8.6. Вырождение детонации.

Концентрационные пределы детонации. Тепловые потери из зоны реакции детонационной волны в стенках приводят к отклонениям от закономерностей детонации, изложенных в § 8.5. При наличии потерь часть теплового эффекта реакции, расходуе­мого при адиабатическом процессе только на нагревание и ударное сжатие взрывчатой среды, отводится в стенки трубы. Величина скорости детонации и соответствующие ей давление и температура во фронте детонационной волны будут определяться уже не полным тепловым эффектом реакции, а частью его, соответствующей тепло­выделению к моменту достижения точки Жуге J на ударной адиабате. Эта адиабата описывает сжатие при таком процессе, когда достигается равенство скоростей выделения и отвода тепла. Таким образом, в точке Жуге освобождается не все тепло реакции, и кроме того соответствующее состояние достигается до ее завершения, т.е. при освобождении еще меньшего количества тепла. В результате этого скорость детонационной волны, а с нею давление и температура в точке Жуге оказываются меньше теоретических.

Снижение скорости детонационной волны и температуры сжатого газа способствует увеличению потерь и дальнейшему замедлению реакции во фронте волны. При достаточной интенсивности потерь охлаждение сжатого газа, уменьшение скорости ударной волны и скорости реакции, взаимоусиливающие друг друга, становятся прогрессирующими. Ста­ционарное распространение детонационной волны оказывается не­возможным, и она разрушается. Так устанавливаются предельные условия распространения детонации. Заметим, что, несмотря на большую скорость детонационной волны, тепловые потери сказы­ваются на состоянии в ней вещества в еще большей степени, чем при дефлаграции, вследствие большой ширины зоны реакции и интенсивности процессов переноса тепла и количества движения.

Как было показано в § 8.5, при адиабатическом процессе скорость детонации и состояние газа во фронте детонационной волны зависят только от термодинамических характеристик взрывчатой среды, но не от кинетических закономерностей реакции в сжатом газе. Однако интенсивность потерь из зоны реакции детонирующей среды, а значит, и состояние реагирующего в неадиабатическом ре­жиме вещества существенным образом связаны с особенностями кинетики реакции. Потери определяют, возможно ли распространение детонации, т.е. от них зависят условия для ее пределов. Очевидно, что пределы распространения детонации для труб различного диаметра должны существенно отличаться, поскольку само существование предела детонации обусловлено потерями, связанными с влиянием стенок трубы. Таким образом, потери из зоны реакции детонационной волны должны быть обусловлены влиянием стенок, либо излучением в бесконечное пространство.

В табл. 8.1 сопоставлены имеющиеся в литературе данные о концентрационных пределах детонации (при нормальных условиях) с аналогичными величинами для дефлаграции (см. § 9.1). Как и следовало ожидать, распространение детонации возможно в гораздо более узком диапазоне составов.

Таблица 8.1. Концентрационные пределы распространения детонации и дефлаграции (в мол. % горючего).

Горючая смесь	Дефлаграция	Детонация	Горючая смесь	Дефлаграция	Детонация
Н2 + О2	4,0-94	20-90	С3Н8 + О2	2,3-55	3,2-37
Н2 + воздух	4,0-75	15-63,5	С4Н10 + О2	1,8-48	2,9-31,3
СО + О2	15,5-94	38-90	NH3 + O2	15-79	25,4-75,4
С2Н2 + воздух	2,5-81	4,2-50	(С2Н5)2О + О2	2,0-82	2,7-40

Очевидно, что поведение дефлаграционного и детонационного пламени в узких трубах характеризуется аналогичными соотноше­ниями. В трубах, в которых еще возможно распространение дефла­грации, распространение устойчивой детонации уже не происходит. При входе в такие трубы детонационная волна разрушается, под­жигающая сильная ударная волна затухает, а по трубе продолжается распространение обычного нормального пламени.

Теперь становятся понятными закономерности гашения детона­ции в узких каналах. Понятно, почему гашение происходит так, как если бы состояние горючей системы не изменялось при возникновении детонации. Здесь фактически происходит гашение уже не детонации, а дефлаграции, детонационная волна еще раньше прекращает свое существование. Естественно, что пределы гашения характеризуются параметрами обычной дефлаграции, а значит, свойствами горючей среды до возникновения детонации.

Особенности детонации в узких каналах. Теория детонации с потерями, учитывающая только действие стенок трубы, приводит к заключению, что относительное снижение скорости детонации D/D возрастает с увеличением времени реакции для точки Жуге (т.е. при замедлении реакции) и с уменьшением диаметра d трубы. Установлено, что в первом приближении справедливо условие

. (8.28)

Расчеты показывают, что детонационная волна теряет устойчи­вость уже при незначительном снижении ее скорости. Для гладких труб предельное значение отношения D/D определяется условием

. (8.29)

Очевидно, что стационарная детонация становится невозможной при определенном критическом диаметре d_D, при этом d_D > d_кр, найденного для дефлаграции. Поскольку гашение детонации безусловно происходит при усло­виях, в которых локализуется дефлаграция, для обеспечения взрывобезопасности наибольшую практическую ценность представ­ляет установление развивающегося при этом давления, а не скорости детонации в каналах, недостаточных для гашения. Результаты исследований сви­детельствуют о сильном снижении давления в детонационной волне после прохождения каналов, диаметр которых значительно превосходит критический для гашения пламени вопреки его постоянству ожидаемому на основании расчетов. Причины снижения давления в столь широких каналах пока полностью объяснить не удалось.

Для ориентировочных оценок можно привести следующие примерные значения критического диаметра гашения (в мм) наиболее опас­ных воздушных и кислородных смесей метана, водорода и ацетилена при 1 am:

Горючее Воздушные смеси Кислородные смеси

СН₄ 4,1 0,35

Н₂ 0,80 0,30

С₂Н₂ 0,85 0,08

Шероховатости стенок трубы могут оказывать двоякое действие. Вызванные ими потери тепла и количества движе­ния вдвое понижают скорость детонации сильно взрывчатых смесей. В то же время горение недетонирующих смесей в такой же трубе происходит со скоростью, равной скорости горения детонирующих смесей.

Этот процесс оказывается возможным вследствие неодномерности горения. От периферии стенок трубы конусообразная зона реакции распространяется к оси трубы. Механизм распространения горения в такой конусообразной зоне не во всем ясен. Значительную роль играет увеличение поверхности пламени, обусловленное различием скоростей течения по сечению тру­бы. С другой стороны, сгорающий газ сильно турбулизован, что также является важным фактором, благоприятствующим ускорению горения.

Для техники взрывобезопасности существенно то, что при быстром сгорании в шероховатых трубах рост давления, а значит, и разруша­ющий эффект примерно такие же, как и при нормальной детонации. Сгорание в шероховатых трубах представляет собой большую по­тенциальную опасность, которая не уменьшается даже при значительном удалении состава горючей смеси от концентрационных пре­делов детонации.