8.6. Вырождение детонации.

Концентрационные пределы детонации. Тепловые потери из зоны реакции детонационной волны в стенках приводят к отклонениям от зако-номерностей детонации, изложенных в § 8.5. При наличии потерь часть теп-лового эффекта реакции, расходуе­мого при адиабатическом процессе только на нагревание и ударное сжатие взрывчатой среды, отводится в стенки тру-бы. Величина скорости детонации и соответствующие ей давление и темпе-ратура во фронте детонационной волны будут определяться уже не полным тепловым эффектом реакции, а частью его, соответствующей тепло­выделе-нию к моменту достижения точки Жуге J на ударной адиабате. Эта адиабата описывает сжатие при таком процессе, когда достигается равенство скоро-стей выделения и отвода тепла. Таким образом, в точке Жуге освобождается не все тепло реакции, и кроме того соответствующее состояние достигается до ее завершения, т.е. при освобождении еще меньшего количества тепла. В результате этого скорость детонационной волны, а с нею давление и темпе-ратура в точке Жуге оказываются меньше теоретических.

Снижение скорости детонационной волны и температуры сжатого газа способствует увеличению потерь и дальнейшему замедлению реакции во фронте волны. При достаточной интенсивности потерь охлаждение сжатого газа, уменьшение скорости ударной волны и скорости реакции, взаимоусили-вающие друг друга, становятся прогрессирующими. Ста­ционарное распро-странение детонационной волны оказывается не­возможным, и она разруша-ется. Так устанавливаются предельные условия распространения детонации. Заметим, что, несмотря на большую скорость детонационной волны, тепло-вые потери сказы­ваются на состоянии в ней вещества в еще большей степе-ни, чем при дефлаграции, вследствие большой ширины зоны реакции и ин-тенсивности процессов переноса тепла и количества движения.

Как было показано в § 8.5, при адиабатическом процессе скорость де-тонации и состояние газа во фронте детонационной волны зависят только от термодинамических характеристик взрывчатой среды, но не от кинетических закономерностей реакции в сжатом газе. Однако интенсивность потерь из зо-ны реакции детонирующей среды, а значит, и состояние реагирующего в не-адиабатическом ре­жиме вещества существенным образом связаны с особен-ностями кинетики реакции. Потери определяют, возможно ли распростране-ние детонации, т.е. от них зависят условия для ее пределов. Очевидно, что пределы распространения детонации для труб различного диаметра должны существенно отличаться, поскольку само существование предела детонации обусловлено потерями, связанными с влиянием стенок трубы. Таким обра-зом, потери из зоны реакции детонационной волны должны быть обусловле-ны влиянием стенок, либо излучением в бесконечное пространство.

В табл. 8.1 сопоставлены имеющиеся в литературе данные о концентра-ционных пределах детонации (при нормальных условиях) с аналогичными величинами для дефлаграции (см. § 9.1). Как и следовало ожидать, распро-странение детонации возможно в гораздо более узком диапазоне составов.

Таблица 8.1. Концентрационные пределы распространения детонации и дефлаграции (в мол. % горючего).

Горючая смесь	Дефлаграция	Детонация	Горючая смесь	Дефлаграция	Детонация
Н2 + О2	4,0-94	20-90	С3Н8 + О2	2,3-55	3,2-37
Н2 + воздух	4,0-75	15-63,5	С4Н10 + О2	1,8-48	2,9-31,3
СО + О2	15,5-94	38-90	NH3 + O2	15-79	25,4-75,4
С2Н2 + воздух	2,5-81	4,2-50	(С2Н5)2О + О2	2,0-82	2,7-40

Очевидно, что поведение дефлаграционного и детонационного пламени в узких трубах характеризуется аналогичными соотноше­ниями. В трубах, в которых еще возможно распространение дефла­грации, распространение ус-тойчивой детонации уже не происходит. При входе в такие трубы детонаци-онная волна разрушается, под­жигающая сильная ударная волна затухает, а по трубе продолжается распространение обычного нормального пламени.

Теперь становятся понятными закономерности гашения детона­ции в узких каналах. Понятно, почему гашение происходит так, как если бы со-стояние горючей системы не изменялось при возникновении детонации. Здесь фактически происходит гашение уже не детонации, а дефлаграции, де-тонационная волна еще раньше прекращает свое существование. Естествен-но, что пределы гашения характеризуются параметрами обычной дефла-грации, а значит, свойствами горючей среды до возникновения детонации.

Особенности детонации в узких каналах. Теория детонации с поте-рями, учитывающая только действие стенок трубы, приводит к заключению, что относительное снижение скорости детонации D/D возрастает с увели-чением времени реакции для точки Жуге (т.е. при замедлении реакции) и с уменьшением диаметра d трубы. Установлено, что в первом приближении справедливо условие

. (8.28)

Расчеты показывают, что детонационная волна теряет устойчи­вость уже при незначительном снижении ее скорости. Для гладких труб предель-ное значение отношения D/D определяется условием

. (8.29)

Очевидно, что стационарная детонация становится невозможной при определенном критическом диаметре d_D, при этом d_D > d_кр, найденного для дефлаграции. Поскольку гашение детонации безусловно происходит при ус-ло­виях, в которых локализуется дефлаграция, для обеспечения взрывобезо-пасности наибольшую практическую ценность представ­ляет установление развивающегося при этом давления, а не скорости детонации в каналах, не-достаточных для гашения. Результаты исследований сви­детельствуют о силь-ном снижении давления в детонационной волне после прохождения каналов, диаметр которых значительно превосходит критический для гашения пламе-ни вопреки его постоянству ожидаемому на основании расчетов. Причины снижения давления в столь широких каналах пока полностью объяснить не удалось.

Для ориентировочных оценок можно привести следующие примерные значения критического диаметра гашения (в мм) наиболее опас­ных воздуш-ных и кислородных смесей метана, водорода и ацетилена при 1 am:

Горючее Воздушные смеси Кислородные смеси

СН₄ 4,1 0,35

Н₂ 0,80 0,30

С₂Н₂ 0,85 0,08

Шероховатости стенок трубы могут оказывать двоякое действие. Вы-званные ими потери тепла и количества движе­ния вдвое понижают скорость детонации сильно взрывчатых смесей. В то же время горение недетонирую-щих смесей в такой же трубе происходит со скоростью, равной скорости го-рения детонирующих смесей.

Этот процесс оказывается возможным вследствие неодномерности го-рения. От периферии стенок трубы конусообразная зона реакции распростра-няется к оси трубы. Механизм распространения горения в такой конусооб-разной зоне не во всем ясен. Значительную роль играет увеличение поверх-ности пламени, обусловленное различием скоростей течения по сечению тру-­бы. С другой стороны, сгорающий газ сильно турбулизован, что также явля-ется важным фактором, благоприятствующим ускорению горения.

Для техники взрывобезопасности существенно то, что при быстром сгорании в шероховатых трубах рост давления, а значит, и разруша­ющий эффект примерно такие же, как и при нормальной детонации. Сгорание в ше-роховатых трубах представляет собой большую по­тенциальную опасность, которая не уменьшается даже при значительном удалении состава горючей смеси от концентрационных пре­делов детонации.