Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
5. ВЗРЫВ И ДЕТОНАЦИЯ
5.1. Физический и химический взрывы
Взрыв – явление, которое сопровождается значительным ущербом,
высокой угрозой жизни и здоровью человека. Взрыв может происходить в
ходе развития пожара, либо, в свою очередь, взрыв может приводить к
возникновению пожара.
Действительно очень часты случаи, когда происходит взрыв баллонов с
бытовым газом на пожарах. Газовые баллоны, находясь в зоне теплового
воздействия, нагреваются, из-за чего давление газа внутри баллона
значительно повышается. Если давление газа внутри баллона превысит
допустимое напряжение материала стенки на растяжение, то произойдет
аварийная разгерметизация (рисунок 5.1), что будет сопровождаться взрывом.
С другой стороны, взрыв сопровождается возникновением и
распространением в пространстве ударной волны. По сути, ударная волна
представляет собой движение сжимаемого участка среды в направлении от
эпицентра взрыва.
Ударная волна распространяется от центра взрыва, а эпицентр — это
проекция центра взрыва на земную поверхность как снизу, так и сверху, в
зависимости от места расположения заряда.
При сжатии среды происходит разогрев и если ударная волна попадает
в горючую газо-, паровоздушную смесь, то в зоне распространения ударной
волны смесь, из-за разогрева, может воспламениться, что приведет к пожару.
71
Рисунок 5.1 – Пример аварийной разгерметизации баллона из-за нагрева в
зоне пожара
(ссылка на рисунок https://clck.ru/363U3c)
В силу того, что причины возникновения взрыва могут быть разные и
могут различаться по специфике его реализации, то затруднительно
сформулировать единое, унифицированное, определение того, что такое
взрыв. Из общих соображений можно отметить, что для взрыва характерно
очень быстрое преобразование потенциальной энергии вещества в
кинетическую энергию.
Например, в своей работе по изучению селитры М.В. Ломоносов
приводил понятие взрыва как процесс быстрого выделения энергии и
большого объема газов. Согласно ФЗ №123: «взрыв - быстрое химическое
превращение среды, сопровождающееся выделением энергии и образованием
сжатых газов». Или согласно сайту МЧС России
https://mchs.gov.ru/ministerstvo/o-ministerstve/terminy-mchs-rossii/term/297
дается следующее определение – «Взрыв - быстропротекающий процесс
физических и химических превращений веществ, сопровождающийся
освобождением большого количества энергии в ограниченном объеме, в
результате которого в окружающем пространстве образуется и
распространяется ударная волна, способная создать угрозу жизни и здоровью
людей, нанести ущерб хозяйственным и иным объектам и стать источником
ЧС».
72
Взрыв – быстрое превращение вещества (взрывчатое горение),
сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов,
способных производить работу (ГОСТ 12.1.010-76*. Взрывобезопасность.
Общие требования).
Выделяют три вида взрыва: химический, физический и ядерный.
Физический взрыв – взрыв, который обусловлен быстрым протеканием
физического процесса, как правило, резкого расширения газа или пара.
Причиной резкого расширения объема газа может быть связанно с
разгерметизацией сосуда под избыточным давлением или быстрым резким
парообразованием при попадании сильно разогретого тела в холодную
жидкость.
Проявление физического взрыва может основываться и на других
физических процессах, при этом проявляясь в других формах. В качестве
примера можно рассмотреть процесс получение высокодисперсных частиц
при пропускании электрического тока под высоким напряжением через металл
в виде фольги или проволоки. При заданных условиях металл при
прохождении тока быстро разогревается до расплавления и/или испарения.
Формируются отдельные мелкие капли расплава, которые разлетаясь
остывают и образуют высокодисперсные частицы. Пары металла остывая
конденсируются также в высокодисперсные частицы.
Химический взрыв – «взрыв, вызываемый быстрым химическим
превращением веществ, при котором потенциальная химическая энергия
переходит в тепловую и кинетическую энергию расширяющихся продуктов
взрыва».
73
Рисунок 5. 2 – Последствия взрыва бытового газа в помещении с
возникновением последующего пожара
(ссылка на рисунок https://clck.ru/363U29)
При этом к взрыву может приводить химическое превращение вещества,
как за счет химического разложения, так и за счет быстро протекающей
реакции окисления.
Вещество, приводящее к химическому взрыву, может находится в
разных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Бытовой газ,
неконтролируемо вытекая из баллона, образует в помещении опасную
газовоздушную смесь, которая при возникновении источника зажигания
взрывается, приводя к значительному ущербу (рисунок 5.3).
74
Рисунок 5.3 – Проведение взрывных работ на карьере
(ссылка на картинку https://clck.ru/363U4o)
Примером жидкого взрывоопасного вещества может служить
нитроглицерин (1,2,3-тринитрооксипропан). Очень неустойчивое
соединение - даже при незначительных механических воздействиях
происходит его детонация. Для стабилизации с целью перевозки, хранения и
практического применения было предложено пропитывать диатомит
нитроглицерином. В качестве другого примера жидкого взрывчатого вещества
можно привести этиленгликольдинитрат (1,2-динитроксиэтан). По сравнению
с нитроглицерином менее восприимчив к удару.
Известным примером твердого взрывчатого вещества является
тринитротолулол (2,4,6-тринитрометил бензол). Имеет широкое
использование в промышленности и военном деле.
Некоторые твердые горючие материалы, которые в традиционном
понимании не относятся к взрывчатым веществам, в высокодисперсном
состоянии могут представлять взрывоопасность. При этом пылевидное
вещество представляет угрозу как во взвешенном состоянии (аэрозоль), так и
в виде осевшего слоя пыли на поверхности (аэрогель). Горение пыли в виде
аэрогеля может переходить из дефлаграционного в детонационный режим, что
75
будет выражаться взрывом. Горение пыли в виде аэрозоля описывается так же
как и для газо- и паровоздушных смесей.
Пожаро- и взрывоопасность пыли характеризуется набором показателей
пожаро- и взрывоопасности: группа горючести, Т
Р
max
,
. Эти показатели оцениваются экспериментально и расчетным
НКПР
всп
, Т
воспл
, Т
свп
, Т
с.нагр
, Ттл, Е
min
путем согласно ФЗ №123 и ГОСТ 12.01.044. С практической точки зрения
важным является установление пламенного характера взрыва пылевоздушной
смеси, соответствующей содержанию вещества
. Что и является целью
НКПР
данной работы.
5.1.1. Лабораторная работа № 8 Определение взрывоопасности
пылевоздушной смеси
Цель работы: исследование пожаровзрывоопасности пылевоздушных
смесей на примере установления ее пламенного характера взрыва.
Материалы и оборудование, используемые в работе.
,
Для проведения работы используется установка ПКО-1, отвечающая
требованиям ГОСТа 12.01.044. Исследуемые вещества предоставляются
преподавателем.
Описание установки ПКО-1:
Принципиальная схема установки ПКО-1 представлена на рисунке 4.
Рисунок 5.4 – Схема установки ПКО-1
(ссылка на картинку https://clck.ru/363U6k)
76
Основные элементы установки имеют следующее назначение. Шток
поршня (1 на рисунке 4) выполняет функцию выбрасывающего пыль
механизма в рабочую камеру прибора. Для фиксации штока поршня в
взведенном состоянии используется стопор (2). Все это закреплено на
держателе основного корпуса прибора (3). Исследуемый высокодисперсный
образец помещается через воронку (4) в шток и после освобождения стопора
вещество выбрасывается через сопло (5) в рабочую камеру (7), которая
представляет собой кварцевую трубу. После выбрасывания в камеру вещество
пролетает в виде пылевоздушного потока вдоль трубы попадая на спираль
накаливания (6). Температуру спирали накаливания можно изменять, задавая
необходимое напряжение с помощью регулятора (9). На выходе кварцевой
трубы может быть установлена мембрана (8), с помощью которой можно
определять максимальное давление взрыва пыли. Вся установке размещается
на прочном основании (10).
Порядок проведения работы:
1. Оценить объем рабочей камеры установки ПКО-1.
2. Рассчитать количество вещества необходимое для образования
нижнего концентрационного предела вещества в объеме рабочей камеры - 1 =
, а также для концентрации 2 = 0,9·
НКПР
НКПР
.
3. Подготовить образец к испытаниям. Исследуемое вещество
заданной массы необходимо тщательно измельчить в ступке до
высокодисперсного состояния.
4. Включить спираль накаливания, выждать пока температура
спирали достигнет до 1050±50 0С.
5. Взвести шток (1) прибора и поместить подготовленный образец
через воронку (4) в шток. После чего освободить стопор штока.
6. Зафиксировать возникновение или отсутствие образования
пламени. Если входе пяти повторов испытаний хоть раз возникает пламя
длиной более 0.5 деления разметки кварцевой трубы, то пыль принимается
взрывчатой.
77
7. Прочистить рабочую камеру от остатков порошка и продуктов
(5.1)
неполного сгорания.
8. Повторить эксперимент для второй концентрации пылевоздушной
смеси вещества.
9. Внести результаты расчетов и наблюдений в таблицу 5.1.
10. Для концентрации вещества, испытание которой сопровождается
взрывом, рассчитать избыточное давление взрыва по формуле:
где – масса вещества;
– низшая теплота сгорания вещества;
0
Р
– атмосферное давление;
Z – коэффициент участия вещества во взрыве (можно принять Z = 0,5);
VСВ – свободный объем;
– плотность воздуха; (приложение Г)
С
– теплоемкость воздуха (можно принять СР= 1,017 кДж/(моль·К));
Р
Средняя удельная теплоёмкость при постоянном давлении
Сp = 1,006 кДж/(кг·К). Средняя удельная теплоёмкость при постоянном
объёме Сv 0,717 кДж/ (кг·К) Показатель адиабаты 1,40. Скорость звука (при н.
у.) 331 м/с (1193 км/ч). Средний коэффициент теплового расширения в
интервале температур 0—100 °C 3,6710 −3 1/К. Коэффициент динамической
вязкости воздуха (при н. у.) 17,2 мкПа·с.
t0 – температура проведения испытания;
К
– коэффициент неадиабатичности взрыва (можно принять КН = 3)
Н
11. Сделать выводы по полученным результатам и подготовить отчет.
78
Таблица 5.1 – Результаты проведения эксперимента
Название
вещества
Исследуемые
концентрации,
кг/м
3
Масса
приготовленной
навески
вещества, г
Результат
испытаний
Длина
наблюдаемого
пламени,
ед.дел.
ΔР
взр
,
кПа
1
=
2
=
Контрольные вопросы
1. Что такое взрыв?
2. Какие виды взрывов бывают и чем они отличаются?
3. В чем заключается отличительная особенность химического
взрыва от нормального горения?
4. Какими опасными факторами сопровождается взрыв?
5. Какие мероприятия необходимо реализовывать на предприятии,
где возможно пылеобразование, с целью исключения возможности
возникновения взрыва пылевоздушной смеси?
6. Приведите примеры производства, где возможно
пылеобразование и возникновение взрыва пылевоздушной смеси.
79
5.2. Ударные волны и детонации
Под взрывчатым веществом принято понимать конденсированное
химическое соединение, которое способно к быстрому
самораспространяющемуся химическому превращению, которое
сопровождается выделением большого количества энергии и газообразных
продуктов. К взрывчатым веществам относится широкий список
индивидуальных веществ и их смесей. Поскольку каждое отдельное вещество
обладает своими индивидуальными свойствами и характеристиками, то и
каждое взрывчатое вещество имеет свои особенности. Это определяет области
применения взрывчатого вещества.
По своему назначению и свойствам взрывчатые вещества принято
делить на три типа: инициирующие, бризантные и метательные.
Предназначение инициирующих взрывчатых веществ осуществлять
возбуждение взрывчатых превращений в других взрывчатых веществах,
которые характеризуются более высокой устойчивостью. Инициирующие
взрывчатые вещества являются соединениями, для которых свойственно
повышенная чувствительность и быстрое начало превращения (быстрое
развитие детонации) при начальном воздействии: тепловой источник,
электрическая искра, трение и механический удар. Являются начинкой для
капсюлей зарядов, электродетонаторов, пирозарядов и т.п.
Бризантные взрывчатые вещества – значительно сильнее оказывают
дробящее влияние на среду, в которой происходит взрыв бризантного
вещества. Менее чувствительны к внешним воздействиям и для инициации их
взрывного превращения требуется, как правило, применение инициирующих
взрывчатых веществ. Используются широко для начинки боевой части ракет,
артиллерийских снарядов, мин, а также при выполнении работ в горном деле,
строительстве и промышленности.
Метательные взрывчатые вещества предназначены для придания
необходимой кинетики метательным снарядам в ходе своего взрывчатого
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]