Теория детонации горючих материалов Лекция 12 ДБЖ-09
Скорость детонации зависит от внешних факторов: ¡при повышении критического диаметра, детонация увеличивается; ¡соотношение горючего и окислителя. ¡инертные добавки. Зависимость скорости детонации от состава горючей смеси Смесь Детонация 2 H 2 +O 2 2 830 2 H 2 +O 2+1, 5 He 3 010 2 H 2 +O 2+1, 5 Ar 1 950 2 H 2 +O 2+3 He 3 130 2 H 2 +O 2+3 Ar 1 800 2 H 2 +O 2+5 He 3 160 2 H 2 +O 2+5 Ar 1 700 - - Влияние повышенного давления от концентрации горючего газа СО + СО 2 (1); СО + СО 2 + Н 2 О (2).
При уменьшении средней молекулярной массы продуктов детонации увеличивается ее скорость. ¡ ¡ ¡ активные добавки; катализирующее влияние воды на смесь СО + воздух до определенного ее содержания. СО+О 2 + 5%Н 2 О скорость детонации увеличивается с 1 300 до 1 740 м/с, при дальнейшем увеличении давления детонация уменьшается. при увеличении давления увеличивается скорость детонации газов (при увеличении давления, предположительно, уменьшается степень диссоциации продуктов горения); при увеличении температуры уменьшается детонация газов (при увеличении температуры уменьшается плотность и снижается энергетика наполнения единицы объема).
Важнейшей характеристикой взрывоопасности пыли является нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР). На величину НКПР пылей оказывает влияние дисперсность, влажность, температура, давление и другие факторы. Дисперсность сложным образом влияет на НКПР пылей. Наименьшее значение НКПР имеют пыли при размерах твердых частиц 70… 100 мкм, а изменения дисперсности в меньшую или большую сторону ведет к увеличению величины НКПР. Существенным образом на НКПР влияет влагосодержание частиц. До 15 % (масс. ) зависимость НКПР от влажности практически повышается по линейному закону, а дальнейшее влагосодержание резко повышает величину НКПР и при 20… 25 % (масс. ) влаги аэрозоли становятся невзрывоопасными. С увеличением температуры окружающей среды величина НКПР снижается. Давление также влияет на НКПР, понижение начального давления вызывает снижение НКПР, однако при 1, 5… 2, 0 к. Па это снижение прекращается, при давлении 1, 0… 1, 2 к. Па горения пылевоздушных смесей не наблюдается.
Для угольной пыли возможность детонации зависит: от содержания летучих компонентов (чем ниже температура кипения, тем легче протекают процессы испарения, поэтому, чем больше летучих компонентов, тем легче система переходит в газообразное состояние и тем больше детонационная способность); от дисперсности (чем мельче частицы, тем больше скорость детонации). Влияние влажности на давление при взрыве каменноугольной пыли: 1 – украинский бурый уголь; 2 – кизиловский уголь; 3 – донецкий газовый уголь
Аэровзвеси металлов долгое время считались недетонационноспособными, однако способны к детонации алюминий, магний в смеси с кислородом. При низкой дисперсности активные металлы детонируют в смеси с воздухом. Для пылевоздушной и паровоздушной смесей обнаружены неклассические формы детонации. В кислородном оборудовании часто возникают взрывы и горение (кислородные компрессоры). При определенном давлении и объеме способна гореть и сама сталь, из которой изготовлен корпус компрессора. Детонация может распространяться, если на внутренней поверхности трубы находится смазка (органические материалы), а труба заполнена кислородом. Основные закономерности детонации конденсированных взрывчатых систем (твердое вещество – жидкость). В металлургическом производстве могут образовываться взрывные системы: ¡ индивидуальные взрывные вещества (скорость детонации для индивидуальных веществ от 1 000 до 9 000 м/с); ¡ смеси горючего вещества с окислителем. ¡ смеси характеризуются максимальной скоростью детонации не больше 2 -3 км/с, что ниже, чем для индивидуальных взрывных веществ.
Критический диаметр детонации изменяется быстро, вследствие потери тепла в окружающую среду увеличивается давление взрывной системы в месте, где идет химическая реакция. Волна высокого давления доходит до периферии и превращается в волну разряжения от периферии заряда к центру (если успевает дойти до центра заряда, то вещество (заряд) разбрасывается в стороны). Величина критического диаметра зависит от: давления детонации, чем больше давление, тем меньше критический диаметр; ¡ скорости детонации, чем больше скорость, тем меньше критический диаметр; ¡ химико-кинетические параметры: чем быстрее идет химическая реакция, тем меньше критический диаметр; чем больше теплота взрыва, тем больше критический диаметр; чем больше дисперсность, тем меньше критический диаметр. Для индивидуальных взрывных систем с увеличением плотности среды критический диаметр уменьшается. Для смесей горючего вещества с окислителем с увеличением плотности сред критический диаметр увеличивается (затрудняется перемешивание продуктов с исходной смесью). Начальные давление и температура на величину критического диаметра практически не влияют (их изменение невелико по сравнению со скачком давления и температуры в детонационной волне). Агрегатное состояние вещества влияет на величину критического диаметра – для порошков критический диаметр меньше, чем для металлов в твердом состоянии, и больше для жидких материалов, (высокая однородность и затруднено инициирование и протекание химической реакции). Величина критического диаметра резко уменьшается при увеличении скорости детонации при наличии оболочки и затрудняется распространение волн разряжения. ¡ скорость волн разряжения определяется скоростью звука в воздухе. ¡
Основные факторы, влияющие на скорость детонации конденсированных систем: ¡теплота и температура детонации (при увеличении теплоты и температуры повышается скорость детонации); ¡диаметр заряда (между критическим диаметром и предельным значением диаметра скорость детонации увеличивается, а затем не зависит); ¡ плотность (для индивидуальных веществ скорость монотонно увеличивается с увеличением плотности, для смесей сначала увеличивается, а потом уменьшается); ¡температура практически не влияет на скорость детонации, так как в процессе детонации развиваются очень высокие температуры; ¡давление – при очень низких температурах (гораздо ниже 00 С) при увеличении давления увеличивается скорость детонации; для порошкообразных систем при увеличении давления увеличивается скорость детонации; ¡начальный импульс, при увеличении начального импульса выше некоторого критического значения скорость детонации увеличивается на незначительном участке от места инициирования, далее детонация переходит на стационарный режим.
Теория детонации конденсированных систем. Для конденсированных систем давление принимает значения больше Р=10 000 МПа, при давлениях ниже 10 000 МПа, давление сильно сказывается на взаимодействии молекул(деформация молекул происходит при меньших значениях давления). Для высоких давлений уравнение Ван-дер-Ваальса где α –коэффициент, учитывающий собственный объем молекул. Это уравнение связывает параметры детонации сжатых газов.
Энергия сжатия твердого тела (внутренняя энергия) – упругая составляющая, которой определяет межмолекулярные взаимодействия; тепловая составляющая. Тепловая составляющая меньше упругой составляющей при высоких давлениях, поэтому можно пренебречь тепловой составляющей, твердое тело мало расширяется. Эмпирическая зависимость: где ρ0=1 -1, 7 г/см 3; А = 4, 5 105 см 4/(с· г). Детонация (D) линейно связана с плотностью ρ0; предположим, что плотность ρ2 линейно связана с ρ0 через коэффициент α:
В уравнение подставим величины А и ρ2: где Величина А получена экспериментально В точке Жуге реализуется наименьшая скорость детонации: Величина знаменателя может быть бесконечной величиной, поэтому числитель равен нулю.
Перечислим несколько механизмов гетерогенного разогрева. ¡ во фронте ударной волны происходит точечный разогрев вещества за счет сил трения, и возникает химическая реакция. Гетерогенный разогрев возникает в местах разной плотности и неоднородности пористого вещества. Этот разогрев неопределенный и связан со структурой вещества. Чем больше неоднородность вещества в местах протекания химической реакции, тем лучше разогрев и больше скорость химической реакции. ¡ в жидкости всегда есть растворенные газы (воздух), поэтому при наличии пузырьков воздуха происходит адиабатическое сжатие и давление взрыва уменьшается во много раз. Если заменить воздух на аргон, то детонация увеличится в несколько раз. В мельчайших пузырьках воздуха происходит сжатие, и детонационная волна обтекает воздушный пузырек, и возникает струя. ¡ химическая реакция протекает в местах неоднородностей, которые обусловлены пузырьками воздуха, и успевает дойти до точки Жуге. Горение передается не только как послойное горение, но еще растрескиванием и сжатием частиц, и скорость горения увеличивается.
Оценка возможности протекания реакции – за фронтом химической реакции идет волна разряжения, которая идет со скоростью звука, поэтому если волна разряжается и успевает дойти до центра, то происходит разброс вещества и детонация прекращается (принцип Харитона). где с2 – скорость звука; В момент затухания химической реакции d=dкр. Для тротила плотность 1 г/см 3; критический диаметр – 0, 8 см; детонация 5000 м/с; время химической реакции 10 -6 с.
Скачать презентацию Теория детонации горючих материалов Лекция 12 ДБЖ-09
лекция 12 по теории горения и взрыва ДБЖ-09.ppt