Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

6116

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
21.11.2023
Размер:
722.92 Кб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное уч-

Федеральное государственное бюджетное образовательное уч-

реждение высшего образования

реждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный

университет»

университет»

В. А. Яблоков

В. А. Яблоков

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

Учебно-методическое пособие

Учебно-методическое пособие

по подготовке к лекциям, практическим, семинарским

по подготовке к лекциям, практическим, семинарским

занятиям

занятиям

для обучающихся по дисциплине «Теория горения и взрыва»,

для обучающихся по дисциплине «Теория горения и взрыва»,

направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность,

направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность,

профиль «Безопасность технологических процессов и произ-

профиль «Безопасность технологических процессов и произ-

водств»

водств»

Нижний Новгород

Нижний Новгород

2016

2016

2

УДК (Присваивает библиотека)

Яблоков В.А. / Теория горения и взрыва [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / В.А. Яблоков; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 106 с.– 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Рассмотрены физико-химические процессы горения и взрыва. Обсуждаются специфические характеристики гомогенных и гетерогенных химических реакций, а также основы теории цепных радикальных реакций и механизм горения некоторых видов топлива, цепной и тепловой взрыв.. Анализируются экологические проблемы, связанные с сжиганием топлива и способы снижения вредных выбросов при сжигании. Дается краткая характеристика некоторых видов топлива и токсических воздействие загрязняющих веществ.

Ключевые слова: горение, тление, взрыв, кинетическая и диффузионная область горения, экологические проблемы.

Пособие предназначено для обучающихся в ННГАСУ по направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность. профиль «Безопасность технологических процессов и производств»

© В.А. Яблоков , 2016 © ННГАСУ, 2016

3

ВВЕДЕНИЕ

Горение – один из главных источников получения энергии в форме теплоты, работы, электричества при сжигании различных видов топлива (природный газ, мазут, бензин, керосин, дизельное топливо, каменный уголь и др.). В ряде производств горение является не только источником энергии, но и непосредственным участником технологического процесса как это происходит, например, в металлургической промышленности.

Изучение теоретических основ горения связано с широким распространением этих процессов, с необходимостью повышения эффективности генерирования энергии, регулирования и оценки условий протекания горения, сопровождающегося в некоторых случаях цепным или тепловым взрывом.

Описание механизма горения сталкивается с трудностями выявления элементарных стадий реакции с участием атомов молекул и радикалов. Сложные дифференциальные уравнения, описывающие скорости реакций, часто не имеют точного решения. Приходится применять приближенные методы, которые снижающие точность расчетов. К тому же, применяемое топливо представляет собой смесь индивидуальных веществ. Его состав разнообразен и зависит от способа переработки.

Большое влияние на скорость горения оказывают физические процессы: испарение топлива, взаимная диффузия окислителя и восстановителя, отвод продуктов из сферы реакции, теплоотвод, перемешивание и ряд других факторов. Поэтому скорость горения относится к совокупности значительного количества параллельно и последовательно протекающих элементарных реакций.

При горении в конкретных топочных устройствах возникают сложные вихревые движения, описывающиеся сложными аэродинамическими уравнениями. Это также влияет на протекание процесса и определяется, прежде всего, конструкцией горел-

4

ки. При этом в пламени возникают различные неоднородности давлений, температур, концентраций в разных участках.

В учебном пособии изложены физико-химические аспекты процессов горения и взрыва. Рассматриваются особенности горения гомогенных и гетерогенных систем, основы теории цепных радикальных реакций и механизм горения некоторых видов топлива, тепловой и цепной взрыв, а также экологические проблемы, связанные с сжиганием топлива, и способам снижения вредных выбросов.

5

ГЛАВА 1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

Горение

Горение – сложный, быстро протекающий химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и света.

Обычно рассматривают химические реакции газообразных, жидких и твердых горючих веществ с кислородом воздуха.

Горение природного газа используется в паровых турбинах электростанций или котельных горячего водоснабжения, двигателях автомобилей, кухонных газовых горелках и в других теплогенерирующих установках. Реакция горения природного газа, содержащего до 98 об.% метана, сопровождается образованием оксида углерода (IV) и воды:

СН4(г) + 2О2(г) → 2Н2О(ж) + СО2(г); ∆rН = − 890.3 кДж/моль

Горение жидких углеводородов широко используется в двигателях внутреннего сгорания. Например, сгорание смеси углеводородов в составе бензина, керосина, дизельного топлива или мазута. Так при сгорании одного из компонентов топлива – изооктана (2,2,4-триметилпентан) выделяется количество энергии, равное rН = − 5463 кДж/моль:

С(СН3)3СН2СН(СН3)2(ж)+12.5О2(г) → 9Н2О(ж)+8СО2(г)

Среди твердых горючих веществ особое место занимает каменный уголь – невозобновляемый источник энергии, хранящийся в недрах земли, применяющийся в топочных устройствах, металлургии и других сферах хозяйственной деятельности человека. В каменном угле содержится от 75 до 90 мас.% углерода:

С(т) + О2(г) → СО2(г); ∆rН = − 393.5 кДж/моль

6

Горение представляет собой окислительновосстановительную реакцию, сопровождающуюся изменением степени окисления элементов. Так происходит при горении водорода в среде кислорода:

Н2(г) + О2(г) = Н2О(ж) или

Н20 + О20 = Н2+1О-2.

Степень окисления водорода и кислорода в простых веществах принята равной нулю. После реакции степень окисления кислорода стала – 2, а водорода +1.

Отступление. Степень окисления – это условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что образуется ионное соединение.

Мы видели на примере реакции горения водорода, что образуется совсем не ионное соединение (Н2О), но использование степени окисления представляет собой прием, который позволяет установить реагент-окислитель и реагент-восстановитель.

Другой пример – горение оксида углерода:

+2 О-2 + О20 = 2С+4О2-2.

В этом процессе окисляется углерод и восстанавливается кислород. Таким образом, горением может называться любая реакция, в которой выделяется теплота и образуется пламя. Это может быть и реакция двух веществ между собой. Например, горение водорода в атмосфере хлора:

Н2(г) + Cl2(г) = 2НCl(г)

или реакция разложения (горения взрывчатых веществ).

Для жидких и твердых веществ горению предшествует окислительно-восстановительная реакция, которая сразу же прекращается, это вспышка.

Вспышка

Вспышка быстрое сгорание газопаровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, сопровождающееся кратковременным видимым свечением.

Сгорание смеси воздуха с парами над жидкостью или твердым телом происходит без загорания жидкости или твердого тела. Фактически вспышка соответствует процессу неустойчиво-

7

го, быстро прекращающегося горения. Такой процесс происходит потому, что скорость поступления горючей газопаровой смеси над поверхность жидкого или твердого материала существенно ниже скорости окислительно-восстановительной реакции. Создается ситуация, когда окислитель, например кислород воздуха над поверхностью есть, но нет окисляемого вещества (восстановителя).

При достижении условий, когда нагретый жидкий или твердый горючий материал поставляет в газовую фазу пары со скоростью, равной скорости окислительно-восстановительной реакции, происходит воспламенение.

Воспламенение

Воспламенение – пламенное горение вещества, инициированное источником зажигания и продолжающееся после его удаления. Вслед за воспламенением развивается устойчивое, непрекращающееся горение.

Роль воспламенителя может выполнять пламя, искра, накаленное тело или механическое воздействие в результате резкого сжатия горючей смеси (так происходит воспламенение горючей смеси в дизельном двигателе) или, например, трение различных материалов друг о друга.

При воспламенении необходимо, чтобы концентрации горючего и окислителя находилась в определенном соотношении.

Классическим явлением воспламенения является процесс возникновения горения в небольшой части горючей смеси. Остальная часть прореагирует за счет распространения процесса на всю смесь. Источники воспламенения, вызывающие такой процесс, называются тепловыми. К ним относится искра, накаленное тело, пламя, а также электрические явления (электрические искры, дуги, разряды атмосферного электричества). К воспламенению могут привести также оптические явления, например, фокусировка лучей линзами. Все тепловые источники нагревают

8

очень незначительную часть горючей смеси, оставляя холодной остальную ее часть.

При воспламенении накаленными телами, чем меньше его размер, тем больше должна быть его температура. Тепловые источники очень маленьких размеров не могут воспламенить горючие смеси.

Не всякие искры одинаковы по своей способности воспламенять смеси. Искры, возникающие при точке металлических изделий на наждачном круге, не могут воспламенить смеси метана или бензина с воздухом. Искры, образующиеся при ударах металла о металл, металла о камень и при их трении, имеют разную воспламеняющую способность. Опытами установлено, что метано-воздушная смесь не воспламеняется от искр при сильных ударах стальных молотков о стальные образцы и от искр трения сталей о карборунд. Однако воспламенение метано-воздушных смесей может происходить от искр, возникающих при ударах между твердой породой и сталью, а также при трении твердой породы о породу. При трении о породу воспламенение происходит не от искр, образующихся при этом, а от теплового воздействия раскаленной зоны, которая может достигать 1200° С.

Опытным путем также установлено, что трение стали о сталь способно воспламенить смеси воздуха с водородом, ацетиленом, сероводородом, коксовым газом. Трение алюминиевых сплавов по стальным поверхностям, покрытым ржавчиной, вызывает воспламенение всех известных взрывоопасных газовых смесей. Причиной является экзотермическая реакция:

Al + Fe2O3 = Al2O3 + Fe; Н = − 853,5 кДж/моль вызывающая нагрев места трения.

Эти знания позволяют подбирать правильные материалы для разработки инструментов и механизмов, работающих на взрывоопасных участках (шахты, газовые месторождения, перекачивающие и заправочные станции и т.п.).

Различная воспламеняющая способность различных фи- зико-химических процессов связана с энергией, которая выделя-

9

ется в форме теплоты и способна нагреть участок горючей смеси. Наглядным примером важности энергии искр является воспламенение электрическими искрами. Для каждой смеси есть минимальная мощность электрической искры, способной ее воспламенить. Минимальная мощность зависит от состава, температуры, давления смеси. Увеличение мощности искр ведет к расширению области воспламенения газовых смесей. Однако при достижении определенной мощности искр ее увеличение уже не вызывает расширения пределов воспламенения смеси. Искры такой мощности называют насыщенными. Их использование в приборах по определению концентрационных или температурных пределов воспламенения дает такие же результаты, как воспламенение накаленными телами или пламенем. Насыщенные искры можно считать разновидностью высокотемпературных источников воспламенения.

Пламя всегда является эффективным источником воспламенения.

Воспламенение гетерогенных горючих смесей имеет свои особенности, отличающие их от гомогенных горючих смесей. Из твердых горючих веществ наиболее подвержены воспламенению волокнистые и мелкораздробленные материалы (хлопок, войлок, ткань, сено, шерсть, мучная и каменноугольная пыль и др.). Все они обладают малой теплопроводностью и большой поверхностью, что способствует сохранению тепловой энергии искры в небольшом объеме горючего вещества и быстрому нагреву. Так как искрой нагревается небольшой объем твердых горючих веществ, то образующихся газообразных продуктов разложения и энергии искры недостаточно для образования горючей смеси. Поэтому воспламенение искрами сопровождается не горением волокнистых веществ, а тлением углеродистого остатка. Только более мощные источники воспламенения и более длительное их действие (пламя, большие по величине накаленные тела) могут вызвать воспламенение твердых веществ с образованием пламени.

10

Для загорания твердых видов топлива их составляющие должны быть переведены в газообразное состояние или превращены в легковоспламеняющийся уголь. Для этого требуется нагрев до высокой температуры. При этом образуются горючие смеси с воздухом, которые воспламеняются. Так происходит воспламенение древесины и природного угля. Первой стадией является разложение топлива с образованием летучих горючих веществ, или испарение летучих органических веществ топлива. Потом происходит воспламенение горючей газовой смеси с воздухом. На следующем этапе от пламени воспламеняется само твердое топливо.

Горение жидкого топлива всегда сопровождается испарением топлива и горением его паров. В жидком виде топливо, как правило, не окисляется кислородом. В результате сгорает только та его часть, которая успела испариться. Поэтому в двигателях внутреннего сгорания важнейшую роль играет процесс впрыска и испарения капелек топлива. Чем более эффективны эти процессы, тем выше к.п.д. и мощность двигателя, и ниже расход топлива.

Как сказано выше, характерной особенностью горения гомогенных смесей является самопроизвольное пространственное распространение пламени. В процессе распространения горения газовая смесь делится на две части: сгоревший газ и несгоревшая смесь, а их граница называется фронтом пламени. Она представляет собой тонкий газовый слой, в котором происходит процесс горения.

Гомогенное и гетерогенное горение

Различают гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные системы). В гомогенных системах степень раздробленности веществ атомная, ионная, молекулярная. В таких смесях нет поверхности раздела фаз для индивидуальных веществ, т.е. нет ни капелек жидкости, ни твердых частичек. При гомо-

11

генном горении горючее и окислитель находятся в одной фазе, обычно в газовой, например смесь метана с воздухом.

При гетерогенном горении горючее вещество и окислитель находятся в разных фазах. Например окислитель – газообразное вещество (О2), а восстановитель твердое (уголь, древесина, торф) или жидкое (бензин, мазут, дизельное топливо) вещество. К гетерогенному горению относится тление

Тлением называют беспламенное горение твердых тел. Так горит кокс – каменный уголь, из которого предвари-

тельно выжгли летучие соединения. Он применяется в металлургии. Так горят пористые материалы (ткани, кошма, пластмассы и др.). При тлении процессы имеют низкую интенсивность и свечение красного типа.

Горение в отсутствии пламени обусловлено условиями теплообмена зоны тления с внешней средой. Устойчивое распространение тления определяется содержанием кислорода в ок-

ружающей среде и разностью температур ∆Т = Ттлен Тсреда. Чем выше температура окружающей среды, тем выше скорость тле-

ния и выше скорость распространения фронта тления. Стационарный режим тления достигается при равенстве скоростей тепловыделения и теплоотвода.

Отступление. Под системой подразумевают совокупность взаимосвязанных частей, выделенных из окружающей среды и выступающих по отношению к ней как целое. Фаза – гомогенная часть системы, обладающая одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела.

Гомогенная или однородная система – система, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы. Гетерогенная или неод-

нородная система – система, состоящая из однородных частей (фаз), разделенных поверхностью раздела. Однородные части (фазы) могут отличаться друг от друга по составу и свойствам.

12

Наиболее общим свойством горения гомогенных горючих газовых смесей является проявление в определенных условиях прогрессивного самоускорения процесса – воспламенения.

Самовоспламенение, самовозгорание, вынужденное зажигание

Горение возникает при определенных (критических) условиях (температура, размеры реакционного сосуда и др.) из-за того, что тепловыделение в ходе реакции превышает теплоотдачу в окружающую среду. В зависимости от начальных условий,

вкоторых находится горючая система, и природы первоначального теплового импульса различают три вида возникновения горения: самовоспламенение, самовозгорание, вынужденное зажигание.

Самовоспламенение – явление быстрого нарастания скорости окислительно-восстановительной реакции, приводящее при определенных внешних условиях к воспламенению горючего вещества без соприкосновения с пламенем или раскаленным телом. Условиями самовоспламенения могут быть резкое повышение температуры или давления, а также введение смеси в нагретый сосуд. Необходимо, чтобы при этом смесь находилась в концентрационных пределах воспламенения и была достигнута температура самовоспламенения, характерная для данной горючей смеси и конструкции конкретного устройства. Самовоспламенение характерно и для гомогенных и для гетерогенных смесей. Отличие гомогенного от гетерогенного самовоспламенение

втом, что для гомогенного это чисто химический процесс, а для гетерогенного состоит из двух стадий – физической и химической. Отличительная особенность самовоспламенения является загорание всей смеси сразу. В этом его отличие от воспламенения. Для того, чтобы самовоспламенение произошло, требуется достижение определенной температуры – температуры самовоспламенения.

13

Температура самовоспламенения — это наименьшая температура горючего вещества, при достижении которой происходит резкое увеличение скорости экзотермической реакции, приводящее к появлению пламенного горения.

Температура самовоспламенения непостоянна; она зависит от состава горючей смеси, давления, начальной температуры, концентрации горючего материала. Факторы, увеличивающие интенсивность тепловыделения горючей системы приводят к снижению температуры самовоспламенения, а факторы увеличивающие теплоотдачу горючей системы приводят к увеличению температуры самовоспламенения.

Температура самовоспламенения горючих веществ разнообразна. У одних она превышает 500 ° С, у других находится в пределах окружающей среды и условно можно принять равной от 0 до 50° С.

Например, желтый фосфор при температуре 15° С окисляется кислородом воздуха и загорается. Вещества, способные самовоспламеняться без нагрева, представляют большую пожарную опасность и называются самовозгорающимися, а процесс самонагревания их до стадии горения определяют термином самовозгорание. К самовозгорающимся относят вещества трех групп:

группа 1 включает вещества, самовозгорающиеся при окислении кислородом воздуха. Это, прежде всего, растительные масла, животные жиры, бурый и каменный угли, сульфиды железа, желтый фосфор и др.;

группа 2 включает вещества, самовозгорающиеся в результате реакции с водой. К ним относятся такие металлы, как калий, натрий и такие соединения, как карбид кальция, карбиды щелочных металлов, фосфористые кальций и натрий, негашеная известь и др.;

группа 3 включает вещества, самовозгорающиеся при смешивании друг с другом (ацетилен, водород, метан и этилен в

14

смеси с хлором; перманганат калия, смешанный с глицерином или этиленгликолем; скипидар в хлоре и др.).

В табл. 1 приведены усредненные значения температуры самовоспламенения некоторых веществ в смеси с воздухом.

 

 

Т а б л и ц а 1.

Температура самовоспламенения некоторых веществ

 

в смеси с воздухом

Вещество

 

Температура самовос-

 

 

пламенения, ° С

Ацетон

 

~500

Бензол

 

~540

Бензин

 

≥230

Керосин

 

~300

Масло растительное

 

≥350

Этанол

 

~400

Ацетилен

 

~335

Водород

 

~510

Пропан

 

~510

Диэтиловый эфир

 

164

СО

 

~610

Самовозгорание в отличие от самовоспламенения представляет собой процесс горения, вызванный происходящими в веществе экзотермическими химическими, физико-химическими или биологическими явлениями. Самовозгорание возникает без соприкосновения с открытым пламенем и притока тепла извне. Процесс самовозгорания ускоряется, когда накопление тепла и, следовательно, нарастание температуры, происходящее в результате процесса окисления, превышают рассеивание тепла в окружающую среду.

Накопление тепла вследствие протекания экзотермических реакций происходит при определённых условиях (высокая удельная поверхность дисперсных материалов, слабая теплоот-

15

дача). Вследствие самонагревания (повышения температуры материала) происходит самоускорение таких реакций.

Есть материалы, которые при известных условиях могут самовоспламеняться и самовозгораться. Среди материалов, используемых на строительстве, особенно подвержены самовозгоранию волокнистые: пакля, тряпки, опилки, пропитанные различными маслами.

Начало самовозгорания характеризуется температурой самовозгорания (Tсн,) представляющей собой минимальную в условиях опыта температуру, при которой обнаруживается тепловыделение. При достижении в процессе самонагревания температуры Tсв. возникает либо тление, либо пламенное горение.

Вынужденное зажигание обусловлено возникновением горения горючей смеси в одной точке в результате действия источника зажигания (искры, нагретого тела, открытого пламени) с дальнейшим воспламенением всей системы.

Источником вынужденного зажигания может служить нагретое или горящее тело, электрический разряд, продукты горения, обладающие энергией и температурой, достаточной для возникновения горения.

В зависимости от природы источника тепла различают следующие виды источников зажигания:

-экзотермические химические реакции;

-тепловые проявления электрической и механической энергии;

-открытое пламя.

Общим для всех процессов зажигания служат следующие признаки:

-температура системы превышает некоторое критическое значение;

-тепловыделение в горючей системе за счет химической реакции окисления превышает теплоотдачу из системы в окружающее пространство;

16

-переходу от медленной реакции окисления к горению предшествует период индукции. Период индукции в горючей системе – это подготовительный процессы к началу горения

Если горючее вещество находится в конденсированном состоянии (твердое или жидкое), то за этот период индукции происходит:

-нагрев горючей системы;

-окисление газообразных продуктов с выделением тепла;

-самонагревание горючей системы;

-возникновение горения.

Один и тот же вид горючего может гореть контролируемым путем, например природный газ в горелке кухонной плиты, но может его горение сопровождаться взрывом, если помещение заполнено смесью природного газа с воздухом в определенном соотношении. Достаточно искры, чтобы произошел так называемый цепной взрыв.

Взрыв

Взрыв – быстро протекающий процесс физического или химического характера, сопровождающийся выделением большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени.

В подавляющем большинстве случаев взрывы, с которыми приходится иметь дело на практике, имеют химическую природу превращения веществ. К ним относятся взрывы, применяемые в производственной практике или в военных целях и, разумеется, происходят взрывы аварийного характера, например взрывы метана газа в шахтах.

Примерами взрывов физического характера могут служить взрывы сжатых газов или взрывы, связанные с эксплуатацией паровых котлов.

Взрывы, связанные с химическим превращением взрывчатых веществ (ВВ), являются разновидностью реакций горения.

17

Такие вещества уже содержат в своем составе и окислитель (−NO2), и восстановитель (−С−Н группы). Например, взрыв кристаллического 2,4,6-тринитротолуола (тротила) сопровождается повышением температуры и давления образовавшихся газообразных продуктов реакции:

 

 

 

 

NO2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

5

 

7

7

Η

O2N

 

 

 

CH3

 

2 N2

+

2

H2O +

2 CO +

2 C ;

NO2

Энергетический потенциал (∆Н) взрыва тротила составляет 4520 кДж/кг.

Аналогичная картина наблюдается при взрыве жидких ВВ, например тринитроглицерина:

H2

 

CONO2

 

3

 

 

+ 5

H2O + 3CO

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HCONO2

N

2

2

+

O

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

2

 

; H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H2CONO2

Горение при взрыве сопровождается высокой скоростью энерговыделения и распространения пламени в соответствующей среде. Например, для твердых ВВ таких, как тротил и жидких таких, как тринитроглицерин, скорость распространения взрывной волны лежит в пределах 2 – 9 тыс. м/с.

Заметим, что при взрыве горючей газовой смеси скорость распространения взрывной волны лишь в несколько раз превосходит скорость звука и составляет около 1 тыс. м/с.

Специалисты по взрывному делу обратили внимание на то, что энергетический потенциал (суммарное выделение энергии при взрыве) газовых смесей таких как метан – воздух, водород – воздух намного превосходит традиционные взрывчатые вещества. Например, энтальпия сгорания 1 кг водорода в сте-

18

хиометрической смеси с кислородом воздуха составляет 120 МДж/кг, в то время как такой же показатель для тротила равен, как было сказано выше, всего 4520 кДж/кг. Известно, что при определении энергетического потенциала ВВ учитывается масса

игорючей и окислительной части взрывчатого вещества. Для газовой смеси учитывается энергетический потенциал только по горючему веществу. Это обстоятельство использовано при создании боеприпасов объемного взрыва («вакуумных бомб»). В таких бомбах сначала подрывается вспомогательный заряд, разрушая корпус, содержащий, например такое горючее вещество, как этиленоксид. Горючее вещество распыляется на значительное пространство, смешиваясь с воздухом и заполняя негерметизированные полости и укрытия. Затем эта смесь близкая к стехиометрическому составу подрывается специальным детонатором, установленным в бомбе. Происходит громадный объемный взрыв большой разрушительной силы, превосходящий взрыв ВВ в несколько раз.

Различают два вида взрывного горения: дефлаграционное

идетонационное горение.

Дефлаграционное горение осуществляется посредством передачи энергии в форме теплоты в соседние с зоной горения участки ВВ. Скорость развития дефлаграционного горения зависит главным образом от теплоемкости и теплопроводности горючего материала, по которому распространяется горение.

Детонационное горение осуществляется посредством скачкообразного изменения давления, температуры, плотности ВВ в узкой зоне, где происходит горение. Эта узкая зона – детонационная волна распространяется с громадной скоростью и вызывает самовоспламенение ВВ.

Детонационная волна – один из видов ударной волны, распространение которой сопровождается тепловыделением благодаря реакциям во фронте. Это волна поджигает следующую порцию газа. Главный признак детонационной волны –

19

Огромный перепад давлений перед фронтом и позади его. Большое давление перед фронтом сильно сжимает газовую смесь и образует высоконагретые продукты, которые самовоспламеняются.

Кинетическая и диффузионная области горения

Для создания теоретических основ конкретного процесса горения важно понять, какой процесс – физический или химический – является лимитирующим, самым медленным, определяющим скорость всего процеcса в целом. Для ускорения всего процесса горения нужно ускорять прежде всего лимитирующий процесс.

Область горения, в которой время сгорания зависит только от скорости химической реакции между кислородом и горючим, называется кинетической. В кинетической области осуществляется, например, тление древесного угля или древесины. Так как тление происходит при низкой температуре, скорость реакции настолько мала, что скорость диффузии кислорода к поверхности обычно опережает скорость взаимодействия кислорода. В данном примере лимитирующей стадией является химическая реакция, так как она самая медленная.

Область горения, в которой скорость процесса зависит только от времени, необходимого для возникновения физического контакта кислорода и горючего, или от скорости другого физического процесса, называется диффузионной.

Горение жидкого топлива происходит обычно в диффузионной области. При горении жидкого топлива лимитирует скорость испарения (а горит, как сказано выше, только испарившиеся вещество). Если требуется ускорить весь процесс горения, то нужно создать условия для лучшего испарения.

Для гомогенных процессов лимитирующая стадия зависит от общего давления смеси. При высоком давлении частота столкновений реагирующих частиц очень большая, поэтому ли-

20

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]