Тепловой взрыв

Если экзотермическая реакция протекает в замкнутом объеме, то возможны процессы, при которых теплота, выделяющаяся в окружающую среду, оказывается меньше теплоты реакции. Это приводит к саморазогреву реагирующей смеси и к увеличению скорости реакции по закону k = C e ^{– E /RT} . Явление перехода реакции к нестационарному, прогрессивно ускоряющемуся выгоранию смеси получило название теплового взрыва.

Условия воспламенения и, в частности, температура воспламенения зависят от природы горючей смеси, ее концентрации, материала стенок и формы сосуда, природы внешней среды, так как от всех этих факторов зависит тепловой режим процесса.

Общее между тепловым и цепным воспламенением заключается в том, что в обоих случаях воспламенение связано с выделением тепла в результате реакции. При тепловом воспламенении эта теплота приводит к автоускорению реакции, но она протекает с измеримой скоростью дл наступления взрыва. При цепном воспламенении выделяющаяся теплота потребляется в реакциях образования атомов и радикалов, причем до наступления взрыва характерно практически полное отсутствие реакции и резкое возрастание ее скорости после перехода предела. Тепловой взрыв чаще всего проявляется при высоких, а цепной взрыв большей частью происходит при невысоких температурах.

Следует отметить, что понятие «предела взрыва» применяется в трех различных смыслах. Во-первых, о пределах взрыва говорят как о давлении при определенной температуре, ниже которого не может наступить самопроизвольный взрыв. В этом случае взрыв имеет чисто тепловую природу.

Во-вторых, о пределах взрыва говорят как о концентрационных пределах, имеющих цепную природу. В этом случае, как уже было показано, наблюдаются два предела самовоспламенения или три предела, причем третий предел воспламенения может иметь тепловой характер.

В-третьих, в технической литературе под верхним и нижним пределами взрыва понимают концентрационные пределы при зажигании. Взрыв возникает в ограниченном пространстве от искры, нагретой проволочки и т.д. В этом ограниченном пространстве оказываются соблюденными все условия (концентрация, давление и температура), при которых возможен цепной взрыв. Очевидно, что вне концентрационных пределов при специальном зажигании взрыв не может распространяться по смеси, находящейся при заданном давлении и температуре. Возникновение взрыва в одной из точек еще не означает возможности распространения его по всему объему. Если во всем остальном пространстве температура ниже, чем это необходимо для осуществления цепного взрыва, реакция не идет. Она может начаться в результате распространения пламени от места зажигания за счет теплопередачи от горящего слоя к граничащему с ним негорящему слою и за счет возрастания давления вследствие реакции горения. В результате повышения температуры и происходит воспламенение граничащих с горящим слоев газа.

Таким образом, критические явления характерны не только для теплового и цепного воспламенения, но и для процессов поджигания и распространения пламени. Распространение пламени возможно только при определенном составе смеси реагирующих молекул. С уменьшением давления «концентрационные пределы» сужаются, и ниже некоторого давления воспламенение становится невозможным.

Лекция 37