Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Учебник
.pdf
1. Равновесный нагрев ВВ. ВВ «равновесно» (целиком) нагре-
г
,
ν
w А Вp=+×
( )
г
0
1
w
А ВТ
=
-
вается до температуры Т*, выше которой оно самостоятельно, без
внешнего воздействия, воспламеняется (взрывается!) за счет выделения тепла при медленной химической реакции. Воспламенение
в этом случае происходит одновременно во всем объеме. Первый тип
воспламенения – это самовоспламенение.
2. Неравновесный нагрев ВВ. Нагрев до температуры Т**, выше
которой ВВ воспламеняется в ограниченной области. Состояние горючей смеси в этом случае не равновесно. Воспламенение сначала происходит в ограниченной области (точке, плоскости), а в других областях
– посредством самопроизвольного распространения зоны воспламенения (горения). Второй тип воспламенения – это вынужденное самовоспламенение (вынужденное зажигание, зажигание).
После воспламенения, в результате прогрева впереди лежащих
слоев ВВ, зона горения способна к распространению в пространстве.
(Процессы горения протекают сравнительно медленно.)
Различают:
– нормальное (стационарное) горение, перемещающееся по ВВ
с постоянной скоростью обычно от долей сантиметра до нескольких
метров в секунду;
– конвективное (нестационарное, пульсирующее или взрывное)
горение, распространяющееся с непостоянной скоростью до сотен
метров в секунду.
Способность к послойному нормальному горению зависит от струк-
туры ВВ. Она свойственна веществам с малопористой структурой,
полученной, например, желатинизацией или сильным уплотнением
массы (коллоидные, дымные пороха).
Скорость нормального горения существенно зависит от внешнего
давления р и выражается формулой
где А и В – постоянные для данного ВВ величины; ν – эмпирический
коэффициент.
жением
где Т
Температурная зависимость скорости горения описывается выра-
,
– начальная температура вещества.
0
51
Давление в зоне нормального горения невелико.
Конвективное или пульсирующее горение возникает в пористых и
высокоактивных ВВ. Оно распространяется в результате диффузии
(проникания) высокотемпературных продуктов горения в глубь вещества (горение в объеме). При больших скоростях горения процесс
приобретает взрывной характер, развиваются высокие давления газов, в окружающей среде возникает ударная волна, но меньшей интенсивности, чем при детонации. По этой причине такой процесс
часто называют взрывным горением. При нем энергия передается
продуктами реакции взрывчатого превращения.
На открытом воздухе горение протекает сравнительно вяло и не
сопровождается сколько-нибудь значительным звуковым эффектом.
В ограниченном же объеме этот процесс происходит значительно
энергичнее, так как возрастает давление, а с ним и скорость горения.
При этом газообразные продукты горения способны производить «работу метания» подобно тому, как это происходит при выстреле. В таких условиях горение может перейти во взрыв (детонацию). Эта способность зависит от химической природы и структуры ВВ. Особенно
легко этот переход происходит в ИВВ, которые не способны к стационарному горению даже на открытом воздухе.
Горение является характерным видом взрывчатого превращения порохов. Пороха легко воспламеняются, обладают повышенной
устойчивостью против перехода горения в детонацию и в то же время обеспечивают требуемые высокие скорости горения в ствольных
системах или камерах ракетных двигателей. Однако, в принципе, все
пороха могут детонировать, если размер заряда достаточно велик.
4.5. Взрыв (детонация) взрывчатых веществ
Отличительными чертами взрыва являются: резкий скачок давления в месте взрыва, высокая 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.
Процессы взрыва (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.
52
Наиболее быстрой формой протекания взрывчатого превращения
в зарядах ВВ является детонация.
Детонация – гидродинамический волновой процесс распространения по ВВ зоны экзотермической реакции со сверхзвуковой скоростью.
Детонационная волна состоит из фронта волны и примыкающей
к нему областью течения продуктов взрыва.
Фронт детонационной волны – зона основного энерговыделения и
перестройки состояния вещества, имеет малую толщину по сравнению с размером заряда. Детонационная волна характеризуется высокими давлениями, лежащими в интервале 2–40 ГПа для конденсированных (т.е. жидких и твердых) ВВ. Выделяющаяся в зоне реакции
энергия обеспечивает самоподдерживающееся распространение детонационной волны.
Детонация представляет собой наиболее совершенную (установившуюся) форму взрыва, протекающую с постоянной и максимально возможной при заданных условиях для данного ВВ скоростью,
превышающей скорость звука в данном веществе. Скорость детонации зависит от состава ВВ, плотности, физической структуры, диаметра заряда и свойств оболочки, является константой и одной из
важнейших характеристик ВВ. В условиях детонации достигается
максимальное разрушительное действие взрыва.
Низкоскоростная детонация представляет собой неустановившийся процесс, который при своем распространении либо переходит в нормальную детонацию, либо затухает. Неустановившийся режим взрыва обычно наблюдается на участках заряда, прилегающих
к месту инициирования. Таким образом, термин «взрыв» в широком
смысле этого слова объединяет понятие о его нестационарной и детонационной формах, которые принципиально не отличаются по механизму своего распространения.
Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что детонация распространяется, не затухая, в зарядах большой длины, если диаметр заряда больше некоторого критического.
Критическим диаметром dкр называется минимальный диаметр
цилиндрического заряда, способного детонировать при любой длине. При d
> dкр обычно вскоре после инициирования устанавли-
зар
вается практически постоянная скорость самоподдерживающейся
детонации.
53
ТЕМА 5. ЭНЕРГИЯ И МОЩНОСТЬ
[ ] [ ] [ ] [ ]
( )
в
81 С 300 Н 26 О SQ =+ - -
[ ] [ ] [ ] [ ]
( )
[ ]
( )
н
81 С 300 Н 26 О S 6 9 HQW= + - -- +
( ) ( )
н
81 82,5 300 10,65 26 0,5 3,1 6 9 10,65 3 9352Q =× + × - - - × +=
СHNO
аb cd
( )
0,24
взр ВВ
0,32 94 28,75α∆
kf
Q a bH=× + +
α
ВЗРЫВА И ГОРЕНИЯ
5.1 Оценка энергии, выделяющейся при взрыве
взрывчатых веществ
Сравним количество энергии, выделяющейся при сгорании горю-
чих веществ и при взрыве различных ВВ.
Различают высшую и низшую теплоту сгорания.
Высшей теплотой сгорания Qв называют количество тепла, вы-
деляемое при полном сгорании 1 кг или 1 м3 горючего вещества при
условии, что содержащейся в нем водород сгорает с образованием
жидкой воды.
Низшей теплотой сгорания Qн называют количество тепла, выде-
ляемое при полном сгорании 1 кг или 1 м3 горючего вещества при условии сгорания водорода до образования водяного пара и испарения
влаги горючего вещества.
Высшую и низшую теплоту сгорания твердых и жидких горючих
веществ, ккал/кг, можно оценить по формулам Д.И. Менделеева:
,
где [C], [H], [O], [S], W – содержание в горючем веществе соответственно углерода, водорода, кислорода, серы и влаги, %.
Например, низшая теплота сгорания сернистого мазута, содержащего [C] = 82,5 % углерода; [H] = 10,65 % водорода; [O] = 0,5 %
кислорода; [S] = 3,1 % горючей серы; А = 0,25 % золы и W = 3 % воды
составит
Низшая теплота сгорания некоторых горючих материалов, рассчитанная по их элементарному составу, представлена в табл. 5.1.
Для приближенной оценки теплоты взрыва, ккал/моль, широкого круга органических веществ, имеющих химическую формулу
Г.А. Авакян предложил следующую зависимость:
54
, при
,
≥100 %;
k
ккал/кг.
( )
0,24
взр ВВ
0,32 47 5,25α∆
kf
Q d bH=× + +
α
где
α
k
α
2
2
α
k
d
b
a=+
22
== =
α∆
kf
7 12 5 1 3 14 6 16 227М =× +×+× +× =
– кислородный коэффициент, %;
, при
∆
H – теплота образова-
f
ВВ
< 100 %,
k
ния ВВ, ккал/моль;а, b, c, d – количество атомов соответственно углерода, водорода, азота и кислорода в молекуле ВВ.
Таблица 5.1
Энергия, выделяющаяся при сгорании различных горючих веществ,
рассчитанная по формуле Д.И. Менделеева
Горючее
вещество
Керосин 86 13,7 – – 0,3 – – 10344 43310
Сернистый мазут 82,5 10,65 0,5 – 3,1 3 0,25 9352 39157
Каменный уголь 75,8 3,8 2,8 1,1 2,5 3 11 7049 29513
Древесина (дуб) 46,08 5,50 38,18 1,14 – 7,00 2,10 4051 16961
Древесина (сосна) 46,00 5,50 39,2 0,90 – 7,00 1,40 4018 16823
Торф 40 4 13 20 – 13 10 3808 15944
Хлопок 42,40 5,92 46,6 0,58 – 4,00 0,50 3655 15304
Солома 39,06 4,70 42,2 1,04 – 8,00 5,00 3175 13293
Кислородным коэффициентом
Содержание в горючем веществе, % Q
[C] [H] [O] [N] [S] W A ккал/кг кДж/кг
называют отношение количе-
k
н
ства атомов кислорода в молекуле ВВ к тому количеству, которое необходимо для полного окисления содержащегося в ВВ углерода до
углекислого газа (CO
) и водорода до воды (H2O)
2
Например, оценим теплоту взрыва тротила С
1. Кислородный коэффициент
α
d
k
2 27
+ ×+
a
b
2. Теплота взрыва 1 моль ВВ:
=0,32 47 5,25
Q d bH× ++ =
взр ВВ
0,32 36,36 47 6 5,25 5 216 ккал17,8 /моль.
= × × + × +- =
0,24
( ) ( )
3. Молярная масса тротила:
6
5
0,24
( )
.
0,3636
(NO2)3:
7H5
или 36,36 %.
г/моль.
55
4. Теплота взрыва 1 кг ВВ:
227
М
= ==
1000
Q
×
взр
Q
216 1000
×
951
ккал/кг = 3982 кДж/кг.
Теплота взрыва некоторых других ВВ, рассчитанная по методу
Г.А. Авакяна представлена в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Энергия, выделяющая при взрыве некоторых ВВ, рассчитанная
по методу Г.А. Авакяна
Взрывчатое
вещество
Тэн –125 5 8 4 12 316 85,71 439 1390 5822
Гексоген 14,7 3 6 6 6 222 66,67 290 1304 5461
Пикриновая
кислота
Тротил –17,8 7 5 3 6 227 36,36 216 951 3982
∆
H ,
f
ккал/моль
–51,7 6 3 3 7 229 51,85 233 1017 4258
ВВ
а b c d
M,
г/моль
α
Теплота взрыва, Q
, %
ккал/
k
моль
ккал/кгкДж/
взр
кг
Следует отметить, что метод Г.А. Авакяна не учитывает влияние
плотности и условия взрывания заряда и может быть использован, если
плотность заряда составляет 0,8–0,9 от плотности монокристалла.
Сравнивая данные, приведенные в табл. 5.1 и 5.2, можно установить, что при взрыве 1 кг ВВ выделяется энергии примерно в 3–10 раз
меньше, чем при сгорании 1 кг горючих веществ (табл. 5.3).
Таблица 5.3
Энергия, выделяющаяся при сгорании различных видов топлива
и при взрыве различных ВВ
Вещество
Керосин 43310 –
Сернистый мазут 39157 –
Каменный уголь 29513 –
Древесина (дуб) 16961 –
Древесина (сосна) 16823 –
Торф 15944 –
Хлопок 15304 –
Солома 13293 –
Взрывчатое вещество
сгорания взрыва
Топливо
Теплота, кДж/кг
56
η Q
N
t
×
=
η
Окончание табл. 5.3
Вещество
Тэн – 5822
Гексоген – 5461
Пикриновая кислота – 4258
Тротил – 3982
сгорания взрыва
Теплота, кДж/кг
Следовательно, огромное разрушающее действие взрыва нельзя
отнести на счет исключительно большой энергии.
5.2. Мощность взрыва
Разрушающее действие взрыва может быть очень большим, что
определяет целесообразность и необходимость его применения в горном деле для дробления горных пород.
Мощность взрыва можно определить по зависимости
,
где
– коэффициент использования энергии взрыва; Q – энергия
взрыва заряда ВВ; t – время действия.
Причина огромного разрушающего действия взрыва заключается
в том, что энергия при взрыве выделяется очень быстро.
Так, если 1 кг бензина сгорает в двигателе автомашины за 5…10 мин,
то взрыв 1 кг ВВ происходит в течение 1…2 стотысячных секунды
(0,00001…0,00002 с).
Энергия при взрыве выделяется в десятки миллионов раз быстрее,
чем при горении.
Соответственно время в знаменателе вышеприведенной формулы
стремится к нулю (t → 0), а мощность стремится к бесконечности
(N → ∞).
Задача 5.1. Определить мощность, создаваемую при взрыве одного патрона аммонита 6ЖВ (диаметром d = 32 мм; длиной l = 25 см;
массой m = 200 г), при допущении, что вся энергия, выделяющаяся
при взрыве, превращается в работу и что время совершения этой работы равно времени прохождения взрыва по заряду ВВ.
Взрыв был возбужден с торца патрона, скорость распространения взрывчатого превращения (детонации) по аммониту 6ЖВ – D ≈
≈ 4200 м/с, теплота взрыва 1 кг аммонита 6ЖВ – E = 4300 кДж/кг.
57
Решение
6 10
= = »×
×
1. Длительность взрыва
l
t
= = »×
0,25
D
4200
6 10
5
-
с.
При взрыве 1 кг аммонита 6ЖВ выделяется E = 4300 кДж/кг энер-
гии; 200 г аммонита дают Q = 860 кДж.
Так как по условию задачи вся энергия, выделяющаяся при взрыве, превращается в работу, то коэффициент использования энергии
взрыва равен единице или 100 %.
2. Мощность взрыва
η Q
N
14,3 10 1,36 19 500 000N = ×× » л.с. (1 кВт = 1000 Вт = 1,36 лошадиных
6
1 860
××
5
t
-
14,3 10
6
кВт;
сил; 1 л.с. = 0,736 кВт; 1 ГВт = 109 Вт).
Рассчитанная мощность завышена, так как время, в течение которого расширяющиеся газы совершают работу больше времени протекания детонации по заряду ВВ. Кроме того, коэффициент полезного
действия взрыва скважинных зарядов дробления составляет около
15 %. Но даже в этом случае мощность взрыва сравнима с мощностью крупнейших гидроэлектростанций (например, Красноярской
ГЭС – 6 ГВт).
Высокая мощность взрыва обусловлена главным образом чрезвычайно малым временем выделения энергии; сама же энергия взрывчатого вещества не велика. Поэтому использование энергии взрыва не
может заменить работу электростанций и других силовых установок.
Таким образом, ВВ целесообразно применять только в тех случаях,
когда необходимы очень кратковременные воздействия чрезвычайно
большой мощности, например при разрушении горных пород в горной промышленности.
Задача 5.2. Определить мощность, создаваемую при взрыве килограммового сферического заряда, изготовленного из сильного ВВ –
гексогена плотностью 1,65 г/см
3
, возбуждаемого (инициируемого)
в центре. Скорость детонации гексогена D = 8300 м/с, теплота взрыва
гексогена Q = 5500 кДж/кг.
58
Решение
0
r
tD=
3
0
0
4
3
π
ρ
m
rV==
3
3
0
0
3 31
0,052
4 4 3,14 1650πρ
m
r×== =
××
m
1. Время, в течение которого реализуется взрыв сферического за-
ряда
,
где r
– радиус заряда ВВ.
0
2. Радиус заряда ВВ можно определить из соотношения
,
где V, m, ρ
– соответственно объем, масса и плотность заряда ВВ.
0
Отсюда радиус и время заряда:
м;
r
t
== = × с.
D
8300
6,3 10
0,052
0
6
-
Мощность равна
5500
Q
N
== » ×
t
6,3 10
×
87,3 10 1,36 1187 000 000N = ×× » л.с.
7
-
6
87, 3 10
7
кВт;
Большая мощность характерна для ВВ также в случае применения
их как средства метания в виде порохов. При этом скорость превращения порохов в газы во много раз меньше, чем бризантных ВВ при
детонации.
Задача 5.3. Определить мощность выстрела из тяжелого орудия,
снаряд которого массой
= 917 кг имеет начальную скорость движе-
ния υ = 523 м/с. Время получения снарядом энергии – t = 0,01 с.
Решение
1. Энергия снаряда при вылете из ствола
22
mE××
υ
== »
22
523 917
125 400 000
Дж.
59
Мощность
7
1,254 10=×
7
1,254 10 1,36 17 000 000N = ×× »
E
Nt== = ×
125 400 000
0,01
1,254 10
10
Вт
кВт;
л.с.
Высокая мощность в артиллерийском орудии сочетается с большим коэффициентом полезного действия: доля энергии пороховых
газов, переходящая в энергию движения снаряда, достигает 35 %, что
гораздо больше, чем в паровой машине, и столько же, сколько в двигателе внутреннего сгорания.
Однако получение огромной мощности обходится очень дорого,
так как сопряжено с быстрым износом орудия. Согласно расчетам
произведненного взрыва стоимость работы с помощью орудия во
много раз выше, чем с помощью паровой машины или двигателя внутреннего сгорания. Поэтому использование ВВ для метания, целесообразно только в тех случаях, когда необходимо получать огромную
мощность, несмотря на высокую стоимость энергии.
5.3. Баланс энергии при взрыве
Полезная механическая работа, выполняемая взрывом заряда ВВ
в реальных условиях, всегда меньше общей потенциальной энергии
из-за различных потерь (рис. 5.1).
Химические потери возникают из-за незавершенности химических реакций в процессе взрыва и в результате разброса продуктов
взрыва не успевшей прореагировать части заряда ВВ. Химические
потери при некоторых условиях могут достигать нескольких десятков
процентов потенциальной энергии ВВ.
Идеальные тепловые (термодинамические) потери – потери, обусловленные ограниченной степенью расширения продуктов взрыва
в процессе совершения ими работы и повышенной теплоемкостью
многоатомных газов.
Потери на нагревание окружающей среды – потери, связанные
с теплообменом и внутренним трением при всевозможных пластических деформациях среды. Эти потери могут достигать 60 % полной фактической тепловой энергии взрыва ВВ. Энергия, выделяемая
при взрыве заряда ВВ, за вычетом химических и тепловых потерь
реализуется в полезных и бесполезных формах механической рабо-
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]