодаря чему в зоне разряда достигается колоссальная плотность энергии и чрезвычайно высокие температуры (порядка десятков тысяч градусов), что в свою очередь приводит к сильному подъему давления воздуха в месте разряда и распространению интенсивного возмущения в окружающей среде.

3. К физическим взрывам относят взрывы, при кото­рых происходит очень быстрое освобождение потенциальной энергии внутриядерных связей, например, при взрыве атомных и водородных бомб, а также термоядерных взрывах, происходящих иногда на поверхности звезд.

Взрывы, основанные на подобных физических явлениях, находят весьма ограниченное применение и являются главным образом предметом специальных научных исследований.

В дальнейшем мы будем рассматривать лишь взрывы, вызванные процессами химического превращения взрывчатых веществ (ВВ).

К физическим взрывам относится также явление так называемой фи­зической детонации. Это явление возникает при смешении горячей и хо­лодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превы­шает температуру кипения другой (например, выливание расплавленного металла в воду). В образовавшейся парожидкостной смеси испарение может протекать взрывным образом вследствие развивающихся процес­сов тонкой фрагментации капель расплава, быстрого теплоотвода от них и перегрева холодной жидкости с сильным ее парообразованием. Физиче­ская детонация сопровождается возникновением ударной волны с избы­точным давлением в жидкой фазе, достигающим в некоторых случаях бо­лее тысячи атмосфер. Соответствующие процессы наблюдались на прак­тике при взаимодействии, например, расплавленного алюминия с водой при аварии в атомном реакторе, контакте с ней расплавленной стали в литейном цехе или расплава солей (Na2СO3 и Nа2S) в бумажной промыш­ленности.

Взрыв вулкана Кракатау в 1883 г. — пример физической детонации, так как он возник в результате взаимодействия расплавленной лавы с мор­ской водой. Гул взрыва был слышен на расстоянии 5000 км в течение че­тырех часов после события.

Взрывные процессы могут протекать за время порядка 10 -2 — 10 -3 с.

Так как взрывные процессы очень скоротечны, то мощность взрыва мо­жет достигать колоссальных величин. Мощность химических взрывов оценивается в (8-15)10 кВт (

16•10 л-с). Но самыми мощными явля­ются термоядерные взрывы, которые происходят на поверхности звезд. При термоядерном взрыве мощность взрыва в 100 миллионов раз превос­ходит мощность химических взрывов.

Взрыв, в широком смысле этого слова, представляет собой процесс весьма быстрого физического или химического превращения системы, сопровождающийся переходом ее потенциальной энергии в механическую работу. Работа, совершаемая при взрыве, обусловлена быстрым расширением газов или паров, независимо от того, существовали ли они до или образовались во время взрыва.

Самым существенным признаком взрыва является резкий скачок давления в среде, окружающей место взрыва. Это служит непосредственной причиной разрушительного действия взрыва.

Достаточно мощные химические взрывы могут происходить при го­рении предварительно перемешанных парогазовых смесей (взрывчатая система: углеводородное «горючее + окислитель»). Например, сгорание парогазовых смесей типа

сопровождается взрывным эффектом.

При взрыве горение углеводородных топлив в смеси с воздухом, как правило, протекает в автотурбулентном режиме. Скорость распро­странения пламени при автотурбулентном горении может достигать не­скольких десятков и даже сотен метров в секунду. Горение газообразных топлив (метан, ацетилен, водород и т. д.) в смеси с кислородом может протекать не только в автотурбулентном режиме, но и в режиме детона­ции, когда скорость распространения процесса сгорания составляет 1000-2000 м/с. Сгорание углеводородных топлив в автотурбулентном режиме и режиме детонации обеспечивает быстрый переход потенци­альной химической энергии в кинетическую энергию. Химическое взрывчатое превращение свойственно взрывчатым веществам.

Взрывчатые вещества — это химические соединения, содержащие в своем составе кислород. Экзотермические окислительно-восстанови­тельные реакции при взрыве взрывчатых веществ протекают с участием кислорода, входящего в состав молекулы. Поэтому химические реакции, протекающие при взрыве взрывчатых веществ, происходят без участия ки­слорода воздуха.

Читайте также:  Сравнение производственного кооператива с акционерным обществом

Химический взрыв взрывчатых веществ в режиме детонации проте­кает со скоростью порядка 6000-8000 м/с.

Величина избыточного давления в газообразных продуктах взрыва и ударных волнах во многом определяет разрушающее и поражающее действие взрыва. Установлено, что избыточное давление в ударной волне порядка 0,05-10 5 Па разрушает остекление зданий, а давление более 0,2-10 5 Па может нанести легкие повреждения строительным конструк­циям. Принято считать безопасным для человека давление порядка (0,12-0,2)10 5 Па.

Взрывчатые вещества представляют собой относительно неустойчивые в термодинамическом смысле системы, способные под влиянием внешних воздействий к весьма быстрым экзотермическим превращениям, сопровождающимся образованием сильно нагретых газов или паров.

Газообразные продукты взрыва благодаря исключительно большой скорости химической реакции практически занимают в первый момент объем самого ВВ и, как правило, находятся в сильно сжатом состоянии, вследствие чего в месте взрыва резко повышается давление.

Газообразные вещества, обладая большой кинетической энергией, начинают расширяться с такой скоростью, что дей­ствуют на окружающую среду как резкий удар. По этой причине в окру­жающей среде образуются ударные волны. Ударные волны — это область повышенного давления, которая перемещается по среде со скоростью больше скорости звука.

Из изложенного следует, что способность химических систем к взрывчатым превращениям определяется следующими тремя факторами: экзотермичностью процесса, большой скоростью его распространения и наличием газообразных (парообразных) продуктов реакции. Эти свойства могут быть у различных ВВ выражены в различной степени, однако только их совокупность придает явлению характер взрыва.

В зависимости от условий возбуждения химической реакции, характера ВВ и некоторых других факторов процессы взрывчатого превращения могут распространяться с различной скоростью и вместе с тем обладать существенными качественными различиями.

По характеру и скорости своего распространения все известные нам взрывные процессы делятся на следующие основные виды: горение, взрыв и детонация.

Процессы горения протекают сравнительно медленно и с переменной скоростью — обычно от долей сантиметра до нескольких метров в секунду. Скорость горения существенно зависит от внешнего давления, заметно возрастая с повышением последнего.

На открытом воздухе этот процесс протекает сравнительно вяло и не сопровождается сколько-нибудь значительным звуковым эффектом.

В ограниченном же объеме процесс протекает значительно энергичнее, характеризуется более или менее быстрым нарастанием давления и способностью газообразных продуктов горения производить работу метания подобно тому, как это имеет место при выстреле. Горение является характерным видом взрывчатого превращения порохов.

Собственно взрыв по сравнению с горением представляет собой качественно иную форму распространения процесса.

Отличительными чертами взрыва являются: резкий скачок давления в месте взрыва, переменная скорость распространения процесса, измеряемая тысячами метров в секунду и сравнительно мало зависящая от внешних условий. Характер действия взрыва — резкий удар газов по окружающей среде, вызывающий дробление и сильные деформации предметов на относительно небольших расстояниях от места взрыва.

Детонация представляет собой взрыв, распространяющийся с постоянной и максимально возможной для данного ВВ и данных условий скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе. Детонация не отличается по характеру и сущности явления от взрыва, но представляет собою его стационарную форму.

Скорость детонации является при заданных условиях для каждого ВВ вполне определенной константой и одной из важнейших его характеристик. В условиях детонации достигается максимальное разрушительное действие взрыва.

Процессы взрыва и детонации существенно отличаются от процессов горения по характеру своего распространения: горение передается по массе ВВ путем теплопроводности, диффузии и излучения, взрыв и детонация — путем сжатия вещества ударной волной.

Источник

Горение и взрыв газа

Для улучшения этой статьи желательно ? :

  • Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
  • Проставить для статьи более точные категории.
  • Викифицировать статью.
  • Исправить статью согласно стилистическим правилам Википедии.
  • Добавить иллюстрации.

Горение и взрыв газов

Горение и взрыв газов (и аэрозолей) — это с точки зрения химии одинаковые процессы превращения смеси горючих газов и окислителя в продукты сгорания, а с точки зрения физики — принципиально различные процессы, имеющие существенно различные внешние проявления.

Под взрывом в физике понимают широкий круг явлений, связанных с выделением большого количества энергии в ограниченном объёме за очень короткий промежуток времени. Кроме взрывов обычных, конденсированных химических и ядерных взрывчатых веществ, к взрывным явлениям относятся также мощные электрические разряды, когда в разрядном промежутке выделяется большое количество тепла, под воздействием которого среда превращается в ионизированный газ с высоким давлением; взрыв металлических проволочек при протекании через них мощного электрического тока, достаточного для быстрого превращения проводника в пар; внезапное разрушение оболочки, удерживающей газ под высоким давлением; столкновение двух твердых космических тел, движущихся навстречу одно другому со скоростью, измеряемой десятками километров в секунду, когда в результате столкновения телá полностью превращаются в пар с давлением в несколько миллионов атмосфер, и т. д. Общим признаком для всех этих разнообразных по своей физической природе явлений взрыва служит образование в локальной области зоны повышенного давления с последующим распространением по окружающей эту область среде со сверхзвуковой скоростью взрывной/ударной волны, представляющей собой прямой скачок давления, плотности, температуры и скорости среды.

При воспламенении горючих газообразных смесей и аэрозолей по ним распространяется пламя, представляющее собой волну химической реакции в виде слоя толщиной менее 1 мм, называемого фронтом пламени. Однако, как правило (если не считать детонационных режимов сгорания), эти процессы происходят недостаточно быстро для образования взрывной волны. Поэтому процесс сгорания большинства газовых горючих смесей и аэрозолей нельзя называть взрывом, а широкое распространение такого названия в технической литературе, по-видимому, связано с тем, что, если такие смеси воспламеняются внутри оборудования или помещений, то в результате значительного повышения давления происходит разрушение последних, которое по своей природе и по всем своим внешним проявлениям носит характер взрыва. Поэтому, если не разделять процессы горения и собственно разрушения оболочек, а рассматривать всё явление в целом, то такое название аварийной ситуации в известной мере можно считать оправданным. Поэтому, называя горючие газовые смеси и аэрозоли «взрывоопасными» и определяя некоторые показатели «взрывоопасности» веществ и материалов, следует помнить об известной условности этих терминов.

Читайте также:  Клетка стенки кишечника слона по сравнению с клеткой стенки кишечника мухи

Итак, если в некотором сосуде воспламенилась горючая газовая смесь, но сосуд выдержал образовавшееся вследствие этого давление, то — это не взрыв, а простое сгорание газов. С другой стороны, если сосуд разорвался, то — это взрыв, и при этом не имеет значения быстро или очень медленно происходило в нём сгорание газа; более того, — это взрыв, если в сосуде и вовсе не было горючей смеси, а он разорвался, например, вследствие превышения давления воздуха или даже без превышения расчетного давления, а вследствие потери прочности сосуда в результате коррозии его стенок.

Для того чтобы любое физическое явление можно было назвать взрывом, необходимо и достаточно, чтобы по окружающей среде распространялась ударная волна. А ударная волна может распространяться только со сверхзвуковой скоростью, иначе это не ударная, а акустическая волна, которая распространяется со скоростью звука. И никаких промежуточных явлений в сплошной среде в этом смысле не существует.

Другое дело — детонация. Несмотря на общую химическую природу с дефлаграцией (реакция горения), она сама распространяется вследствие распространения ударной волны по горючей газообразной смеси и представляет собой комплекс ударной волны и волны химической реакции в ней.

В литературе часто встречается термин «взрывное горение», под которым понимают дефлаграцию со скоростью распространения турбулентного пламени порядка 100 м/с. Однако такое название лишено всякого физического смысла и ничем не оправданно. Горение газообразных смесей бывает дефлаграционным и детонационным, и никакого «взрывного горения» не бывает. Введение в практику этого понятия, очевидно, было вызвано желанием авторов особо выделить высокотурбулентное дефлаграционное горение, одним из важных поражающих факторов которого является скоростной напор газа, который сам по себе (без образования ударной волны) может и разрушить, и опрокинуть объект [1].

Известно, что при некоторых условиях дефлаграция может переходить в детонацию. Условия, способствующие такому переходу, — это обычно наличие длинных вытянутых полостей, например, труб, галерей, горных выработок и проч., особенно если они содержат препятствия, служащие турбулизаторами газового потока. Если горение начинается как дефлаграция, а заканчивается как детонация, то кажется логичным предположить наличие некоторого промежуточного по своей физической природе переходного режима, который некоторые авторы и называют взрывным горением. Однако и это не так. Переход дефлаграционного горения в длинной трубе в детонацию можно представить следующим образом. Вследствие турбулизации и соответствующего увеличения поверхности пламени скорость его распространения увеличивается, и оно толкает впереди себя горючий газ с большей скоростью, что в свою очередь ещё больше увеличивает турбулентность горючей смеси впереди фронта пламени. Процесс распространения пламени становится самоускоряющимся с усиливающимся поджатием горючей смеси. Поджатие горючей смеси в виде волны давления и повышенной температуры (температура в акустической волне повышается по закону адиабаты Пуассона, а не по адиабате Гюгонио, как это происходит при ударном сжатии) распространяется вперед со скоростью звука. А всякое новое дополнительное возмущение со стороны ускоряющегося фронта турбулентного пламени распространяется по уже нагретому поджатием газу с большей скоростью (скорость звука в газе пропорциональна Т1/2, где Т — абсолютная температура газа), и поэтому оно вскоре догоняет фронт предыдущего возмущения и суммируется с ним. А обогнать фронт предыдущего возмущения оно не может, так как местная скорость звука в холодном горючем газе, расположенном в невозмущённом газе, значительно ниже. Таким образом, на переднем фронте первого акустического возмущения происходит сложение всех последующих возмущений, амплитуда давления на фронте акустической волны увеличивается, а сам фронт из первоначально пологого становится все более крутым и в конечном итоге из акустического превращается в ударный. При дальнейшем росте амплитуды ударного фронта температура в нём по адиабате Гюгонио достигает температуры самовоспламенения горючей смеси, что и означает возникновение детонации. Детонация — это ударная волна, в которой происходит самовоспламенение горючей смеси.

Рассматривая описанный механизм возникновения детонации, важно отметить, что его нельзя понимать как непрерывный переход от дефлаграции в результате постоянного ускорения фронта пламени: детонация возникает скачкообразно впереди дефлаграционного пламени, даже на существенном расстоянии от него, когда там создаются соответствующие критические условия. В дальнейшем детонационная волна, представляющая собой единый комплекс ударной волны и волны химической реакции, распространяется стационарно с постоянной скоростью по невозмущенному горючему газу, независимо от породившего её дефлаграционного пламени, которое при подходе к продуктам детонации вскоре вообще перестает существовать.

Читайте также:  Сравнение рулеток по длине

Таким образом, ударная волна, волна химической реакции и волна разрежения в продуктах сгорания движутся с одинаковой скоростью и вместе представляют собой единый комплекс, обусловливающий распределение давления в зоне детонации в виде острого короткого пика. Строго говоря, зона химической реакции отстоит на некотором расстоянии от фронта ударной волны, так как процесс самовоспламенения возникает не сразу же после ударного сжатия горючей смеси, а по истечении определённого периода индукции и имеет некоторую протяжённость, поскольку химическая реакция происходит хотя и быстро, но не мгновенно. Однако ни начало химической реакции, ни её конец на экспериментальной кривой пика давления никаких характерных изломов не определяют. При экспериментах датчики давления фиксируют детонацию в виде очень острых пиков, причем часто инерционность датчиков и их линейные размеры не позволяют проводить достоверных измерений не только профиля волны, но даже и её амплитуды. Для грубых оценок амплитуды давления в детонационной волне можно считать, что оно в 2-3 раза превышает максимальное давление взрыва данной горючей смеси в замкнутом сосуде. Если детонационная волна подходит к закрытому торцу трубы, то происходит её отражение, в результате которого давление ещё увеличивается. Этим и объясняется большая разрушительная сила детонации. Воздействие детонационной волны на препятствие очень специфично: оно носит характер жесткого удара.

По аналогии с конденсированными взрывчатыми веществами, которые принято делить на метательные (порохá) и бризантные, можно отметить, что детонация в этом смысле оказывает, условно говоря, бризантное действие на препятствие, а дефлаграция — метательное.

Возвращаясь к вопросу о возможности и условиях перехода дефлаграции в детонацию, следует отметить, что для этого необходимы не только турбулизаторы газового потока, но существуют также и концентрационные пределы возможности детонации, которые существенно ýже концентрационных пределов дефлаграционного распространения пламени. А что касается возможности детонации газового облака в открытом пространстве, то на это способны далеко не все горючие газообразные смеси: известны экспериментальные исследования, показавшие, например, что, когда в центре метановоздушного облака стехиометрического состава инициировали детонацию, то есть взрывали небольшую навеску конденсированного взрывчатого вещества, то начавшаяся детонация облака затухала и переходила в дефлаграцию. Поэтому, когда есть необходимость заставить газообразное облако сдетонировать в открытом пространстве (так называемая вакуумная бомба), то, во-первых, следует выбрать вещество, способное детонировать в смеси с воздухом в открытом пространстве, например, окись этилена, а во-вторых, не просто поджечь его, а изначально взорвать хотя бы небольшую навеску конденсированного взрывчатого (детонирующего) вещества.

Самовоспламенение или детонация

Возможен ещё один весьма интересных режим сгорания газов: переход дефлаграции в самовоспламенение части горючей смеси. При определённых условиях это возможно при горении в замкнутом объёме, когда по мере распространения фронта пламени от точки зажигания давление в замкнутом объёме растёт, и по закону адиабаты Пуассона повышается температура горючей смеси, и в какой-то момент происходит самовоспламенение оставшейся части горючей смеси, сопровождающееся скачком давления в локальном объёме. Более подробные теоретические описания этого процесса содержатся в литературе [2, 3].

При экспериментах описанное явление самовоспламенения может восприниматься как переход дефлаграции в детонацию, хотя между ним и детонацией есть принципиальные физические различия: при детонации смесь воспламеняется от ударного сжатия по адиабате Гюгонио (необратимый термодинамический процесс), а в описанном случае — от изоэнтропийного сжатия по адиабате Пуассона (обратимый термодинамический процесс); детонация распространяется в виде волны с некоторой конечной скоростью, а описанный процесс самовоспламенения происходит одновременно во всём оставшемся объёме горючей смеси, что условно можно интерпретировать как распространения пламени с бесконечно большой скоростью.

Что происходит в цилиндре двигателя внутреннего сгорания

В связи с этим уместно заметить, что в цилиндре двигателя внутреннего сгорания нет благоприятных условий для перехода дефлаграции в детонацию, зато есть условия для самовоспламенения последних порций горючей смеси. Разработчикам двигателей внутреннего сгорания это необходимо выяснить, так как только на основе правильного понимания физики этих процессов возможен поиск эффективных путей борьбы с детонацией или с тем, что ошибочно понимается как детонация.

Кстати, в двигателях внутреннего сгорания вполне вероятна и подлинная детонация, но как результат того, что в смеси она изначально инициируется искровым разрядом, который, как было отмечено в самом начале, является взрывом, и если смесь при определённом режиме работы двигателя способна детонировать от такого источника ударной волны, то она и возникает. Но в таком случае и пути борьбы с детонацией оказываются совсем другими. Например, целесообразно попытаться искровое зажигание заменить калильным, но только, конечно, не таким, которое применялось на заре двигателестроения в виде постоянно нагретого тела, а импульсным. Оно может осуществляться, например, путём пропускания через резистор очень большого тока в течение очень короткого промежутка времени. Предельно упрощенно такое зажигание можно представить так: через металлическую проволочку определённых размеров и формы следует пропускать такой ток, который способен её расплавить за время порядка менее 0,1 с, но действительное время пропускания тока сократить настолько, чтобы зажигание смеси происходило, а расплавление проволочки — нет. Современные тиристоры и другая элементная база промышленной электроники вполне позволяют это осуществить бесконтактными методами и при этом достаточно тонко устанавливать и момент зажигания, и величину импульса энергии калильного зажигания.

Источник