Содержание
1. Физико-химические основы горения
2. Типы взрывов
Список литературы
1. Физико-химическиеосновы горения
Горение — это химическаяреакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла исвечением.[2, 7c]
В зависимости от скоростипротекания процесса, горение может происходить в форме собственно горения ивзрыва.
Для процесса горениянеобходимо:
1) наличие горючей среды,состоящей ив горючего вещества и окислителя; 2) источника воспламенения.
Чтобы возник процессгорения, горючая среда должна быть нагрета до определенной температуры припомощи источника воспламенения (пламя, искра электрического или механическогопроисхождения, накаленные тела, тепловое проявление химической, электрическойили механической энергий).
После возникновениягорения постоянным источником воспламенения является зона горения.Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественномсоотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенныхтемпературах и запасе тепловой энергии источника воспламенения. Наибольшаяскорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая — присодержании в воздухе 14 — 15% кислорода. При меньшем содержании кислорода ввоздухе горение большей части веществ прекращается.
Различают следующие видыгорения:
— полное — горение придостаточном количестве или избытке кислорода;
— неполное — горение принедостатке кислорода.
При полном горениипродуктами сгорания являются двуокись углерода (CO2), вода (H2O), азот (N), сернистый ангидрид (SO2), фосфорный ангидрид. При неполном горении обычно образуютсяедкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты,кислоты, альдегиды.
Горение веществ можетпротекать не только в среде кислорода,
но также в среде некоторых веществ, не содержащих кислорода, хлора,
паров брома, серы и т.д.
Горючие вещества могутбыть в трех агрегатных состояниях:
жидком, твердом, газообразном. Отдельные твердые вещества при нагревании плавятсяи испаряются, другие — разлагаются и выделяют газообразные продукты и твердыйостаток в виде угля и шлака, третьи не разлагаются и не плавятся. Большинствогорючих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образуютгазообразные продукты, которые при смешивании с кислородом воздуха образуютгорючую среду.
По агрегатному состояниюгорючего и окислителя различают:
— гомогенное горение — горение газов и горючих парообразующих веществ в среде газообразногоокислителя;
— горение взрывчатыхвеществ и порохов;
— гетерогенное горение — горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;
— горение в системе«жидкая горючая смесь — жидкий окислитель».
Важнейшим вопросом теориигорения является распространение пламени (зоны резкого возрастания температурыи интенсивной реакции). Различают следующие режимы распространения пламени(горения):
— нормальный режимгорения;
— дефлеграционноегорение;
— детонация.
а) Нормальный режимгорения наблюдается при спокойном гетерогенном двухфазном диффузионном горении.Скорость горения будет определяться скоростью диффузии кислорода к горючемувеществу в зону горения. Распространение пламени происходит от каждой точкифронта пламени по нормали к его поверхности. Такое горение и скоростьраспространения пламени по неподвижной смеси вдоль нормали к его поверхностиназывают нормальным (ламинарным).
Нормальные скоростигорения невелики. В этом случае повышения давления и образования ударной волныне происходит.
б) В реальных условияхвследствие протекания внутренних процессов и при внешних осложняющих факторахпроисходит искривление фронта пламени, что приводит к росту скорости горения.При достижении скоростей распространения пламени до десятков и сотен метров всекунду, но не превышающих скорости звука в данной среде (300 – 320м/сек)происходит взрывное (дефлеграционное) горение.
При взрывном горениипродукты горения нагреваются до 1.5-3.0 тысяч °С, а давление в закрытыхсистемах увеличивается до 0.б-0.9МПа.
Продолжительность реакциигорения до взрывного режима составляет для газов ~0.1 сек, паров ~0.2 – 0.3сек, пыли ~0.5 сек.
Применительно к случайнымпромышленным взрывам под дефлебрацией обычно понимают горение облака с видимойскоростью порядка 100 — 300 м/сек, при которой генерируются ударные волны смаксимальным давлением 20 — 100 кПа.
в) В определенныхусловиях взрывное горение может перейти в детонационный процесс, при которомскорость распространения пламени превышает скорость распространения звука идостигает 1 — 5 км/сек. Это происходит при сильной турбулизации материальныхпотоков, вызывающей значительное искривление фронта пламени большое увеличениеего поверхности.
При этом возникаетударная волна, во фронте которой резко повышается плотность, давлениетемпература смеси. При возрастании этих параметров смеси до самовоспламенениягорячих веществ возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложенияударной волны и образующейся зоны сжатой быстрореагирующей(самовоспламеняющейся) смеси.
Избыточное давление впределах детонирующего облака смеси может достигать 2 МПа.
Процесс химическогопревращения горючих веществ, который вводится ударной волной и сопровождаетсябыстрым выделением энергии, называется детонацией.
При детонационном режимегорения облака ГВ большая часть энергии взрыва переходит в воздушную ударнуюволну, при дефлеграционном горении со скоростью распространения пламени ~200м/сек переход энергии в волну составляет от 30 до 40%.[2, 278c]
2. Типы взрывов
Взрыв — это освобождениебольшого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежутоквремени.[3, 4c]
Взрыв приводит кобразованию сильно нагретого газа (плазмы) с очень высоким давлением, которыйпри моментальном расширении оказывает ударное механическое воздействие(давление, разрушение) на окружащие тела.
Взрыв в твердой средесопровождается ее разрушением и дроблением, в воздушной или водной — вызываетобразование воздушной или гидравлической ударных волн, которые и оказываютразрушающее воздействие на помещенные в них объекты.
В деятельности, несвязанной с преднамеренными взрывами в условиях промышленного производства, подвзрывом следует понимать быстрое, неуправляемое высвобождение энергии, котороевызывает ударную волну, движущуюся на некотором удалении от источника.
В результате взрывавещество, заполняющее объем, в котором происходит высвобождение энергии,превращается в сильно нагретый газ (плазму) с очень высоким давлением, (донескольких сотен тысяч атмосфер). Этот газ, моментально расширяясь оказываетударной механическое воздействия на окружающую среду, вызвав ее движение. Взрывв твердой среде вызывает ее дробление и разрушение в гидравлической и воздушнойсреде — вызывает образование гидравлической и воздушной ударной (взрывной)волны.
Взрывная волна — естьдвижение среды, порожденное взрывом, при котором происходит резкое повышениедавления, плотности и температуры среды.
Фронт (передняя граница)взрывной волны распространяется по среде с большой скоростью, в результате чегообласть охваченная движением, быстро расширяется.
Посредством взрывнойволны (или разлетающихся продуктов взрыва — в вакууме) взрыв производитмеханическое воздействие на объекты, находящиеся на различных удалениях отместа взрыва. По мере увеличения расстояния от места взрыва механическоевоздействие взрывной волны ослабевает. Таким образом, взрыв несет потенциальнуюопасность поражения людей и обладает разрушительной способностью.[1, 113c]
Взрыв может быть вызван:
— детонациейконденсированных взрывчатых веществ (ВВ);
— быстрым сгораниемвоспламеняющего облака газа или пыли;
— внезапным разрушениемсосуда со сжатым газом или с перегретой жидкостью;
— смешиванием перегретыхтвердых веществ (расплава) с холодными жидкостями и т.д.
В зависимости от видаэнергоносителей и условий энерговыделения, источниками энергии при взрыве могутбыть как химические так и физические процессы.
Источником энергиихимических взрывов являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермическиереакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или реакции термическогоразложения нестабильных соединений.
Источниками энергиисжатых газов (паров) в замкнутых объемах аппаратуры (оборудования) могут бытькак внешние (энергия, используемая для сжатия тазов, нагнетания жидкостей;теплоносители, обеспечивающие нагрев жидкости и газов в замкнутом пространстве)так и внутренние (экзотермические физико-химические процессы и процессытепломассообмена в замкнутом объеме), приводящие к интенсивному испарениюжидкостей или газообразованию, росту температуры и давления без внутренних взрывныхявлений.
Источником энергииядерных взрывов являются быстропротекающие цепные ядерные реакции синтезалегких ядер изотопов водорода (дейтерия и трития) или деления тяжелых ядеризотопов урана и плутония. Физические взрывы возникают при смещении горячей ихолодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превосходиттемпературу кипения другой. Испарение в этом случае протекает взрывным образом.Возникающая при этом физическая детонация сопровождается возникновением ударнойволны с избыточным давлением, достигающим в ряде случаев сотен МПа.
Энергоносителямихимических взрывов могут быть твердые, жидкие, газообразные горючие вещества, атакже аэровзвеси горючих веществ (жидких и твердых) в окислительной среде, вт.ч. и в воздухе.
Таким образом,различаются взрывы двух типов. К первому типу относят взрывы, обусловленныевысвобождением химической или ядерной энергии вещества, например взрывыхимических взрывчатых веществ, смесей газов, пыли и (или) паров, а такжеядерные и термоядерные взрывы. При взрывах второго типа выделяется энергия,полученная веществом от внешнего источника. Примеры подобных взрывов — мощныйэлектрический разряд в среде (в природе — молния во время грозы); испарениеметаллического проводника под действием тока большой силы; взрыв привоздействии на вещество некоторых излучений большой плотности энергии, напр.сфокусированного лазерного излучения; внезапное разрушение оболочки со сжатым газом.
Взрывы первого типа могутосуществляться цепным или тепловым путем. Цепной взрыв происходит в условиях,когда в системе возникают в больших концентрациях активные частицы (атомы ирадикалы в химических системах, нейтроны — в ядерных), способные вызватьразветвленную цепь превращений неактивных молекул или ядер. В действительностине все активные частицы вызывают реакцию, часть их выходит за пределы объемавещества. Так как число уходящих из объема активных частиц пропорциональноповерхности, для цепного взрыва существует так называемая критическая масса,при которой число вновь образующихся активных частиц еще превышает числоуходящих. Возникновению цепного взрыва способствует сжатие вещества, так какпри этом уменьшается поверхность. Обычно цепной взрыв газовых смесей реализуютбыстрым увеличением критической массы при увеличении объема сосуда илиповышением давления смеси, а взрыв ядерных материалов — быстрым соединениемнескольких масс, каждая из которых меньше критической, в одну массу, большуюкритической.
Тепловой взрыв возникаетв условиях, когда выделение тепла в результате химической реакции в заданномобъеме вещества превышает кол-во тепла, отводимого через внешнюю поверхность,ограничивающую этот объем, в окружающую среду посредством теплопроводности. Этоприводит к саморазогреву вещества вплоть до его самовоспламенения и взрыва.
При взрывах любого типапроисходит резкое возрастание давления вещества, окружающая очаг взрыва средаиспытывает сильное сжатие и приходит в движение, которое передается от слоя кслою, — возникает взрывная волна. Скачкообразное изменение состояния вещества (давления,плотности, скорости движения) на фронте взрывной волны, распространяющееся соскоростью, превышающей скорость звука в среде, представляет собой ударную волну.Законы сохранения массы и импульса связывают скорость фронта волны, скоростьдвижения вещества за фронтом, сжимаемость и давление вещества.[3, 200c]
Список литературы
1. Зельдович Я.Б., Математическаятеория горения и взрыва. — М.: Наука, 2000. — 478 с.
2. Вильямс Ф.А., Теориягорения. — М.: Наука, 2001. — 615 с.
3. Хитрин Л.Н., Физикагорения и взрыва. — М.: ИНФРА-М, 2007. — 428 с.