Теория горения газовых смесей. Давление при взрыве

Теория утверждает, что врывгазо- или паровоздушной смеси —явление не мгновенное. При внесении источника зажигания в горючую смесь начинается реакция окисления горючего с окислителем в зоне действия источника зажигания. Скорость реакции окисления в каком-то элементарном объеме этой зоны достигает максимума — возникает горение. Горение награнице элементарного объема со средой называется фронтом пламени. Фронт пламени имеет вид сферы. Толщина фронта пламени, по вычислениям Я.Б. Зельдовича,равна 1—100 мкм. Хотя толщина зоны горения и невелика, однако достаточна для протекания реакции горения. Температура фронта пламени за счет тепла реакции горения составляет 1000-3000°С и зависит от состава горючей смеси.

При перемещении фронта пламени температура несгоревшей части горючей смеси возрастает, так как повышается давление смеси. Вблизи фронта пламени температура смеси также повышается, что обусловлено не-
сдачей тепла теплопроводностью, диффузией нагретых молекул и излучением. На наружной поверхности фронта пламени эта температура равна температуре самовоспламенения горючей смеси.

После воспламенения горючей смеси сферическая форма пламени очень быстро искажается и все более вытягивается в сторону еще не воспламененной смеси. Вытягивание фронта пламени и быстрое увеличение его поверхности сопровождается увеличением скорости движения центральной части пламени. Это ускорение длится до тех пор, пока пламя не коснется стенок труб или, во всяком случае, не приблизится близко к стенке трубы. В этот момент размер пламени резко уменьшается, и от пламени остается только небольшая его часть, перекрывающая все сечение трубы. Вытягивание фронта пламени,
и его интенсивное ускорение сразу после зажигания искрой, когда пламя еще не достигло стенок трубы, вызываются увеличением объема продуктов сгорания. Таким образом, в начальной стадии процесса образования фронта пламени, независимо от степени горючести газовой смеси, возникает ускорение и последующее торможение пламени, причем это торможение будет тем больше, чем больше скорость пламени.

На процесс развития последующих стадий горения оказывает влияние длина трубы. Удлинение трубы приводит к появлению вибраций и образованию ячеистой структуры пламени, ударной и детонационных волн.

Ширину зоны нагрева (в см) можно определить из зависимости

1 = а/ v

где а — коэффициент температуропроводности; v — скорость распространения пламени.

Линейную скорость перемещения v (в м/с) можно определить по формуле

V = V_т/

где V_т — массовая скорость горения, г/(с м³); — плотность исходной горючей смеси, кг/м³.

Линейная скорость перемещения фронта пламени непостоянна, она изменяется в зависимости от составов. Смеси и примеси инертных (негорючих) газов, температуры смеси, диаметра труб и др. Максимальная скорость распространения пламени наблюдается не при стехиометрической концентрации смеси, а в смеси с избытком горючего. При введении в горючую смесь инертных газов скорость распространения пламени снижается. Объясняется это снижением температуры горения смеси, так как часть тепла расходуется на нагрев не участвующих в реакции инертных примесей.

С увеличением диаметра труб скорость распространения пламени растет неравномерно. При увеличении диаметра труб до 0,1—0,15 м скорость растет довольно быстро. Увеличение температуры происходит до тех пор, пока диаметр не достигнет некоторого предельного диаметра,
выше которого увеличение скорости не происходит. При уменьшении диаметра трубы скорость распространения пламени уменьшается, и при некотором малом диаметре пламя в трубе не распространяется. Это явление можно объяснить увеличением тепловых потерь через стенки
трубы.

Следовательно, чтобы прекратить распространение пламени в горючей смеси, необходимо тем или иным способом понизить температуру смеси, охлаждая сосуд (в нашем примере трубу) извне или разбавляя смесь холодным инертным газом.

Нормальная скорость распространения пламени сравнительно невелика (не более десятков метров в секунду), но в некоторых условиях пламя в трубах распространяется с огромной скоростью (от 2 до 5 км/с), превышающей скорость звука в данной среде. Это явление назвали детонацией. Отличительные особенности детонации следующие:

1) постоянная скорость горения независимо от диаметра трубы;

2) высокое давление пламени, вызванное детонационной волной, которое может превышать 50 МПа в зависимости от химической природы горючей смеси и начального давления; причем вследствие большой скорости горения развиваемое давление не зависит от формы, емкости и герметичности сосуда (или трубы).

По мере ускорения пламени растет и амплитуда ударной волны, температура сжатия достигает температуры самовоспламенения смеси.

Увеличение общего количества сгорающего в единицу времени газа объясняется тем, что в струе с переменной по сечению скоростью фронт пламени изгибается, в результате этого увеличивается его поверхность и пропорционально возрастает количество сгорающего вещества.

При горении газовых смесей в замкнутом объеме продукты горения не совершают работу; энергия взрыва расходуется только на нагрев продуктов взрыва. В этом случае полная энергия определяется как сумма внутренней энергии взрывчатой смеси Q_{вн.эн.см.} и теплоты горения данного вещества ΔQ_г. Величина Q_{вн.эн.см.} равна сумме произведений теплоемкостей компонентов взрывчатой смеси при постоянном объеме на начальную тем-
пературу смеси

Q_{вн.эн.см.} = С₁Т + С₂Т + …+ С_пТ

где С_1, С_2, С_п — удельные теплоемкости компонентов, составляющих
взрывчатую смесь, кДж/(кг К); Т — начальная температура смеси, К.

Температуру взрыва газовых смесей при постоянном объеме вычисляют по тому же методу, что и температуру горения смеси при постоянном давлении.

По температуре взрыва находят давление взрыва. Давление при взрыве газо-воздушной смеси в закрытом объеме зависит от температуры взрыва и отношения числа молекул продуктов горения к числу молекул по взрывчатой смеси. При взрыве газо-воздушных смесей давление обычно не превышает 1,0 МПа, если первоначальное давление смеси было нормальным. При замене воздуха во взрывчатой смеси кислородом резко увеличивается давление взрыва, поскольку увеличивается температура горения.

Давление взрыва стехиометрических смесей метана, этилена, ацетона и
метилового эфира с кислородом составляет 1,5 — 1,9 МПа, а стехиометрических смесей их с воздухом 1,0 МПа.

Максимальное давление взрыва используют в расчетах взрывоустойчивости аппаратуры, а также в расчетах предохранительных клапанов, взрывных мембран и оболочек взрывонепроницаемого электрооборудования. Давление взрыва р_взр (в МПа) газо-воздушных смесей рассчитывают по формуле

р_взр =

где р₀ — начальное давление взрывчатой смеси, МПа; Т₀ и Т_взр — начальная температура взрывчатой смеси и температура взрыва, К;

— число молекул газов продуктов сгорания после взрыва;
— число молекул газов смеси до взрыва.