Детонация и дефлаграция

Если смесь не имеет КПР, то она вообще негорючая.

Горючие смеси, в которых концентрация горючего вещества находится вне области воспламенения, не могут быть зажжены даже от самого мощного источника зажигания.

С меньшей скоростью пламя распространяться не может ни в какой горючей системе.

Ранее мы установили, что u_н = f(a). Выражение (18) должно быть справедливо для значений a как меньше, так и больше единицы. Это означает, что существуют два значения концентраций горючего вещества, при которых нормальная скорость распространения пламени достигает своих критических значений. Их называют концентрационными пределами распространения пламени (сокращенно - КПР).

Нижний и верхний концентрационный предел распространения пламени (воспламенения) - соответственно, минимальное и максимальное содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Обозначается НКПР (j_н) и ВКПР (j_в).

КПР применяют при расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров, пылей в воздухе рабочей зоны, внутри технологического оборудования, трубопроводов, при проектировании вентиляционных систем.

Область концентраций горючего, заключенная между КПР, называется областью распространения пламени или областью воспламенения.

Более подробно вопросы детонационного горения (взрыва) будут расматриваться в теме № 4 которая посвящена изучению взрывов возникновению ударных волн и детонации.

Работы по детонации всегда были приоритетом СССР и теперь России, это признано. Школа по горению и детонации создана в Институте механики МГУ. По инициативе Г.Г. Черного в Институте была создана и теперь успешно работает лаборатория "Газодинамики взрыва и реагирующих систем", зав. лабораторией чл.-корр. РАН В.А. Левин. Значителен ее вклад в решение основных проблем инициирования и распространения самоподдерживающейся детонации в открытом пространстве. В настоящее время разработаны приближенные модели и предложены простые формулы для расчета критической энергии инициирования и других параметров, определяющих самоподдерживающийся режим детонации, хорошо согласующийся с экспериментальными данными. Результаты используются при проектировании и разработке образцов новой техники, в научных и инженерных расчетах и в учебных программах.

Фронт горения может двигаться в разных режимах. Различают два: по тому, с какой скоростью фронт распространяется по среде перед ним и среде за ним. Если скорость перед и за фронтом - дозвуковая, то это нормальное горение (дефлаграция). Если скорость фронта по газу перед ним - сверхзвуковая, и позади - дозвуковая, то это детонация (сама имеющая разные варианты). Горение в таком режиме сопровождается образованием ударной волны - довольно тонкого слоя очень сильного повышения (скачка) давления, плотности и температуры газа. В этом случае возможны разрушительные последствия, развитие горения сходно со взрывом.

Для теоретического и, отчасти, экспериментального исследования этих явлений, которые очень важны во многих технических приложениях и в природе, строятся математические модели. Зона горения, зона тепловыделения, во многих случаях представляет собой довольно узкий фронт, размерами доли миллиметра. В тех случаях, когда этот масштаб мал по сравнению с общим масштабом явления, простейшей моделью области горения является поверхность разрыва. Несмотря на то, что, конечно, такая модель является сильным упрощением, а эксперименты проводятся в значительной мере в лабораторных условиях, результаты исследовательской работы уже многие годы используются и могут быть использованы и в дальнейшем во многих технических приложениях: для предотвращения катастрофических взрывов в шахтах, на промышленных предприятиях; при прогнозировании природных процессов и т.п. Сложность такого рода проблем, трудности их решения оставляют без исследования отдельные особенности этих явлений, вследствие чего катастрофы, связанные с воспламенением, происходят в неожиданных для конструкторов и инженеров ситуациях. Последствия могут превосходить все мыслимые пределы, наихудшие опасения. Известен случай, когда взорвался большой объем природного газа при разрыве трубопровода в Башкирии (1989 год). Детальных сведений о том, что на самом деле произошло нет. Известно, что взорвалось облако газа, есть предположение, что от искры. Но в таких больших объемах горючих газов существуют особые режимы распространения горения. Причем это уже не тонкие фронты, а так называемое быстрое горение, когда скорость распространения пламени больше чем у волны нормального горения, но это еще не детонационный режим. У волн детонации есть минимальная скорость, она порядка километра в секунду и больше, но есть и другие режимы - режимы быстрого горения, распространяющиеся со значительно меньшими скоростями. Вероятно, в таком режиме происходило горение при катастрофе в Башкирии, но это только предположение, поскольку никаких измерений не было.

Большую проблему представляет обеспечение пожаро и взрывобезопасности морских танкеров, перевозящих сжиженный природный газ. Оценки энерговыделения при воспламенении таких объемов горючих смесей показывают, что оно сравнимо с энерговыделением при ядерном взрыве. Понятно, что подобная катастрофа в порту или в судоходном канале будет иметь ужасные последствия.

В сороковые годы прошлого века обнаружено, что при выстреле в горючую смесь возникают какие-то световые пульсации. Оказалось, что, действительно, выстреливая с достаточно большой скоростью тело, например, сферу, того или иного размера, в горючую смесь можно вызвать различные режимы горения: либо обычное нормальное горение, когда перед телом образуется ударная волна, а за ней фронт медленного горения, либо детонация. Этот явление оказалось тесно связанным с проблемой стабилизации детонационных волн на препятствиях, которая рассматривалась уже с конца пятидесятых годов и сейчас рассматривается как возможный способ организации горения в так называемых гиперзвуковых прямоточных двигателях.

Дефлаграционное пламя распространяется с небольшой скоростью, порядка нескольких метров или десятков метров в секунду.

Передача теплоты в этом случае осуществляется послойно по механизму теплопроводности.

Опасность дефлаграционного горения, помимо упомянутого выше, заключается еще и в том, что при определенных условиях дефлаграция может перейти в детонацию.

При рассмотрении вопросов детонации газо- и паровоздушных смесей используется такое понятие как неустойчивость нормального горения.

Согласно данным работ Зельдовича и Розловского, переход горения в детонацию обязан возникновению неустойчивости нормального горения.

Переход дефлаграции в детонацию обусловлен расширением при сгорании, турбулизацией горючей смеси. Турбулизация, например, в трубе приводит к возникновению сильно вытянутого "конуса" пламени, который быстро размывается. Раскаленные продукты горения хаотически перемешиваются со свежей смесью, возникает вибрация газа с появлением и отражением звуковых волн. Перед фронтом пламени появляется давление сжатия, которое при достижении определенного критического значения воспламеняет свежую смесь и скачком порождает детонационную волну.

Преддетонационное расстояние резко сокращается при наличии на пути пламени различного рода турбулизаторов. В трубопроводах это могут быть продукты коррозии, диафрагмы, задвижки, вентили и т.п., в узостях - трубопроводы и запорно-регулирующая арматура, конструкции этажерок, лестницы, трапы и др.

Детонация – это режим горения, при котором фронт пламени распространяется за счет самовоспламенения горючей смеси во фронте бегущей впереди ударной волной.

Скорость детонации смеси водорода с кислородом – 2800 м/сек (при дефлаграционном горении 10 м/сек), метана с кислородом – 2320м/сек, пентана с воздухом – 1710 м/сек.

Как и дефлаграция, детонация газовых систем возможна только в определенной области концентраций горючего и окислителя, причем всегда в области воспламенения.

В таблице приведены КПР пламени при дефлаграционном и детонационном режимах горения для некоторых горючих систем.

Таблица____ КПР при дефлаграции и детонации

Горючая смесь	КПР, % об
дефлаграция	детонация
Н2 + воздух	4,0 - 75	15,0 - 63,5
С2Н4 + воздух	2,7 - 35	5,5 - 11,5
С2Н2 + воздух	2,5 - 80	4,2 - 50,0
С3Н8 + О2	2,3 - 55	3,2 - 37,0
С4Н10 + О2	1,8 - 49	2,9 - 31,3
(С2Н5)2О + О2	2,0 - 82	2,7 - 40, 0

Как видно из таблицы, круг горючих веществ, способных образовывать детонирующие смеси, достаточно широк, причем способность их к детонации повышается в смесях с кислородом. Хотя концентрационные пределы детонации несколько уже дефлаграционных, однако нужно всегда иметь в виду, что опасность детонации от этого не снижается, и последствия ее всегда катастрофичны.

Вопрос №3 – «Факторы влияющие на КПР и на процессы горения газопаропылевоздушных смесей». (20 минут)

Дата добавления: 2014-01-05