Инициирование горения во взрывчатых системах и его предотвращение

Аварийные ситуации, в которых возникают импульсы, всегда поджигающие распространенные горючие системы, например при появлении открытого огня или короткого замыкания силовой электрической цепи и в других случаях очевидного нарушения мер предосторожности, здесь рассматривать нецелесообразно. К числу распространенных импульсов указанного типа, которые можно в той или иной мере регламентировать и предупреждать их появление, относятся слабые электрические разряды, нагревающееся при эксплуатации технологическое оборудование и фрикционные искры. Рассмотрим, в каких случаях они способны инициировать горение.

Поджигание электрическим разрядом

При пропускании через газ электрического разряда максимальная температура в его канале значительно больше Tb, Тем не менее, не всякий разряд порождает в заведомо взрывчатой среде стационарное пламя. Опыт показывает, что это происходит только в том случае, если энергия разряда Е не меньше некоторого критического значения Emin.

В противном случае стационарное пламя не образуется, возникающий очаг горения неустойчив и затухает. Существование предельной энергии имеет решающее значение для обеспечения взрывобезопасности. Условие преодоления энергетического барьера важно также для измерения пределов взрываемости.

Для объяснения сравним закономерности нагревания электрическим разрядом с энергией Е инертного газа и горючей газовой среды с одинаковыми физическими свойствами. Для упрощения принимаем, что энергия разряда освобождается одним мгновенным импульсом в пределах малого объема, т. е. разряд точечный. На рис. 5.11 представлены кривые пространственного распределения температуры T(r), где r — расстояние от точки подачи импульса, для последовательных моментов времени t0 = 0, t1 > 0, t2 > t1 и т. д. В начальный момент исходная среда в пределах малого объема разогрета до температуры Те >> ?b. При этом возникает тепловая волна. По мере роста радиуса разогретой области в инертном газе (рис. 5.11, а) температура при заданном r понижается, а также понижается максимальная температура в центре зоны разогрева Т(r= 0). При достаточно больших t или г температуры разогреваемого газа и окружающего пространства равны, T(r, t = ¥) = Т0.

Рис. 5.11. Распределение температуры в газе, нагретом мгновенным разрядом:

а — инертный газ; б — взрывчатая среда Разряд в горючей среде (рис. 5.11, б) вызывает тепловыделение при химической реакции. Это тепло добавляется к энергии начального импульса. По мере роста радиуса нагретой сферы все более возрастают суммарное количество выделившегося тепла и доля в нем энергии реакции, а дальнейшее понижение температуры замедляется. Если энергия начального импульса достаточна для соответствующего нагревания некоторого предельного количества горючей среды, структура зоны изменения температуры стабилизируется, устанавливается стационарный режим. Отводимое теплопроводностью в несгоревшую среду и излучаемое тепло компенсируется тепловыделением при реакции; температура остается постоянной, соответствующей стационарным потерям, возникает устойчивый фронт дефлаграции. К этому времени выделившееся при реакции тепло существенно превысит энергию разряда. При дальнейшем распространении пламени начальный импульс оказывается малым, все более затухающим возмущением стационарного горения.

Очевидно, что критическое для поджигания количество разогретой среды и се температура определяются необходимостью создания элемента пламени, способного в дальнейшем к самопроизвольному распространению. Если энергия разряда для этого недостаточна, стационарный режим не устанавливается. Теплоотвод превысит тепловыделение, горючая среда будет прогрессивно охлаждаться, и начавшаяся реакция, локализованная в пределах зоны разряда, прекратится. Тепловые факторы — решающие при инициировании горения. Образование активных центров разветвленной ценной реакции не компенсирует недостаточный разогрев. Скорости процессов разветвления сами сильно зависят от температуры. При охлаждении среды они соответственно замедляются, вероятность обрыва цепи начинает превосходить вероятность разветвления, и активные центры, рекомбинируя, исчезнут.

Очевидно, что нагретая до Tb сфера, расположенная в горючей среде, приобретает свойства незатухающего элемента пламени в том случае, когда ее размеры имеют порядок ширины фронта дефлеграционного горения. Поэтому Emin равна теплоте нагревания от T0 до Th объема газа, радиус которого.

(5.9).

где? = ?/сrи; b — безразмерное число порядка единицы, которое нужно установить экспериментально.

Эта теория — приближенная. Зона начального подогрева отличается от точечной, электроды поджигания влияют на пламя, нс ставшее стационарным. Это искажает результаты некоторых исследований, в которых разряд происходил между пластинами, образующими пламегасящий канал. Такие опыты характеризуют гашение, а не возникновение пламени. Далее, при газовом разряде часть энергии расходуется на нагревание проводов, т. е. КПД разряда не равен единице; искажения меньше при значительных Составляя тепловой баланс для элемента пламени предельного объема, запишем:

(5.10).

где? — КПД разряда; сb — теплоемкость продуктов сгорания; rb — плотность продуктов сгорания.

(5.11).

где R — радиус реактора; С — емкость конденсатора; иn — нормальная скорость пламени.

Из (5.11) следует, что , т. е. Emin сильно возрастает по мере приближения состава к пределу взрываемости. Поэтому в смесях подкритического состава трудно инициировать горение, при определении пределов вероятны ошибки. Изменение других параметров (при r = const) влияет иа Emin гораздо слабее; из них наиболее существенно влияние теплопроводности, если продукты реакции содержат водород.

Для измерения Emin через исследуемую среду разряжают конденсатор заданной емкости С при разности потенциала U; как известно E = hCU2/2. При этом увеличивают напряжение на обкладках конденсатора до пробоя между электродами, затем изменяют емкость конденсатора и повторяют опыт в том же порядке. Варьируя емкость, подбирают два ее значения, ограничивающие режим возможности инициирования горения. Величину измеряют, пропуская серию искр через газ, разлагающийся при нагревании, например аммиак, с последующим анализом продуктов распада. При малых Emin величина? равна всего нескольким процентам.

В табл. 5.5 приведены минимальные значения Emin смесей ряда горючих с воздухом и с кислородом при нормальных условиях.

Для смесей Н2, СН4, СО с воздухом и кислородом и взрывного распада ацетилена при изменениях состава, давления и химических свойств, приводящих к изменению Emin на 5−6 порядков, уравнение (5.11) остается приблизительно справедливым. Множитель b «3, он сохраняет удовлетворительное постоянство, т. е. универсален для любых горючих систем. Таким образом, условия формирования элемента пламени не зависят от специфики горючей системы, если масштабом длины избрать ширину фронта пламени. Возможные изменения ип от 3 до 1,5•103 см/с обусловливают различие Emin в 108 раз. Если учесть еще и зависимость Emin от теплопроводности среды и давления, то диапазон изменения Emin достигает 10−12 порядков.

Таблица 5.5

Минимальные значения Emin смесей ряда горючих с воздухом и с кислородом при нормальных условиях, мДж.