Возникновение детонации

Рассмотрим теперь физику образования детонационной волны на примере горения смеси „метан-кислород” в узкой трубке. При поджигании смеси слабой искрой пламя распространяется по трубке с постоянной скоростью u ~ (10÷20) м/с. В случае поджигания смеси мощным источником – сильной искрой или взрывом заряда взрывчатого вещества – скорость распространения пламени может превышать 2 км/с.

Выше было показано, что процесс стационарного горения обусловлен процессами теплопроводности и диффузии компонентов, то есть относительно медленными молекулярными процессами. При этом нормальная скорость распространения пламени намного меньше скорости звука (u_n  с).

Скорость детонации превышает в сотни раз нормальную скорость распространения пламени (D  u_n), поэтому механизм детонации нельзя объяснить медленными процессами переноса – теплопроводностью и диффузией. Детонация – это газодинамическое явление, связанное с образованием и распространением ударной волны. В ударной волне, распространяющейся по горючей смеси со скоростью D ~ 2 км/с, наблюдается резкое повышение давления (в 40÷60 раз) и температуры (в 6÷7 раз) газа. При этом температура газа достигает Т ~ 2000⁰С. При таких высоких значениях температуры резко возрастает скорость протекания химической реакции горения в соответствии с законом Аррениуса.

Теплота, выделившаяся в ходе протекания экзотермической реакции Q, возмещает необратимую потерю энергии, происходящую при ударном сжатии горючей смеси, еще не вступившей в реакцию. Таким образом, образовавшаяся детонационная волна поддерживает сама себя за счет реакции горения на ее фронте. Скорость распространения детонационной волны пропорциональна квадратному корню из теплового эффекта реакции и практически не зависит от начального давления газа:

~ .

Детонация может возникать только при определенном составе смеси. Например, смесь „водород-кислород” детонирует в пределах содержания (27÷35)% водорода, смесь „ацетилен-воздух” – в пределах содержания (6÷15)% ацетилена. Явление детонации может возникать в двигателях внутреннего сгорания. Для предотвращения детонации в бензин вводятся антидетонационные присадки – тетраэтилсвинец Pb(C₂H₅)₄, тетракарбонил никеля Ni(CO)₄, пентакарбонил железа Fe(CO)₅.

4. Материальный баланс процессов горения

Для оценки вероятности возникновения пожара и его последствий для конкретных объектов (нефте- или газопровод, заводской цех, складское помещение, жилая квартира, коттедж и т.д.) необходимо уметь рассчитывать материальный баланс процессов горения различных горючих веществ. Горение веществ при пожаре происходит почти всегда в среде воздуха. Только в специально приготовленных смесях (ракетное топливо, термитный состав, взрывчатое вещество) или при газовой сварке металлов горение происходит за счет кислорода, выделяемого окислителем, или за счет газообразного кислорода. Поэтому рассмотрим методы расчета материального баланса при горении топлив в среде воздуха.

Расчет сводится к решению следующих задач.

• Определение количества воздуха, необходимого для горения.

• Определение количества и состава продуктов сгорания.