Файл: Розловский А.И. Взрывобезопасность паро-газовых систем в технологических процессах учеб. пособие.pdf

фективны по отношению к росту давления в ударных волнах*.

Разрушающее действие ударной волны может быть двух типов, в зависимости от свойств объекта воздей­ ствия. Если разрушение происходит непосредственно вслед за отражением ударной волны, определяющим является максимальное давление. Таково положение при подрыве заряда взрывчатки на поверхности стальной плиты.

В других случаях разрушения происходят много позд­ нее приложения максимального давления вследствие инерционности объекта воздействия. Таков характер действия ударных воли на строения. Кирпичная стена высотой 1,5 и шириной 0,5 м будет опрокинута, если ее

центру тяжести сообщить скорость 0,5 м/с. 'Время пере­ мещения ее центра тяжести до критического положения составляет 0,25 с, что значительно больше времени дей­ ствия ударной волны, способной повалить стену; за вре­ мя контакта с волной стена наклоняется лишь незначи­ тельно. Возможность разрушения таких специфически инерционных систем определяется не максимальным давлением, а суммарным импульсом j Аpdt.

К разрушениям промышленных и жилых сооружений может приводить уже сравнительно небольшой рост дав­ ления в ударной волне в случае воздействия волны на большие площади. Волна с амплитудой 3,5-ІО4 Па раз­ рушает здания, а при нескольких тысячах Па выбивает окна. Человек может перенести действие ударной волны около 5 -ІО4 Па, если не будет брошей ею на землю, что может привести к смертельному удару о поверхность земли.

* Предохранителыше клапаны, рычажные или пружинные, яв­ ляются распространенный и эффективным (если исключено быст­ рое нарастание давления) средством обеспечения безопасности со­ судов, работающих под давлением больше атмосферного. Они со­ здают возможность стравливания содержимого сосуда при опасном возрастании давления, давая в аварийной ситуации выход сжатой среде. В ряде случаев предохранительные клапаны заменяют мем­ бранами, как правило, из металлической фольги, закрывающими вход в сбросные трубопроводы. Мембраны разрываются при соответствую­ щем возрастании давления (обычно на 25% по сравнению с рабо­ чим). Следует учесть, что применение разрывных мембран связано с известным риском нарушения герметичности в случае наличия не­ замеченных дефектов в материале и вследствие коррозии.

Воспламенение в ударной волне. Сжатие в ударной волне приводит к практически мгновенному изме­ нению состояния газа, увеличению его 'плотности и тем­ пературы. Нагревание при сжатии в ударной волне го­ раздо больше, чем при аналогичном сравнительно мед­ ленном адиабатическом сжатии, описываемом адиаба­ той Пуассона. Абсолютная температура газа, сжатого сильной ударной волной, приблизительно пропорциональ­ на давлению в волне. При медленном адиабатическом сжатии конечная температура пропорциональна давле­ нию в степени, равной (у—1)/у, где у= Ср/Сѵ— отноше­ ние теплоемкостей при постоянных давлении и темпера­ туре; для воздуха при комнатной температуре (у—

—1)/у«0,3. Поэтому ударное сжатие представляет со­ бой наиболее мощный распространенный в природе и технике импульс сильного нагревания (кроме электри­ ческого разряда).

При достаточном нагревании горючей среды ударной волной становится возможным воспламенение. Такую возможность необходимо учитывать при оценке взрыво­ опасности установок, в которых производится комприми­ рование, а также при разрывах оболочек или быстром перепуске газа из аппаратуры, содержащей горючую сре­ ду. Так, при разбивании вакуумироваиного сосуда, на­ пример невключенной электрической лампы, в камере, заполненной горючей смесью, становится возможным воспламенение этой смеси. Очевидно, это явление связа­ но с нагреванием в отраженной ударной волне взрывча­ той смеси, втекающей в разбитый сосуд.

Воспламенение газа при кратковременном сильном нагревании иногда изучают в приборе, получившем на­ звание ударной трубы. Она состоит из двух камер — вы­ сокого и низкого давления, разделенных герметичной, но тонкой перегородкой, играющей роль разрывной мем­ браны. Камера низкого давления, объем которой много больше, чем у камеры высокого давления, заполняется исследуемым газом. В камеру высокого давления мед­ ленно впускается инертный газ; при определенном дав­ лении мембрана разрывается, инертный газ втекает в камеру низкого давления. При этом возникает падаю­ щая ударная волна, нагревающая исследуемую среду; повторное нагревание происходит в отраженной от за­ крытого 'конца трубы ударной волне. Температура и вре­

34

мя пребывания газа в нагретом состоянии могут быть точно вычислены. Их соотношение определяет возмож­ ность воспламенения с малым периодом индукции.

Детонационное горение. При нагревании горючей среды одиночным, впоследствии затухающим импульсом

низм которой описывался выше, по всему объему горю­ чей среды.

Однако расширение газа, сопровождающее сгорание, само может приводить к сжатию и нагреванию новых, еще холодных слоев взрывчатой среды и ее воспламене­ нию. Расширяющиеся продукты реакции играют роль сжимающего поршня. Возникает комплекс из ударной волны и следующей за нею зоны быстрой реакции в га­ зе, нагретом ударной волной. Расширение газа вследст­ вие тепловыделения в этой зоне поддерживает устойчи­ вое существование ударной волны. Такой комплекс, име­ нуемый детонационной волной, стационарен, он распро­ страняется без изменения структуры на неограниченном протяжении.

При дефлаграционном горении происходит послойная передача поджигающего импульса путем молекулярной теплопроводности, давление повсюду остается постоян­ ным. При детонации от слоя к слою передается лишь импульс сжатия, теплопроводность в этом процессе не играет роли. Детонационная волна распространяется с огромной скоростью — несколько километров в секун­ ду. Давление в детонационной волне примерно вдвое больше максимального давления адиабатического сгора­ ния в замкнутом сосуде. При отражении от преграды давление в детонационной волне дополнительно возра­ стает в два — восемь раз. Поэтому очевидно, что дето­ нация может приводить к большим разрушениям. Раз­ рушающее действие детонации не зависит от того, воз­ никает ли она в открытом или закрытом сосуде.

Отличительной особенностью детонации является ее строгая стационарность. В достаточно широких длинных трубах она распространяется с неизменной скоростью, которая не зависит от аппаратурных условий и давле­ ния и лишь слабо зависит от начальной температу­ ры. Другая особенность детонационного горения заклю­ чается в том, что при детонации продукты реакции

движутся в ту же сторону, что и зона реакции, тогда как при дефлаграции эти направления противопо­ ложны.

В отличие от дефлаграции, скорость детонационного горения не зависит от кинетики реакции в пламени. Осо­ бенности кинетики существенны только для самой воз­ можности возникновения детонации. Скорость детона­ ции зависит только от калорийности горючей среды в расчете на единицу массы и от отношения теплоемко­ стей у для продуктов реакции. 'Влияние исходного соста­ ва на скорость детонации определяется его влиянием на указанные величины. Хотя ширина зоны, в которой про­ исходит изменение давления, имеет порядок длины сво­ бодного пробега молекул, химическая реакция в детона­ ционной волне требует многих столкновений; это опреде­ ляет сравнительно большую ширину зоны реакции при детонации. Расчет н опыт показывают, что она много больше, чем при дефлаграции, порядок ее величины — 1 см.

Возникновение детонации. Детонационный режим го­ рения возникает во взрывчатой среде при ее сжатии до­ статочно сильной ударной волной. Такая волна может создаваться внешним инициирующим импульсом сжа­ тия, например, от заряда твердого или жидкого взрывча­ того вещества. Известны случаи возникновения детона­ ции по этому механизму на промышленных объектах при воздушных бомбардировках во время войны.

Однако для задач техники взрывобезопасности го­ раздо важнее самопроизвольное возникновение детона­ ции в горящем газе. Достаточно быстрое сжатие горю­ чей среды возможно при расширении газа в процессе сгорания. Нагревание в ударной волне до температуры адиабатического воспламенения с малым периодом ин­ дукции требует очень высоких скоростей движения газа"— до 1 км/с. Рассмотрим, в каких условиях возни­ кает столь быстрое движение газа.

Нормальная скорость пламени не превосходит не­ скольких метров в секунду, а для многих горючих си­ стем, способных детонировать — десятков сантиметров в секунду. Необходимую для возникновения детонации большую скорость газового потока создают расширение при реакции и турбулпзация газа. При адиабатическом сгорании в закрытой трубе горючая среда движется по

36

отношению к плоскому пламени со скоростью ип (р0/р&— —'1), которая в 5—12 раз превосходит величину ип. Однако при сгорании в трубе фронт пламени не остается плоским. Трение достаточно быстрого газового потока о стенки трубы приводит к возрастающей турбулизацни зоны горения. Поверхность фронта пламени увеличивает­ ся, и скорость горения возрастает в соответствии с зако­ ном площадей (1 .2 ).

При турбулизацни зоны горения в трубе ускорение пламени первоначально связано с увеличением различия скоростей течения газа на оси трубы и у стенок. При этом фронт пламени все больше вытягивается. На по­ следующих стадиях ускорения пламени возникают ви­ брации газа и самого пламени, связанные с появлением и отражением звуковых волн. На определенных участ­ ках направление движения пламени может изменять знак на обратный, возникают отбросы пламени в сторону точки зажигания.

Возрастающая турбулизация зоны горения в трубе приводит к тому, что «конус» сильно вытянутого пламе­ ни перестает быть гладким. Он заменяется размытой турбулентной зоной, в которой малые объемы исходной горючей среды и продуктов сгорания хаотически пере­ мешаны между собой. При такой возрастающей турбулизации зоны горения возникает все усиливающаяся ударная волна перед фронтом пламени. Воспламенение в ней при достижении критического режима и переход к детонации происходят скачкообразно. В силу изложен­ ного детонация в реальных технологических объектах обычно возникает при сгорании в длинных трубах.

Преддетонационный разгон пламени в трубе характе­ ризуется расстоянием от точки зажигания до места воз­ никновения детонации. Увеличение нормальной скорости пламени и усиление турбулизацни газа приводит к со­ кращению преддетонацнонного расстояния. Абсолютное значение этого расстояния возрастает с увеличением диаметра трубы, однако если его измерять диаметрами трубы, детонация легче возникает в широких трубах. Для гладких труб преддетонационное расстояние, как правило, равно нескольким десяткам диаметров.

Детонация легче возникает при поджигании у закры­ того конца трубы, но возможна и для открытой трубы, хотя при этом преддетонационное расстояние больше.

37

Г Л А В А 2

ПРЕДЕЛЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГОРЕНИЯ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

1. ПРЕДЕЛЫ УСТОЙЧИВОГО ГОРЕНИЯ

Пределы распространения пламени. Опыт показывает, что смеси горючего и окислителя могут быть подожже­ ны лишь в определенном диапазоне концентраций, за пределами которого невозможно стационарное, т. е. не­ затухающее распространение пламени. Эти граничные концентрации наиболее точно называют пределами рас­ пространения пламени; для их обозначения используют также более краткие термины «пределы взрываемости» и «пределы поджигания»*. Различают верхнюю и ниж­ нюю предельные концентрации горючего в смеси, огра­ ничивающие область взрывоопасных составов.

Пределы взрываемости существенно зависят от со­ держания инертных компонентов и в меньшей степени —

^от давления и температуры. Пределы взрываемости являются важнейшей характеристикой взрывоопасности горючих газов и паров. Для смесей горючего и окислите­

ля принято устанавливать нижнюю ят іп и верхнюю яШах предельные концентрации горючего, оба предела мы бу­ дем также обозначать символом яКр. Значения ят щ и Яшах в первую очередь определяют возможности взры­ вобезопасного варьирования состава в технологических процессах.

Значения концентрационных Пределов в известной мере зависят от формы и пространственного расположе­ ния прибора, в котором они определяются. При поджи-

* Часто пользуются также термином «пределы воспламенения». Такая терминология представляется неудобной, поскольку воспла­ менением обычно именуют самоускоряющуюся реакцию в нагретом сосуде (тепловое или цепное самовоспламенение). Однако в прин­ ципе допустимо и такое наименование, если из этого не делать не­ верных выводов о механизме явления.'

39

гагат у верхнего конца вертикальной трубы распростра­ нение пламени возможно в более узком интервале кон­ центраций, чем при поджигании у нижнего конца. Эта особенность обусловлена возникновением конвективных потоков, поднимающих вверх нагретые продукты сгора­ ния. Появление таких потоков в известной степени об­ легчает распространение пламени вверх у границ потери им устойчивости в медлениогорящих смесях подкритиче­ ского состава. Приводящиеся в справочниках значения пределов взрываемости обычно даются для более широ­ кого диапазона взрывоопасных составов, т. е. для под­ жигания снизу. Пределы взрываемости смесей некото­ рых горючих газов и паров с воздухом и кислородом приведены в Приложении 5.

Тепловые потери от фронта пламени и их роль. Из­ вестно, что по мере понижения содержания недостающе­ го компонента горючей смеси, а с ним и температуры го­ рения, уменьшается нормальная скорость пламени. Из­ ложенные выше представления не накладывают никаких ограничений на возможность уменьшения скорости пла­ мени при обеднении горючей смеси. Значение ип может, казалось бы, уменьшаться до нуля, а Ть— до началь­ ной температуры смеси.

Опыт показывает, что это не так: скорость пламени не может быть меньше определенного критического зна­ чения. Рядом точных измерений установлено, что для бедных горючим воздушных смесей углеродсодержащих веществ при атмосферном давлении критическое значе­ ние ип= икр = 0,03—0,04 м/с. Такое ограничение обуслов­ лено тепловыми потерями от фронта пламени. Для мед­ ленных пламен в смесях иодкритического состава роль этих тепловых потерь оказывается решающей. Они при­

здесь не связан с тепловыми потерями, существуют два фактора, создающие такие потери: теплоотвод в стенки сосуда, в котором происходит горение, и теплоотдача в бесконечное пространство излучением. Относительная роль тепловых потерь в обоих случаях возрастает с уменьшением скорости горения, так как при этом про­ должительность процесса теплоотдачи от данного эле­ мента нагретого газа больше. При определенном крити­

40