- •Тема 1. Введение………………………………………………………………….4
- •Тема 1. Введение.
- •Тема 2. Физические основы горения.
- •2.1. Свойства газов.
- •2.2. Свойства газовых смесей.
- •3. Парциальные давление и объем.
- •2.3. Свойства жидкостей.
- •2.4. Свойства сжиженных газов.
- •2.5. Свойства твердых веществ.
- •Тема 3. Химические основы горения.
- •3.1. Химизм реакций горения.
- •3.2.Теплосодержание веществ.
- •3.3. Тепловой эффект реакции.
- •3.4. Кинетические основы газовых реакций.
- •3.5. Энергия активации реакции.
- •3.6. Катализ.
- •3.7. Адсорбция.
- •Тема 4. Виды горения.
- •4.1. Горение газообразных, жидких и твердых веществ.
- •4.2. Гомогенное и гетерогенное горение.
- •4.3. Диффузионное и кинетическое горение.
- •4.4. Нормальное горение.
- •4.5. Дефлаграционное (взрывное) горение.
- •4.6. Детонационное горение.
- •Тема 5. Показатели пожаровзрывоопасности веществ.
- •5.1. Общие показатели для горючих веществ и видов горения.
- •5.2. Показатели взрывопожароопасности газо-, паро- и пылевоздушных смесей.
- •5.3. Показатели пожароопасности твердых компактных и пыле- видных веществ.
- •Тема 6. Возникновение горения.
- •6.1. Тепловое самовоспламенение (тепловой взрыв).
- •6.2. Самовозгорание.
- •6.3. Цепное самовоспламенение (цепной взрыв).
- •6.4. Зажигание.
- •Тема 7. Распространение пламени.
- •7.1. Тепловая теория горения.
- •7.2. Горение в замкнутом объеме.
- •7.3. Движение газов при горении.
- •7.4. Факторы ускорения горения.
- •7.5. Условия возникновения взрыва.
- •Тема 8. Ударные волны и детонация.
- •8.1. Ударные волны в инертном газе.
- •8.2. Воспламенение при быстром сжатии.
- •8.3. Возникновение детонации.
- •8.4. Стационарный режим распространения детонации.
- •8.5. Определение скорости детонации.
- •8.6. Вырождение детонации.
- •Тема 9. Погасание пламени (прекращение горения).
- •9.1. Концентрационные пределы распространения пламени.
- •9.2.Общие закономерности для пределов распространения пламени.
- •9.3. Затухание пламени в узких каналах.
- •9.5. Закономерности для точки флегматизации.
- •9.6. Механизм флегматизации взрывоопасных смесей.
8.2. Воспламенение при быстром сжатии.
Горючая среда может воспламеняться не только при введении в нагре-тый сосуд. Возможен и другой режим воспламенения, уже не самопроизволь-ного, а вынужденного – при нагревании горючей среды в сосуде с холодными стенками путем быстрого сжатия. При достаточном нагревании начинается самоускоряющаяся реакция, т.е. происходит тепловой взрыв. Такое воспламе-нение в результате нагревания адиабатическим сжатием иногда называют адиабатическим воспламенением.
Процесс адиабатического воспламенения имеет большое значение в теории горения, так как обусловливает важнейшее явление детонации. В этом случае газ нагревается вследствие сжатия ударной волной, возникающей при быстром сгорании. Изучение адиабатического воспламенения существенно также для решения некоторых проблем работы двигателей, в частности так называемого «стука» в поршневых двигателях – быстрого сгорания с низким к.п.д. и образованием сильных ударных волн, приводящим к преждевремен-ному износу двигателя.
Существенное отличие процесса адиабатического воспламенения от самовоспламенения в нагретом сосуде заключается в том, что, оставаясь хо-лодными, стенки реактора не участвуют в генерировании активных центров. Это затрудняет воспламенение по сравнению с реакцией в нагретом сосуде и увеличивает критическую температуру перехода к режиму самоускорения.
Вернемся к рассмотрению рис. 22. Кривая тепловыделения q1 и прямая теплоотвода q2 имеют кроме точки пересечения (a) при Т = Т1 еще и вторую точку пересечения (b), для которой Т = Т2. Состояние системы в этой точке соответствует критическому режиму адиабатического воспламенения. Если Т>Т2, скорость тепловыделения превышает скорость теплоотвода, и возника-ет прогрессивный саморазогрев. Однако горючая среда, заключенная в сосуд с температурой стенок То, не может самопроизвольно достичь температуры Т2. Предоставленная самой себе, она приходит к режиму стационарной реак-ции при Т = Т1. В точку Т = Т2 реагирующая система попадает лишь в резуль-тате внешнего воздействия – нагревания сжатием.
Температура газа, нагретого при адиабатическом сжатии от давления Ро до Рг, определяется уравнением Пуассона (7.9).
8.3. Возникновение детонации.
Ускорение горения в трубах. Для возникновения детонации необходи-ма сильная ударная волна, в которой происходит достаточное нагревание взрывчатой среды. Такая волна может создаваться внешним инициирующим импульсом, например, при взрыве заряда взрывчатого вещества.
Однако в задачах взрывобезопасности значительно больший интерес представляет самопроизвольное возникновение детонации в горящем газе. Очевидно, что достаточно быстрое сжатие горючей среды может осуществ-ляться вследствие расширения этой среды при сгорании. Нагревание до тем-пературы адиабатического воспламенения в ударной волне (т. е. с малым временем задержки) требует очень высоких скоростей движения газа, поряд-ка 1 км/сек. Каков же механизм ускорения пламени, приводящий к столь бы-строму движению газа?
Самопроизвольная детонация, как правило, возникает только при сгора-нии в длинных трубах. Лишь в таких условиях возможно соответствующее ускорение пламени. Возникновению детонации существенно способствует поджигание газа со стороны закрытого конца трубы.
Как уже известно, величина нормальной скорости пламени даже наибо-лее взрывчатых газовых смесей не превосходит 15 м/сек. Многие же газовые системы, способные детонировать, имеют значительно меньшие нормальные скорости ин (порядка 1 м/сек и даже меньше). Хотя нормальные скорости пламени сравнительно невелики, дефлаграция может вызвать движение газа, достаточно быстрое для необходимого нагревания газа в ударной волне.
При неподвижных продуктах сгорания расширение газа приводит к возникновению потока исходной горючей среды. Эта среда движется по от-ношению к плоскому пламени со скоростью ип (ро/рпр – 1), которая может в 5 – 15 раз превосходить величину ин. Такое расширение происходит при адиа-батическом (т.е. достаточно быстром) сгорании газа, подожженного у закры-того конца трубы.
Однако при сгорании в закрытой трубе фронт пламени не остается пло-ским. Быстрое движение газа и сопровождающее его трение о стенки трубы приводят к возрастающей турбулизации сгорающего газа. Фронт пламени все более вытягивается, его поверхность увеличивается, и скорость пламени в целом возрастает в соответствии с законом площадей (7.12).
Ускорение пламени при его турбулизации имеет сложную природу. В результате влияния трения вырабатывается профиль скоростей течения по се-чению трубы (см. рис. 30), причем скорость больше по оси и меньше у сте-нок. Такое вытягивание пламени возможно в пределах сохранения ламинар-ного режима. На последующих стадиях ускорения часто возникают вибрации газа и пламени, связанные с появлением и отражением звуковых волн. На оп-ределенных участках наблюдается даже перемена знака направления движе-ния пламени – его отбрасывание в сторону точки зажигания.
Все возрастающая турбулизация зоны горения приводит к тому, что «конус» сильно вытянутого пламени перестает быть гладким. Он заменяется размытой турбулентной зоной, в которой отдельные элементы исходной го-рючей среды и продуктов сгорания хаотически перемешаны между собой.
Возникновение детонации нельзя рассматривать как непрерывный пе-реход от дефлаграции, все более ускоряющейся вследствие возрастающей турбулентности. Детонация возникает скачкообразно. На фоторегистрациях ясно фиксируется момент воспламенения на определенном расстоянии впе-реди фронта достаточно ускорившегося пламени. В этой точке давление дос-тигает большего значения, чем в стационарной детонационной волне.
Схема распространения ударных волн при ускоряющемся горении и возникновения детонации показана на рис. 33.
Рис. 33. Схема возникнове-ния детонации: ОЕ – уча-сток ускоряющегося пламе-ни; ОА; D1A; D2A; D3A – по-следовательно отходящие ударные волны; АВ – дето-нация.
Когда фронт горения находится в точке С, возникает детонация в точке А. Вправо линия АВ – распространение детонационной волны, АЕ – ретона-ционная волна (по продуктам горения).
Преддетонационный разгон пламени в трубе характеризуется расстоя-нием от точки зажигания (т.О) до места возникновения детонации (т.А). Преддетонационное расстояние возрастает с повышением температуры ис-ходной горючей среды и сокращается с понижением начального давления. Разбавление смеси инертным газом или избыточным компонентом, замед-ляющее дефлаграционное горение, затрудняет переход к детонации. Абсо-лютное значение преддетонационного расстояния возрастает с увеличением диаметра трубы; однако если это расстояние измерять диаметрами трубы, де-тонация возникает легче в широких трубах. Как правило, преддетонационное расстояние для гладкой трубы равно примерно нескольким десяткам диамет-ров.
Вследствие трения газа о стенки, турбулизация газа при горении, при-водящая в конце концов к ускорению горения, достаточному для возникновения детонации, возможна и при поджигании у открытого конца трубы. Одна-ко расширение продуктов сгорания в закрытой трубе способствует более ран-нему развитию детонации.
Все изложенное характеризует закономерности возникновения детона-ции в гладких трубах. Преддетонационное расстояние сокращается в 10–20 раз (до 2 – 4 диаметров трубы) при переходе от гладких труб к шероховатым.
Вследствие возможности ускорения горения в трубах и возникновения детонации газопроводы и длинные аппараты с неровной, шероховатой, внут-ренней поверхностью – очень опасные объекты. Эта опасность особенно воз-растает, если такая труба – потенциальный очаг детонации – соединена с большой емкостью, заполненной тем же взрывчатым газом.