8.2. Воспламенение при быстром сжатии.

Горючая среда может воспламеняться не только при введении в нагретый сосуд. Возможен и другой режим воспламенения, уже не самопроизвольного, а вынужденного – при нагревании горючей среды в сосуде с холодными стенками путем быстрого сжатия. При достаточном нагревании начинается самоускоряющаяся реакция, т.е. происходит тепловой взрыв. Такое воспламенение в результате нагревания адиабатическим сжатием иногда называют адиабатическим воспламенением.

Процесс адиабатического воспламенения имеет большое значение в теории горения, так как обусловливает важнейшее явление детонации. В этом случае газ нагревается вследствие сжатия ударной волной, возникающей при быстром сгорании. Изучение адиабатического воспламенения существенно также для решения некоторых проблем работы двигателей, в частности так называемого «стука» в поршневых двигателях – быстрого сгорания с низким к.п.д. и образованием сильных ударных волн, приводящим к преждевременному износу двигателя.

Существенное отличие процесса адиабатического воспламенения от самовоспламенения в нагретом сосуде заключается в том, что, оставаясь холодными, стенки реактора не участвуют в генерировании активных центров. Это затрудняет воспламенение по сравнению с реакцией в нагретом сосуде и увеличивает критическую температуру перехода к режиму самоускорения.

Вернемся к рассмотрению рис. 22. Кривая тепловыделения q₁ и прямая теплоотвода q₂ имеют кроме точки пересечения (a) при Т = Т₁ еще и вторую точку пересечения (b), для которой Т = Т₂. Состояние системы в этой точке соответствует критическому режиму адиабатического воспламенения. Если Т>Т₂, скорость тепловыделения превышает скорость теплоотвода, и возникает прогрессивный саморазогрев. Однако горючая среда, заключенная в сосуд с температурой стенок Т_о, не может самопроизвольно достичь температуры Т₂. Предоставленная самой себе, она приходит к режиму стационарной реакции при Т = Т₁. В точку Т = Т₂ реагирующая система попадает лишь в результате внешнего воздействия – нагревания сжатием.

Температура газа, нагретого при адиабатическом сжатии от давления Р_о до Р_г, определяется уравнением Пуассона (7.9).

8.3. Возникновение детонации.

Ускорение горения в трубах. Для возникновения детонации необходима сильная ударная волна, в которой происходит достаточное нагревание взрывчатой среды. Такая волна может создаваться внешним инициирующим импульсом, например, при взрыве заряда взрывчатого вещества.

Однако в задачах взрывобезопасности значительно больший интерес представляет самопроизвольное возникновение детонации в горящем газе. Очевидно, что достаточно быстрое сжатие горючей среды может осуществляться вследствие расширения этой среды при сгорании. Нагревание до температуры адиабатического воспламенения в ударной волне (т. е. с малым временем задержки) требует очень высоких скоростей движения газа, порядка 1 км/сек. Каков же механизм ускорения пламени, приводящий к столь быстрому движению газа?

Самопроизвольная детонация, как правило, возникает только при сгорании в длинных трубах. Лишь в таких условиях возможно соответствующее ускорение пламени. Возникновению детонации существенно способствует поджигание газа со стороны закрытого конца трубы.

Как уже известно, величина нормальной скорости пламени даже наиболее взрывчатых газовых смесей не превосходит 15 м/сек. Многие же газовые системы, способные детонировать, имеют значительно меньшие нормальные скорости и_н (порядка 1 м/сек и даже меньше). Хотя нормальные скорости пламени сравнительно невелики, дефлаграция может вызвать движение газа, достаточно быстрое для необходимого нагревания газа в ударной волне.

При неподвижных продуктах сгорания расширение газа приводит к возникновению потока исходной горючей среды. Эта среда движется по отношению к плоскому пламени со скоростью и_п (р_о/р_пр – 1), которая может в 5 – 15 раз превосходить величину и_н. Такое расширение происходит при адиабатическом (т.е. достаточно быстром) сгорании газа, подожженного у закрытого конца трубы.

Однако при сгорании в закрытой трубе фронт пламени не остается плоским. Быстрое движение газа и сопровождающее его трение о стенки трубы приводят к возрастающей турбулизации сгорающего газа. Фронт пламени все более вытягивается, его поверхность увеличивается, и скорость пламени в целом возрастает в соответствии с законом площадей (7.12).

Ускорение пламени при его турбулизации имеет сложную природу. В результате влияния трения вырабатывается профиль скоростей течения по сечению трубы (см. рис. 30), причем скорость больше по оси и меньше у стенок. Такое вытягивание пламени возможно в пределах сохранения ламинарного режима. На последующих стадиях ускорения часто возникают вибрации газа и пламени, связанные с появлением и отражением звуковых волн. На определенных участках наблюдается даже перемена знака направления движения пламени – его отбрасывание в сторону точки зажигания.

Все возрастающая турбулизация зоны горения приводит к тому, что «конус» сильно вытянутого пламени перестает быть гладким. Он заменяется размытой турбулентной зоной, в которой отдельные элементы исходной горючей среды и продуктов сгорания хаотически перемешаны между собой.

Возникновение детонации нельзя рассматривать как непрерывный переход от дефлаграции, все более ускоряющейся вследствие возрастающей турбулентности. Детонация возникает скачкообразно. На фоторегистрациях ясно фиксируется момент воспламенения на определенном расстоянии впереди фронта достаточно ускорившегося пламени. В этой точке давление достигает большего значения, чем в стационарной детонационной волне.

Схема распространения ударных волн при ускоряющемся горении и возникновения детонации показана на рис. 33.

Рис. 33. Схема возникновения детонации: ОЕ – участок ускоряющегося пламени; ОА; D₁A; D₂A; D₃A – последовательно отходящие ударные волны; АВ – детонация.

Когда фронт горения находится в точке С, возникает детонация в точке А. Вправо линия АВ – распространение детонационной волны, АЕ – ретонационная волна (по продуктам горения).

Преддетонационный разгон пламени в трубе характеризуется расстоянием от точки зажигания (т.О) до места возникновения детонации (т.А). Преддетонационное расстояние возрастает с повышением температуры исходной горючей среды и сокращается с понижением начального давления. Разбавление смеси инертным газом или избыточным компонентом, замедляющее дефлаграционное горение, затрудняет переход к детонации. Абсолютное значение преддетонационного расстояния возрастает с увеличением диаметра трубы; однако если это расстояние измерять диаметрами трубы, детонация возникает легче в широких трубах. Как правило, преддетонационное расстояние для гладкой трубы равно примерно нескольким десяткам диаметров.

Вследствие трения газа о стенки, турбулизация газа при горении, приводящая в конце концов к ускорению горения, достаточному для возникновения детонации, возможна и при поджигании у открытого конца трубы. Однако расширение продуктов сгорания в закрытой трубе способствует более раннему развитию детонации.

Все изложенное характеризует закономерности возникновения детонации в гладких трубах. Преддетонационное расстояние сокращается в 10–20 раз (до 2 – 4 диаметров трубы) при переходе от гладких труб к шероховатым.

Вследствие возможности ускорения горения в трубах и возникновения детонации газопроводы и длинные аппараты с неровной, шероховатой, внутренней поверхностью – очень опасные объекты. Эта опасность особенно возрастает, если такая труба – потенциальный очаг детонации – соединена с большой емкостью, заполненной тем же взрывчатым газом.