В основе современных представлений о механизме процесса горения лежат теории самовоспламенения , которые построены на трех видах механизма самовоспламенения: тепловом, автокаталитическитепловом и цепном самоускорении.
Причиной теплового самовоспламенения может быть разогрев реагирующих веществ теплотой реакции.Для этого необходим предварительный разогрев системы и достижение такого состояния, при котором приход тепла в результате реакции станет выше отвода тепла из зоны реакции. При этом условии начнется саморазгон реакции и произойдет самовоспламенение.
Явление, при котором каталитическое действие на реакцию оказывает какой-либо из ее продуктов, называют автокатализом .Особенность этой реакции заключается в том , что она идет при непременной возрастающей концентрации катализатора. Для того,чтобы развивалась автокаталитическая реакция, необходимо либо превращение в конечный продукт, либо существование в начальный момент некоторого количества продукта для реакции в виде начальной «затравки».
Для автокаталитического самовоспламенения характерен более длительный начальный период реакции, в течение которого ее скорость несоизмеримо мала и который далее сменяется периодом быстрого развития химического превращения, однако самоускорение происходит с самого начала реакции.При достижении критической скорости реакции дальнейшее самоускорение будет проходить не только в результате автокатализа, но и повышения температуры.
Цепное самовоспламенение имеет природу, отличную от теплового самовоспламенения. В случае ценных реакцийвыделение тепла происходит в результате разветвления реакционных цепей и накопления химически активных частиц.
К цепным относятся химические процессы, в которых в качестве промежуточных частиц выступают свободные радикалы, или, как их еще называют, активные частицы. Обладая свободными ненасыщенными связями и вступая во взаимодействие с исходными молекулами эти активные частицы вызывают разрыв одной из валентных связей этой молекулы и образуют новую активную частицу. Последняя, в свою очередь, вступает во взаимодействие с новой исходной молекулой, таким образом распространяется реакционная цепь и возникает цепная реакция.
В условиях промышленного производства под взрывом следует понимать быстрое неуправляемое высвобождение энергии, которое вызывает ударную волну, движущуюся на некотором расстоянии от источника.Взрыв может быть вызван :
детонацией конденсированного ВВ, быстрым сгоранием воспламеняющегося облака газа;
внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или перегретой жидкостью;
смешиванием перегретых твердых веществ (расплава) с холодными жидкостями и т.д.
Источниками энергии при взрыве могут быть как химические, так и физические процессы.
Источником химического взрыва являются быстропротекающие экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или термического разложения нестабильных соединений.
Физические взрывы возникают при смешивании горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой (например, при вливании расплавленного металла в воду). Испарение в этом случае протекает взрывным образом.
Способность веществ к взрывному процессу подчиняется законам термохимии , согласно которым, если в данной реакции сумма теплот образования продуктов меньше теплоты образования исходного соединения, то это вещество потенциально взрывоопасно.
Источниками энергии взрывов могут быть окислительно-восстановительные химические реакции, в которых воздух или кислород взаимодействуют с восстановителем. Окислительно-восстановительные реакции в этих условиях могут протекать с достаточно высокими скоростями, при которых генерируются ударные волны, способные вызвать ощутимые разрушения.
Ламинарное, дефлаграционное горение и детонация. Горение и взрыв веществ в разных агрегатных состояниях
В зависимости от скорости распространения пламени горение может быть дефлаграционным со скоростью несколько м/с,взрывным - порядка десятков и сотен м/с идетонационным - тысяч м/с.
При ламинарном горении распространение пламени происходит от каждой точки фронта по нормали к его поверхности, так же, как и распространение сферического пламени при центральном зажигании. Такое горение и скорость перемещения пламени по неподвижной смеси вдоль нормали к его поверхности называетсянормальным .
Скорость горения горючих веществ в смеси с воздухом для предельных углеводородов составляет 0,32-0,4 м/с, для водорода - 2,7 м/с. При столь малых скоростях распространения пламени образование ударной волны перед фронтом пламени не происходит .
При достижении скоростей распространения пламени, составляющих десятки и сотни метров в секунду, но не превышающих скорость распространения звука в данной среде (300-320 м/с), происходит взрывное, или дефлаграционное горение .
При взрывном горении продукты горения могут нагреваться до 1500-3000°С, а давление в закрытых системах увеличивается до 0,6-0,9 мПа. Применительно к случайным промышленным взрывам под дефлеграцией обычно понимают горение облака с видимой скоростью порядка 100-300 м/с, при которой генерируются ударные полны с максимальным давлением 20-100 кПа.
Разрушающее давление (~30кПа) достигается при скорости распространения пламени 150-200 м/с. В определенных условиях дефлаграционное (взрывное) горение может перейти в детонационный процесс , при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1-5 км/с. Пиковое давление, создаваемое при детонации, достигает 200 кПа. Большинство промышленных зданий разрушается при давлениях 25-30 кПа при внешних взрывах и 20-25 кПа - при внутренних.
При детонационном режиме горения облака большая часть энергии взрыва переходит в ударную волну ;при дефлаграционном горении переход энергии в ударную волну составляет примерно 30% , максимальный к.п.д. энергии взрыва парогазовых сред составляет примерно 40%.
В зависимости от агрегатного состояния исходного вещества и продуктов горения различают :
гомогенное горение;
горение взрывчатых веществ;
гетерогенное горение.
При гомогенном горении исходные вещества и продукты горения находятся в одинаковом агрегатном состоянии.К этому типу относится горение газовых смесей (природного газа с окислителем - обычно кислородом воздуха),горение негазифицирующихся конденсированных веществ (например, термитов - смесей алюминия с оксидами различных металлов), а такжеизотермическое горение - распространение цепной разветвленной реакции в газовой смеси без значительного разогрева.
Горение взрывчатых веществ связано с переходом вещества из конденсированного состояния в газ. При этом на поверхности раздела фаз происходит сложный физико-химический процесс, при котором в результате химической реакции выделяются теплота и горючие газы, догорающие в зоне горения на некотором расстоянии от поверхности.
При гетерогенном горении исходные вещества находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие технологические процессы гетерогенного горения - горение угля, металлов, сжигания жидких топлив и т.д. Процесс гетерогенного горения очень сложен, химическое превращение сопровождается дроблением горючего вещества и переходом его в газовую фазу в виде капель частиц, образованием оксидных пленок на частицах металла, турбулизацией и т.д.
Государственное образовательное учреждение высшего
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВОВ
Учебное пособие
Нижний Новгород – 2007
Теория горения и взрывов
Учебное пособие
Н. Новгород, 2007 г.
Пособие состоит из трех частей. В первой части рассматриваются особенности горения гомогенных и гетерогенных систем, основы теории цепных радикальных реакций и механизм горения некоторых видов топлива.
Во второй части рассматривается состав и свойства твердого, жидкого и газообразного топлива.
Третья часть посвящена экологическим проблемам, связанным со сжиганием топлива, и способам снижения вредных выбросов.
ã Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, 2007 г.
Глава 1. Теоретические основы процесса горения 3
1.1. Некоторые понятия и определения 3
Степень окисления
1.2. Вспышка и воспламенение гомогенных и гетерогенных систем 6
Воспламенение
1.3. Пламя 6
5.2. Важнейшие компоненты топлива 34
Кислород
5.3. Теплотворная способность топлива 36
5.4. Твердое топливо 36
Торф. Ископаемые угли
Бурые угли
Каменные угли
Антрацит
Горючие сланцы
Искусственное твердое топливо
5.5. Жидкое топливо 40
5.6. Мировые запасы нефти 42
Состав нефти
5.7. Переработка нефти 44
Риформинг
Дизельное топливо
Керосин, мазут
5.8. Газообразное топливо 47
Природный газ
Попутный нефтяной газ
Глава 6. Экологические проблемы 50
6.1. Токсическое воздействие загрязняющих веществ 50
Оксид углерода (II)
Углеводороды
Бенз(а)пирен
Твердые частицы
6.2. Предельно допустимые концентрации (ПДК) примесей 51
Твердые частицы
6.3. Кислотные дожди 53
6.4. Канцерогенные вещества 54
6.5. Образование оксидов азота при сжигании топлива 57
ЛИТЕРАТУРА 60
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ
1.1. Некоторые понятия и определения
Горение – сложный, быстро протекающий химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и света. Обычно рассматривают химические реакции горючих веществ с кислородом воздуха. Например, горение каменного угля, состоящего в основном из углерода:
С(т) + О2(г) ® СО2(г); ∆rН = - 393.5 кДж/моль
где ∆rН < 0 – энтальпия химической реакции, указывающая, что при сгорании 12 г углерода (n = 1 моль) выделяетсякДж) энергия в форме теплоты.
Горение природного газа используется в кухонной газовой горелке, двигателе некоторых автомобилей, паровых турбинах электростанций или котельных горячего водоснабжения . В природном газе метан является основным компонентом (до 98 об.%). Его реакция с молекулярным кислородом воздуха сопровождается образованием оксида углерода (IV) и воды:
СН4(г) + 2О2(г) ® 2Н2О(ж) + СО2(г); ∆rН = - 890.3 кДж/моль
Тлением называют беспламенное горение твердых тел . Так горит кокс, применяемый в металлургии. (Кокс – каменный уголь, из которого предварительно выжгли летучие соединения). При тлении процессы имеют низкую интенсивность и свечение красного типа.
Взрыв также является разновидностью горения. Его отличие в том, что взрывчатые вещества уже содержат в своем составе и окислитель (-NO2), и восстановитель (-С-Н группы). Например, разложение молекул тринитротолуола в составе моноклинных ромбических кристаллов носит взрывной характер. Достаточно расплавить кристаллы (Т пл. = 88.85 0С) и нагреть жидкий тринитротолуол до 150 0С (физический процесс), чтобы произошел взрыв (химический процесс):
http://pandia.ru/text/78/142/images/image005_56.gif" alt="Подпись: " align="left" width="494 height=124" height="124">
|
[Дж. Кемпбел Современная общая химия. Т. 2. М.: «Мир». 1975]
Взрыв – окислительно-восстановительный процесс, сопровождающийся выделением большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени.
Один и тот же вид горючего может гореть обычным путем и в виде взрыва. Например, при использовании в быту газовых горелок мы проводим обычный процесс горения. Но если заполнить природным газом все пространство кухни, то при возникновении искры или пламени произойдет взрыв.
Получить полный текстДругой пример – горение пороха. Если поджечь кучку пороха на воздухе, то он спокойно сгорит. При стрельбе из стрелкового оружия в патроне происходит детонация порохового заряда с помощью капсюля-детонатора. В этом случае процесс носит взрывной характер.
Горение и взрыв в большинстве случаев представляют собой окислительно-восстановительные реакции . Под этим понимаются процессы изменения степени окисления (СО – степень окисления) элементов. Есть окислитель (например, кислород в обычном процессе горении топлива), который восстанавливается и снижает свою степень окисления. С ним взаимодействует восстановитель , который окисляется и увеличивает свою степень окисления.
Например, горение водорода:
Н2(г) + О2(г) = Н2О(ж) или
Н20 + О20 = Н2+1О-2.
Степень окисления водорода и кислорода в простых веществах принята равной нулю. После реакции степень окисления кислорода стала – 2, а водорода +1.
Степень окисления – это условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что образуется ионное соединение.
Мы видели на примере реакции горения водорода, что образуется совсем не ионное соединение (Н2О), но использование степени окисления представляет собой прием, который позволяет установить реагент-окислитель и реагент-восстановитель.
Другой пример – горение оксида углерода:
2С+2 О-2 + О20 = 2С+4О2-2.
В этом процессе окисляется углерод и восстанавливается кислород. Таким образом, горением может называться любая реакция, в которой выделяется теплота и образуется пламя. Это может быть и реакция двух веществ между собой. Например, горение водорода в атмосфере хлора:
Н2(г) + Cl2(г) = 2НCl(г)
или реакция разложения (горения взрывчатых веществ).
1.2. Вспышка и воспламенение гомогенных и гетерогенных систем
Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горючее и окислитель находятся в одной фазе (обычно в газовой, например, смесь метана с воздухом). При гетерогенном они находятся в разных фазах, окислитель, как правило, газообразный (например, О2), а восстановитель твердый (уголь С, древесина, торф) или жидкий (бензин, мазут, дизельное топливо).
Отступление . Фаза – однородная часть системы, обладающая одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела . Система – совокупность взаимосвязанных частей, выделенных из окружающей среды и выступающих по отношению к ней как целое .
Наиболее общим свойством горения гомогенных горючих газовых смесей является проявление в определенных условиях прогрессивного самоускорения процесса – воспламенения.
Воспламенение – начальная стадия горения, в течение которой энергия, подводимая к системе от внешнего источника энергии, приводит к резкому ускорению химической реакции из-за прогрессивного накопления энергии (тепловое воспламенение) или активных промежуточных частиц (цепное воспламенение).
Роль воспламенителя может выполнять пламя, искра, накаленное тело или механическое воздействие в результате резкого сжатия горючей смеси (так происходит воспламенение горючей смеси в дизельном двигателе) или, например, трение различных материалов друг о друга.
При воспламенении необходимо, чтобы концентрации горючего и окислителя находилась в определенном соотношении.
Классическим явлением воспламенения является процесс возникновения горения в небольшой части горючей смеси. Остальная часть прореагирует за счет распространения процесса на всю смесь. Источники воспламенения, вызывающие такой процесс, называются тепловыми. К ним относится искра, накаленное тело, пламя, а также электрические явления (электрические искры, дуги, разряды атмосферного электричества). К воспламенению могут привести также оптические явления, например, фокусировка лучей линзами. Все тепловые источники нагревают очень незначительную часть горючей смеси, оставляя холодной остальную ее часть.
В отличие от воспламенения вспышка представляет собой воспламенение смеси воздуха с парами над жидкостью или твердым телом без загорания жидкости или твердого тела. Вспышка возможна только в том случае, если состав паровоздушной смеси находится между верхним и нижним пределами воспламенения (см. раздел). Фактически вспышка – процесс неустойчивого, быстро прекращающегося горения.
1.3. Пламя
При воспламенении накаленными телами, чем меньше его размер, тем больше должна быть его температура. Тепловые источники очень маленьких размеров не могут воспламенить горючие смеси.
Не всякие искры одинаковы по своей способности воспламенять смеси. Искры, возникающие при точке металлических изделий на наждачном круге, не могут воспламенить смеси метана или бензина с воздухом. Искры, образующиеся при ударах металла о металл, металла о камень и при их трении, имеют разную воспламеняющую способность. Опытами установлено, что метано-воздушная смесь не воспламеняется от искр при сильных ударах стальных молотков о стальные образцы и от искр трения сталей о карборунд. Однако воспламенение метано-воздушных смесей может происходить от искр, возникающих при ударах между твердой породой и сталью, а также при трении твердой породы о породу. При трении о породу воспламенение происходит не от искр, образующихся при этом, а от теплового воздействия раскаленной зоны, которая может достигать 1200°С.
Получить полный текстОпытным путем также установлено, что трение стали о сталь способно воспламенить смеси воздуха с водородом, ацетиленом, сероводородом, коксовым газом. Трение алюминиевых сплавов по стальным поверхностям, покрытым ржавчиной, вызывает воспламенение всех известных взрывоопасных газовых смесей. Причиной является экзотермическая реакция:
Al + Fe2O3 = Al2O3 + Fe; DН = - 853,5 кДж/моль
вызывающая нагрев места трения.
Эти знания позволяют подбирать правильные материалы для разработки инструментов и механизмов, работающих на взрывоопасных участках (шахты, газовые месторождения, перекачивающие и заправочные станции и т. п.).
Различная воспламеняющая способность различных физико-химических процессов связана с энергией, которая выделяется в форме теплоты и способна нагреть участок горючей смеси. Наглядным примером важности энергии искр является воспламенение электрическими искрами. Для каждой смеси есть минимальная мощность электрической искры, способной ее воспламенить. Минимальная мощность зависит от состава, температуры, давления смеси. Увеличение мощности искр ведет к расширению области воспламенения газовых смесей. Однако при достижении определенной мощности искр ее увеличение уже не вызывает расширения пределов воспламенения смеси. Искры такой мощности называют насыщенными . Их использование в приборах по определению концентрационных или температурных пределов воспламенения дает такие же результаты, как воспламенение накаленными телами или пламенем. Насыщенные искры можно считать разновидностью высокотемпературных источников воспламенения.
Пламя всегда является эффективным источником воспламенения .
Воспламенение гетерогенных горючих смесей имеет свои особенности, отличающие их от гомогенных горючих смесей. Из твердых горючих веществ наиболее подвержены воспламенению волокнистые и мелкораздробленные материалы (хлопок, войлок, ткань, сено, шерсть, мучная и каменноугольная пыль и др.). Все они обладают малой теплопроводностью и большой поверхностью, что способствует сохранению тепловой энергии искры в небольшом объеме горючего вещества и быстрому нагреву. Так как искрой нагревается небольшой объем твердых горючих веществ, то образующихся газообразных продуктов разложения и энергии искры недостаточно для образования горючей смеси. Поэтому воспламенение искрами сопровождается не горением волокнистых веществ, а тлением углеродистого остатка. Только более мощные источники воспламенения и более длительное их действие (пламя, большие по величине накаленные тела) могут вызвать воспламенение твердых веществ с образованием пламени.
Пламя всегда является эффективным источником воспламенения (рис.) не только гомогенных газовых смесей, но и гетерогенных.
http://pandia.ru/text/78/142/images/image007_43.gif" width="605" height="246 src=">
Рис. 1 . Распределение температур в пламени при горении газообразных, жидких и твердых материалов
Для загорания твердых видов топлива их составляющие должны быть переведены в газообразное состояние или превращены в легковоспламеняющийся уголь. Для этого требуется нагрев до высокой температуры. При этом образуются горючие смеси с воздухом, которые воспламеняются. Так происходит воспламенение древесины и природного угля. Первой стадией является разложение топлива с образованием летучих горючих веществ, или испарение летучих органических веществ топлива. Потом происходит воспламенение горючей газовой смеси с воздухом. На следующем этапе от пламени воспламеняется само твердое топливо.
Горение жидкого топлива всегда сопровождается испарением топлива и горением его паров. В жидком виде топливо, как правило, не окисляется кислородом. В результате сгорает только та его часть, которая успела испариться. Поэтому в двигателях внутреннего сгорания важнейшую роль играет процесс впрыска и испарения капелек топлива. Чем более эффективны эти процессы, тем выше к. п.д. и мощность двигателя, и ниже расход топлива.
Фронт пламени
Как сказано выше, характерной особенностью горения гомогенных смесей является самопроизвольное пространственное распространение пламени. В процессе распространения горения газовая смесь делится на две части: сгоревший газ и несгоревшая смесь, а их граница называется фронтом пламени. Она представляет собой тонкий газовый слой, в котором происходит процесс горения. На рис. 2 представлена модель горения газовой смеси в трубе. Подожжена смесь справа. Пламя двигается справа налево.
Рис. 1. Движение фронта пламени в газовой трубе
Распространение пламени встречается двух видов: детонационная волна и волна горения.
Детонационная волна – один из видов ударной волны, распространение которой сопровождается тепловыделением благодаря реакциям во фронте. Это волна поджигает следующую порцию газа. Главный признак детонационной волны - огромная разница давлений перед фронтом и позади его. Скорость детонационной волны выше скорости звука (в твердых взрывчатых смесях она может достигать 7-10 км/с) и процесс протекает как взрыв. Большое давление перед фронтом сильно сжимает газовую смесь и образует высоконагретые продукты, которые самовоспламеняются.
Волна горения распространяется посредством диффузии активных частиц в соседние зоны и теплопередачи к соседним слоям газа. Скорость перемещения фронта пламени значительно ниже скорости звука и при этом отсутствует большая разница давлений.
Получить полный текст1.4. Кинетическая и диффузионная области горения
Для создания теоретических основ конкретного процесса горения важно понять, какой процесс – физический или химический – является лимитирующим , самым медленным, определяющим скорость всего процеcса в целом. Для ускорения всего процесса горения нужно ускорять прежде всего лимитирующий процесс.
Область горения, в которой время сгорания зависит только от скорости химической реакции между кислородом и горючим, называется кинетической . В кинетической области осуществляется, например, тление древесного угля или древесины. Так как тление происходит при низкой температуре, скорость реакции настолько мала, что скорость диффузии кислорода к поверхности обычно опережает скорость взаимодействия кислорода. В данном примере лимитирующей стадией является химическая реакция, так как она самая медленная.
Область горения, в которой скорость процесса зависит только от времени, необходимого для возникновения физического контакта кислорода и горючего, или от скорости другого физического процесса, называется диффузионной .
Горение жидкого топлива происходит обычно в диффузионной области. При горении жидкого топлива лимитирует скорость испарения (а горит, как сказано выше, только испарившиеся вещество). Если требуется ускорить весь процесс горения, то нужно создать условия для лучшего испарения.
Для гомогенных процессов лимитирующая стадия зависит от общего давления смеси. При высоком давлении частота столкновений реагирующих частиц очень большая, поэтому лимитировать может скорость химической реакции. В этом случае горение происходит в кинетической области.
В газовых смесях процесс может протекать также в диффузионной области, если общее давление низкое, так как самой медленной стадией будет взаимная диффузия и столкновение реагирующих частиц. Между этими крайними случаями есть область промежуточных давлений, при которых важны оба процесса – и химический, и физический.
В диффузионной области происходит также горение газа, выходящего из трубы. В этих случаях смесь паров и газов с воздухом образуется во время горения в результате диффузии кислорода к молекулам горючего.
При интенсивном высокотемпературном горении твердого топлива обычно лимитирует диффузия кислорода к поверхности топлива и отвод продуктов от поверхности. В таком процессе горения антрацита, кокса или древесного угля, когда температура на поверхности большая, скорость реакции очень большая. В этом случае скорость подхода кислорода к поверхности отстает от скорости химической реакции.
ГЛАВА 2
ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ГАЗОВ ЖИДКОСТЕЙ И ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ
2.1. Особенности горения газов
Особенностью горения гомогенных систем является наличие критических условий, т. е. определенных, характерных для данной конкретной горючей смеси, параметров, вне пределов которых реакция протекает стационарно, без самоускорения, а в их пределах она самоускоряется. К таким параметрам относится состав смеси (концентрация горючего вещества и окислителя), давление, начальная температура, наличие примесей, геометрия сосуда и материал его стенок и некоторые другие. Переход от медленного состояния к быстрому носит резкий характер. Достаточно изменить лишь ненамного размер сосуда, температуру, или концентрацию горючего, как течение реакции радикально меняется. В одних случаях при постоянном действии источника воспламенения (например, пламени) воспламенения не происходит. Взаимодействия горючего и окислителя идет, но только в зоне пламени, и оно не самораспространяется. Постепенно вся смесь прореагирует. Время полного израсходования горючего зависит от источника зажигания – его мощности, температуры, площади действия. Если же параметры смеси находятся в области воспламенения, то достаточно кратковременного воздействия источника зажигания, чтобы произошел взрыв или быстрое сгорание смеси.
Рассмотрим влияние концентрации на способность смеси к самовоспламенению. Известно, что для воспламенения газовой смеси концентрация горючего должна находиться в определенных пределах – между нижним и верхним пределами воспламенения. Эти пределы зависят от горючего, окислителя, устройства, в котором изучается процесс (геометрии сосуда, материала его стенок), от наличия посторонних примесей в газовой смеси. В табл. 1 приведены значения пределов воспламенения некоторых веществ.
Т а б л и ц а 1.
Пределы воспламенения некоторых газовых смесей
Вещество в газообразном состоянии | Пределы воспламенения, % объемные |
|
Аммиак NH3 | ||
Ацетилен С2Н2 | ||
Ацетон (СН3)2СО | ||
Метан СН4 | ||
Пропан С3Н8 | ||
Этанол С2Н5ОН | ||
Диэтиловый эфир (С2Н5)2О | ||
Бензол С6Н6 |
При замене воздуха на кислород оба предела возрастают, причем нижний немного, а верхний более сильно. Например, для водорода в смеси с кислородом нижний предел равен 4,7%, а верхний 93,9%. Для метана нижний предел равен 5,4%, а верхний 59,2%.
Объяснение наличия пределов воспламенения лежит в области химической кинетики. Как известно, скорость химических реакций пропорционально произведению концентрации реагирующих веществ. В данном случае это горючее и окислитель. Нижний предел характеризуется низкой концентрацией горючего, поэтому скорость мала и процесс затухает, происходит без самоускорения.
Получить полный текстВерхний предел связан с малой концентрацией окислителя, с его нехваткой для развития процесса горения. Наиболее оптимальной для процесса горения является стехиометрическое соотношение горючего и окислителя, то есть соответствующее коэффициентам в уравнении реакции между ними.
Сильное отличие верхнего предела смесей с кислородом и воздухом связано с тем, что в воздухе всего 21% кислорода. При замене воздуха на кислород концентрация кислорода в горючей смеси возрастает почти в пять раз, поэтому его нехватка наступает при гораздо более высоких концентрациях горючего.
Из-за наличия нижнего предела воспламенения практически редко происходит полное сгорание топлива. Особенно это проявляется в устройствах, где существует короткое время пребывания топлива в факелах (например, в двигателях внутреннего сгорания). В них всегда происходит выброс в атмосферу непрореагировавшего топлива (газ, бензин, дизельное топливо и т. д.). На крупных ТЭЦ горение происходит в длинных факелах, и доля несгоревшего топлива существенно ниже.
2.2. Особенности горения жидкостей
Горение жидкостей имеет свои специфические особенности. Этот процесс очень важен, так как осуществляется везде, где используется жидкое или твердое топливо.
Существует два способа горения гетерогенных систем – вспышка и воспламенение . Протекание процесса зависит от соотношении скорости испарения топлива (W исп) и скорости его горения (W гор).
Если соблюдается условие W исп < W гор, то процесс протекает как вспышка. Вспышка – процесс неустойчивого, быстро прекращающегося горения.
При наличии постоянно действующего источника воспламенения (например, накаленного тела) периодически происходит воспламенение испарившейся части топлива и прекращение процесса. Вспышка возобновляется тогда, когда концентрация топлива в газовой фазе снова достигнет нижнего предела воспламенения. Лимитирующей стадией этого процесса является испарения жидкости. Процесс проходит в диффузионной области. Обычно вспышкой сопровождается горение жидкостей при низких температурах, при которых скорость испарения мала.
При увеличении температуры частота вспышек возрастает, и при достижении некоторой температуры (температуры воспламенения ) процесс горения становится постоянным. Такой процесс горения жидких гетерогенных систем называется воспламенением. Для воспламенения необходимо соблюдение условий W исп ≥ W гор.
Для горения жидкостей также существуют пределы воспламенения, но они выражаются температурой.
Температурные пределы воспламенения жидкостей
Температура жидкости, при которой над поверхностью создается концентрация насыщенного пара, равная нижнему пределу воспламенения, называется нижним температурным пределом воспламенения (НТПВ).
Температура жидкости, при которой над поверхностью создается концентрация насыщенного пара, равная верхнему пределу воспламенения, называется верхним температурным пределом воспламенения (ВТПВ).
Температурные пределы определяются в условиях, при которых достигается равновесие жидкость-пар, поэтому являются термодинамическими параметрами.
Температурные пределы воспламенения используют для оценки пожарной опасности жидкостей и технологических процессов, связанных с их применением, при расчете безопасных режимов работы технологических аппаратов и пожароопасности складских емкостей с жидкостями и летучими твердыми веществами.
Температура вспышки – самая низкая температура, при которой над поверхностью жидкости образуются пары, способные вспыхивать на воздухе от источника зажигания, но скорость образования пара недостаточна для постоянного устойчивого горения. В отличие от НТПВ температура вспышки является кинетическим параметром, так как характеризует скорость испарения.
Жидкости, способные гореть, делятся на легко воспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие (ГЖ). ЛВЖ – это жидкости, имеющие температуру вспышки не выше 61°С в закрытом тигле или 66°С в открытом тигле.
ГЖ – это жидкости, имеющие температуру вспышки выше этих значений.
1 разряд. Особо опасные ЛВЖ. К ним относятся жидкости с температурой вспышки от 18°С и ниже в закрытом тигле и от 13°С и ниже в открытом тигле;
2 разряд. Постоянно опасные ЛВЖ. К ним относятся жидкости с температурой вспышки от 18°С до 23°С в закрытом тигле или от 13°С до 27°С и ниже в открытом тигле;
3 разряд. ЛВЖ, опасные при повышенной температуре воздуха. К ним относятся жидкости с температурой вспышки от 23°С до 61°С в закрытом тигле или от 27°С до 66°С в открытом тигле.
В зависимости от температуры вспышки устанавливают безопасные способы хранения, транспортирования и применения жидкостей для различных целей.
Для соединений одного гомологического ряда температура вспышки закономерно возрастает с увеличением молярной массы (табл. 2).
Т а б л и ц а 2
Температура вспышки спиртов в зависимости от молярной массы химического соединения
Молярная масса, г/моль | Температура, °С |
||
Метиловый СН3ОН | |||
Этиловый С2Н5ОН | |||
н-Пропиловый С3Н7ОН | |||
н-Бутиловый С4Н9ОН | |||
н-Амиловый С5Н11ОН |
Температура воспламенения жидкостей для ЛВЖ отличается от температуры вспышки на 1-3°С, для ГЖ – на 30-35°С.
Горение - сложный химический процесс, основой которого является окислительная реакция, протекающая в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением в системе тепла.
Отличительные признаки горения - выделение тепла, саморазогрев и свечение веществ при их химическом превращении.
Физическое состояние веществ и физические процессы оказывают большое влияние на скорость и последовательность протекания реакции при окислении веществ, а также на состав продуктов сгорания.
Например: при недостаточном подводе кислорода в зону горения процесс будет протекать медленно, а состав продуктов горения будет отличаться большим содержанием продуктов неполного сгорания, т.е. таких продуктов, которые способны к дальнейшему горению.
При неполном сгорании углеродосодержащих веществ в воздухе образуются двуокись углерода и окись углерода, кроме того в продуктах горения содержатся несгоревшие мелкие частицы углерода, образующие дым.
Газообразный окислитель поступает в зону горения в результате конвекции и диффузии. Исключение составляют случаи, когда окислитель содержится в горючей смеси в количестве, необходимом для реализации процесса горения.
При воздействии внешнего импульса или источника зажигания вещества, содержащие окислитель, практически мгновенно разлагаются и окислитель вступает в реакцию с горючим веществом, которая с большой скоростью распространяется по всему его объему. Реакция сопровождается с выделением большого количества тепла. Горение приобретает форму взрыва.
Окислителем могут служить другие вещества. Например: сера, галогены, сложные кислородосодержащие вещества - перекиси, нитросоединения, азотная кислота, перхлораты.
Однако наиболее часто горение протекает с участием кислорода воздуха (21% О 2 в воздухе) О 2 входит в состав воды и многих минералов. Например, горение твердых веществ в виде аэрозоля может при горении взрываться, а в виде аэрогеля (сплошного массива) может гореть спокойно или тлеть.
Горение различают: тепловое и автокаталитическое.
Тепловое связано с экзотермической реакцией, когда скорость выделения тепла превышает скорость теплопотерь и создаются условия для прогрессивного самоускорения реакции саморазогрева системы и пространственного распространения горения.
Автокаталитический (или цепное) горение происходит при сравнительно низких температурах, например: белый фосфор (горит на воздухе при < 50 С), выделяемая энергия при таком горении расходуется на образование новых реакционно способных промежуточных частиц в еще большем количестве, что способствует ускорению и пространственному распространению реакции.
Наиболее распространено тепловое горение.
Таким образом, чтобы горение возникло, необходима система: горючее вещество, окислитель, источник зажигания или импульс ускоряющий реакцию окисления.
Горючее вещество может быть в газообразном, жидком, твердом состоянии.
Горение газов и паров в воздухе протекает полностью в газовой фазе и носит объемный характер. Горение сопровождается пламенем или взрывом.
Пламя это светящееся пространство, в котором сгорают газы и пары.
Горение в виде взрыва - это горение за короткий промежуток времени.
Горение жидкости - это пламенное горение ее паров и продуктов разложения.
Горение твердых веществ отличается большим разнообразием происходящих процессов. - Это связано с разнообразием химических и физических свойств и состояний (дисперсностью, пористостью, влажностью, однородностью) и состоянием окружающей среды.
Взрыв пыли (торфа, древесины, муки, сахара).
Горение может возникнуть в двух различных формах:
1. Возгорание (воспламенение)
2. Самовозгорание (самовоспламенение)
Возгорание веществ возможно при воздействии теплового импульса от источника зажигания. Величина его должна быть достаточной, чтобы разогреть вещество до температуры, при которой происходит дальнейший саморазогрев и возникает устойчивое горение после удаления источника зажигания.
Температура при возгорании многих органических твердых веществ является температурой воспламенения паро и газообразных продуктов их термического разложения (например у древесины).
Самовозгорание (самовоспламенение) - процесс возникновения горения при отсутствии источника зажигания. Оно наблюдается при резком увеличении скорости экзотермической реакции в объеме вещества, когда скорость выделения тепла больше скорости рассеивания.
Виды самовозгорания:
1). Тепловое (масла, жиры). Масла машин, трансформаторов. Окисление происходит при температуре на воздухе и самовозгореться не способны.
Отработанные минеральные масла подвергавшие нагреву до температур склонных к самовозгоранию (т.к. предельные углеводороды переходят в непредельные).
Склонны к самовозгоранию растительные масла.
2). Микробиологическое:
самовозгорание торфа из-за жизнедеятельности микроорганизмов.
Сено, клевер, листва - сульфиды железа.
3). Химическое: щелочные металлы натрий, калий, при определенных условиях хлор, фтор, бром, йод.
Источники зажигания.
Источники зажигания могут быть для различных веществ разные: открытый огонь; тепловое проявление (химическое, микробиологическое происхождение, силы трения); механические (искры от ударов искрообразующих металлов); электрические (большие переходные сопротивления, короткое замыкание, электросварка); природные (молния, грозовые разряды); носить химическую природу (химические свойства веществ).
Производственные источники зажигания характеризуются воспламеняющей способностью.
В условиях производства существует значительное количество различных источников зажигания, как постоянно действующие (они предусмотрены технологическим регламентом) и потенциально возможные при нарушении технологического процесса.
Условиями необходимыми для предотвращения пожара являются: 1. Исключение окислителя в горючем веществе. 2. Исключение источника зажигания. 3. Исключение горючего вещества.
ТЕМА 4
Суть процесу горіння. Теоретичні основи механізму горіння та вибуху. Класифікація видів горіння. Повне і неповне згорання. Ламінарне і дефлаграційне горіння, вибух і детонація. Гомогенне та гетерогенне горіння.
Горение – химическая реакция окисления вещества,которая сопровождается выделением большого количества тепла и света с прогрессирующим самоускорением.
Условия горения:
1) наличие горючего вещества;
2) наличие окислителя; (O 2, Сl 2 ,F 2 ,Br 2 ,I 2 ,NO,NO 2);
3) наличие источника загорания (импульса).
Условия образования пламени – наличие образования смеси, в которой может протекать химическая реакция. При этом, количество тепла, выделяющегося при горении единицы веса горючего должно быть достаточным для существенного повышения температуры реагентов по сравнению с продуктами сгорания. Скорость химической реакции, т.е. количество вещества, реагирующего в единице объема в единицу времени, сильно возрастает с температурой, поэтому, при этих условиях наблюдается самоускорение реакции.
Горючее вещество – твердое, жидкое, газообразное вещество, способное гореть под действием огня. С уменьшением концентрации кислорода в воздухе уменьшается интенсивность горения. Однако, сжатый ацетилен, хлористый азот, озон горят и без доступа воздуха.
Горение происходит в движущей среде. Это движение может быть следствием самого процесса горения (свеча) или по принудительным причинам (газовая турбина).
Ламинарное горение – соседние слои жидкости равномерно скользят друг по другу.
Скорость движения пламени относительно исходной смеси зависит от природы от природы химической реакции и теплопроводимости газа. Процесс горения, при котором начальное и конечное состояние характеризуется точками A и B называется нормальным или дефлаграционным. Скорость распространения пламени при этом – несколько метров в секунду.
Взрывное горение – скорость распространения пламени достигает порядка десяти метров в секунду.
Взрыв – это горение вещества, сопровождающееся крайне быстрым выделением большого количества энергии, вызывающего нагрев продуктов сгорания до высоких температур и резкое повышение давления.
Детонационное горение – скорость горение до 1000 м/c – импульс воспламенения передается от слоя к слою смеси не за счет теплопроводимости, а вследствие импульса давления.
В зависимости от свойств горючей смеси горение может быть гомогенным и гетерогенным. Если исходные вещества имеют одно агрегатное состояние (горение газов), то горение называют гомогенным .
Пожарная опасность различных веществ и материалов оценивается их способностью вызвать пожар и взрыв. Пожароопасными называют вещества, которые имеют повышенную пожарную опасность. Опасность возникновения взрыва и пожара в помещениях, где выделяются пары и газы горючих веществ и пыли, зависит от их концентрации в воздухе.
Если в воздухе возникает такая концентрация пыли, паров или газов, которая будет выше нижней границы воспламенения, то при наявности открытого источника огня произойдет взрыв, а за пределами верхней границы возгорания – будет горение.
Нижней и верхней границей взрыва называют соответственно наименьшую и наибольшую концентрацию паров, газов или пыли в воздухе, при которых существует вероятность взрыва смеси. Согласно ГОСТ 12.1.004 - 85 пожарная опасность веществ характеризуется их горючестью, возгоранием и взрывоопасностью.
Пожароопастносные вещества имеют такие обозначения:
НГ – негорючие вещества. Это такие вещества, которые не способны гореть в атмосфере воздуха обычного состава.
ТГ – тяжелогорючее вещество. Может гореть лишь под действием постороннего источника возгорания, но не способное самостоятельно гореть после его удаления.
ГВ – горючая жидкость. Это жидкость, которая горит самостоятельно после удаления источника возгорания. Температура вспышки выше 61 0 С в закрытом тигле или 66 0 С в открытом.
ЛВЖ – легковоспламеняющиеся жидкости. Самостоятельно горит после удаления источника возгорания с температурой вспышки не выше 61 0 С в закрытом тигле или 66 0 С – в открытом.
ГГ – горючий газ, который способен образовывать с воздухом воспламеняющиеся и взрывоопасные смеси при температуре не выше 55 0 С.
ВВ – взрывоопасное вещество, способное взрываться или детонировать без присутствия кислорода (О 3 , СНºСН, хлористый азот). Это могут быть также металлы, способные гореть в атмосфере хлора, парах серы или двуокиси углерода.
Пределы воспламенения паров ЛВЖ и ГЖ выражают температурными пределами. При этом нижнему и верхнему температурным пределам соответствуют нижний (НПВ) и верхний (ВПВ) концентрационный предел, выражаемый в объемных процентах.
Наиболее опасны жидкости с температурой вспышки не менее 15 0 С и широкими пределами воспламенение (сероуглерод имеет: Т всп = -43 0 С; НВП = 1 %; ВПВ = 50 %).
Одной из назначенных форм загорания, по причине, которой возникает процесс горения, является вспышка. Вспышка – быстротекущий процесс сгорания паров горючей жидкости, который происходит при их контакте с открытым источником огня. Воспламенение длительный процесс горения, возникающий от источника огня и длиться до тех пор, пока существует выделения паров из горючего вещества. Воспламенения происходит при температурах, которые больше температуры вспышки для ЛВЖ на 2…5 0 С, а для горючих на 5…30 0 С.
Класифікація рідин, що горять, на легкозаймисті (ЛЗР) і на горючі рідини (ГР) за температурою спалаху.
Классификация горючих веществ по взрыво- и пожароопасности:
– взрыво-пожароопасные: ГГ, нижний предел взрываемости которых 10% и менее к объему воздуха; жидкости с температурой вспышки паров до 28 0 С включительно при условии, что указанные выше газы и жидкости могут образовать взрывоопасные смеси в объеме, превышающем 5 % объема помещения; вещества, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом;
– ГГ, нижний предел взрываемости которых более 10 % к объему воздуха, жидкости с температурой вспышки паров от 28 0 С до 61 0 С включительно; жидкости, нагретые до температуры вспышки и выше; горючие пыли и волокна, нижний предел взрываемости которых 65 г/м 3 и менее к объему воздуха;
– пожароопасные: жидкости с температурой вспышки паров свыше 61 0 С, горючие пыли или волокна, нижний предел взрываемости которых более 65 г/м 3 к объему воздуха; вещества, способные гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом, твердые сгораемые вещества и материалы.
– несгораемые вещества и материалы в горячем раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени;
– взрывоопасные: горючие газы без жидкой фазы и взрывоопасной пыли в таком количестве, что они могут образовать взрывоопасные смеси в объеме, превышающем 5 % объема помещения, и в котором по условиям техпроцесса возможен только взрыв (без последующего горения); вещества, способные (без последующего горения) при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом.
Взрывоопасность взвешенной горючей пыли можно охарактеризовать следующими параметрами:
– НПВ, г/м 3 ;
– температура самовоспламенения;
– температура среды;
– минимальной энергией поджигания;
– наличием (концентрацией) негорючей пыли;
– влажность воздуха;
– дисперсность самой пыли.
Самовоспламенение – процесс горения вещества, который возникает от окружающей температуры, но без контакта с открытым источником огня. Например, самовоспламенение горючих смесей от их сдавливания, когда температура смеси достигает определенного уровня.
Самовозгорание – процесс горения,который возникает от тепла, которое накопилось в веществе вследствие биологических или физико-химических процессов.
Система попередження пожеж. Система пожежного захисту. Система організаційно-технічних заходів.
1. ВЗРЫВ И ГОРЕНИЕ
Каждый из нас, кто по кинокартинам, кто по событиям, пережитым в действительности, знаком со взрывом - этим мощным и грозным явлением. В дни Великой Отечественной войны от взрывов, организованных бесстрашными советскими партизанами, взлетали на воздух вражеские эшелоны и склады, рушились мосты под ногами оккупантов.
Сегодня, в мирные дни, взрыв раскрывает нам богатства земных недр, помогает прокладывать пути через горы, преграждает течение рек, является нашим помощником в героическом созидательном труде.
Что же такое взрыв и как он действует?
Взрыв представляет собой химическую реакцию, в результате которой взрывчатое вещество превращается в газы. Эта реакция протекает с выделением тепла и идёт крайне быстро. Например, взрыв килограммовой шашки широко известного взрывчатого вещества - тротила - может произойти за одну стотысячную долю секунды. За это время образовавшиеся газы не успевают заметно расшириться и занимают объём, практически равный объёму, который занимало взрывчатое вещество. Этот объём в несколько тысяч раз меньше, чем тот, который занимали бы газы взрыва при атмосферном давлении. Известно, что давление газа тем больше, чем меньше его объём. Поэтому газы в момент взрыва имеют огромное давление; к тому же это давление возникает крайне быстро и благодаря этому действует на окружающие взрывчатое вещество предметы как резкий и мощный удар, которого не может выдержать самая прочная сталь, самая крепкая горная порода. Давление взрыва так велико, что его нельзя непосредственно измерить каким–либо известным сейчас прибором - любой прибор разрушился бы при попытке такого измерения. По теоретическим! расчётам это давление составляет сотни тысяч атмосфер - при взрыве тротила, например, 190 000 атмосфер. По мере удаления от взорвавшегося взрывчатого вещества действие взрыва быстро падает; однако при взрывах больших количеств взрывчатых веществ давление даже на расстоянии нескольких километров достаточно, чтобы выбить стёкла в окнах домов.
Возникает естественный вопрос: почему же взрыв протекает с такой огромной быстротой? Ведь с химической стороны реакции, идущие при взрыве, очень похожи, а иногда и те же самые, что и реакции, происходящие при горении топлива. В основном - это окисление углерода с образованием углекислого газа (СО 2) или окиси углерода (СО) и водорода с образованием воды (Н 2 O).
Более того, и сами взрывчатые вещества в большинстве своём способны не только взрываться, но и гореть. Та же шашка тротила, если её поджечь, будет гореть, и притом довольно медленно, спокойнее и медленнее, чем, скажем, бензин. Наоборот, самое простое горение, например горение угля, можно поставить в такие условия, что оно будет протекать как сильнейший взрыв. Если взять тонко измельчённый уголь, например в виде сажи, и распылить его в воздухе так, чтобы образовалось пылевое облако, то при поджигании такого облака произойдёт взрыв. Более сильный взрыв можно получить, если сажу пропитать жидким воздухом или кислородом).
Почему же горение в обычных условиях протекает медленно и за счёт чего может быть достигнуто его ускорение?
Горение угля является химической реакцией соединения углерода с кислородом воздуха. Скорость химических реакций зависит от температуры и от давления. С повышением температуры скорость реакции быстро возрастает; если температуру повысить на 10 градусов, то скорость реакции увеличится в два - четыре раза. Расчёт показывает, что если от комнатной температуры перейти к температуре в 1000 градусов, то скорость возрастёт во много миллиардов раз. При увеличении давления скорость химических реакций также возрастает - для некоторых реакций пропорционально давлению, а для других даже быстрее - пропорционально давлению в квадрате, то есть если повысить давление от 1 до 1000 атмосфер, скорость реакции увеличится в 1000 2 , или в миллион раз.
При горении угля выделяется много тепла. Один килограмм угля даёт при сгорании около 8000 больших калорий. Этого количества тепла хватило бы для нагрева до кипения 8 вёдер воды. За счёт выделения большого количества тепла при горении достигается очень высокая температура, особенно, если уголь горит в чистом кислороде. При горении на воздухе, содержащем, как известно, только 21 процент кислорода, выделяющееся тепло расходуется не только на нагрев. образующегося углекислого газа, но и на нагрев азота. Температура получается поэтому ниже, но всё же весьма высокая - она может достигать 2700 градусов. Таким образом, реакция горения угля происходит при очень высокой температуре, и скорость её могла бы быть чрезвычайно большой. Несмотря на это, горение протекает медленно. Причина этого заключается в том, что реакция может идти только на поверхности куска угля, где он соприкасается с воздухом, а эта поверхность обычно невелика. Кроме того, образующиеся при горении газы отделяют поверхность угля от воздуха и мешают поступлению к ней новых порций кислорода.
Из сказанного ясно, что для ускорения горения надо, с одной стороны, увеличить поверхность угля и, с другой, облегчить доступ к ней кислорода воздуха. Это и достигается тонким измельчением угля и распылением его в воздухе так, чтобы каждая пылинка была окружена нужным для сгорания количеством кислорода.
Представим себе, что мы имеем уголь в виде кубиков с длиной ребра 10 сантиметров. Поверхность одного, такого кубика будет равна 600 квадратным сантиметрам. Измельчим теперь каждый кубик в частицы той же формы, но с длиной ребра в одну тысячную сантиметра. Тогда поверхность будет составлять уже не 600, а шесть миллионов квадратных сантиметров, то есть увеличится в 10 000 раз. Соответственно уменьшится и время сгорания угля. Однако тонкое смешение участников реакции, которое необходимо, чтобы она могла протекать быстро, само по себе ещё не всегда достаточно для получения взрыва. Это видно хотя бы из того, что даже такие взрывчатые вещества, как тротил, пироксилин и другие, в которых и горючие элементы (углерод и водород) и кислород входят в состав одной и той же молекулы, при поджигании способны к медленному горению.
Почему это так и что нужно для того, чтобы получить взрыв?
Поднесём на короткое время к шашке тротила, вставленной в жестяной стакан), небольшое пламя. При этом поверхностный слой тротила нагреется, скажем, до 200 градусов. В нагретом слое будет идти химическая реакция с выделением тепла. Одновременно тепло будет отдаваться следующему слою тротила и в окружающий воздух. При 200 градусах скорость реакции и количество выделяющегося при ней тепла невелики. В каждую единицу времени тепловые потери будут больше прихода тепла. Поэтому температура в слое будет падать, и реакция прекратится.
Повторим опыт, но будем держать пламя дольше, чтобы тротил нагрелся на поверхности до 400 градусов. Если мы теперь отнимем пламя, то температура в слое тротила не только не понизится, но будет возрастать. При 400 градусах химическая реакция в тротиле идёт так быстро, что тепла выделяется больше, чем его теряется вследствие теплоотдачи, и дальнейший разогрев слоя идёт сам по себе.
Однако, хотя реакция и быстрая, но идёт она только в тонком, нагретом пламенем слое, так как остальной тротил ещё холодный. В результате реакции образуются газы с высокой температурой. Они нагревают следующий слой тротила, вызывая в нём быструю реакцию. Этот процесс повторяется от слоя к слою, пока не сгорит весь тротил.
Нагрев слоя, вступающего в реакцию, происходит путём теплопроводности. Передача тепла теплопроводностью - довольно медленный процесс. В этом легко убедиться, погрузив, например, конец чайной ложки в горячий чай. Ощущение тепла дойдёт до руки только через несколько секунд.
Поскольку передача тепла при горении происходит медленно, то и скорость распространения горения мала. При горении с торца шашка тротила высотой 10 сантиметров сгорает за 15 минут.
Допустим теперь, что вместо того, чтобы поджигать тротиловую шашку, мы произведём по ней очень сильный удар, подобный тому, какой испытала бы шашка при попадании: в неё пули, но ещё более резкий. При таком ударе верхний слой тротила сожмётся и от сжатия сильно разогреется, подобно тому как разогревается поверхность наковальни от удара по ней молота. Вследствие высокой температуры в слое пройдёт химическая реакция. Скорость её будет при этом гораздо выше, чем при горении, так как здесь возникнет не только высокая температура, но и большое давление, созданное ударом, а давление, как мы видели, также сильно ускоряет реакцию. Образовавшимся газам некуда расширяться: с одной стороны ударяющая поверхность, с другой - тротил. Поэтому газы будут иметь очень большое давление, которое сожмёт соседний слой тротила. Сжатие вызовет в этом слое разогрев и быструю химическую реакцию. Таким образом, как и при горении, реакция, начавшись на поверхности шашки, распространится по ней последовательно, пока не прореагирует всё взрывчатое вещество.
Основное, качественное отличие взрыва от горения заключается в том, что при взрыве разогрев, вызывающий реакцию, передаётся не теплопроводностью, а сжатием. Передача энергии сжатием, или, как называют этот процесс, ударной волной, происходит несравненно быстрее, чем теплопроводностью, - со скоростью, достигающей нескольких километров в секунду.
Если взять длинный металлический стержень, на один конец его положить руку, а по другому ударить молотком, то будет казаться, что рука ощущает толчок в момент удара. Это ощущение ошибочно; действие удара распространяется по стержню с определённой скоростью и доходит до руки через некоторый промежуток времени. Однако этот промежуток времени слишком мал, и для нашего осязания момент удара и восприятия его рукой неразличимы, подобно тому как не различимы для глаза отдельные кадры кинокартины.
В тротиловой шашке взрыв распространяется от одного конца до другого за одну стотысячную долю секунды, в миллион раз быстрее, чем при горении. Это время так мало, что если мы будем смотреть на взрывающуюся шашку, нам покажется, что взрыв произошёл мгновенно и одновременно во всех её частях. На самом деле это не так: взрыв распространяется по взрывчатому веществу с определённой, очень большой скоростью, которая может быть измерена точными физическими методами. Скорость распространения взрыва в различных взрывчатых веществах заключается между 1 и 8,5 километра в секунду.
Для тротила она равна 6,7 километра в секунду. Взрыв в тротиле распространяется в 20 раз быстрее, чем звук в воздухе, и в 9 раз быстрее, чем летит винтовочная пуля; при такой скорости путь от Москвы до Ленинграда был бы пройден за полторы минуты.
Чем больше скорость распространения взрыва, тем сильнее и резче удар, производимый газами взрыва, тём больше дробящее действие взрыва.
Это действие можно ещё более усилить, направляя его на определённый, небольшой участок разрушаемого объекта, например брони, которую нужно пробить. Такое сосредоточение действия взрыва основано на явлении так называемой кумуляции (от латинского слова «кумуляцио» - увеличение), известном давно, но широко использованном впервые во второй мировой войне.
Явление кумуляции можно пояснить таким опытом (рис. 1). На стальную плиту поставлены два цилиндрических заряда взрывчатого вещества одинаковых размеров, но один сплошной, а другой с конической выемкой в нижней части. Если эти заряды взорвать, то сплошной заряд даст на плите вмятину на большой площади, но малой глубины, а заряд с выемкой, меньший по весу, пробьёт плиту насквозь, хотя и на малой площади. Такое сосредоточение действия взрыва объясняется тем, что газы взрыва, движущиеся от поверхности конуса, встречаются на оси его и образуют мощную тонкую струю, пробивающую стальную плиту.
Рис. 1. Схема действия кумулятивного заряда.
Пробивное действие получается ещё сильнее, если коническая выемка имеет металлическую облицовку небольшой толщины. Тогда кумулятивная струя включает в себя тяжёлый металл, движущийся с огромной скоростью, и врезается в сталь, как нож в масло.
В дни Великой Отечественной войны снаряды, гранаты и мины с кумулятивным зарядом были с успехом применены для борьбы с вражескими танками, бронетранспортёрами и дотами.
Из книги Взрыв и взрывчатые вещества автора1. Горение и взрыв Каждый из нас, кто по личному участию в войне, кто по кинокартинам, знаком со взрывом - этим мощным и грозным явлением. В дни Великой Отечественной войны от взрывов, организованных бесстрашными советскими партизанами, взлетали на воздух вражеские
Из книги Взрыв и взрывчатые вещества автора Андреев Константин Константинович7. Атомный взрыв Взрывы, которые мы рассматривали в предыдущих разделах, основаны на различных химических реакциях, идущих с выделением тепла, главным образом на реакциях горения.Однако количество тепла, выделяющегося при этих химических реакциях, относительно невелико
Из книги Шелест гранаты автора Прищепенко Александр Борисович2.8. Метод аналогий: электролитическая ванна и «взрыв», сделанный из людей Несмотря на многообещающее начало, нейтронографии не суждено было стать направлением исследований, пользующимся благорасположением руководства НИИАА. Такая позиция была вполне прагматичной:
Из книги 100 великих достижений в мире техники автора Зигуненко Станислав НиколаевичСозидающий… взрыв?! Взрыв… Уже одно это слово вызывает в памяти ассоциации с разлетающимися обломками, разрушением и хаосом. Может ли он быть созидательным? Оказывается, наши технологи давно уже научились использовать его силу на благо, а не во вред. Вот что рассказал
Из книги Сварка автора Банников Евгений Анатольевич Из книги Удар под водой автора Перля Зигмунд НаумовичВзрыв Итак, мина поставлена на заданное углубление и подстерегает корабли противника. Взорвется ли неприятельский корабль, если он просто коснется оболочки мины, если он даже сильно ударит своим корпусом по этой оболочке? Нет, не взорвется. Взрывчатая начинка мины
Из книги Подземная гроза автора Орлов ВладимирВЗРЫВ В УПРЯЖКЕ УКРОЩЕНИЕ СТРОПТИВЫХ Не так просто произвести взрыв, как иной подумает. Взять хотя бы подрыв фронта близ Виштаете. Чего стоило, например, целый поезд взрывчатки сгрузить под землю! Тут, чтобы скинуть груз, пришлось соблюдать большую осторожность.
