Введение. Основные определения. Свойства твердых топлив и продуктов сгорания. Соприкосновение между топливом и воздухом. Механизмы окисления. Процессы горения. Горение капель и аэрозолей. Горение отдельных капель. Горение аэрозолей. Определение равновесного состава и термодинамических свойств продуктов сгорания

Лекция 1. Введение. Основные определения. Свойства твердых топлив и продуктов сгорания. Соприкосновение между топливом и воздухом. Механизмы окисления. Процессы горения. Горение капель и аэрозолей. Горение отдельных капель. Горение аэрозолей. Определение равновесного состава и термодинамических свойств продуктов сгорания Горение используется человечеством на протяжении более миллиона лет и является одной из древнейших технологий. В настоящее время около 90% всей энергии, потребляемой нашей цивилизацией (выработка электроэнергии, получение тепла, транспорт и т. д.), обеспечивается именно процессами горения. Это обстоятельство и определяет актуальность исследования процессов горения. Основные определения Для количественного описания процессов горения необходимо знать основные определения и понятия. Химическую реакцию можно рассматривать как процесс обмена и перераспределения атомов между сталкивающимися молекулами. В ходе химической реакции, например: HCN + OH  CN + H2O, атомы (важнейшие для горения: C, H, O, N) сохраняются (т. е. создаются и не разрушаются). С другой стороны, молекулы (HCN, OH, CN, H2O) не сохраняются. Молекулы исходного вещества в ходе химической реакции превращаются в продукты реакции с одновременным выделением тепла. Количество атомов и молекул удобно выражать в терминах количества вещества либо количества молей вещества. Один моль вещества соответствует 6,0231023 частиц (атомов и молекул). Число NA=6,0231023 моль-1 носит название числа Авогадро. Мольная доля xi компонента i к полному числу молей n=ni смеси (xi=ni/n). Масса m является фундаментальным свойством вещества (кг). Массовая доля wi –это отношение массы mi компонента i к полной массе смеси m=mi (wi=mi/m). Молекулярная масса (или молекулярный вес) Mi (г/моль) компонента i –это масса одного моль данного компонента. Средняя молярная масса смеси М может быть выражена через мольные доли компонентов (М=хМi). Часто массовые доли выражаются в процентах (массовых и мольных). Можно показать, что выполняются следующие соотношения между приведенными выше величинами (S обозначает число различных компонентов): wi  M i  ni S M j 1 j nj  M i  xi S M j 1 j xj , (1) xi  wi M  Mi wi M i w j (2) . S Mj j 1 Плотности не зависят от размеров системы. Такие переменные называются интенсивными и определяются как отношение соответствующих экстенсивных переменных (которые зависят от размера системы) к объёму системы V. Примером интенсивных переменных являются: массовая плотность (плотность) =m/V (кг/м3), молярная плотность (концентрация) c=n/V (моль/м3). Средняя молекулярная масса выражается соотношением  m  M c n (3) Для газов и газовых смесей , участвующих в процессах горения, уравнение состояния связывает температуру, давление и плотность газа. Для многих условий вполне оправдано использование уравнения состояния идеального газа: рV=nRT, 3 где р –давление (Па), V – объём (м ), п – число молей (моль), Т – абсолютная температура (К), R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль К). из этого уравнения следует, что c  p pM ,  RT RT p S w RT  i i 1 M i . Свойства твердых топлив и продуктов сгорания При оценке твердых веществ, использование которых в качестве топлив наиболее вероятно, важными характеристиками являются количество энергии, выделяемой в результате химической реакции, температура пламени, а также природа продуктов сгорания, так как тяга двигателя зависит от количества движения потока выбрасываемых газов. Тепло, выделяемое при сгорании топлива, является мерой наибольшей энергии, которая может быть сообщена рабочему телу. Получение высоких температур и, таким образом, больших количеств движения зависит от количества тепла, выделяемого в экзотермической реакции, а также от термической устойчивости продуктов сгорания. Леонард и Гроссе составили список веществ, обладающих высокими теплотами горения. В таблице 1 производится сравнение этих веществ с обычным углеродным и типичным жидким топливом. Приводятся также плотности топлив, так как при использовании их в двигателях оказывается важным не только количество тепла на единицу веса топлива, но и объем, занимаемый топливом. Как видно, некоторые твердые топлива обладают высокой весовой и объемной теплотворностью. Для создания пламени с высокой температурой необходимо иметь большое тепловыделение в реакции с устойчивыми продуктами сгорания. Для веществ, образующих при обычной температуре только газообразные продукты, основной процесс поглощения энергии состоит в термической диссоциации. Существование несконденсировавшихся продуктов реакции также вызывает значительное уменьшение величин тепловыделения при горении, приведенных в таблице 1. Таблица 1 Топливо Уголь Керосин Литий Бериллий Бор Магний Алюминий Кремний Кальций Цирконий Лантан Гафний Торий Продукт сгорания CO CO2 H2O,CO2 Li2O BeO B2O3 MgO Al2O3 SiO2 CaO ZrO2 La2O3 HfO2 ThO2 Плотность топлива, г/см3 1.3-1.7 0.74 0.53 1.84 2.34 1.74 2.70 2.35 1.55 6.44 6.16 13.3 11.3 Теплотворность Ккал/г Ккал/см3 1.8-2.3 2.3-3.9 6.4-8.1 8.3-13.8 11.5 8.5 10.3 5.5 16.2 29.8 13.8 32.3 5.88 10.2 7.35 19.7 7.22 16.9 3.79 5.9 2.83 18.2 1.65 10.2 1.52 20.2 1.26 14.2 В таблице 2 приведены температуры фазовых переходов для продуктов горения некоторых топлив, помещенных в таблице 1. Величина теплоты испарения В2О3, равная 77 ккал/молъ, и величина теплоты возгонки ВеО, равная 145,4 ккал/молъ, указывают на то, что эти процессы требуют значительно больших энергий, чем процесс плавления. Вольфгард и Паркер приводят температуру кипения для окиси алюминия 2980°С, а для окиси магния 2800°С. Ввиду трудностей измерения высоких температур пламени и отсутствия термодинамических данных, необходимых для вычисления этих температур, рассматриваемые топлива мало исследованы. Были проведены некоторые измерения температур пламени алюминия и магния. Скартаццини получил температуры: 3200°С для алюминия и 2500°G для магния. Вольфгард и Паркер определяли «истинные» температуры методом обращения спектральных линий и путем построения кривых абсолютной интенсивности излучения, которые сравнивались с теоретическими кривыми излучения черного тела. По их данным «истинная» температура пламени для алюминия составляет 3000°С, а для магния 2800°С. Соединение Li2O BeO B2O3 MgO Al2O3 SiO2 CaO ZrO2 La2O3 HfO2 ThO2 Молекулярный Температура вес плавления, оС 29,88 25,02 69,64 40,32 101,94 60,06 56,08 123,22 325,84 210,60 264,12 1700 2550 450 2800 2040 1700 2600 2677 2305 2777 3050 Температура кипения, оС 3900 1250 2250 2230 2850 4300 4200 Таблица 2 Теплота плавления, ккал/моль 5,27 18,5 26 2 12 20,8 4400 Соприкосновение между топливом и воздухом. Первая стадия процесса горения состоит в том, что топливо приводится в соприкосновение с воздухом так, чтобы могла осуществиться реакция. В случае дисперсных топлив этот процесс включает в себя распиливание и перемешивание. Для летучих топлив испарение может происходить так, что часть процесса перемешивания идет в газообразной фазе. Очевидно, что те твердые топлива, у которых температуры кипения ниже температуры пламени, могут быть расплавлены и рассматриваться как жидкие топлива. Один из методов распыливания твердых топлив указанным образом был применен для алюминия. Алюминиевая проволока проходила через углеводородное пламя, и жидкий металл распиливался струей воздуха.. Твердые топлива могут применяться вместе с жидким топливомносителем. Горение угольных эмульсий было рассмотрено в работе, а также Бауманом и Леонардом, которые предложили применять в таком виде некоторые твердые ракетные топлива. Если судить по поверхностному натяжению, вязкости и плотности топлив, то распыливание таких эмульсий должно происходить так же, как и распыливание обычных жидких топлив. Процессы дробления топлива могут быть полностью устранены, если твердое вещество вводится в камеру сгорания в виде пыли. Так использовался уголь в камере сгорания высокой теплопроизводительности для газовой турбины. Если струя воздуха направлена снизу вверх через облако частиц различных размеров и конечная скорость этих частиц (измеренная при свободном падении в покоящемся воздухе) меньше, чем скорость воздуха, то они переносятся газовым потоком. Конечная скорость w для ламинарного потока расчитывается по формуле (1): w  K лам  d p2  (  p  g ),  g  vg (1) где dр – диаметр частицы, р – её плотность, g –плотность воздуха, vg – кинематическая вязкость воздуха, Клам – постоянная, зависящая от формы частицы. Для турбулентного потока: w  KT  d 0.5 p   p  g    g  0.5   .   (2) Для сфер Клам = 54,5, а КТ = 25,4, если диаметр частицы d выражен в сантиметрах, а скорость w — в см/сек. При действительном переносе по трубе частицы будут сталкиваться друг с другом и со стенками трубы, поэтому требуемая скорость потока должна превышать конечную скорость оседания частиц. Далла Балле получил следующее уравнение переноса частицы:  p  n d . u  K    p  1 p   (3) В случае воздуха постоянные горизонтального переноса равны К=2,10*103 и n=0,4, а постоянные вертикального переноса равны К=3,86*103 и n=0,6 (скорость воздуха u выражена в см/сек, а диаметр d – в сантиметрах). Если в результате распыления частицы уже распределены в воздушном потоке, то затем они подвергаются турбулентному перемешиванию. Движение твердых частиц в турбулентном потоке подчиняется закону для жидких частиц. Уравнения являются более точными для твердых частиц, чем для жидких, так как при определении траектории предполагалось, что частицы являются твердыми и не испаряются. Проблемы распыления и перемешивания исключаются, если применяются шашки твердого топлива. Испарение твердого топлива обычно рассматривается как часть процесса горения. В большинстве случаев испарение играет пренебрежимо малую роль в стадиях распиливания и перемешивания, так как для этих топлив температура недостаточно высока, чтобы вызвать заметное повышение давления паров. Механизмы окисления Испарением твердых топлив до процесса горения во многих случаях можно пренебречь. Вследствие этого первые стадии реакции, особенно те, которые приводят к воспламенению, будут зависеть от механизма и скорости поверхностных реакций. Эти реакции поднимают температуру поверхности до такой величины, при которой сможет происходить горение и испарение топлива. При этом существует большое различие между твердыми и жидкими топливами, так как, очевидно, все процессы окисления углеводородных тоилив происходят в паровой фазе. Имеется большое количество работ, посвященных исследованию механизма горения угля и низкотемпературного окисления металлов, которые будут здесь рассматриваться как твердые топлива. Очень мало результатов получено о механизме высокотемпературного окисления любых твердых топлив, за исключением угля. Проведены некоторые исследования реакций металлов с азотом, в результате которых возникают нитриды, возможно, играющие большую роль при горении металлических топлив в воздухе. Изучение горения углерода при атмосферном давлении, ближе связанное с условиями, имеющими место в реактивных двигателях, показало, что образуются и окись, и двуокись углерода. Их отношение зависит от состава топлива и условий, в которых происходит горение. Имеется несколько возможных реакций: 1) образование СО и СО2 в результате поверхностной реакции между С и О2; 2) образование СО2 из С и О2 на поверхности и частичное преобразование СО2 в СО; 3) образование СО на поверхности из С и Оа или из С и СО2, а затем окисление СО в СО2 путем реакции, происходящей в газовой фазе. При теоретическом изучении горения частиц топлива Сполдинг учитывает влияние диффузии на горение частиц и приводит экспериментальные данные, подтверждающие наличие такого процесса, когда на поверхности происходит реакция между С и СО2 при высокой температуре с последующим окислением СО в газовой фазе. Артур, Бангхэм и Бауринг и Мертенс с определенностью показали, что третий процесс, в котором происходит окисление углерода до окиси углерода, является преобладающим. Наблюдается согласование результатов исследований при высоком и низком давлениях, полученных Стриклендом-Констэблем, в том, что окись углерода является первичным продуктом при поверхностном окислении углерода. В каком виде кислород подходит к поверхности — каксвободный кислород или двуокись углерода,— еще не известно; по-видимому, могут происходить оба процесса, в зависимости от условий горения. Хотя достигнуты значительные успехи, точная природа деталей механизма горения углерода еще не известна, особенно в отношении количественной стороны процесса окисления. Широко изучалось медленное (без горения) окисление металлов, но большинство исследований проводилось при низких температурах с целью изучения коррозии. Лейдлер описал механизм некоторых одностадийных поверхностных процессов. Гульбрансен изложил некоторые теоретические и экспериментальные работы о росте оксидных пленок, применив к этой проблеме теорию переходного состояния диффузии. Относительные физические и кристаллографические свойства металла и его окисла определяют скорость окисления. Так как эти свойства зависят от температуры, то последняя может влиять на закон, управляющий ростом пленки. Процессы горения Когда частица уже воспламенилась, скорость горения определяет скорость выделения энергии. Многие теоретические и экспериментальные работы были посвящены вопросу горения единичных частиц твердого топлива. Горение пылевых облаков или слоев топлива представляет собой более сложную проблему. Работы по горению единичных частиц дают основу для определения скоростей горения в более сложных системах. Нуссельт, рассматривая процесс диффузии кислорода к поверхности сферической частицы и предполагая, что на поверхности происходит непосредственное преобразование углерода в двуокись углерода, а располагаемый запас воздуха ничем не ограничен, вывел следующее выражение для времени горения частицы: to  (   ro2 ) p  Vmin D0  Tm , (4) где r0 — начальный радиус частицы, Vmin — объем воздуха, необходимый для сжигания единицы веса частицы, а Tm — средняя температура реакции, определяемая уравнением: Tm  (TS ) p  T0  ln (TS ) p / T0 , (5) где (ТS)р — температура поверхности частицы, а То — начальная температура воздуха. Согласно уравнению (5) время горения пропорционально квадрату радиуса частицы. Если предположить, что запас воздуха ограничен, то концентрация кислорода уменьшается по мере выгорания частицы. Нуссельт учел это изменение концентрации кислорода в течение процесса горения и получил выражение (5), умноженное на функцию концентрации кислорода. Для системы, содержащей на 20% больше воздуха, чем стехиометрическое количество, время горения по Нуссельту в 2,67 раза больше, чем при неограниченном запасе воздуха. Другие исследования скорости горения угольных частиц в неподвижном газе, в котором диффузия рассматривается как процесс, определяющий скорость. Харлей также подсчитал время горения угольных частиц при сильно упрощающих предположениях, полагая, что диффузия является определяющим процессом. Его вычисления во всех случаях давали результаты, превышающие измеренные времена горения угольных частиц. Харлей указывает, что в отличие от углерода или графита при горении угля, содержащего летучие вещества, испарение этих веществ может расщепить угольную частицу на более мелкие частицы, имеющие большую скорость горения, или создать сферу с дырчатой структурой, известную под названием «ценосферы». Рассматривая такие сферы, Харлей подсчитал, что время их горения составляет 1/50 времени горения первоначальной угольной частицы, и, таким образом, привел свои результаты в согласие с экспериментом. Орнинг подтвердил существование ценосфер при горении угля. Хотя уравнения для скоростей горения отдельных частиц твердого топлива дают результаты, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными, эти уравнения нельзя строго применить для описания более сложного процесса, который происходит в камере сгорания реактивного двигателя. Увеличение времени пребывания частиц играет большую роль для увеличения доли сгорающего топлива в камерах сгорания вихревого типа, в которых воздух циркулирует так, что большие частицы остаются в камере длительное время и лишь очень малые частицы определённого размера быстро покидают её, благодаря чему уменьшается потеря эффективности, вызванная несгоревшим топливом. Мелкость угля и время пребывания являются важными характеристиками, от которых зависит полнота сгорания топлива. Горение капель и аэрозолей Горение жидких топлив совершается путём впрыскивания жидкого топлива через отверстие (сопло) в газовую фазу, в которой и происходит горение. Турбулентность внутри потока жидкости (специально создаваемая за счёт большого градиента скорости внутри инжектора) вызывает распад выходящего из инжектора потока жидкости на «клубок» жидких нитей, который впоследствии превращается в плотное облако капель, за счёт баллистического движения проникающих сквозь газ в зону горения. Перенос тепла к каплям вызывает увеличение давления пара и, таким образом, испарение топлива в газовую фазу, пока не начнется горение в газовой фазе. Каплю или ансамбль капель окружает (хотя бы частично) пламя предварительно не перемешанной смеси. Важно отметить, что в конечном итоге горит не жидкость сама по себе, а пары этой жидкости. Совокупность всех этих одновременно протекающих процессов называется струйным горением. Обычно исследователи, изучающие модели струйного горения, сосредотачивают свое внимание на двух проблемах. 1. Горение отдельной капли. Если имеется возможность исследовать отдельно фундаментальные физико-химические процессы, которые происходят при струйном горении, то целесообразно сосредоточить внимание на горении отдельной капли. В этом случае можно применить очень детальные модели для описания химических реакций, испарения и молекулярного переноса (массы и энергии) в газовой фазе, в капле и на межфазной границе. 2. Струйное горение. При моделировании практически важных систем (таких как камера сгорания реактивного двигателя, дизельный двигатель или бензиновый двигатель внутреннего сгорания с прямым впрыском топлива) в модель должны быть включены субмодели для всех физических процессов. Как уже отмечалось, все эти субмодели разрабатываются до определенного уровня детализации так, чтобы глобальная модель не требовала слишком больших вычислительных ресурсов. Например, разрушение струи, дробление капель, испарение капель, турбулентное перемешивание, газофазная химическая кинетика и ряд других процессов очень часто описываются при помощи упрощенных моделей, часто называемых глобальными или редуцированными моделями. Взаимосвязь горения отдельной капли и струйного горения аналогична взаимосвязи моделей ламинарного пламени, которые внедряются в модели турбулентного горения. Горение отдельных капель При исследовании процесса горения отдельной капли неявно предполагается, что горение плотного облака, состоящего из множества капель, которые образуются из струи жидкого топлива, можно рассматривать как горение ансамбля отдельных капель. Это неявное предположение аналогично предположению о том, что турбулентные пламена можно моделировать, если рассматривать их как ансамбль ламинарных пламен. Оба предположения привели к лучшему пониманию процессов горения. Таким образом, детальное понимание процессов горения отдельной капли является необходимым для лучшего понимания горения ансамблей капель, т.е. струйного горения. Модель можно в значительной степени упростить, если принять сферическую симметрию капель, поскольку после этого математическая модель становится одномерной. Первым шагом на пути построения модели горения капли является моделирование ее испарения. Такие модели легко обобщаются на случай горения капель путем введения дополнительного условия о возникновении сферического пламени предварительно не перемешанной смеси, окружающего каплю. Эти «прозрачные» аналитические модели удается построить ценой следующих вынужденных предположений: квазистационарность (т.е. процессами начального прогрева и перехода к воспламенению пренебрегается); быстрые химические реакции; идентичность процессов переноса тепла и массы (число Льюиса равно единице); постоянство таких параметров, как коэффициент теплопроводности А, удельная теплоемкость ср и произведение pD, и их независимость от температуры Т. Анализ дает для массы mf, испаряющейся в единицу времени: mf  2    г  d  ln 1  B c р, г при B hкомб / v  c р, г  (Т   Т S ) hf ,г , (7) где d — диаметр капли, г — коэффициент теплопроводности в газовой фазе, cP,г — удельная теплоемкость газовой фазы, hкомб/v— удельная энтальпия процесса горения, деленная на стехиометрическое отношение массы окислителя и топлива, Т — Ts — разность температур в газовой фазе вдали от капли и на поверхности капли, hf,г— энтальпия образования газовой фазы. Параметр В называют числом Сполдинга. Поскольку скорость испарения дается выражением: m f    жид   2 d d   d d 2  d     жид   d  , 2 dt 4 dt (8) получаем 8  г dd 2   ln 1  B . dt  L  c р,г (9) Интегрирование приводит к хорошо известному d2 - закону для времени жизни капли: d 2 t   d 02  K  t при K 8  г  ln 1  В .  L  c p ,г (10) Можно видеть, что массовая скорость горения лишь слабо (логарифмически) зависит от свойств топлива (энтальпии процесса горения hкомб, энтальпии испарения hf,г) и прямо связана со свойствами окружающего каплю газа и начальным диаметром капли. Удвоение начального диаметра увеличивает время сгорания капли в четыре раза и, следовательно, камера сгорания должна быть длиннее. В пределе hкомб = 0 и происходит только испарение капли. Эта информация получена из аналитических моделей. Однако в случае численных моделей все перечисленные выше предположения могут быть в значительной степени ослаблены. Если включить детали для всех субмоделей, то вычисления по такой схеме называют компьютерным моделированием. Моделирование включает решение уравнений сохранения в газовой фазе, в капле и на межфазной границе. Эта система может быть реализована экспериментально, когда отдельные капли инжектируются в камеру сгорания, наполненную горячими продуктами сгорания. Для того чтобы избежать в эксперименте гравитационных эффектов, которые возмущают сферическую симметрию, газообразные продукты сгорания отводятся вниз со скоростью капли; еще лучше, если камера сгорания располагается в башне на специальной падающей опоре, когда гравитация равна нулю на короткое время проведения эксперимента. (Отметим, что в численной модели эффект гравитации легко вводится; для аналитических моделей учет этого эффекта — гораздо более трудная проблема.) Различают три фазы горения капли, которые характеризуются различными физическими явлениями. I. Фаза прогрева. Тепло из газовой фазы вызывает нагрев поверхности капли. Энергия передается в каплю до тех пор, пока вся капля не достигнет температуры кипения; после этого она начинает терять значительную часть своей массы. И. Фаза испарения топлива. Топливо испаряется в газовую фазу и образуется горючая смесь; размер капли уменьшается со временем пропорционально квадрату диаметра капли (d2-закон). III. Фаза горения. Смесь воспламеняется и горит как ламинарное сферически симметричное пламя предварительно не перемешанной смеси; диаметр капли теперь; опять уменьшается со временем по d2-закону, но с другим параметром К (см. уравнение (10)). Расчеты показывают, что предположение об установлении квазистационарного состояния, необходимое для аналитического решения, является слишком большим упрощением; оно ведет к недооценке времени жизни капли приблизительно на 50%; если бы в качестве критерия для конструирования камеры сгорания использовалась аналитическая модель, то камера сгорания была бы слишком короткой. Со временем температура капли достигает стационарного состояния, когда теплопроводность к ней уравновешивается процессом испарения жидкости с поверхности капли. Этот временный баланс приводит к временно постоянной скорости испарения. На основании упрощенной трактовки процесса испарения, было показано, что квадрат диаметра капли линейно уменьшается со временем: d(d2)/dt=const, где величина константы зависит от различных свойств капли и окружающей каплю газовой фазы. Из-за большого разнообразия физико-химических процессов, вовлеченных в процесс горения, некоторые аспекты горения капель зависят почти от всех субмоделей сразу. Например, для практических приложений важно знать величины задержек воспламенения. Самовоспламенение происходит, когда температура достаточно высока и когда в том же месте испарение локально поддерживает состав горючей смеси в течение времени, достаточного для довольно длинной последовательности химических реакций, чтобы преодолеть период индукции и привести смесь к воспламенению. Для предсказания таких эффектов необходимо численное моделирование, поскольку аналитические модели просто не содержат в себе деталей, необходимых для таких предсказаний. Обычно задержки воспламенения увеличиваются с ростом радиуса капель. Это вызвано тем обстоятельством, что для испарения капель тепло отбирается из газовой фазы. Отклонения от такого поведения наблюдаются для очень мелких капель с малым диаметром, поскольку они полностью испаряются еще до момента воспламенения горючей смеси. На практике капли обычно движутся с определенной скоростью относительно окружающего газа. Это может быть вызвано, например, впрыском аэрозоля топлива или турбулентностью потока. Поэтому важно понять, как влияет поле скоростей потока на воспламенение и горение капель. Большинство жидких топлив получают перегонкой нефти, и они состоят из сотен компонентов с различными температурами кипения. Когда капля нагревается, вначале испаряются наиболее летучие жидкие фракции, за ними — фракции со средней летучестью (и поэтому с более высокой температурой кипения). Наконец, испаряются фракции с низкой летучестью (как, например, вязкие масла). К счастью, самовоспламенение происходит на ранних стадиях указанной последовательности событий, так что испарение труднолетучих фракций стимулируется пламенем, которое к этому времени уже охватывает оставшуюся часть капли. Горение аэрозолей Первым шагом на пути моделирования горения струй аэрозолей является предположение, что горящая струя аэрозоля представляет собой просто ансамбль отдельных невзаимодействующих горящих капель. Капли образуются из струи в виде плотного облака с широким диапазоном размеров. Однако неизвестно, как эти капли различных размеров взаимодействуют друг с другом и с окружающим турбулентным потоком газов. Для ответа на эти вопросы необходимо разделить весь процесс горения на стадии образования ансамбля аэрозольных частиц, движения капель, испарения капель и собственно горения. Аэрозоль образуется при разрушении струи топлива (поступающей из впускного отверстия) за счет поперечных сил сдвига во время впрыска в камеру сгорания. Этот процесс аналогичен образованию турбулентных структур в слоях с поперечным градиентом скорости. Жидкие фрагменты, которые еще не имеют сферической формы, попадают в поток окислителя и продуктов сгорания (обычно турбулентный и с рециркуляцией). Распределение диаметров капель в ансамбле аэрозоля не однородно. Оказалось весьма полезно характеризовать распределение диаметров различными нестационарными функциями распределения по размерам, моменты которых изменяются со временем. Вид функции распределения и ее последующая эволюция определяются главным образом природой инжектируемого топлива и свойствами потока в камере сгорания (например, граничными условиями). Испарение капель и диффузия топлива в газовую фазу приводят к образованию горючей смеси, которая воспламеняется при достаточно высокой температуре. Если рассматривать разбавленный аэрозоль (когда расстояние между каплями велико), то процессы в течение воспламенения и горения можно понять, исследуя поведение отдельных капель. В плотных аэрозолях, однако, капли расположены слишком близко друг к другу для того, чтобы можно было пренебречь их взаимодействием. Горение такой системы происходит в криогенных ракетных двигателях. Последние весьма эффективны, что очень важно для запуска космических спутников связи. Надежное моделирование в этом случае помогает сократить количество очень дорогостоящих экспериментов в криогенных условиях, которые характерны для ракетных двигателей (Т100 К и р = 400 бар). Капли жидкого кислорода с начальным диаметром 50 мкм и начальной температурой 85 К попадают в ламинарный однородный поток горячего водорода с температурой 1500 К, давлением 10 бар и скоростью потока газа 25 м/с. Если расстояние между двумя каплями достаточно мало, то обе они окружены одной общей зоной пламени предварительно не перемешанной смеси. В противном случае две капли образуют две отдельные зоны пламени. Эти численные эксперименты количественно показали увеличение времени полного выгорания капли и, таким образом, могут помочь в процессе конструирования ракетных двигателей. Учитывая, что горение струи аэрозоля является процессом сложного взаимодействия многих самых разных процессов, таких как прогрев капель, испарение, воспламенение, горение, взаимодействие различных капель, взаимодействие горения капель с турбулентным потоком и т.д., становится очевидным, что моделирование горения струй аэрозолей представляет собой сложную, но перспективную проблему. Как и в случае турбулентного горения одной единственной фазы, вычисление из первых принципов (т.е. с использованием прямого численного моделирования) невозможно, но, как и в случае газофазных процессов горения, информация, полученная путем прямого численного моделирования о горении отдельных капель и ансамбля капель, может быть уточнена и затем включена в модели горения струй аэрозолей. Такой подход эквивалентен концепции суперпозиции ламинарных пламен с той лишь разницей, что очаги ламинарных пламен происходят от пламен, сформированных вокруг капель. Вспоминая основные принципы концепции микроламинарных пламен, отметим, что очаги ламинарного пламени предварительно не перемешанной смеси характеризовались такими параметрами, как соотношение компонентов смеси (переменная смешения) и скорость деформации. Скорость деформации является мерой скорости противотока. По аналогии очаги ламинарных пламен для капли можно охарактеризовать соотношение компонентов смеси и скоростью капли относительно окружающего газа. Однако для пламен аэрозолей концепция суперпозиции очагов ламинарного пламени осложнена тем фактом, что необходимо учитывать дополнительные параметры, а именно изменяющиеся размеры капли, изменяющиеся значения температуры и состава окружающих газов (капля может двигаться в областях с горячими продуктами сгорания, образованными в результате горения других капель), нестационарные процессы, обусловленные полным испарением капель (прекращаются подача топлива и горение). Хотя этот подход является довольно подробным, создание обширных библиотек очагов ламинарного пламени требует очень больших вычислений. Кроме того, подход осложняется следующим фактом: при горении аэрозолей идентифицируются несколько областей, в которых концентрация капель столь высока, что из-за отсутствия окислителя горение одиночной капли невозможно. Если облако аэрозолей очень плотное, плотность топлива в его внутреннем ядре столь высока, что имеет место насыщение и капли не испаряются. Ближе к окружающему воздуху происходит испарение и образуется облако пара топлива, которое затем диффундирует в окислитель, образуя пламя предварительно не перемешанной смеси. Этот режим горения называется «внешнее горение с испарением оболочки». При более низких плотностях облака аэрозоля все капли испаряются, но зона пламени все еще располагается на границе между паром топлива и окружающим окислителем («внешнее горение с отошедшим пламенем»). Если облако аэрозоля разбавлено сильнее, некоторые капли оказываются в окружении избытка окислителя. Эти капли будут окружены фронтами индивидуальных пламен, но, тем не менее, все еще будет существовать зона пламени на границе плотного облака капель и окислителя («внутреннее горение» с основным пламенем внутри границы аэрозоля). В разбавленных аэрозолях происходит горение отдельных капель. Конечно, перечисленные четыре различные режима представляют собой лишь грубую характеристику, и между этими предельными случаями существует много промежуточных режимов. При переходе от внешнего к внутреннему режиму горения можно наблюдать зоны пламени вокруг небольших групп капель. Также как и в случае горения в газовой фазе, исследования капель в пламенах с противотоком позволяют понять различные взаимодействия капля-пламя. Уже отмечавшаяся выше простота одномерной конфигурации позволяет включить в модель детальную химическую кинетику и процессы переноса. Поскольку горение аэрозолей, как и горение капель, является типичным процессом горения предварительно не перемешанной смеси, использование моделей суперпозиции очагов ламинарных пламен является оправданным. Эти очаговые модели могут быть объединены с моделями испарения капель. Такая модель использовалась, например, для моделирования двигателя, работающего на н-октане. Двигатели с прямым впрыском топлива объединяют преимущества дизельных двигателей и двигателей внутреннего сгорания (двигателей Отто). Топливо инжектируется непосредственно в цилиндр в течение фазы сжатия. Воспламенение инициируется свечой зажигания вблизи зоны перемешивания горючего и воздуха. В зоне воспламенения смесь богатая, что поддерживает процесс воспламенения. С другой стороны, состав всей смеси бедный, что снижает образование окислов азота. Результирующие температуры и массовые доли окислов азота показаны на рис. 15.8 для двух характерных случаев (частичной и полной нагрузки для угла поворота коленчатого вала, равного 5° до верхней мертвой точки). Эти расчеты оказались очень успешными. Несмотря на упрощения во многих субмоделях (включая динамику потока аэрозоля, испарение капель, искровое зажигание, распространение и тушение пламени), описанные модели содержат достаточно существенных элементов для того, чтобы оказать неоценимую помощь при конструировании новых двигателей, таких как двигатели с прямым впрыском топлива, и даже новой концепции управляемого стука в двигателе с гомогенной смесью, воспламеняемой сжатием. Определение равновесного состава и термодинамических свойств продуктов сгорания Состав и термодинамические свойства равновесных продуктов горения однозначно зависят от элементарного состава, температуры и давления (или объёма системы). В частности, при определённых температуре и давлении они не будут зависеть от теплоты образования горючих веществ или от их теплоты реакции. (однако эти величины будут определять тот диапазон температур, в котором вычисляются состав и термодинамические свойства продуктов сгорания, так как они определяют начальную энергию системы.) Например, равновесный состав и термодинамические свойства продуктов горения горючей смеси: 6С+3Н2+4О2, 3С2Н2+4О2 и С6Н6+4О2 – для любых выбранных температур и давлений являются идентичными. Температуры пламени, количества выделяющегося тепла или соответствующие значения работы сильно отличаются вследствие различных начальных энергий этих систем. Величины этих энергий определяются из основных уравнений сохранения энергии. Равновесный состав продуктов сгорания. Условия равновесия для продуктов горения могут быть получены из термодинамических данных и суммарного содержания элементов. Для многих реакций величины констант равновесия могут быть вычислены либо из результатов опытов, либо по данным спектроскопических измерений. В некоторых случаях константы равновесия можно вычислить, исходя из величин свободной энергии. При выборе компонентов, которые считаются существенными и соответствуют данному равновесному состоянию, всегда имеется элемент произвола. Лекция 2 Физико – химические основы горения и взрыва. Основные понятия, термины и определения. Теория горения веществ. Механизм выгорания углерода. Горение капель и аэрозолей. Горение угля. Тепловая теория горения веществ, цепная, диффузная. Под процессом горения понимается самоускоряющаяся химическая реакция окисления топлива, сопровождается выделением большого количества тепла и света. Теплопроизводительность топлива определяет количество энергии, которое может быть выделено в процессе горения. Понятие топлива объединяет собой вещества, выделяющие в результате тех или иных преобразований энергию, которая может быть технически использована. Горение используется человечеством на протяжении более миллиона лет и является одной из древнейших технологий. В настоящее время около 90% всей энергии, потребляемой нашей цивилизацией (выработка электроэнергии, получение тепла, транспорт и т.д.), обеспечивается именно процессами горения. Это обстоятельство и определяет важность и актуальность исследования процессов горения. В прошлом исследование горения было направлено главным образом на изучение механики сплошной среды, включая тепловыделение за счет химических реакций. Часто это тепловыделение описывалось при помощи термодинамики, что предполагает бесконечно быстрые химические реакции. В определенной степени подобный подход оказался продуктивным для описания стационарных процессов горения, но он недостаточен для понимания переходных процессов, таких как воспламенение и погасание, а также для объяснения образования вредных выбросов, тем более что проблема образования вредных выбросов при горении ископаемых топлив была, есть и будет одной из важнейших задач в будущем. В настоящее время известны следующие крупные группы топлива, различающиеся по принципу высвобождения энергии – ядерное топливо, выделяющее энергию в результате ядерных преобразований, химическое топливо, которое выделяет энергию при окислении горючих элементов, входящих в состав этого топлива. Несмотря на значительное развитие использования ядерного топлива, основной источник получения энергии в настоящее время в различных энергетических установках и ДВС – химическое топливо. А основной способ получения энергии – сжигание топлива в камере сгорания. Наиболее распространенная химическая реакция горения – реакция органической массы природного топлива кислородом воздуха или реакция окисления в среде, обогащенной кислородом. В настоящее время добываются и используются природные топлива – газ (метан), нефть, уголь разного состава, торф, древесина и др. Многие виды топлива получают искусственным путем в результате технологической переработки природных топлив. Все они отличаются друг от друга своим химическим составом и структурой, и это влияет на характер протекания процесса горения. Особенности различия природных топлив тесно связаны с их происхождением и геологическим возрастом. Считается, что вся гамма природных топлив от торфа – до антрацитов представляет собой различные стадии геологического старения первичных углеобразователей, основными из которых являются растительные организмы, начиная от древесных пород до мхов и планктонных образований. Вещество отмерших клеток представляет собой полимерные углеводороды с различным соотношением С – Н – О2. С точки зрения склонности к естественному распаду составляющие растительных организмов можно разбить на 2 группы: 1 гр. – целлюлозы, белки, гемицеллюлозы (их химическая формула (С6Н10О5)n или (С5Н8О4)n). 2 гр. – лигнин, воски, смолы, углеводороды и др. вещества. Составляющие первой группы в процессе геологического старения (метаморфизма) превращаются в газообразные или легкорастворимые вещества и в процессе углеобразования не участвуют. Вещества второй группы со временем полимеризуются, уплотняются и превращаются в более устойчивые соединения, в их составе увеличивается доля углерода и уменьшается доля кислорода – сюда входят горючие сланцы, угли. Нефть и горючие природные газы также образуются в результате длительных преобразований органических остатков, которые оказались включенными в горные породы (т.е. в замкнутых объемах). Основную массу нефти составляют углеводороды различных классов – предельные, непредельные, ароматические. Природные газы состоят также из углеводородных соединений, в основном из метана – СН4 (до 90 %). Т.о. все виды природных топлив (кроме древесины) представляют собой горючие ископаемые – т.е. горные породы органического происхождения – каустобиолиты, которые подразделяют на: гумусовые породы (торф, каменные и бурые угли); сапропелевые породы (сапропелевые угли, горючие сланцы); петролиты (нефть, озокерит, горючие газы). Искусственные топлива получают в результате технологической переработки твердых топлив – это коксы, полукоксы, их состав отличается значительным содержанием углерода и снижением содержания О2 и Н. В энергетических целях кокс не используется. Искусственные горючие газы получаются либо специально (так называемые генераторные газы), либо попутно при протекании различных технологических процессов (газы коксовальных печей, доменные газы, попутные газы нефтедобычи и др.). Состав этих газов разнообразен, зависит от способа их получения, содержит значительные количества N2, СО2, СО, что снижает их теплотворную способность. Воспламенение, сопровождающееся ударной волной, называется взрывом. От тихого воспламенения до взрыва существует непрерывный переход. Поэтому в обоих случаях процесс описывается одними и теми же уравнениями, что не позволяло провести границу между этими двумя существенно различными формами процессов. Ударная волна возникает из-за быстрого увеличения давления газа в фронте пламени. Она имеет разрушительную способность, если в ней избыточное давление больше 0,15 атм. Для возникновения взрыва прежде всего необходимо, чтобы длительность химического превращения в фронте пламени была очень мала, меньше 1 мксек. Это возможно только в том случае, если процесс не тормозился недостаточным притоком вещества и тепла к месту реагирования. Во всех взрывчатых материалах реагенты находятся в тесном смешении. При изготовлении взрывчатых материалов это достигается или механическим смешением, например при изготовлении черного пороха, или путем введения в молекулу легко окисляющегося вещества атомной группы – NО2, которая обладает большой окислительной способностью. Из газовых систем способны взрываться только те, в которых горючий газ или горючая пыль смешаны с кислородом, причем содержание горючего в смеси должно находится в определенных количествах. Такая смесь называется гремучем газом. Тяжелые углеводороды и их кислородные производные при менее интенсивном зажигании и при меньших концентрациях взрываются легче. Теория горения веществ Состав топлива – наиболее важная техническая характеристика, определяющая процесс горения и количество выделяющейся при этом энергии. Основные топливообразователи – СГ, НГ, ОГ В небольших количествах – SГ и NГ Состав горючей массы. Процентное содержание этих веществ по отношению к горючей массе. Все эти компоненты составляют горючую массу топлива, им присваивается индекс. Процентное содержание в топливе всех веществ (включая золу), входящих в состав одной сухой массы, называют элементарным составом сухой масс (индекс СС). СС + НС + ОС + NС + SС + АС = 100 % Минеральные примеси, попадающие в состав топлива, составляют золу топлива (А). Зола не принимает участия в реакции окисления (горении, снижает теплотворную способность топлива. Во всех топливах имеется некоторое количество влаги (W). Общая масса топлива, включая золу и влагу, называется рабочей (индекс Р) СР + НР + ОР + NР + SР + АР + WР = 100 % Состав горючих газов характеризуется чаще всего в виде процентов объемного содержания составляющих газов, например, СО + Н2 + СО2 + Н2О + СН4 + СnНm + О2 = 100 % Тепловую ценность топлива принято характеризовать его теплотворной способностью Q, выражаемой в ккал/кг (дж/кг) или ккал/м3 (дж/м3). Т.к. в продуктах сгорания топлив всегда содержится вода (пары воды – из-за наличия воды в топливе и образовании воды при сгорании водорода), то и обращается энергия на парообразование и конденсацию паров. В связи с этим для расчетов обычно применяется значение низшей теплотворной способности Q НР , которая учитывает тепловые потери с парами воды. Одной из основных особенностей твердых природных топлив (также древесины, композиций) является способность выделять при нагревании газообразные и жидкие продукты термического разложения их органической массы, так называемые летучие, обозначаются символом V. Летучие играют значительную роль при воспламенении и на начальных стадиях горения, в значительной степени определяют реакционную способность горючего вещества. Теплопроизводительность топлива органического происхождения определяется в основном степенью окисления углеродной основы топлива. Чем больше степень окисления углеводородной основы топлива, тем меньше теплопроизводительность. Теплотворная способность ккал/кг Наибольшая теплопроизводительность наблюдается у топлива, состоящего из не окисленных углеводородов, например, у нефти, природного газа. В качестве примера рассмотрим молекулу метана, составляющего основу природного газа, СН4. Один атом С связан, т.е. весовое содержание водорода в молекуле метана составляет 25 %, т.е. ни один углеводородный продукт не содержит в себе такого большого количества водорода. При этом следует иметь в виду, что водород по своей теплотворной способности выше углерода в 4 ряда. Т.о. метан имеет самую высокую теплотворную способность, которая составляет 13300 ккал/кг. Химически формула метилового спирта – СН4О. В момент такого окисления уже выделилось некоторое количество энергии, теплотворная способность спирта метилового – 5340 ккал/кг. Присоединение еще одного атома кислорода приводит к образованию нового вещества – формальдегида – СН2О + Н2О, при этом происходит отделение одной молекулы воды. Теплотворная способность формальдегида – 2790 ккал/кг. Если к молекуле метана прибавить 4 атома кислорода, то это разбивает молекулу СН4 СН4 + 4О  СО2 + 2Н2О Такая смесь вообще гореть не может, и ее теплотворная способность равна  0. Падение теплотворной способности от наивысшего значения у чистого углерода до нулевого значения у продуктов полного окисления и иллюстрируется на рис1., где приведен случай последовательного окисления этана – С2Н6. 13000 Этан 12000 Бензол 10000 Этиловый спирт С2Н6О 7500 Этиленгликоль С2Н6О2 4500 Уксусная кислота С2Н4О2+Н2О 3000 25 50 75 100% Содержание О2, % Основное влияние на процесс воспламенения оказывает влияние летучих, находящихся в топливе. Чем больше летучих, тем быстрее происходит воспламенение топлива. Влияние летучих на процесс воспламенения можно рассматривать в 2-х основных направлениях: В период до воспламенения, в ходе воспламенения и на начальных стадиях горения летучие оказывают прямое влияние, определяя условия протекания процесса, т.к. для большинства материалов (древесина, торф, уголь бурый…) воспламенение начинается с газовой фазы уже выделившихся летучих, которые быстро выгорают и повышают температурный уровень процесса и обеспечивают условия надежного воспламенения и дальнейшего устойчивого горения материала со значительным выделением летучих при термическом поглощении. Влияние летучих на интенсивность протекания процесса горения проявляется в повышенной реакционной способности коксового остатка (по сравнению с реакционной способностью чистого углерода) и изменением структуры частиц топлива в период выделения летучих веществ. Твердое топливо при поджигании претерпевает нагрев от начальной температуры подачи (попадания) в зону горения (топка) до температуры близкой к теоретической температуре горения. В процессе нагрева, еще до начала воспламенения происходит термическое разложение органической массы топлива с выделением паро- и газообразных веществ, которые в основном и определяют условия воспламенения топлива. Условия нагрева частиц (или кусков) топлива определяются условиями теплоотдачи с учетом аэродинамических факторов – подсоса горячих газов к корню факела, концентрации кислорода и пр. Способность твердого топлива выделять, при нагревании, продукты термического разложения органической массы. Эта способность используется на практике – термическое разложение торфа, коксующихся углей, сланец, бурые угли и др. – для получения ценных химических веществ: смол, кислот, высококалорийных газов (H2, CH4…) эти вещества могут быть использованы в народном хозяйстве (химическая промышленность – полуфабрикаты, товарные продукты). Ориентировочный состав продуктов термолиза некоторых твердых топлив: Древесина Уголь бурый Сланец полукокс 35-25% 75% 55% смола 14-16% 5% 24% кислота 2-6% газ 27-28% 11% 68% Интенсивность выделения продуктов термолиза определяется множеством факторов: темп нагрева, температурный уровень процесса, время пребывания уже образовавшихся продуктов термолиза в зоне высоких температур. В качестве примера: график выхода смолы из торфа. V 24 16 t, °C 200 300 400 500 600 Механизм выгорания углерода При гетерогенном процессе реакция горения протекает на поверхности углеродного массива, включая и внутренние поверхности больших и малых пор, рассекающих массив куска (крупной частицы). Изучение механизма окисления занимаются более 70 лет большой круг исследователей. В настоящее время общепризнанным является по стадийный процесс окисления углерода топлива учитывается, что взаимодействие углерода с окислителем (O2, также CO2, H2O) протекает постадийно с участием нестабильных образований, которые наблюдаются в адсорбированном состоянии на наружной поверхности углеродного массива. Схема насыщения связей атомов на поверхности углеродного массива = массив = С – С – С – | | | С – С – С – | | | O – С – С – С – \ / \ / C – C С – | С – | С – O | C – O | O = поверхность массива = O - адсорбированные молекулы газа В объеме массива все атомы уравновешены, на поверхности, за счет их физического и химического притяжения. Может наблюдаться образование пограничного слоя газа на углеродной поверхности. Так как поверхность углерода неоднородна, пориста – доступна для адсорбции (физической адсорбции за счет физического притяжения атомов; химической адсорбции – хемосорбции (перенос электронов, объединение электронных оболочек). Сорбционный механизм взаимодействия O2 и углеродом примерно следующий: адсорбция на углеродной CO поверхности O2 O2сорб более глубокие химические превращения с образованием неких десорбция распад с выделением CXOYсорб CO2 При низкотемпературном окислении углерода сорбционный механизм процесса целиком определяет интенсивность выгорания углерода, количество и качество продуктов сгорания. Однако понятие низкотемпературного окисления весьма условно – это может быть до 600-800 °К для некоторых типов углей. Далее при повышении температуры процесс может перейти в устойчивый стационарный характер. При взаимодействии с CO2 воздуха и H2O в виде пара сорбционные явления протекают при температурах значительно больших, до 1000-1200 °К. При горении организованном, например, в топке сорбционные процессы протекают практически мгновенно, механизм горения мгновенный или "ударный" характер. То есть при горении (выгорании углерода) имеют место 2 температурные области протекания горения: Низкотемпературное окисление, при этом преобладающую роль играют сорбционные процессы. Такие процессы могут иметь место при сушке и хранении топлива. Высокотемпературное горение, при котором скорость адсорбции и десорбции настолько велики, что нестационарностью процессов можно пренебречь. В этой области проистекают топочные процессы. Независимо оттого, по какому механизму протекает процесс горения – первичные продукты: CO, CO2. При высокой влажности сжигаемого топлива может образовываться также и H и CH4 (мокрая газификация). Основным итогом химической стороны горения (процесса взаимодействия C с O2 при высоких температурах) – следующие процессы. По реакции: – первичные реакции С + O2 = СO2 ; 2С + O2 = 2СO, – вторичные реакции Наряду с этим, у поверхности горящей углеродной частицы возможно взаимодействие уже образовавшейся СO с O2: 2СO + O2 = 2СO2, и далее на поверхности идет восстановление образовавшейся углекислоты: СO2 + С = 2СO, эти реакции называют вторичными В определенных условиях либо первичные, либо вторичные реакции могут иметь определяющую роль в процессе выгорания углерода. При высокотемпературном процессе окисления протекают следующие процессы на внешней поверхности куска и поверхности пор при сухой газификации при мокрой газификации ( H2O отсутствует) (окисление за счет H2O) 1. С + O2 = СO2 + q1 (+), 3`. С + H2O = СO + H2 + q3` (-), 2. 2С + O2 = 2СO + q2 (+), 3``. С + 2H2O = СO2 + 2H2 + q3`` , 3. С + CO2 = 2СO + q3 (-); 3```. С + 2H2 = СH4 + q3``` (-); Далее в процессе встроенной диффузии продуктов неполного горения от поверхности углеродного массива в поток окислителя, между продуктами горения и окисления проходят следующие реакции 4. 2СO + O2 = 2СO2 + q4 (+), 4`. 2H2 + O2 = 2H2O + q4` (+), 4``. CH4 + 2O2 = 2СO2 + 2H2O + q4`` (+), 4```. СO + H2O = СO2 + H2 q4``` (+). Горение капель и аэрозолей Горение жидких топлив обычно совершается путем впрыскивания жидкого топлива через отверстие (сопло) в газовую фазу, в которой и происходит горение. Турбулентность внутри потока жидкости (специально создаваемая за счет большого градиента скорости внутри инжектора) вызывает распад выходящего из инжектора потока жидкости на «клубок» жидких нитей, который впоследствии превращается в плотное облако капель, за счет баллистического движения проникающих сквозь газ в зону горения. Перенос тепла к каплям вызывает увеличение давления пара и, таким образом, испарение топлива в газовую фазу, пока не начнется горение в газовой фазе. Каплю или ансамбль капель окружает (хотя бы частично) пламя предварительно не перемешанной смеси. Важно отметить, что в конечном итоге горит не жидкость сама по себе, а пары этой жидкости. Совокупность всех этих одновременно протекающих процессов называется струйным горением. Обычно исследователи, изучающие модели струйного горения, сосредотачивают свое внимание на двух проблемах. Горение отдельной капли. Если имеется возможность исследовать отдельно фундаментальные физико-химические процессы, которые происходят при струйном горении, то целесообразно сосредоточить внимание на горении отдельной капли. В этом случае можно применить очень детальные модели для описания химических реакций, испарения и молекулярного переноса (массы и энергии) в газовой фазе, в капле и на межфазной границе. Струйное горение. При моделировании практически важных систем (таких как камера сгорания реактивного двигателя, дизельный двигатель или бензиновый двигатель внутреннего сгорания с прямым впрыском топлива) в модель должны быть включены субмодели для всех физических процессов. Как уже отмечалось, все эчти субмодели разрабатываются до определенного уровня детализации так, чтобы глобальная модель не требовала слишком больших вычислительных ресурсов. Например, разрушение струи, дробление капель, испарение капель, турбулентное перемешивание, газофазная химическая кинетика и ряд других процессов очень часто описываются при помощи упрощенных моделей, часто называемых глобальными или редуцированными моделями. Взаимосвязь горения отдельной капли и струйного горения аналогична взаимосвязи моделей ламинарного пламени, которые внедряются в модели турбулентного горения. Аэрозоль образуется при разрушении струи топлива (поступающей из впускного отверстия) за счет поперечных сил сдвига во время впрыска в камеру сгорания. Этот процесс аналогичен образованию турбулентных структур в слоях с поперечным градиентом скорости. Жидкие фрагменты, которые еще не имеют сферической формы, попадают в поток окислителя и продуктов сгорания (обычно турбулентный и с рециркуляцией). Распределение диаметров капель в ансамбле аэрозоля не однородно. Оказалось, весьма полезно характеризовать распределение диаметров различными нестационарными функциями распределения по размерам, моменты которых изменяются со временем. Вид функции распределения и ее последующая эволюция определяются главным образом природой инжектируемого топлива и свойствами потока в камере сгорания (например, граничными условиями). Испарение капель и диффузия топлива в газовую фазу приводят к образованию горючей смеси, которая воспламеняется при достаточно высокой температуре. Если рассматривать разбавленный аэрозоль (когда расстояние между каплями велико), то процессы в течение воспламенения и горения можно понять, исследуя поведение отдельных капель. В плотных аэрозолях, однако, капли расположены слишком близко друг к другу для того, чтобы можно было пренебречь их взаимодействием. Горение такой системы происходит в криогенных ракетных двигателях. Учитывая, что горение струи аэрозоля является процессом сложного взаимодействия многих самых разных процессов, таких как прогрев капель, испарение, воспламенение, горение, взаимодействие различных капель, взаимодействие горения капель с турбулентным потоком и т.д., становится очевидным, что моделирование горения струй аэрозолей представляет собой сложную, но перспективную проблему. Горение угля На первый взгляд, твердые топлива (например, древесина или пластик) горят во многом аналогично жидким топливам. Они нагреваются до температуры, при которой начинается выделение значительного количества газофазных продуктов, сгорающих затем точно также, как это происходит в газовой фазе вокруг капель. Разница проявляется, когда некоторые остаточные фракции твердого топлива (а для некоторых жидких топлив тяжелые масла) не испаряются. Эти твердые фракции могут содержать углерод, который может быть окислен до СО молекулами 02, или даже до СО2. Уголь представляет собой не однородное химическое соединение, а смесь большого числа углеводородных соединений, чья структура остается во многом неизвестной. Кроме горючих летучих и нелетучих соединений, уголь также содержит негорючие соединения, которые остаются после горения в твердой фазе, образуя золу. При горении угля можно выделить три различные процесса, взаимодействующие друг с другом: пиролиз угля (в результате которого образуются летучие соединения и богатый углеродом твердый продукт, называемый коксом), горение летучих соединений и горение кокса. Пиролиз (термический распад и дегазация) угля происходит при температурах выше 600 К. При этом наблюдается образование кокса, гудрона и летучих компонентов. Пиролиз зависит от многих физикохимических процессов и характеристик угля, таких как сжатие или разбухание частиц угля, его структура (например, размер пор), процессы переноса в порах и на поверхности частиц угля, температура во время пиролиза, вторичные реакции продуктов пиролиза. Поскольку химический состав угля не известен, химический механизм, описывающий пиролиз угля, может и должен быть лишь приблизительным. Летучие соединения образуются путем выделения функциональных групп, которые затем образуют СН4, Н2, СО, НСN и т.д. Разрыв химических связей в угле приводит к образованию фрагментов, способных перегруппироваться и реагировать, образуя гудрон. За этими химическими процессами следуют процессы диффузии летучих компонентов к поверхности частиц угля, где они испаряются и затем сгорают. Летучие компоненты, образующиеся во времямя пиролиза, сгорают в газовой фазе. Основные процессы, которые при этом происходят (испарение, диффузия в газовую фазу и горение), аналогичны процессам, происходящим при горении капли. Однако летучие компоненты представляют собой смесь неизвестного состава; поэтому детальное описание, основанное на элементарной кинетике, невозможно и не оправдано. Горение твердого кокса приводит к дополнительной трудности описания процесса горения. Кокс состоит главным образом из углерода; он обладает низким давлением насыщающих паров, так что испарение с последующим окислением в газовой фазе не является основным каналом реакции. Вместо этого углерод на поверхности окисляется до СО молекулами СО2 (и О3 ) из газовой фазы, которые сталкиваются и/или прилипают к поверхности. Реакцию с СО 2 можно записать в виде С(s) + СО2(g) = 2СО(s). Теперь углерод прочно связан с кислородом и слабо связан с поверхностью. Поэтому образующаяся окись углерода (СО) уже имеет высокое давление насыщающих паров и охотно покидает поверхность, переходя в газовую фазу, где молекулы СО окисляются дальше с образованием СО 2. Тепловая теория горения веществ, цепная, диффузная. Диффузное пламя образуется на границе соприкосновения двух газов, способных образовывать горючую смесь. Источником горючего газа может быть отверстие, из которого он выходит, и твердая или жидкая поверхность, генерирующая газ. Фронт пламени локализуется в том месте, в котором концентрации горючего газа и кислорода находятся в стехиометрических отношениях. Это следует из того, что если бы в фронте остался неизрасходованным один из реагентов, то он диффундировал бы на встречу другому реагенту, вследствие чего фронт переместился бы в том же направлении. Если диффузионное пламя горит в воздухе, содержащем немного горючего газа, то вокруг главного фронта пламени образуется второй фронт в виде тонкого чехла. Такое двухслойное пламя можно наблюдать, если в воздухе присутствует метан. При малых скоростях газов пламя ламинарно. В нем горючая смесь образуется в результате молекулярной диффузии. Именно образование горючей смеси управляет скоростью горения, а не реагирование, которое идет в фронте пламени очень быстро. Если постепенно увеличивать скорости горючего газа, то ламенарность пламени нарушится. Это начинается с верхнего конца пламени при дальнейшем увеличении скорости газа, постепенно распространяется вниз до отверстия, из которого выходит газ. Одновременно пламя укорачивается до 2/3 первоначальной длины. При еще больших скоростях начинается «отрыв» пламени от отверстия и пламя погасает. Нарушение ламинарности пламени приводит к образованию турбулентного пламени, которое не надо смешивать с турбулентным течением газа в канале, из которого выходит газ. Завихрение пламени сосредоточены в его поверхностном слое и вызываются взаимодействием его с окружающей газовой средой. В турбулентном пламени смешению реагирующих газов способствует завихрение газовой струи, так как оно увеличивает поверхность, через которую идет молекулярная диффузия. Это сильно ускоряет горение. Внутри пламени могут идти две группы второстепенных химических превращений: 1) окисление за счет кислорода СО 2 и Н2О и 2) термическое разложение. Они идут и в готовой горючей смеси, но в ней они имеют значение только для автокаталитического механизма. В диффузионном пламени их роль более значительна. Если в горючем газе происходит термическое разложение, то с внутренней стороны фронта диффузионного пламени образуется зона, в которой идут предварительные химические превращения исходных веществ. В этой зоне вследствие термического разложения образуются свободные радикалы и сажа. Развитие окисления обнаруживается в исчезновении сажи, которая образуется в результате термического разложения. Очевидно, что в диффузионном пламени сажа сгорит за счет кислорода СО 2 и Н2О, так как свободный кислород не может проникать через фронт пламени. Если в сажевой аэросусиензии температура понижается раньше, чем сажа успеет окислиться, то пламя коптит. Лекция 3 Условия возникновения и развития процессов горения и его протекание. Организованное горение. Виды пламени и скорости его распространения. Очаг горения. Зона разложения. Процесс изменения температуры. Тепловой процесс горения Горение — сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и ярким свечением. В большинстве случаев горение происходит в результате экзотермического окисления вещества, способного к горению (горючего), —окислителем (кислородом воз духа, хлором, закисью азота и др.). К горению относят и другие процессы, связанные с быстрым превращением и тепловым или цепным их ускорением: разложение взрывчатых веществ, озона; взаимодействие оксидов натрия и бария с диоксидом углерода; распад ацетилена и т.д. Горение представляет собой комплекс взаимосвязанных химических и физических процессов. Важнейшие процессы при горении – тепло- и массоперенос. Наиболее общим свойством горения является способность возникшего очага пламени перемещаться по всей горючей смеси путем передачи тепла или диффузии активных частиц из зоны горения в свежую смесь. В первом случае реализуется тепловой, а во втором – диффузионный механизм распространения пламени. Как правило, горение протекает по комбинированному тепловому диффузионному механизму. Для процессов горения характерно наличие критических условий (по составу смеси, давлению, температуре, геометрическим размерам системы) возникновения и распространения пламени. Во всех случаях для горения характерны три типичные стадии: возникновение, распространение и погасание пламени. В зависимости от агрегатного состояния горючего и окислителя различают три вида горения: гомогенное горение газов и парообразных горючих веществ в среде газообразного окислителя; гетерогенное горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя (разновидность гетерогенного горения —горение жидких горючих в жидких окислителях); горение взрывчатых веществ и порохов. По скорости распространения пламени горение подразделяются на дефлаграционное, протекающее с дозвуковыми скоростями, и детонацию, распространяющуюся со сверхзвуковыми скоростями. Дозвуковое горение подразделяется на ламинарное и турбулентное. Скорость ламинарного горения зависит от состава смеси, начальных давления и температуры, а также от кинетики химических превращений в пламени. Скорость распространения турбулентного пламени помимо перечисленных факторов зависит от скорости потока, степени и масштаба турбулентности. Горючие — вещества (или смеси), способные к распространению горения. Основные типы пламен При горении горючее и окислитель (обычно воздух) смешиваются и сгорают. В зависимости от того, смешиваются ли они перед тем как сгореть либо перемешивание и горение происходят одновременно, пламена подразделяют на пламена предварительно перемешанной и предварительно не перемешанной смесей, соответственно. В свою очередь, пламена, относящиеся к каждой из этих категорий, подразделяются на турбулентное и ламинарное пламя в зависимости от типа потока. Ламинарные пламена предварительно перемешанной смеси. В ламинарных пламенах предварительно перемешанной смеси горючее и окислитель смешиваются до начала горения и поток ламинарен. Примерами такого пламени являются плоское ламинарное пламя и пламя бунзеновской горелки (в случае бедных смесей) (рис. 1.1). Рис. 1.1. Схематическая иллюстрация плоского ламинарного пламени (а) и пламени бунзеновской горелки (б) предварительно перемешанной смеси Пламя предварительно перемешанной смеси называют стехиометрическим, если горючее (углеводород) и окислитель (кислород - О2) расходуют друг друга полностью, образуя двуокись углерода (СО2) и воду (Н2О). Если существует избыток горючего, говорят, что смесь богатая, а в случае избытка окислителя говорят, что смесь бедная. Рассмотрим простейшие примеры: 1) 2Н2 + О2→ 2Н2О - стехиометрическая смесь, 2) 3Н2 + О2 → 2Н2О + Н2 - богатая смесь (Н2 в избытке), 3) СН4 + 3О2 → 2Н2О + СО2 + О2 - бедная смесь (О2 в избытке). Каждый символ в таком уравнении химической реакции соответствует одному молю вещества. Так, первое из этих уравнений означает, что два моля Н2 реагируют с одним молем О2 с образованием двух молей Н2О. Если уравнение химической реакции записано таким образом, что оно описывает реакцию именно одного моля горючего, то мольная доля горючего в стехиометрической смеси может быть легко определена из соотношения Хгор,стех = 1/(1 + v). Здесь v обозначает число молей О2 в уравнении реакции с образованием СО2 и Н2О. Примером служит реакция Н2 + 0,5О2 → Н2О, v = 0,5, ХН2,стех = 2/3. Если окислителем является воздух, то следует принимать во внимание, что сухой воздух содержит только 21 % кислорода, а также78 % азота и 1 % благородных газов. Таким образом, для воздуха XN2 = 3,762ХО2. Отсюда мольные доли для стехиометрической смеси с воздухом будут равны Хгор,стех = 1/(1 + v∙ 4,762), ХО2,стех = v ∙ Хгор,стех, ХN2,cтex = 3,762 ∙ ХО2,стех, где v как и прежде означает количество молей О2 в уравнении реакции полного превращения одного моля горючего в СО2 и Н2О. Ряд примеров значений v и мольных долей горючего для стехиометрических смесей горючего с воздухом приведен в табл. 1.1. Предварительно перемешанные смеси горючего и воздуха (в этом случае в уравнение реакции должно быть добавлено соответствующее количество N2, см. табл. 1.1) характеризуются величиной эквивалентного отношения для воздуха: λ= (Хвоз/Хгор)/(Хвоз,стех/Хгор,стех) = (Wвоз/Wгор)/(Wвоз,стех/Wгор,стех), либо обратной величиной - эквивалентным отношением для горючего Ф (Ф = 1/λ). Эту формулу можно преобразовать для того, чтобыможно было определить величины мольных долей смеси по значению Ф: Хгор = 1/(1 + (4,762∙v)/Ф), Хвоз = 1 - Хгор, ХО2 = Хвоз/4,762, XN2 = ХО2 ∙3,762. Таблица 1.1 – Примеры значений v и мольных долей горючего Хгор,стех для стехиометрических смесей горючего с воздухом Реакция v Х Н2 + 0,5О2 + 0,5 ∙ 3,762N2 → 0,5 29,6 моль-% →Н20 + 0,5∙ 3,762N2 СН4 + 2,0О2 + 2,0 ∙ 3,762N2 → 2,0 9,50 моль-% →СО2 + 2Н2О + 2,0 ∙ 3,762N2 СзН8 + 5,0О2 + 5,0 ∙ 3,762N2 → 5,0 4,03 моль-% →3СО2 + 4Н2О + 5,0∙3,762N2 С7Н16 + 11,0О2 + 11,0∙3,762N2 → 11,0 1,87 моль-% →7СО2 + 8Н2О + 11,0∙3,762N2 С8Н18 + 12,5О2 + 12,5∙3,762N2 → 12,5 1,65 моль-% →8СО2 + 9Н2О+ 12,5∙3,762N2 Соответственно, процессы горения для пламен предварительно пе ремешанных смесей можно подразделить на следующие три группы: 1) горение богатых смесей - Ф > 1, λ < 1, 2) горение стехиометрических смесей - Ф = 1, л = 1, 3) горение бедных смесей - Ф < 1, λ> 1. Распространение свободного плоского ламинарного пламени в сторону свежей несгоревшей смеси можно охарактеризовать скоростью ламинарного горения Vлам (м/с). Если скорость ламинарного горения плоского пламени меньше скорости потока Vи несгоревшей свежей смеси (см. рис. 1.1), пламя сдувается. Поэтому неравенство Vлам > Vи для плоских пламен должно быть выполнено. Непосредственно перед сдувом пламени Vлам ≈ Vи. Таким образом, скорость потока газа к фронту плоского пламени является мерой скорости ламинарного горения. Более высокие скорости потока газа к фронту возможны, когда фронт пламени расположен под углом 8 к потоку газа. Так, в случае бунзеновского пламени предварительно перемешанной смеси, сосредоточенного на срезе цилиндрического канала горелки, фронт пламени - приблизительно плоский (толщина пламени мала по сравнению с кривизной фронта пламени). Очевидно, что Vлам = Vи∙ sin(Ө). Таким образом, измерение угла наклона фронта пламени, например, по фоторегистрации пламени, и скорости потока газа к фронту пламени дают возможность определить скорость горения ламинарного пламени предварительно перемешанной смеси. Турбулентные пламена предварительно перемешанной смеси. Примером пламен предварительно перемешанной смеси является широко известное пламя двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием (двигателя Отто), в котором поток редко бывает ламинарным. В этом случае фронт пламени предварительно перемешанной смеси распространяется в турбулентный поток. Если интенсивность турбулентности не слишком большая, формируются искривленные фронты ламинарного пламени. При этом турбулентное пламя можно рассматривать как ансамбль микроламинарных пламен предварительно перемешанной смеси. Преимуществом горения предварительно перемешанной смеси является то обстоятельство, что в этом случае можно гораздо лучше управлять процессом горения. Предварительное перемешивание, дающее бедные смеси, позволяет избежать высоких температур при горении и, следовательно, снизить выброс вредной окиси азота (NO). Кроме того, в этих условиях образуется очень мало сажи, поскольку она возникает в больших количествах при горении богатых смесей. Несмотря на определенные преимущества, горение предварительно, перемешанных смесей широко не используется из-за потенциальной опасности хранения больших объемов предварительно перемешанных реагентов, которые могут воспламениться, что приведет к неконтролируемому взрыву. Рисунок – 1.2. Схематическая иллюстрация ламинарного пламени с противотоком (а) и с параллельными потоками (б) предварительно не перемешанной смеси Ламинарные пламена предварительно не перемешанной смеси. В случае ламинарных пламен предварительно не перемешанной смеси (в литературе употребляется также термин ламинарное диффузионное пламя) горючее и окислитель перемешиваются во время процесса горения. Поток является ламинарным. Для исследований обычно используются две важные конфигурации ламинарных пламен: ламинарные пламена с противотоком и ламинарные пламена с предварительно не перемешанной смесью с параллельными потоками (рис. 1.2). Пламена с предварительно не перемешанной смесью имеют более сложную химию, чем пламена с предварительно перемешанной смесью, так как эквивалентное отношение Ф изменяется у них от нуля (воздух) до бесконечности (чистое горючее). В области, обогащенной горючим, происходит горение богатой смеси, а в области, обогащенной воздухом, происходит горение бедной смеси. Фронт пламени, который обычно характеризуется интенсивным свечением, располагается в зоне стехиометрической смеси, поскольку, как будет показано ниже, в этой зоне температура максимальна. В отличие от пламен с предварительно перемешанной смесью, пламена с предварительно не перемешанной смесью не распространяются самопроизвольно в сторону свежей непрореагировавшей смеси, и поэтому их нельзя охарактеризовать скоростью распространения ламинарного пламени. Турбулентные пламена с предварительно не перемешанной смесью. В этом случае пламена с предварительно не перемешанной смесью горят в турбулентном потоке, и для турбулентности слабой интенсивности можно использовать концепцию микроламинарных пламен. По соображениям безопасности в промышленных горелках и установках используются главным образом пламена предварительно не перемешанной смеси. Несмотря на использование очень сложных и совершенных систем перемешивания горючей смеси, пламена предварительно не перемешанной смеси обладают желтым свечением из-за излучения частиц сажи, образующихся в результате химических реакций в зонах с богатой смесью. Смешанные ламинарные пламена с предварительно перемешанной и не перемешанной смесью. Пламена данного типа часто используются для обогрева жилища и нагрева воды. Горючее и воздух предварительно перемешиваются, давая богатую смесь с Ф = 1,4. Затем продукты горения богатой смеси, смешиваемые с окружающим воздухом для уменьшения сажеобразования, сгорают в пламени предварительно не перемешанной смеси. Миллионы устройств с такого рода пламенами используются на практике; в них сгорает около 30 % всего природного газа. Измерения скорости Измерение скоростей газовых потоков обычно называют анемометрией. Простейшим устройством для измерения скорости потока является проволочный термоанемометр. В этом методе тонкая платиновая проволочка располагается так, что ее ось перпендикулярна направлению потока. Температура проволочки поддерживается выше температуры газа путем нагрева электрическим током. Теплопередача от проволочки в газовый поток связана со скоростью последнего. Недостатком метода проволочной термоанемометрии является то обстоятельство, что изменения или флуктуации температуры или состава газовой смеси интерпретируются как изменения скорости потока. При более высоких температурах про волочка действует каталитически на смесь горючего с воздухом. Несмотря на эти ограничения, метод проволочной термоанемометрии был основным методом измерения скорости потока в пламенах. Он лежит в основе целой отрасли промышленности по производству электронных регуляторов массовых потоков горючего, воздуха и других газов. В методе доплеровской лазерной анемометрии (называемом также лазерным доплеровским измерением скорости) в поток вводятся частицы. Как и в случае любых частиц, рассеивающих свет, сохранение количества движения (импульса) приводит к эффекту Доплера, т.е. к слабому сдвигу частоты рассеянного света. При смешивании рассеянного света с опорным излучением лазера небольшая разница в частотах может быть легко измерена, и эта разница, пропорциональна скорости частиц, введенных в поток. При использовании пересекающихся потоков лазерного излучения в зоне Как и другие методы, применяющие пробные частицы, лазерная доплеровская анемометрия измеряет скорости частиц. Скорости газа и пробных частиц почти равны друг другу до тех пор, пока отношение «сопротивление частиц / инерция частиц» (Сdd² / pd3) достаточно велико. Это требование диктует необходимость введения субмикронных частиц. Согласно теории Ми при (d/λ) > 1 интенсивность рассеянного на частицах света пропорциональна d². Как показали эксперименты, частицы диаметром в один микрон являются вполне приемлемым компромиссом для дозвуковых потоков. В методе пробных частиц в поток вводятся частицы с размерами порядка 1 мкм. Следы от них регистрируются фотографически при достаточно длительной экспозиции. В этом случае можно измерить и скорость потока, и даже поле скоростей. На рис. 1.3 проведено сравнение скоростей потока, измеренных методом пробных частиц, и рассчитанных скоростей потока в пламени с противотоком с предварительно не перемешанной смесью. Несмотря на значительный разброс экспериментальных точек, рисунок демонстрирует, что данный метод является вполне надежным для измерения скоростей потока. Его разновидностью является метод измерения скорости изображения частиц, в котором для освещения частиц используется тонкий, плоский луч от импульсного лазера. Благодаря повторяющимся импульсам лазерного излучения изображения частицы представляют собой яркие точки, смешанные в пространстве. Очаг горения Возникновение горения и его протекание возможно только определенных условиях. при Организованное горение протекает в различных устройствах – от простейшего светильника до мощной промышленной топки. Во всех этих устройствах или приспособлениях есть много общего – например, в любом устройстве (печь, топка котла, двигатель) имеется очаг горения. Под очагом горения понимается такое место в топочном устройстве или горелке, к которому одновременно подается (или притекает): топливо, окислитель и тепло определенного температурного уровня, достаточного для воспламенения возникающей горючей смеси. В качестве примера, иллюстрирующего процесс горения, как химической реакции при одновременном сочетании в пространстве трех перечисленных выше условий, рассмотрим горение парафиновой свечи. Вещество свечи – парафин (воск, стеарин), практически чистый углеводород, плавится, при этом испаряется, не меняя своего молекулярного состава. Факел свечи в спокойном воздухе имеет строгую форму в течение длительного периода, практически до тех пор, пока имеется запас топлива. Процесс прогрева и разложения твердых углеводородов показан на рис1. 1 – твердые вещества свечи, 2 – расплав вещества, 3 – зона первичного разложения парообразного вещества, 4 – зона конечного разложения с выделением светящегося твердого углерода (сажа), 5 - зона горения углерода и водорода Рисунок 1 - Зоны разложения в пламени свечи Твердое вещество свечи, расплавленное в некотором количестве лучистым теплом от пламени, впитывается фитилем и подается в зону первичного разложения к корню факела, где оно (т.е. расплав) под воздействием высокой температуры испаряется и поступает снизу в самый факелок (4), подпитывая его топливом. В пламени свечи различима темная зона 3, в которой углеводородное сырье и проходит первые стадии разложения. Рисунок 2 – Процесс изменения температуры В верхней зоне 4, внутренней зоне факела происходит окончательное расщепление углеводородов с образованием ярко светящейся зоны, в которой происходит выделение раскаленных твердых частиц углерода. Если мы поместим в зону 4 холодную стеклянную палочку, то обнаружим на ней копоть, а на части палочки, побывавшей в зоне внешней (5) могут быть капельки воды, образовавшиеся от водяных паров при сгорании водорода. Этот водород, как и сажа углерода, являются последней стадией сложного процесса разложения первоначальных молекул органического соединения. Тепловой процесс горения На втором рисунке показан общий ход всего теплового процесса, наблюдаемого при горении вещества свечи. Первоначально тепло расходуется на нагревание твердого вещества и его температура растет до достижения температуры плавления (I). Затем рост t останавливается и проходит процесс плавления вещества при постоянной температуре (расход на скрытое тепло плавления). Затем следует следующий этап подъема t и забор тепла на нагревание жидкости (расплава) (II). Далее следует переход жидкости в парообразное состояние и тепло тратится на скрытую теплоту парообразования. Далее следует этап повышения температуры (III) пара, т.е. на его перегрев и разложение и это продолжается до точки 0. При дальнейшем притоке тепла к уже газообразному веществу (перегретому пару) температура растет медленно, углеводородные молекулы разрушаются с образованием более стойких осколков молекул, которые при соприкосновении с О воздуха вступают в процесс горения, т.е. быстрого окисления при встрече с кислородом. Т.о. твердое вещество свечи, прежде чем загореться, должно пройти длительный процесс подготовки, состоящий из нескольких стадий. Причем эта подготовка занимает довольно много времени, и это сдерживает процесс горения вещества. Сгорает только та часть топлива, которая прошла все стадии подготовки. Собственно, процесс горения является как бы последним, заключительным актом преобразований, а зона 5 (см. рис.) является лишь огневой, внешней оболочкой и составляет малую часть факела, которую называют фронтом горения – изнутри к нему подается топливо в газообразном состоянии, снаружи поступает окислитель – О2. Рисунок 3 - Общий ход всего теплового процесса В месте встречи имеет место: фронт горения, постоянная температура, т.е. быстрая химическая реакция горения идет процесс окисления с образованием продуктов сгорания – СО2 и Н2О. Если не обеспечить процесс отвода продуктов сгорания, то эти продукты сгорания вместе с азотом воздуха будут вытеснять частицы топлива и О2 из зоны горения и процесс горения прекращается. В качестве доказательства этого: использование СО2 и пара как средств пожаротушения  СО2 вытесняет О из зоны горения; подача воды при тушении приводит к интенсивному парообразованию, что вытесняет кислород воздуха из зоны горения. Для уяснения процесса горения и особенно объяснения непрерывности работы факела горения, следует вспомнить понятие молекулярной диффузии, которая обеспечивает выравнивание концентраций О2 в пространстве. У очага горения кислород вступает в химическую реакцию с образованием продуктов сгорания, при этом содержание О2  к нулю, следовательно, равномерность содержания О2 нарушена и тогда за счет молекулярной диффузии происходит восстановление первоначальной концентрации кислорода. Однако этот процесс достаточно медленный. Дополнительную доставку кислорода обеспечивает также естественная тяга – над очагом горения появляются горючие газы (продукты сгорания), они с меньшим удельным весом, поднимаются вверх под напором более тяжелого холодного воздуха с кислородом. Такой процесс подвода О2 за счет естественной тяги будет продолжаться, пока действует очаг горения. Скорость поступления кислорода в зону горения определяет скорость процесса горения и скорость выделения тепла, т.е. количество ккал. в единицу времени. При достаточном количестве О2 происходит полное окисление продуктов сгорания – такой процесс называют полной сгоранием, при этом выделяется максимальное количество тепла. При недостаточном количестве О происходит частичное окисление продуктов сгорания, выделяется меньшее количество тепла, появляются продукты неполного сгорания топлива – сажа, СО, твердый остаток. Лекция 4 Происхождение газа и нефти. Происхождение ископаемых твёрдых топлив. Состав топлива. Основные технические характеристики топлива. Теплопроизводительность топлива. Теплотворная способность. Существует несколько теорий происхождения нефти и газа. Их можно разбить на 2 группы: – теории минерального происхождения, – теории органического происхождения. По теории минерального происхождения нефть произошла в результате воздействия морской воды на минералы под воздействием высоких температур и давления образовались первоначально газообразные продукты, далее под действием t и P и катализаторов происходило уплотнение газообразных углеводородных продуктов и образование сложных углеводородных соединений нефти. Основную массу нефти составляют углеводороды различных классов – предельные, непредельные, ароматические. Более признанной является теория органического происхождения нефти и газа. Согласно этой теории нефть и газ образовались вследствие скопления и последующего разложения животных организмов в условиях высоких t и P без доступа воздуха. Однако проблематичным является сама возможность скопления в громадных количествах трупов животных. Наиболее популярной теорией является теория смешанного происхождения нефти и газа, согласно которой в образовании их принимали участие и растительные и животные остатки. Эти остатки вначале превращались в их и далее под воздействием t и P → смолы → сложные углеводородные соединения → другие смеси. Протекающие химические и биохимические процессы, связанные с деятельностью бактерий и приводило к образованию газообразных продуктов – H, CH4 и др. Далее при наличии t и P, воздействия среды происходили реакции между H и органическими остатками, т.е. происходили процессы гидротенизации т.е. обогащения органики водородом, далее образование сложных смесей углеводородов а так же H2O, H2S, NH4 и далее различных типов жидких и газообразных CH-соединений. То есть характер и состав нефти и газа определяется не только средой, где происходило их образование, но и составом первичных исходных продуктов растительного и животного происхождения. Естественные, или природные газы делятся на: – природные, добытые из газовых месторождений, – попутные, добываемые попутно у месторождений нефти. Среди природных газов различают сухие – содержащие 95-99% CH4 и жирные, содержащие также его гомологи – этан, пропан, бутан. Как правило, все попутные газы относятся к жирным. Все виды природных топлив (кроме древесины) представляют собой горючие ископаемые – т.е. горные породы органического происхождения – каустобиолиты, которые подразделяют на: гумусовые породы (торф, каменные и бурые угли); сапропелевые породы (сапропелевые угли, горючие сланцы); петролиты (нефть, озокерит, горючие газы). Состав топлива. Основные технические характеристики топлива Состав топлива – наиболее важная техническая характеристика, определяющая процесс горения и количество выделяющейся при этом энергии. Основные топливообразователи – СГ, НГ, ОГ Состав горючей массы. Г Г В небольших количествах – S и N Процентное содержание этих веществ по отношению к горючей массе Углерод С – основная составная часть топлива ( в горючей массе различных топлив С от 50 до 95%), при полном сгорании 1 кг. С выделяется 8100 ккал тепла. При большем содержании С повышается выделение тепла но затруднено воспламенение. Водород Н – наиболее теплотворная составляющая ( в горючей массе различных топлив Н от 2 до 15%), %), при полном сгорании 1 кг. Н выделяется 30000 ккал. Часть водорода уже соединена с кислородом топлива и участия в горении не принимает. Кислород О является вредной составной частью топлива, не является горючей частью топлива, участия в горении не принимает, ( в горючей массе различных топлив О от 0.05% -бензин до 42% - дрова). Азот N также не участвует в горении (внутренний балласт) и выделяется из топлива при горении в чистом виде в дымовых газах, (содержание N в твердых и жидких топливах от 0.5% до 2.7%). Большие содержания азота в генераторных газах резко снижают тепловыделения. Сера S содержится в топливе в виде пиритной серы (горючая), органической серы (горючая) и сульфатной серы (не горючая, выпадает с золой и шлаками). Все эти компоненты составляют горючую массу топлива, им присваивается индекс. Процентное содержание в топливе всех веществ (включая золу), входящих в состав одной сухой массы, называют элементарным составом сухой масс (индекс СС). СС + НС + ОС + NС + SС + АС = 100 % Минеральные примеси, попадающие в состав топлива, составляют золу топлива (А). Зола не принимает участия в реакции окисления (горении, снижает теплотворную способность топлива. Во всех топливах имеется некоторое количество влаги (W). Общая масса топлива, включая золу и влагу, называется рабочей (индекс Р) СР + НР + ОР + NР + SР + АР + WР = 100 % Состав горючих газов характеризуется чаще всего в виде процентов объемного содержания составляющих газов, например, СО + Н2 + СО2 + Н2О + СН4 + СnНm + О2 = 100 % Тепловую ценность топлива принято характеризовать его теплотворной способностью Q, выражаемой в ккал/кг (Дж/кг) или ккал/м3 (дж/м3). Т.к. в продуктах сгорания топлив всегда содержится вода (пары воды – из-за наличия воды в топливе и образовании воды при сгорании водорода), то и обращается энергия на парообразование и конденсацию паров. В связи с этим для расчетов обычно применяется значение низшей теплотворной способности Q НР , которая учитывает тепловые потери с парами воды. Одной из основных особенностей твердых природных топлив (также древесины, композиций) является способность выделять при нагревании газообразные и жидкие продукты термического разложения их органической массы, так называемые летучие, обозначаются символом V. Летучие играют значительную роль при воспламенении и на начальных стадиях горения, в значительной степени определяют реакционную способность горючего вещества. Пример иллюстрации среднего состава природного топлива. Топливо VГ,% СГ, % НГ ,% ОГ ,% NГ,% SГ, АС Q НС % ,% 4500 Древесина 85 51 6 43 4800-6000 Торф 70 55-60 5-6 35-40 30-50 5000-7000 Бурый уголь 45-55 65-75 5-5.5 18-25 7500-8800 Каменный 15-45 78-93 4-5.5 4-15 уголь 8200-8300 Антрациты 5-10 93-97 1-2 1-2 8100 Углерод 100 - WР,% Теплопроизводительность топлива Теплопроизводительность топлива органического происхождения определяется в основном степенью окисления углеродной основы топлива. Чем больше степень окисления углеводородной основы топлива, тем меньше теплопроизводительность. Наибольшая теплопроизводительность наблюдается у топлива, состоящего из не окисленных углеводородов, например, у нефти, природного газа. В качестве примера рассмотрим молекулу метана, составляющего основу природного газа, СН4. Один атом С связан, т.е. весовое содержание водорода в молекуле метана составляет 25 %, т.е. ни один углеводородный продукт не содержит в себе такого большого количества водорода. При этом следует иметь в виду, что водород по своей теплотворной способности выше углерода в 4 ряда. Т.о. метан имеет самую высокую теплотворную способность, которая составляет 13300 ккал/кг. Химически формула метилового спирта – СН4О. В момент такого окисления уже выделилось некоторое количество энергии, теплотворная способность спирта метилового – 5340 ккал/кг. Присоединение еще одного атома кислорода приводит к образованию нового вещества – формальдегида – СН2О + Н2О, при этом происходит отделение одной молекулы воды. Теплотворная способность формальдегида – 2790 ккал/кг. Если к молекуле метана прибавить 4 атома кислорода, то это разбивает молекулу СН4 СН4 + 4О  СО2 + 2Н2О Такая смесь вообще гореть не может, и ее теплотворная способность равна  0. Падение теплотворной способности от наивысшего значения у чистого углерода до нулевого значения у продуктов полного окисления и иллюстрируется на рисунке 1. Рисунок 1 - Случай последовательного окисления этана – С2Н6. Теплотворная способность Для усвоения понятия теплотворной способности топлива фактической полезно сделать следующие вычисления для молекулы СН4 - 25 % Н – сгорание полное водорода, количество теплоты 0,25  34180 = 8545 ккал - 75 % С – сгорание углерода (графита) 0,75  7840 = 5880 Итого 14425 ккал Однако известно, что теплотворная способность метана – 13300 ккал, разница – 14425 – 13300 = 1125 ккал – расходуется на перестройку молекулы метана и кислорода при реакции окисления в СО2 и Н2О Т.о. разница в расчетах объясняется затратами на испарение балластной влаги топлива и влаги, образующейся при сгорании водорода. В связи с этим все расчеты ведутся не на полное количество тепла, выделяемого при сгорании 1 кг топлива (высшая теплотворная способность), а на выделенное тепло за вычетом тепла, потраченного на парообразование (низшая теплотворная способность топлива). По данным элементарного состава низшая теплотворная способность топлива (твердого и жидкого) приближенно может быть определена с помощью эмпирической формулы Д.И. Менделеева. Q НР  51С Р  246 Н Р  26S ЛР  26О Р  6W Р , ккал/кг Для сухих горючих газов низшая теплотворная способность может быть определена Q НС  25,8Н 2  30,2СО  85,6СН 4  152,3С 2 Н 6  218С 3 Н 8  283,4С 4 Н 10   348,9С 5 Н 12 ...55,9 Н 2 S ккал/нм 3 где Н2, СО, СН4…Н2S – объемное содержание, %, соответствующих газов в смеси. Добыча, потребление и значение ископаемого топлива Проблемой энергии из года в год занимается все больше специалистов. Решение в глобальном масштабе вопросов, связанных с этой проблемой, становится задачей множества научных учреждений, темой разнообразных семинаров, симпозиумов и конференций, в том числе на уровне ООН. Энергия составляет предмет и цель труда люден самых разнообразных профессий— классического энергетика, геолога и технолога, физикаядерщика и государственного деятеля. В научных журналах, сборниках трудов и учебниках разных уровней и назначения десятки тысяч страниц заполнены анализом энергетической проблематики с разных точек зрения. Важнейшие главы большей части этой литературы по-прежнему посвящены ископаемому топливу. Это не удивительно — ведь ископаемое топливо пока является «кровью» промышленного производства и основой энергетики. Мир все больше усилий уделяет поискам удовлетворительной альтернативы. Справедливость этих слов убедительно подтверждают, в частности, данные одного из бюллетеней МАГАТЭ (Международного агентства по атомной энергии): сегодня доля ископаемого топлива в мировом потреблении первичной энергии составляет 88,5%, а весьма обоснованные прогнозы на 2000 г. указывают цифру не ниже 65,5%. Таким образом, ископаемое топливо (различные виды угля, нефть и природный газ) имеет сейчас и сохранит в ближайшие десятилетия жизненно важное значение для человечества. Об угле человек узнал очень давно, но история техники свидетельствует, что в качестве нового вида топлива его впервые стали использовать приблизительно 900 лет назад в Англии, вблизи теперешнего города Ньюкасл-на-Тайне. А о широкой промышленной добыче угля можно говорить только в связи с развитием выплавки железа, т. е. с конца XVIII в. Что касается нефти, трудно сказать, когда человек впервые с ней познакомился. Установлено, например, что одно из нефтяных месторождений в Китае было известно еще в III в. до н. э. Доказано, что в Древней Месопотамии асфальт использовали в строительстве. Первый завод по переработке нефти в России был построен уже в XVIII в. Однако добыча нефти в крупных масштабах началась только с середины XIX в., причем зачинателями буровой разведки нефти по праву считаются американцы. Качественное и количественное развитие добычи обоих упомянутых видов топлива (а позднее и тем более в будущем — химического сырья) в последнее столетие шло стремительными темпами. Происхождение ископаемого топлива. Чтобы лучше понять механизм возникновения ископаемого топлива и место, которое ему принадлежит в энергетической системе Земли, воспользуемся схемой кругооборота энергии на нашей планете. Вся система состоит из двух частей: динамического потока энергии (на рисунке над поверхностью Земли) и статического количества энергии, т. е. ископаемых топлив, геотермической, ядерной и гравитационной энергии (на рисунке под поверхностью Земли). На поверхность Земли и ее окружение направлены три основных потока энергии (в тераваттах, 1 ТВт = = 1012Вт): 1) солнечное излучение мощностью 174 000 ТВт, 2) тепловой поток изнутри Земли мощностью 32 ТВт, 3) энергия морских приливов мощностью 3 ТВт. Из диаграммы видно, что 30% солнечного излучения отражается в космическое пространство, т. е. не влияет на энергетический баланс Земли. Но остальные 70% этой энергии, т. е. излучение мощностью около 122 000 ТВт, все же почти в 3500 раз превышают мощность остальных двух видов энергии и составляют, таким образом, решающую часть притока энергии во всей системе. Тепловой поток изнутри Земли к ее поверхности при нормальных температурах непосредственно превращается в тепло. Энергия приливов, как известно,— это ничтожно малая часть суммарной потенциальной и кинетической энергии системы Земля—Луна-Солнце. За счет превращения этой энергии возникают морские приливы и течения; их механическая энергия в свою очередь в результате трения также преобразуется в тепло. Но вернемся к тем 122 000 ТВт солнечного излучения, которые поглощает земная поверхность. Что происходит в энергетической системе Земли с этим излучением невообразимой мощности? Одна его часть поглощается атмосферой, океаном и сушей и при низких температурах превращается в тепловую энергию. Другая часть вызывает испарение, циркуляцию и выпадение воды в ее земном круговороте. Третья часть преобразуется в морские и атмосферные течения. Четвертую часть, в абсолютном выражении пренебрежимо малую (около 40 ТВт, т. е. немногим больше 0,03% всего солнечного излучения. Еще в 1771 г. английский химик Джозеф Пристли (1733—1804) обнаружил, что «животные изменяют воздух в непригодный для дыхания, а растения его очищают». Наблюдение Пристли возбудило интерес в научных кругах того времени, а опыты голландского естествоиспытателя и врача Яна Ингенгуса (1730—1799) привели в 1779 г. к новому выводу, что зеленое растение «очищает» воздух только на солнечном свету. Следующий важный шаг в этом направлении сделал швейцарский натуралист Жан Сенебье (1742— 1809), который доказал, что в течение дня, т. е. при солнечном свете, зеленые растения выделяют кислород, причем не потому, что они его «выдыхают», а вследствие усвоения углерода, т. е, в процессе своего питания. Такой процесс получил название фотосинтеза — оно верно отражает его сущность и потому сохранилось до наших дней. Речь идет о процессе, в котором неорганические вещества, прежде всего вода и углекислый газ, превращаются в сахариды, выделяя кислород. Для этой реакции необходимо, во-первых, присутствие хлорофилла, который содержится в зеленых частях растений и выполняет функцию сенсибилизатора, и, во-вторых, достаточное количество поглощенного хлорофиллом солнечного излучения (преимущественно с длиной волны в интервале 600—700 им). Напомним, что при фотосинтезе в химическую энергию преобразуется только 1—2% энергии падающего солнечного излучения. Следовательно, в действительности растения потребляют лишь 0,0003—0,0005% солнечного излучения, поглощаемого Землей. И такой ничтожно малой доли достаточно для благополучного существования всего живого мира! Гениальный русский ученый К. А. Тимирязев (1843— 1920) большинство своих трудов посвятил теоретическому и экспериментальному исследованию фотосинтеза. Ему принадлежат многие прекрасные изречения о природе, например: «Дайте самому лучшему повару столько солнечных лучей, сколько он пожелает, и целую реку чистой воды и попросите, чтобы он вам из всего этого приготовил сахар, крахмал, жиры, зерно; он подумает, что вы над ним смеетесь. Однако то, что представляется фантастическим и неосуществимым для человека, непрестанно происходит в зеленых листьях растений». При низкой температуре атмосферы эта теплота снова выделяется в виде теплового (т. е. длинноволнового) излучения. Слово «почти», выделенное в первой фразе, чрезвычайно существенно — оно связано с ископаемым топливом, т. е. основным источником легкодоступной энергии. Речь идет об относительно малом, но очень большом в абсолютном выражении количестве органического вещества, скрытого в торфяниках, болотах или иных местах с недостатком кислорода, т. е. там, где полного окисления этих веществ не происходит. Именно в таких местах в конечном счете и накапливается химическая энергия, запасенная растениями. Соответствующие химические процессы протекают чрезвычайно медленно, в течение долгих геологических периодов. В результате этих процессов образуются залежи ископаемых топлив (во всяком случае угля, а по мнению большинства ученых— также нефти и природного газа) под более или менее мощными слоями осадочных пород. Итак, ископаемые топлива возникли за счет энергии солнечного излучения, которое падало и продолжает падать на нашу планету. Это в буквальном смысле слова законсервированная энергия, причем в отличие от наших пищевых консервов возраст здесь не ухудшает качество продукта — скорее наоборот. Одним из основных признаков, по которым мы классифицируем ископаемые топлива, служит их агрегатное состояние. Существуют твердые ископаемые топлива (торф, бурый и каменный уголь, антрацит, горючие сланцы), жидкое топливо (нефть) и газообразное (природный газ). Их действительное происхождение и точный химический состав до сего времени не вполне известны. Уголь образовался в результате разложения и обугливания древних растений (а также животных), причем ученые еще не пришли к единому мнению относительно исходного материала и процесса обугливания. Наиболее правдоподобной считается теория Генри Потони (1857— 1913). Согласно этой теории, исходным материалом для всех видов современных ископаемых топлив были остатки древних растительных и животных организмов, которые в ходе длительных процессов постепенно подвергались химическим превращениям. Под процессом обугливания следует понимать прежде всего постепенное обогащение мертвого органического вещества углеродом при одновременном уменьшении содержания водорода и кислорода. Обугливание могло протекать по-разному — в зависимости от местных условий, а также от длительности процесса. При этом самую значительную роль играли температура, давление и доступ воздуха. Предполагается, что на первой стадии — в присутствии кислорода — происходило тление, т. е. медленное окисление и разложение органического вещества. В случае ограниченного доступа воздуха растительная масса истлевала в труху, а в еще более редких случаях (при почти полном отсутствии воздуха во влажной среде) превращалась в торф. Образовавшиеся таким образом продукты при благоприятных обстоятельствах служили исходным материалом для процесса обугливания (углефикации). Под «благоприятными» обстоятельствами мы здесь имеем в виду геологические катаклизмы, приводившие к «переукладке» поверхностных слоев земной коры. В результате «сырье», возникшее после первой стадии, подвергалось воздействию высокой температуры и давления, притом без доступа воздуха. Из разнородных исходных материалов в различных условиях возникали разные виды угля. Если органическое вещество, богатое углеводами, давало гумусовый уголь, а богатое белками и жирами — сапропелитовый, то высокое содержание смол и восков в «сырье» обусловливало образование липтобиолитического угля. Описанный процесс шел многие тысячи лет, и со временем характеристики угля менялись — прежде всего, возрастала концентрация углерода, снижалось содержание водорода и кислорода. Самым «молодым» из углей можно считать торф, в котором меньше всего углерода, зато относительно много водорода и кислорода. Самым «древним» углем является графит, который представляет собой почти чистый элементарный углерод. По поводу происхождения нефти сегодня существуют две совершенно противоположные теории. Более правдоподобной нам представляется органическая, или органогенная, теория, согласно которой нефть возникла из органического вещества, преимущественно из растительного и животного планктона, морских трав и прочих водорослей под действием бактерий, тепла и катализаторов, а возможно, и радиоактивности. Более старая, неорганическая теория имеет сегодня меньше сторонников, но вместе с тем еще не опровергнута. Она предполагает возникновение нефти из неорганических веществ, прежде всего из карбидов металлов и воды. По мнению некоторых исследователей, нефть и сопутствующий ей природный газ образуются и в наше время в процессе различных реакций на больших глубинах, в раскаленной магме. Другие ученые также предполагают глубинное, но не связанное непосредственно с магмой происхождение нефти. В лабораторных условиях удалось, воздействуя слабо подкисленной водой на среднеазиатские магматические порфиры, содержащие карбиды урана, получить до 4,5 кг различных углеводородов на 1 т горной породы. Обе упомянутые теории имеют своих приверженцев и обоснованы вескими аргументами. В последнее время специалисты допускают, что справедливы обе гипотезы — органического и неорганического происхождения ископаемого топлива: первая преимущественно для нефти мелкого залегания, вторая для более глубоких и древних нефтяных горизонтов. Лекция 5 Физические и термодинамические свойства газов: газовые и жидкие смеси и их свойства. Плотность газов. Влажность газов. Теплоёмкость газов. Состав продуктов взрыва. Задачи и основные принципы приближенных методов расчета состава продуктов взрыва ВВ. Основными компонентами природных углеводородных газов являются газообразные парафиновые углеводороды: метан, этан, пропан, бутан. Более тяжелые парафиновые углеводороды (пентан) составляют ничтожные количества. В искусственных газах, кроме парафиновых, содержаться также непредельные, т.е. олефиновые углеводороды. В естественных и искусственных газах в некоторых количествах могут быть CO2, N, H2S, H, O2 (CO в искусственных газах). В коксовом газе преимущественно H. В генераторном газе – H, N, CO2. Плотность газов 3 Плотность,  , кг/л, кг/м . Величина, обратная плотности – удельный (массовый) объем – м3/кг. Согласно закона Авогадро: плотности газов должны относится между собой как их молекулярные массы  М1   М1 Удельные объемы (массовые) должны относиться между собой обратно пропорционально их молекулярным массам V1 M 1  V1 M 1 Зная химическую формулу и пользуясь законом Авогадро можно определить плотность любого газа по воздуху  M 22,4 1,293 Плотность газов меняется, в зависимости от внешних условий ρ увеличивается с увеличением давления, ρ уменьшается при увеличении t, ρ увеличивается с увеличением молекулярной массы. (плотность жидкостей с изменением ρ не меняется) Изменение плотности насыщенных паров в замкнутом пространстве в зависимости от изменения температуры. Следует иметь ввиду, что насыщенные пары могут находится над жидкостью в замкнутом объеме. Влажность газов Влажность газов может иметь место и является нежелательным явлением, образуется кондуит, т.е. выпадение воды из газа и при низких t – замерзание, ледяные пробки в арматуре 2 3  относит , φабс= rH O /м кг газа; rH O /м кг газа 2 2  относит   факт  макс ρп ρж Изменение влагосодержания природных газов в зависимости от t и P. Например – критическая температура – это максимальная температура, при которой жидкая и паровая фазы могут существовать одновременно. Давление паров при этой температуры называют критическими. При t более tкр при любом давлении где не может быть переведен в жидкое состояние, отсюда следует состояние углеводородного продукта: для CH4 tкр – (-82,5 °С) для пропана tкр – (+96,8 °С) при увеличении t, увеличивается давление в сосуде, и может быть разрыв, нарушение герметичности, утечки и т.д. Теплоёмкость газов Для определения количества тепла, участвующего в процессе, вводят понятие об удельной теплоемкости системы: с уд  1 dQ z dT (1) где: Z - масса системы, выраженная в какой-либо количественной единице измерения. В соответствии с определением (1) удельная теплоемкость представляет собой количество тепла, приходящееся на 1°С изменения температуры какой-либо количественной единицы массы в элементарном процессе. Теплоемкость элементарного процесса называется истиной. В технической термодинамике наиболее употребительными единицами измерения массы являются кг и кгмоль (в дальнейшем - просто моль). В соответствии с выбранными единицами измерения различают удельную массовую теплоемкость (в дальнейшем - просто массовую теплоемкость) и удельную мольную теплоемкость (в дальнейшем - просто мольную теплоемкость). По определению (1), если масса системы выражается в килограммах, то Z=m кг, и с уд  1 dQ dq  c m dT dt (2) если же числом молей, то Z = М молей, и с уд  1 dQ с М dT (3) где с, с - массовая и мольная теплоемкости соответственно, дж/кг.град, дж/моль.град. Сопоставляя уравнения (1), (2) и (3), легко определить zc уд  mc  Mc откуда с m c  с М (4) Полученная связь между удельными теплоемкостями позволяет определить одну из теплоемкостей, если известна другая. В дальнейшем для целостности изложения будем определять только массовую теплоемкость, имея в виду, что мольную теплоемкость всегда легко вычислить, пользуясь соотношением (4). Если известны величины удельных теплоемкостей, то количество тепла, участвующего в термодинамическом процессе в соответствии с (1), (2) и (3) определится из уравнений: 2 2 2 Q  z  c уд dT  m  cdT  M  c dT 1 1 (5) 1 Таким образом, введение понятия о теплоемкости позволяет свести задачу об определении количества тепла к задаче об определении теплоемкости и ее зависимости от различных факторов. Действительно, если бы величина теплоемкости была постоянной, то Q  mc (T2  T1 ) Тогда задача сводится только к определению величины теплоемкости для заданного процесса. Однако в общем случае величина теплоемкости переменна и зависит от ряда факторов. Для выявления этих факторов и способа расчета теплоемкости воспользуемся определением (2) и первым законом термодинамики. В результате получим соответственно: с dq du d  p dT dT dT (6) с dq di dp   dT dT dT Для du и для di определим:  du   d  du  с      p  dT   d  T  dT (7)  di   dp  di  с         dT  p  dp  T  dT Эти выражения и являются наиболее общими для теплоемкости. Из уравнений (7) следует, что для вычисления теплоемкости необходимо знать u =u (Т, p) или i=i(T,p), т.е. одно из калорических уравнений состояния, и    (T ) или р=р(Т) - уравнение процесса. При любой форме выражения теплоемкости знание этих уравнений является принципиально необходимым. В том случае, когда калорическое уравнение состояния и уравнение процесса заданы в различных переменных, необходимо и термическое уравнение состояния F(р,  , Т ) = 0. Поскольку для вычисления теплоемкости используется калорическое уравнение состояния, то теплоемкость должна зависеть от структуры системы и параметров состояния. Структура системы определяет явный вид калорического уравнения, а параметры состояния - энергию системы. Поэтому в самом общем случае, в соответствии с уравнениями (7), теплоемкость зависит от структуры системы, параметров состояния и характера процесса. Обычно выражения для теплоемкости записываются несколько в иной, чей по (7), форме. Если в первом уравнении (7) положить   соnst и обозначить теплоемкость этого процесса C , то можно получить  dU  c     dT  Совершенно аналогично из второго уравнения (7) для р=соnst найдем  di  cр     dT  p (8) процесса (9) С учетом (8) и (9) уравнения (7) можно переписать в следующем виде:  dU   d c  c     p  d  T  dT (10)  dU   dр     c  c р    dр T  dT Важно заметить, что с и ср в принципе не являются характеристиками соответствующих процессов, а представляют собой характеристики системы. Для определения численных значений с и ср по (8) и (9) необходимы только калорические уравнения состояния. Поэтому с и ср однозначно определяются энергетическим состоянием системы и являются, таким образом, функциями состояния. Физический смысл этих величин непосредственно следует из (8) и (9): с характеризует изменение внутренней энергии, а с - энтальпии, вызванное изменением только кинетической энергии элементарных частиц, составляющих систему. То, что численные значения теплоемкостей в процессах и p  const совпали с некоторыми энергетическими   const характеристиками системы ( c и c p ), объясняется исключительно тем, что только в этих процессах тепло численно равно изменению внутренней энергии или энтальпии соответственно. Уравнения (10) ничем не отличаются от уравнений (7), так как для определения c и c p в обоих случаях необходимы те же калорические уравнения. Определение калорических уравнений состояния реальных систем представляет значительные трудности. Поэтому, как правило, обращаются к идеальному газу. Для идеального газа и и I зависят только от температуры. Тогда  i   u        0   T  p T и из (10) получим: c  c  p d dT (11) c  cp  dp dT так как и и i не зависят от р и  . Физически переход от частных производных к полным очевиден: для идеального газа изменение внутренней энергии и энтальпии определяется только изменением кинетической энергии элементарных частиц. Из (11) следует, что в случае идеального газа для вычисления теплоемкости необходимо знать c , c p и характер термодинамического процесса. Обычно достаточно знать одну из указанных теплоемкостей, так как они связаны между собой определенной зависимостью. Уравнение, связывающее c и c p , впервые было получено Р. Майером, носит его имя и может быть получено в явном виде при помощи уравнения состояния. Вычитая получено из второго уравнения первое (11), найдем. с p  c  d  p  . dT Используя уравнение состояния идеального газа для определения производной, получим уравнение Майера: с p  c  R (12) Обозначив с p / c  k , из (12) будет иметь: c  R k 1 (13) k cp  R k 1 Величина k называется показателем адиабаты и является одной из важнейших характеристик термодинамической системы. Важно заметить, что величина k определяется однозначно только состоянием системы. Действительно, поскольку с и с зависят только от состояния системы, то k - также функция состояния. Таким образом, в случае идеального газа для определения c p теплоемкости необходимо знать только c или и характер термодинамического процесса, В свою очередь, с и с идеального газа также зависят от калорического уравнения состояния, а поэтому и от структуры системы. Для идеального газа u  u (T ) и i  i (T ) . Если калорические уравнения c линейны, то согласно (8) и (9) c и p не будут зависеть от температуры, в противном случае будут функциями температуры. Влияние различных факторов на теплоемкость Влияние характера процесса. Ранее отмечалось, что тепло является одной из форм энергообмена между термодинамическими системами, и, следовательно, при заданном начальном и конечном состоянии системы количество тепла должно зависеть от характера процесса . Если количество тепла зависит от характера процесса, то по (13) и теплоемкость также является функцией процесса. Для оценки степени этого влияния определим величину теплоемкости (1) некоторых характерных процессов: 1) dQ  0 , dT  0 c 0, (адиабатный процесс) 2) dQ  0 , dT  0 c   . (изотермический процесс) Таким образом, влияние характера процесса является принципиальным для теплоемкости, которая в зависимости от процесса может приобретать любые значения. Аналогичный результат следует и из уравнений (11). теплоемкость с характеризует термодинамический процесс, а не наиболее характера Поэтому состояние системы. Характеристиками состояния являются только c и c p , определение которых наиболее трудная и важная задача. Без знания этих характеристик системы практически невозможно производить термодинамические расчеты вообще и вычисление теплоемкости в частности. Поэтому в дальнейшем будем определять только эти теплоемкости, тем более, что влияние структуры и температуры газа на величину теплоемкости проявляется только через c и c p . Влияние структуры газа на теплоемкость. Для того чтобы найти численные значения c и c p из (8) или (9), достаточно знать одно из калорических уравнений, так как вместо второго можно использовать уравнение Майера. Обычно по калорическому уравнению состояния определяется c , а c p - из уравнения Майера. Поэтому задача сводится к установлению зависимости вида u  u (T ) . Для определения этой зависимости необходимо знать структуру системы. Классическая (феноменологическая) термодинамика не связана со структурой систем, а оперирует наиболее общими макрофизическими свойствами этих систем. Поэтому она в принципе не позволяет определить уравнения состояния. Для решения задачи можно воспользоваться методом молекулярно кинетической теории. Рассмотрим термодинамическую систему, представляющую собой идеальный газ. Внутренняя энергия идеального газа определяется как сумма только лишь энергий движения частиц. Число возможных и независимых движений частиц определяется числом степеней свободы и зависит, таким образом, от структуры системы. Так, число степеней свободы любого свободного жесткого тела в общем случае равно шести: три степени свободы поступательного и три - вращательного движения. Рассматривая молекулы идеального газа как жесткие соединения атомов, а атомы - как материальные точки, получим: 1) для одноатомного газа только три степени свободы поступательного движения, так как энергия всех вращательных движений равна нулю; 2) для двухатомной молекулы пять степеней свободы, так как энергия вращения по оси, совпадающей с линией центров, равна нулю; 3) для трехатомной молекулы в общем случае вое шесть степеней свободы, а для линейной молекулы, как и в случае двухатомной, только пять. Определим функцию и(Т) для одноатомного газа. Из курса физики известно, что средняя энергия поступательного движения всех молекул, содержащихся в 1 кг массы газа, равна: е 3 RT . 2 Так как частицы одноатомного газа имеют лишь поступательные степени свободы, то внутренняя энергия одноатомного газа равна энергии только поступательного движения. Поэтому калорическое уравнение для одноатомного газа будет иметь вид uе 3 RT . 2 (14) Для определения двух-, трех- и многоатомных газов необходимо знать распределение энергии по степеням свободы, так как температура характеризует кинетическую энергию только поступательного движения, а молекулы таких газов имеют и вращательные степени свободы. Наиболее просто предположить, что энергия газа равномерно распределена между всеми степенями свободы. Это положение является основным в классической молекулярно-кинетической теории теплоемкости. Тогда для определения внутренней энергии идеальных газов любой атомности достаточно знать энергию, приходящуюся на одну степень свободы и число степеней свободы. Энергию еi , приходящуюся на одну степень свободы молекул, содержащихся в 1 кг массы газа, можно определить из (14). Имея в виду равномерное распределение энергии между всеми степенями свободы, а также число степеней свободы одноатомного газа (три), из (14) получим еi  1 RT . 2 Тогда: u  еi i  i RT , 2 где: i - число степеней свободы (15) элементарной частицы газа. Таким образом, если считать принятое распределение справедливым, то уравнение (15) также справедливо для идеальных газов любой атомности. Получив калорическое уравнение идеального газа (1.2.61), определим численное значение теплоемкостей. В соответствии с (8) и (15) для идеального газа получим du R  u  с    i,    T  dT 2 (16) а на основании уравнения Майера:  i c p  с  R  1   R .  2 (17) Значения соответствующих мольных теплоемкостей определятся из (16) и (17) умножением на молекулярный вес: R i; 2  i c p  с p  1   R  2 . с  c  Из последних уравнений видно, что массовая теплоемкость зависит от структуры газа (i) и рода газа (R), а мольная теплоемкость - только от структуры газа (i). Вычисленные значения теплоемкостей не всегда хорошо согласуются с экспериментальными: - для одноатомных газов - хорошо, - для двухатомных газов при температурах, близких к 0°С удовлетворительно; - для двухатомных газов при высоких температурах, трех и многоатомных газов при любых температурах не согласуются. Кроме того, экспериментальные исследования показывают явную зависимость теплоемкости от температуры. Такое несоответствие между результатами молекулярно-кинетической теории и экспериментальными данными объясняется в основном двумя причинами: 1) неточностью принятой модели газа; 2) несправедливостью принципа равномерного распределения энергия по степеням свободы. с р Зависимость теплоемкостей с и от температуры. При определении структуры газа считалось, что связь между атомами в молекулах жесткая. В действительности эти связи квазиупругие, а поэтому атомы в молекулах совершают колебательные движения. Иначе, в молекулах имеются и колебательные степени свободы. Вели считать, что энергия равномерно распределяется по всем степеням свободы, в том числе и R 2, колебательным, то теплоемкость должна быть кратна что не соответствует экспериментальным данным. Следовательно, распределение энергии неравномерно. Более того, это распределение зависит от температуры, иначе температура не влияла бы на теплоемкость. Однако объяснить эту зависимость классическая молекулярно-кинетическая теория не в состоянии. Ее объяснила квантовая теория теплоемкости. Квантовая теория учитывает несколько видов внутримолекулярных движений, в том числе и колебательные. В соответствии с основным положением квантовой теории, энергия поглощается молекулами дискретно, квантами (порциями). Энергия кванта ( h ) пропорциональна частоте колебаний. С увеличением температуры увеличивается частота колебаний, поэтому увеличивается энергия, поглощаемая колебательным движением атомов в молекуле. В результате с увеличением температуры теплоемкость возрастает. При температурах порядка 0°С энергия, идущая на колебательное движение двухатомной молекулы, мала по сравнению с энергией других видов движения. Поэтому в данном случае молекулярно-кинетическая теория дает достаточно удовлетворительный результат. При высоких температурах пренебречь колебательной степенью свободы для газов любой атомности невозможно. Таким образом, теплоемкость двух-, трех- и многоатомных газов зависит от температуры. Теплоемкость одноатомного газа не зависит от температуры и удовлетворительно определяется молекулярно-кинетической теорией, так как принятая модель достаточно близка к действительной (с точностью до энергии вращения, которая мала), а дополнительные условия о распределении энергии для одноатомного газа не требуются. Ввиду сложности даже приближенного аналитического определения, теплоемкости двух-, трех- и многоатомных газов обычно задаются в виде таблиц или эмпирических зависимостей. Таблицы теплоемкостей могут быть составлены по результатам экспериментальных исследований или приближенных аналитических расчетов на основе квантовой теории. Эмпирические зависимости получают, как правило, в результате аппроксимации экспериментальной зависимости теплоемкости от температуры. В результате аппроксимации зависимость теплоемкости от температуры вида: может быть представлена с  А  Вt  Dt 2  ...  Ft n , степенным рядом (18) где: с - массовая изохорная или изобарная теплоемкость; А,В,D,...,F- постоянные коэффициенты, различные для изохорной и изобарной теплоемкостей. В целях упрощения технических расчетов, чаще зависимость теплоемкости от температуры аппроксимируют не степенным рядом, а линейным законом на таком интервале температур (рис. 1), чтобы ошибка в определении теплоемкости не превышала требуемой. Иначе, производят кусочно-линейную аппроксимацию сложной зависимости. Тогда для каждого интервала температур теплоемкость определится следующим образом: Рисунок 1 с  Аi  Вi t , (19) где: Аi , Вi - коэффициенты, зависящие от интервалов температуры. Использование линейной зависимости облегчает расчеты, обеcпечивая при этом достаточную для технических задач точность. Аналогичным образом представляются и мольные теплоемкости, но численные значения коэффициентов в (18) и (19) будут в  раз больше. Поэтому в общем случае можно записать: с уд  a  bt  dt 2  ...  ft n (20) или при кусочно-линейной аппроксимации (21) В заключение заметим, что для реальных газов теплоемкость зависит и от давления. Однако эта зависимость, как правило, слаба и учитывается только в специальных случаях. с уд  ai  bi t Средняя теплоемкость В соответствии с определением удельной теплоемкости (1), количество тепла, участвующее в произвольном термодинамическом процессе, можно вычислить следующим образом: 2 Q  z  c уд dT . 1 Если вместо с уд подставить ее значение по (21), а также иметь в виду, что dT  dt , то получим: 2 Q  z  (ai  bi t )dt . 1 Зная численные значения коэффициентов, можно вычислить количество тепла. При этом всякий раз необходимо производить интегрирование, что неудобно. Этой операции можно избегать, введя понятие о средней теплоемкости. Действительно, если ввести понятие о средней теплоемкости, то 2 Q  z  c уд dt  zc удm  (t 2  t1 ) , (22) 1 где: с уд - некоторая условная постоянная в заданном интервале температур величина, которая и называется средней удельной теплоемкостью. Из (22) следует, что c удm  Q . z (t 2  t1 ) (23) Из определения ясно, что по своему содержанию средняя теплоемкость весьма условная величина, но, как было замечено, ее использование позволяет упростить расчет количества тепла. Определим связь между средней и истинной теплоемкостями: 2 c удm 1 c уд dt Q .   z (t 2  t1 ) t 2  t1 Подставляя вместо с уд интегрирование, получим окончательно c удm  ai  bi t1  t 2 . 2 (24) Таким образом, зная зависимость истинной теплоемкости от температуры, можно легко, без интегрирования, по (24) определить средние теплоемкости в заданном интервале температур. Тогда количество тепла определится по формуле (22). Так, если масса задана в килограммах, то z  m : c уд  cm , Q  mcm  (t 2  t1 ) , (25) m Если числом молей, то z  M : c удm  c m , Q  M c m ( t 2  t1 ) , (26) Сопоставляя выражения (25) и (26), можно убедиться, что связь между средней мольной и средней массовой теплоемкостями такая же, как и между истинными. Вычисление средней удельной теплоемкости по формуле (24) не всегда удобно. Во всех отношениях более удобно пользоваться таблицами средних теплоемкостей, которые могут быть заранее рассчитаны по формулам типа (24) или приближенным аналитическим зависимостям. Для того, чтобы можно было рассчитать количество тепла, необходимое для изменения состояния тела в любом диапазоне температур, необходимо иметь теплоемкости c уд для любого сочетания t 2 и t1 . Выполнить такие таблицы практически не представляется возможным, так как невозможно охватить всевозможные сочетания температур. Более целесообразно при составлении таблиц средних теплоемкостей отсчет вести от какой-либо фиксированной температуры. Эта температура принята равной 0°С. Поэтому в таблицах приводятся значения средних удельных теплоемкостей (изохорных и изобарных) в диапазоне температур от 0°С до t  с уд . Как отмечалось, они могут быть рассчитаны по формулам типа (24); если считать, что t1  0 , тогда m m c удm  ai  bi t . 2 Используя эти средние теплоемкости, можно определить количество тепла, участвующего в процессе при изменении температуры в любом интервале. Действительно, t2 t2 t1 0   t2     Q  z  c уд dt  z  c уд dt   c уд dt  z  c уд dt   c уд dt   z c удm  t 2  c уд m  t1 .  t  0 t1  1     Так, если масса задана в килограммах, то Q  mc m  t 2  cm  t1  , если числом молей, то  (27)  Q  M c m  t 2  c m  t1 , (28) где значения средних теплоемкостей cm , c m берутся из таблиц для соответствующих значений температур (приложение, табл.1). Теплоемкость смеси газов В большинстве практических задач рабочим телом служит смесь различного рода газов. Рассматривая квазиравновесные процессы, для которых температуры всех газов в смеси одинаковы, можем записать n Q  z1c уд m1 (t 2  t1 )  z 2 c удm 2 (t 2  t1 )  ...  z n c удmn (t 2  t1 )   zi c удmi (t 2  t1 ) , 1 гдб: c уд mi - средняя удельная теплоемкость i-го газа; (29) z i - масса i -го газа, выраженная в соответствующих единицах (килограммах или молях). С другой стороны, смесь газов можно рассматривать как некоторый фиктивный однородный газ, а поэтому можно также записать Q  zc уд mсс (t 2  t1 ) , (30) где: z - общая масса смеси; c уд mсс - средняя удельная теплоемкость смеси. Приравняв правые части выражений (29) и (30) и решая относительно c уд mсс , найдем n c уд mсс   z i с удmi , z 1 Из (31) видно, что для расчета знать состав смеси. При задании смеси массовыми долями: z i mi   qi z m , (31) теплоемкости необходимо n c уд m  cm cm см   qi cmi , 1 Мольная теплоемкость вычисляется по умножением обеих частей на молекулярный вес смеси: . (32) формуле (32) n q c i mi c m см   см сmсм  , 1 n q 1 i i (33) При задании смеси объемными долями zi M i   ri , c уд m  c m z M и тогда n c m см   ri c mi , (34) 1 а средняя массовая теплоемкость смеси определяется соответственно n сm см  сm  СМ  1n  см ri c mi , r  i (35) i 1 При известным средним удельным теплоемкостям смеси количество тепла рассчитывается в соответствии с общим выражением (30): Q  mcm см (t 2  t1 )  М c m (t 2  t1 ) . (36) СМ Состав продуктов взрыва, физические и химические взрывы Химические превращения веществ, протекающие в форма взрыва, характеризуются рядом специфических качественно своеобразных особенностей. В наиболее широком смысле слова под взрывом понимается чрезвычайно быстрое изменение состояния вещества, сопровождающееся столь же быстрый превращением энергии, которое, как правило, приводит к разогреву, движению и сжатию окружающей среды, возникновению интенсивного скачка давления в месте взрыва к разрушению и разбрасыванию окружающей среди. Под это общее понятие взрыва можно в одинаковой мере отнести взрывы, обусловленные различными физическими причиной (''физические" взрывы), и взрывы, в основе которых лежат чрезвычайно быстрые химические превращения веществ ("химические" взрывы). Примерами "физических" взрывов могут служить: 1) Ядерные взрывы, источником которых служит ядерная энергия. Этот вид взрывов может быть искусственно вызван в земных условиях и в широких масштабах протекает в космосе. 2) Взрывы электрической природы, источником которых служит электрическая энергия. Примерами этого вида взрывов могут служить мощные искровые разряды в воздухе (молнии) или взрывы тонких металлических проволочек ври пропускании через них тока высокого напряжения ('взрывающиеся проволочки"). 3) Взрывы, происходящие при соударениях тел, движущихся с высокими скоростями (падение крупных метеоритов). Источником взрывов этого вида служит кинетическая энергия движущихся тел, которая при ударе переходит в тепловую энергию, достаточную для превращения части вещества в сильно нагретый газ, что и приводит к взрыву. 4) Взрывы баллонов со сжатым газом, паровых котлов, вулканические взрывы. В этих видах взрывов источником энергии служат сжатые газы. 5) 3емлетрясения - своеобразная форма "физического" взрыва, обусловленного внезапным переходом потенциальное энергии упругих деформаций в энергию движения (перемещения) среды. Общим для всех видов "физических" взрывов и взрывов химической природы является чрезвычайно быстрый переход потенциальной энергии системы в механическую работу разрушения окружающей среды. Отличие же "химического" взрыва от "физических" взрывов состоит в том, что если при "физических" взрывах изменение химической природы вещества, как правило, не происходит (исключение составляет ядерные взрывы), то "химический'' взрыв - это результат веста быстрого превращения вещества. В настоящее время "химические" взрывы являются наиболее изученными и имеют важное практическое значение. К химическим взрывам относятся взрывы взрывчатых веществ (ВВ), жидких и твердых топлив, взрывчатых газовых смесей, а также взрывы пылевоздушных или пылекислородных смесей. Под взрывчатыми веществами (ВВ) понимаются такие вещества, которые, представляя собой неустойчивые в термодинамическом отношении системы, способны под влиянием внешних воздействий к весьма быстрым химическим превращениям, сопровождающиеся выделением энергии и образованием сильно нагретых газообразных продуктов превращения. Характерными признаками взрывных превращений веществ являются: а) экзотермичность процесса превращения; б) способность его к самораспространению по массе исходного вещества; в) наличие конечного по ширине фронта превращения, перемещающегося с весьма высокой скоростью; г) образование продуктов взрыва в виде газов и паров. Необходимо подчеркнуть, что только сочетание указанных признаков определяет возможность протекания химического превращения вещества и форме взрыва, при этом каждый отдельный признак играет свою особую роль в развитии взрывного процесса в целом. Экзотермичность превращения. Без выделения энергии в ходе химических реакций возникновение и развитие взрыва вообще не возможно, так как в противной случае потребовался бы непрерывный приток энергии извне. Кроме того, за счет тепло, выделяющегося при взрыве, происходит разогрев газообразных продуктов взрыва до нескольких тысяч градусов и осуществляется последующее разрушительное действие при расширении продуктов превращения вещества. Экзотермичность процессов превращения ВВ обуславливается различными причинами, главным из которых являются химическое разложение эндотермических соединений и окисление горючих элементов (углерода и водорода) за счет кислорода, содержащегося в молекуле вещества. Способность реакции к самораспространению. Этот фактор является необходимым условием взрывных превращений, так как только благодаря такому характеру протекания процесса возможно полное, без остатка, превращение вещества и выделение соответствующего количества энергий. Причиной самораспространения является передача энергии, выделившейся в зоне химических реакций, новым слоям ВВ, которая при взрывных превращениях, в отличие от процессов горения, осуществляется при помощи распространения ударной волны. Высокая скорость распространения. Для взрывных процессов характерно чрезвычайно быстрое, происходящее за стотысячные м миллионные доли секунды превращение исходного вещества в конечные газообразные продукты взрыва. В результате такого быстрого превращения веществе достигаются чрезвычайно высокая скорость выделения энергии в единице объема высокая мощность взрыва. Высокие скорости распространения взрывных процессов обусловлены тем, что передача энергии новым слоям ВВ для возбуждения в них интенсивной химической реакции осуществляется посредством ударной волны, которая распространяется со скоростью, в несколько раз превосходящей скорость звука к исходном веществе. Для современных ВВ линейная скорость распространения взрыва составляет 4500 - 9000 м/сек. Газообразование. Высокие давления, возникающие при взрыве, и обусловливаемый ими разрушительный эффект взрыва не могли бы быть достигнуты, если химическая реакция не приводила бы к образованию достаточно большого количества газообразных продуктов. Эти продукты, находящиеся в момент взрыва в чрезвычайно сжатом состоянии (давление газов достигает сотен тысяч атм.), являются тем физическим агентом, в процессе расширения которого осуществляется чрезвычайно быстрый переход потенциальной энергии ВВ в механическую работу разрушения окружающей среды. Значение фактора газообразования можно проиллюстрировать на примере хорошо известной реакции: Fe2O3+2Al→Al2O3+2Fe Это превращение смеси порошкообразных веществ и окиси железа удовлетворяет первым трем основным признакам взрыва: реакция экзотермична, способна к самораспространению и протекает с довольно высокой скоростью. Однако конечные продукты реакции (Al2O3, Fe) выделяются в конденсированном виде и только поэтому термитная реакция не приводит к взрыву. Только наличие всех четырех характерных признаков обеспечивает протекание химических превращений в форме взрыва. Взрывные процессы могут протекать в двух формах: собственно взрыв и детонация. Отличие между ними состоит лишь в том, что собственно взрыв характеризуется переменной скоростью распространения реакции по массе исходного вещество, детонация же представляет стационарную форму взрыва: они характеризуется постоянной и максимально возможной для данного ВВ и данных условий взрыва скоростью распространения. Явления горения и взрыва имеют много общих черт. Общность их выражается в том, что и для горения и для взрыва характерно сочетание одинаковых признаков, а также в том, что горение какого-либо вещества при наличии определенных условий может переходить во взрыв. Задачи и основные принципы приближенных методов расчета состава продуктов взрыва ВВ. Расчет состава продуктов взрыва производится с целью определения их термодинамических параметров и взрывчато-энергетических характеристик ВВ, которые используются для оценки количественных показателей действия взрыва. Так, зная состав продуктов взрыва ВВ, ыоаьи рассчитать теимрйтуру продуктов детонации, удельный объем газообразных продуктов взрыва, скорость детонации ВВ и оценить величину механической работы, которую совершают продукты взрыва. Рассчитать состав продуктов взрыва значит определить какие вещества и в какой количестве образуются при взрыве 1 моля или 1 кг данного ВВ. Обычно рассчитывается мольный состав продуктов взрыва, т.е. определяется количество молей различных конечных продуктов превращения ВВ, приходящееся на 1 моль исходного вещества. Состав продуктов взрывчатого превращения ВВ зависит от его элементарного состава и условий протекания химических реакций в процессе взрыва, в частности, от плотности и размеров заряда ВВ, способа инициирования взрыва и других факторов. Иными словами говоря, состав продуктов взрыва данного ВВ не является однозначной функцией его элементарного состава. Иллюстрацией этому выводу могут служить данные по составу продуктов взрыва тротила, полученные опытным путем при взрывах тротила, инициированных импульсами различной интенсивности (табл. 1) Таблица 1 Условия взрыва Слабый импульс Сильный импульс Состав продуктов взрыва, г-моль/кг СО Н2О Н2 СН4 N2 НСN С СО2 6,60 1,78 18,63 4,25 5,34 0,10 4,74 15,00 5,30 8,79 7,05 1,69 0,03 5,20 C2N2 NH3 1,10 1,20 0,30 1,40 0,10 0,90 Сущность приближенных методов расчета состава продуктов взрыва состоит в том, что они в большинстве случаев отвлекаются от влияния различных внешних факторов и исходят только из элементарного состава ВВ и предварительной качественной оценки состава продуктов его взрывчатого превращения. Как уже отмечалось, большинство ВВ состоит из элементов С, Н, О и N. Наиболее характерными продуктами превращения таких веществ могут быть газы СО2, Н2О, СО, Н2, N2, О2 и углерод в свободном виде. В незначительных количествах могут образоваться также газы NО, СН4, NH3, C2N2 и некоторые другие. Между указанными продуктами взрыва после их образования могут протекать различные реакции, которые в конечном счете и определяют окончательный состав продуктов превращения ВВ. Важнейшими из этих реакций являются: 1) Реакция диссоциации углекислоты 2СО2↔2СО+О2 2) Реакция диссоциации водяного пара 2Н2О↔2Н2+О2 3) Реакция водяного газа СО+Н2О↔ СО2+ Н2 4) Реакция Будуара 2СО↔ СО2+С 5) Реакция образования окиси азота N2+ О2↔ 2NО Последняя реакция, как установлено исследованиями, получает заметное развитие лишь при очень высоких температурах взрыва и поэтому для большинства ВВ она не имеет существенного значения. Роль других реакций в определении конечного состава продуктов взрыва зависят от элементарного состава ВВ (прежде всего, от величины кислородного коэффициента) и условий взрыва. Если ВВ имеет положительный или нулевой кислородный баланс (А>100%), то направление реакций взрывчатого превращения вещества соответствует принципу максимального тепловыделения: в продуктах взрыва будут содержаться в основном продукты полного окисления горючих элементов (СО2, Н2О) и газы О2 и N2. Реакции образования окиси азота и диссоциации воды для таких ВВ не имеют существенного значения. Однако реакция диссоциации углекислоты может получить заметное развитие и её приходится учитывать. При взрыве ВВ с отрицательным кислородным балансом, относящихся к ВВ 2-ой группы, значительную роль в определении состава продуктов взрыва начинает играть как реакция диссоциации углекислоты, так и реакция диссоциации водяного пара. В связи с этим в продуктах взрыва таких ВВ, наряду с продуктами ВВ, наряду с продуктами полного окисления, будут содержаться газы СО и Н2. Соотношение между основными компонентами продуктов взрыва: СО2, СО, Н20 и Н2 в данном случай регулируется реакцией водяного газа. Если ВВ относится к 3-ей группе, то при расчете состава продуктов взрыва приходится учитывать не только реакцию водяного газа, но и реакцию Будуара. Исходя из изложенных соображений может быть построен соответствующий метод расчета состава продуктов взрыва ВВ каждой группы. Общий принцип, лежащий в основе этих методов расчета, заключается в определении наиболее вероятного качественного состава продуктов взрыва для каждого ВВ, в составлении системы независимых уравнений по числу неизвестных величин (число молей каждого компонента продуктов взрыва) с в решении системы уравнений относительно неизвестных величин обычными алгебраическим» методами. Методы расчета состава продуктов взрыва, построенные по атому принципу, позволяют достаточно точно вычислить количество каждого компонента продуктов взрыва, если предварительная оценка их качественного состава окажется правильной. Однако использование таких методов расчета связано с введением в некоторые исходные уравнения численных значений констант равновесия тех реакции диссоциации, которые учитываются в расчете. Последние же в большинства случаев оказываются определенными не достаточно точно, что вызывает сомнения в достоверности результатов расчета. В связи с этим в практике расчетов характеристик ВВ, вместо методов, основанных на учете тех или иных определяющих реакций диссоциации, получили широкое применение более простые приближенные методы расчета состава продуктов взрыва ВВ. Лекция 6 Общие представления о взрыве и взрывчатом веществе. Взрывы. Типы Взрывов. Физические и химические взрывы. Классификация ВВ. Физикохимические характеристики ВВ. Консистенция и структура. Классификация взрывов по плотности вещества, по типам химической реакции. Физическая стабильность ВВ. Реакции взрывчатого превращения Взрывом называют очень быстрое превращение потенциальной энергии в кинетическую, связанное с внезапным изменением состояния вещества, при котором переход энергии из потенциальной в кинетическую сопровождается, как правило, резким повышением давления, образованием ударной волны и совершением механической работы. По характеру процесса протекания взрывов их принято классифицировать ни физические, при которых происходят только физические преобразования веществ (беспламенное взрывание с помощью жидкой углекислоты и сжатого воздуха, взрывы паровых котлов, баллонов со сжиженный газом, электрические разряды и т.д.), химические, при которых чрезвычайно быстро изменяйся химический состав веществ, участвующих в реакции, с выделением тепла и газов (взрыв метана, угольной пыли, взрывчатых веществ и т.д.), ядерные, при которых происходят цепные реакции деления ядер с образованием новых элементов. При ядерном взрыве выделяется в миллионы раз больше, тепла на единицу взрываемого вещества (6,710-10 – 4,21011 Дж/кг), чем при химическом взрыве (4,2103 кДж/кг). Эти взрывы являются наиболее мощными из известных человечеству в настоящее время. Взрывчатые вещества – это химические соединения или механические смеси, которые под действием внешнего импульса (нагрева, удара, трения и т.д.) способны взрываться, т.е. чрезвычайно быстро превращаться в другие соединения и выделением тепла и газообразных продуктов, производящих разрушение и перемещение окружающей среды. При взрыве ВВ горючие элементы (водород и углерод) окисляются кислородом, входящим в состав ВВ, в отличие от процесса горения, при котором окисление происходит за счет кислорода воздуха. Благодаря этому обеспечивается весьма высокая концентрация энергии в единице объема ВВ. Отличительными признаками взрыва являются высокая объемная концентрация энергии и сверхзвуковая скорость ее выделения, экзотермичность процесса, образование большого объема газообразных продуктов и звуковой эффект. Существуют три основные формы химического превращения: медленное химическое превращение, горение и детонация. Медленное химическое превращение протекает при низких температурах по всему объему вещества. Знание его, закономерностей и условий протекания необходимо для определения стойкости ВВ. Процесс горения и детонации идет во фронте химической реакции, который перемещается по ВВ. Скорость перемещения его определяется величиной выделяющейся энергии и способом передачи ее к соседним слоям вещества. При горении тепло передается путем теплопередачи (этот процесс сравнительно медленный). При детонации энергия по заряду ВВ передается ударной волной, распространяющейся со скоростью 2000 – 8000 м/с. Скорость движения ударной волны по веществу значительно больше скорости передачи энергии посредством теплопроводности, что коренным образом отличает взрыв от горения. Классификация ВВ Известно очень большое количество химических веществ и смесей, способных к самораспространяющемуся взрывчатому превращению. Однако далеко не все они могут быть использованы в качестве ВВ. Для практического использования в качестве промышленных пригодны достаточно безопасные в обращении и в производстве ВВ, эффективность которых оправдывает затраты на их изготовление и применение. По физическому состоянию ВВ могут быть твердыми, пластичными и жидкими. Для взрывных работ используются главным образом твердые (монолитные или сыпучие) и пластичные ВВ. Монолитные твердые ВВ, примером которых может служить литой тротил, применяются на взрывных работах в сравнительно небольшом количестве. В большинстве случаев твердые ВВ используют в виде порошков или гранул. Для удобства применения порошкообразные ВВ часто патронируют в бумажные гильзы. Сыпучими твердыми ВВ являются аммониты, гранулированный тротил (гранулотол) или сплав тротила с алюминиевым порошком – алюмотол, смеси гранулированной аммиачной селитры с нефтепродуктами или тротилом и некоторыми другими горючими добавками (игданит, гранулиты, зерногранулиты). Пластичные ВВ обычно состоят из смеси твердых компонентов с жидкой желатинированной массой и по консистенции напоминают крутое, а в некоторых случаях и жидкое тесто. В последнее время на взрывных, работах стали применять пластичные ВВ разной консистенции на водной основе – водонаполненные ВВ. Твердыми компонентами таких ВВ являются порошкообразный, чешуированный или гранулированный тротил (в некоторых случаях и другие ВВ) и аммиачная селитра. Жидкая часть смеси состоит из насыщенного водного раствора кальциевой или аммиачной селитры с добавкой растворимого в воде желатинизатора. К такому виду ВВ относятся акваниты и акватолы. По составу ВВ обычно подразделяют на индивидуальные химические соединения и механические смеси компонентов, вступающих между собой в реакцию при взрыве (смесевые ВВ). В первую группу входят химические соединения, молекулы которых в определенных условиях способны к распаду с образованием новых, главным образом газообразных соединений и выделением энергии. Кроме упомянутого выше тротила к числу наиболее известных ВВ этого типа принадлежат тетрил, гексоген, октоген, тэн, гремучая ртуть, азид свинца, тринитрорезорцинат свинца (тенерес), нитроглицерин, нитрогликоль, динитрогликоль. Очень слабым ВВ, по сравнению с другими индивидуальными ВВ, является аммиачная селитра. К смесевым принадлежат, по существу, все наиболее типичные промышленные ВВ: аммониты, детониты, динамоны и водонаполненные ВВ. Взрывчатые смеси имеют в своем составе чаще всего компонент, богатый кислородом, например, аммиачную селитру, нитраты калия, натрия или кальция, перхлораты, а также компоненты, сгорающие в процессе взрыва частично или полностью за счет кислорода первого компонента. В числе сгорающих компонентов могут быть невзрывчатые вещества (парафин, соляровое масло, древесная мука, алюминий) или ВВ, содержащие недостаточное количество кислорода для полного окисления углерода и водорода, входящих в их состав (тротил, гексоген и т. п.). Из числа смесевых ВВ наибольшее значение в практике взрывных работ имеют аммиачно-селитренные ВВ, в которых основным кислородсодержащим компонентом является аммиачная селитра. Аммиачно-селитренные смеси, содержащие, кроме селитры, только лишь горючие невзрывчатые вещества, называют динамонами. К их числу следует отнести применявшиеся в годы Великой Отечественной войны тонкоизмельченные смеси аммиачной селитры с торфом, древесной мукой и т.п., а также широко применяемые в настоящее время смеси гранулированной селитры с соляровым маслом (игданит) и такие же смеси, припудренные алюминиевой пудрой – гранулиты. Аммиачно-селитренные смеси, содержащие взрывчатые нитросоединения (главным образом тротил), называют аммонитами. В состав аммонитов могут входить и горючие невзрывчатые компоненты. Грубодисперсные аммониты, изготовленные простым смешением тротила с неизмельченной гранулированной селитрой, получили название зерногранулитов. Аммониты, в состав которых наряду с другими компонентами входит тонкоизмельченный алюминий, называют аммоналами. Особую группу представляют аммиачно-селитренные ВВ, в состав которых вводят небольшие количества (до 15%) жидких нитроэфиров. К таким ВВ отпросятся детониты. Вследствие опасности в производстве и применении ВВ, содержащих даже небольшие примеси жидких нитроэфиров, их выделяют в группу нитроглицериновых ВВ. Кроме участвующих в реакции взрывчатого превращения компонентов, в состав некоторых смесевых промышленных ВВ для придания им особых свойств вводят инертные добавки, такие, как поваренная соль. Помимо ВВ, на взрывных работах иногда применяют пороха, характерным отличием которых от ВВ является значительно меньшая скорость превращения в форме горения и в связи с этим типичное метательное, а не дробящее действие. По способу возбуждения взрывчатого превращения ВВ подразделяются па первичные и вторичные. К первичным относятся ВВ, которые в небольших зарядах безотказно взрываются от поджигания или от сравнительно небольшого механического воздействия. Взрыв вторичных ВВ три ведении взрывных работ возбуждается импульсом взрыва небольших зарядов первичных ВВ, заключенных в капсюле-детонаторе, поэтому первичные ВВ называют также инициирующими. К числу инициирующих ВВ, используемых для изготовления капсюлейдетонаторов, относятся гремучая ртуть, азид свинца, тенерес. К числу вторичных принадлежат все остальные из упомянутых выше ВВ. Наибольшее значение имеет классификация промышленных ВВ по назначению и условиям безопасного применения. С этой точки зрения промышленные ВВ, различные по физическому состоянию и составу, пригодные к применению в тех или иных определенных условиях, целесообразно разделить на несколько классов (табл. 1). Только для открытых работ (на дневной поверхности) допускаются ВВ, у которых не регламентируется состав продуктов взрыва. К ним не предъявляют строгих требований по детонационной способности, так как их применяют на карьерах в скважинах большого диаметра. В этот класс включены гранулированные ВВ, применяемые в водонаполненном состоянии. Таблица 1 – Классы ВВ Класс Применение ВВ Гранулотол, алюмотол, зерногранулит I Только для открытых работ 30/70, 50/50В; акватолы: 65/35, 65/35АВ, М-15, МГ; граммонал А-45 II Для открытых и подземных работ, Аммониты: №6-А, 10-А, 15А-10; кроме шахт, опасных по газу или пыли III VI V VI Предохранительные ВВ ограниченного применения и специального назначения Предохранительные ВВ для работ в угольных шахтах 1-й и 2-й категорий ВВ повышенной предохранительности для взрывных работ в угольных шахтах всех категорий Высокопредохранительные ВВ для взрывания открытыми зарядами в шахтах, опасных по газу или пыли динафталит; детониты: М, 6-А, 10-А, 15А-10; акванит ЗЛ, зерногранулит 79/21, гранулиты: АС-4, АС-8, М; игданит; граммонал А-8 Победит ВП-4; аммонит АП-5 ЖВ; аммонит серный №1; аммонит нефтяной №3 Аммониты ПЖВ-20 и Т-19 Углениты: Э-6, №5; селектит; патроны ПВП-1у Угленит №7; патроны СП-1 К ВВ, предназначенным не только для открытых горных работ, но и для подземных, кроме шахт, опасных по газу или пыли, предъявляются требования по минимальному образованию ядовитых газов при взрыве. Этот класс ВВ состоит из патронированных ВВ для взрывания в сухих и обводненных шпурах, гранулированных ВВ, предназначенных главным образом для заряжания пневматическим способом скважин на подземных и на открытых работах. Кроме того, к этому классу относятся водонаполненные ВВ жидкой консистенции, удобные для заряжания нисходящих шпуров. Предохранительные ВВ по степени безопасности разбиты на четыре класса (III, IV, V и VI). В состав III класса входят ВВ ограниченного применения или специального назначения, в состав IV, V и VI классов входят ВВ, предназначенные для взрывных работ по углю. Отдельно следует выделить ВВ, применяемые для импульсной обработки металлов (пластиты: Г-75, 805; эластиты: № 1 ЛТИ; гексопласт-87, НИЛ-1, ЛВГ; акванит № 2) и термостойкие ВВ, применяемые для перфорации и торпедирования глубоких нефтяных скважин (ГНДС; ГФГ-2; гексоген нефлегматизированный; составы A-IX-1 и A-IX-2; тэн флегматизированный; сплавы ТГ и ТГА). Для неуказанных в классификации областей применения, таких, например, как тушение лесных пожаров, мелиоративные работы и сейсморазведка, используют обычно те или иные ВВ из числа приведенных в табл. 1. Все взрывчатые вещества можно разделить на следующие группы: Группа I – инициирующие (первичные) взрывчатые вещества. Группа II – бризантные или дробящие (вторичные) взрывчатые вещества. Группа III – метательные ВВ или пороха. Основными признаками для разделения ВВ на группы являются: характерный для каждой из них режим взрывного превращения (горение или детонация) и условия его возбуждения. Группа I – инициирующие (первичные) ВВ. Эти ВВ часто называют первичными потому, что сони служат для возбуждения детонации бризантных ВВ, называемых вторичными, и для воспламенения метательных ВВ. Характерным видом взрывного превращения веществ этой группы является детонация. Они легко взрываются от простых видов внешнего воздействия – пламени, удара, накола, трения. Горение инициирующих ВВ (ИВВ) неустойчиво даже при атмосферном давлении, и при поджигании их практически мгновенно возникает детонация. Важнейшими представителями инициирующих веществ являются: 1) гремучая ртуть Hg(ONC)2 – ртутная соль гремучей кислоты CNOH; 2) азид свинца Pb(N3)2 – свинцовая соль азотисто-водородной кислоты HN3; 3) тринитрорезорцинат свинца, или ТНРС – С6H(NO2)3(O2Pb)H2O. 4) тетразен или гуанилнитрозоаминогуанилтетразен – C2H8ON10, NH2 NH–NH–NO | | NH=C–NH–NH–N=N–C=NH К группе инициирующих ВВ относят также воспламенительные составы, основой которых, как правило, служат однородные ИВВ, скорость горения которых замедляют и регулируют специальными добавками. Назначение воспламепительных составов – получение при их горении луча пламени, служащего для воспламенения (зажигания) гороховых зарядов, замедлителей в дистанционных трубках и взрывателях и других объектов. Группа II – бризантные или дробящие ВВ. Характерным видом взрывного превращения ВВ этой группы является детонация; они способны и гореть, но при некоторых условиях горение может стать неустойчивым и перейти во взрыв или в детонацию. Для возбуждения детонации бризантных ВВ применяют инициирующие ВВ; простыми видами внешнего воздействия, указанными для инициирующих ВВ, нельзя вызвать надежную детонацию бризантных ВВ. Поэтому бризантные ВВ называют также вторичными. Бризантные ВВ применяют главным образом для снаряжения боеприпасов и для взрывных работ. По химической природе и составу бризантные ВВ можно разделить на следующие классы: 1-й класс. Азотнокислые эфиры или нитраты спиртов или углеводов (нитроэфиры), к которым относятся следующие вещества: 1. Азотнокислые эфиры углеводов: главным представителем этих ВВ являются нитраты целлюлозы (нитроцеллюлозы), которые в зависимости от содержания азота делят на две разновидности: пироксилины и коллоксилины. 2. Азотнокислые эфиры спиртов. Характерными представителями являются: а) глицеринтринитрат, или нитроглицерин, C3H5(ONO2)3; б) диэтнлендигликольдинитрат, или нитродигликоль, CH2CH2ONO2 / О ; \ CH2CH2ONO2 в) пентаэритриттетранитрат, или тэн, C(CH2ONO2)4. 2-й класс. Нитросоединения. Они представляют собой важнейший класс бризантных ВВ. К ним относятся: 1) тринитротолуол, или тротил, С6H2(CH3)(NO2)3; 2) тринитроксилол, или ксилил, C6H(CH3)2(NO2)3; 3) тринитрофенол, или пикриновая кислота, C6H2(OH)(NO2)3; 4) тринитрофенилметилнитрамин, или тетрил, NO2 / С6H2(NO2)3N ; \ CH3 5) циклотриметилентринитрамин, или гексоген, (CH2NNO2)3; 6) циклотетраметилентетранитрамин, или октоген, (CH2NNO2)4. Значительное применение приобрели сплавы нитросоединений, например, тротила с динитронафталином, гексогеном или ксилилом, и механические смеси некоторых нитросоединений или их сплавов с другими веществами или порошкообразным алюминием. 3-й класс. Взрывчатые смеси с окислителями, представляющие собой смеси окислителя с взрывчатым веществом или горючим. К ним относятся: 1) аммиачно-селитренные взрывчатые вещества, содержащие в качестве окислителя аммиачную селитру; например, аммотолы 80/20, 60/40, 50/50, 40/60 (числитель дроби показывает содержание аммиачной селитры, знаменатель – содержание тротила); аммонит №10, содержащий аммиачной селитры 85%, тротила 8%, древесной муки 7% и др.; 2) взрывчатые смеси на основе жидких азотнокислых эфиров спиртов (нитроглицериновые взрывчатые вещества). Большей частью азотнокислый эфир входит в виде желатины (динамиты). Кроме нитратов спиртов, в состав смесей входят окислители (азотнокислые соли) и горючие вещества; 3) хлоратные и перхлоратные ВВ, содержащие в качестве окислителей соли хлорноватой или хлорной кислот (хлораты или перхлораты); 4) взрывчатые смеси на основе жидких окислителей, к которым относятся оксиликвиты и смеси на основе двуокиси азота или концентрированной азотной кислоты. Оксиликвиты представляют собой патроны из горючего компонента-поглотителя, пропитанного жидким кислородом; 5) пиротехнические составы, которые удовлетворяют условиям, определяющим возможность химического взрыва, и по характеру взрывного превращения и условиям его возбуждения относятся к бризантным ВВ. Группа III. Метательные ВВ, или пороха. Для веществ этой группы характерным видом взрывного превращения является горение, не переходящее в детонацию даже при высоких давлениях, развивающихся в условиях выстрела; эти вещества пригодны для сообщения пуле или снаряду движения в канале ствола оружия и для сообщения движения ракетным снарядам. Для возбуждения горения необходимо действие пламени. По физико-химической структуре метательные ВВ можно разделить на два класса: нитроцеллюлозные пороха и твердые ракетные топлива. 1-й класс. Нитроцеллюлозные пороха, основой которых являются нитраты целлюлозы, пластифицированные каким-либо растворителем. В зависимости от летучести пластификатора нитроцеллюлозные пороха делятся на следующие категории: 1) нитроцеллюлозные пороха, изготовляемые с применением летучего растворителя (пластификатора), в значительной мере удаляемого из пороховой массы в последующих фазах производства; их называют также пироксилиновыми порохами; 2) нитроцеллюлозные пороха, изготовляемые на труднолетучем или нелетучем растворителе (пластификаторе), полностью остающемся в порохе. В качестве труднолетучего растворителя (пластификатора) преимущественно применяют нитраты спиртов – нитроглицерин и нитродигликоль. Эти пороха называют баллиститами. Соответственно названию нитрата спирта, введенного в качестве труднолетучего растворителя (пластификатора), баллиститы называют нитроглицериновыми, нитродигликолевыми и т. д. В качестве нелетучего растворителя (пластификатора) применяли три- и динитротолуол; 3) нитроцеллюлозные пороха, изготовляемые на смешанном растворителе, – летучем и труднолетучем (например, нитроглицерин с ацетоном), называемые кордитами. 2-й класс. Твердые смесевые и пиротехнические топлива, изготовляемые в виде смесей окислителей, горючих и связующих веществ (полимеров). Физико-химические характеристики ВВ Консистенция и структура Основными характеристиками консистенции и структуры ВВ являются плотность, пористость, дисперсность, сыпучесть, пластичность, вязкость и текучесть, от которых зависит детонационная способность ВВ. Важнейшими характеристиками консистенции ВВ являются плотность и пористость, от которых зависит детонационная способность ВВ и склонность к переходу горения в детонацию. Различают плотность ВВ, плотность патрона, заряда или шашки и плотность заряжания. Плотность ВВ определяется отношением массы ВВ к занимаемому им объему без учета оболочки. Для сыпучих ВВ плотность при свободной насыпке называется насыпной или гравиметрической, а для сплошных ВВ (жидких, плавленых, прессованных или уплотненных в патроне порошков) ее называют действительной плотностью или плотностью ВВ. Плотность патрона, заряда, шашки или другого изделия есть отношение его массы к занимаемому объему с учетом оболочки. Плотность заряжения вычисляется как отношение массы заряда ко всему объему зарядной камеры, включая пустоты. Для каждого ВВ существуют свои оптимальные значения плотности, за пределами которых происходит ухудшение взрывчатых характеристик ВВ вплоть до полной потери детонационной способности. Увеличение плотности до оптимальных значений приводит к увеличению концентрации энергии в единице объема, возрастанию скорости детонации и бризантного действия на окружающую среду, а в целом – к повышению взрывного эффекта при взрывании крепких горных пород. Практическое значение имеет пористость гранулированной аммиачной селитры, применяемой в качестве компонента взрывчатых смесей типа гранулитов. Пористость селитры оказывает существенное влияние не только на физические, но и на взрывчатые свойства гранулированных ВВ. Чем больше пористость гранулированной селитры, входящей в состав ВВ, тем лучше детонационная способность этого ВВ. В основу оценки пористости гранулированной аммиачной селитры можно положить ее удильный объем VУД, который определяется замером объема навески после тщательной утряски ее в мерном цилиндре и последующим делением его на величину навески. Пористость рассчитывается по формуле:  V П  1  T  VУД   100%,   где VT – удельный объем непористой гранулированной аммиачной селитры, равный 1,055 см3/ч. Дисперсность характеризуется размерами частиц в порошках, суспензиях и в других неоднородных системах. Различают грубодисперсные системы с размером частиц от 0,1 до 10 мм и тонкодисперсные с размером частиц от 1 до 100 мкм. Многие физические характеристики порошкообразных ВВ, такие, например, как слеживаемость, водоустойчивость, электризуемость, определяются дисперсностью ВВ. От степени измельчения ВВ зависят некоторые взрывчатые свойства (детонационная способность, чувствительность и др.), поэтому определению дисперсности придают важное значение при производстве и разработке новых промышленных ВВ. К грубодисперсным системам относятся гранулированные ВВ – гранулиты и зерногранулиты, к мелкодисперсным – порошкообразные аммониты. Степень измельчения ВВ или его компонентов контролируют ситовым анализом. Дисперсность более тонких порошков с размером частиц от 0,1 до 10 мкм определяют по их газопроницаемости приборами ПСХ-2. С развитием механизированных способов заряжания скважин ценным свойством ВВ становится их сыпучесть. Сыпучестью называют способность ВВ свободно, под действием собственного веса, высыпаться из тары, заполнить при заряжании свободной засыпкою зарядную полость и перемещаться по шлангу при пневмозаряжании. Сыпучесть характеризуется углом естественного откоса при свободном высыпании продукта на горизонтальную поверхность или скоростью прохождения ВВ через калибровочное отверстие воронки (бункера). Чем меньше угол и больше скорость потока, тем лучше сыпучесть. Лучшей сыпучестью обладают гранулированные ВВ – гранулиты, зерногранулиты, гранулотол, алюмотол. Сыпучесть порошкообразных УУ в большинстве случаев недостаточна для высокопроизводительного заряжания засыпкой или пневматическим способом. У таких ВВ сыпучесть сильно зависит от содержания влаги: с возрастанием влажности до 0,5 – 1,0% сыпучесть резко снижается. Пластичность является характеристикой несыпучих ВВ, у которых твердые компоненты связаны жидкой загущенной (гелеобразной) фазой. В пластичных ВВ сочетается мягкость, позволяющая легко деформировать заряды ВВ и придавать им нужную форму, и некоторая жесткость, благодаря которой заряд сохраняет форму, не течет как жидкость, не рассыпается и не обладает упругой деформацией. По сравнению с сыпучими, пластичные ВВ обладают повышенной плотностью, которая практически находится в пределах 1,3 – 1,7 г/см3, и способны заполнять пространство взрывных камер с максимальной плотностью заряжания. Пластичность ВВ, кроме высокой плотности, характеризуется высокими показателями водоустойчивости и параметров детонации. Консистенция пластичных ВВ зависит от температуры ВВ, с повышением которой ВВ, содержание воду и растворимые в воде соли, становятся более жидкими в результате уменьшения твердой фазы в составе (растворений солей), а при охлаждении твердеют вследствие выкристаллизации солей. Многие пластичные вещества при хранении способны приобретать структуру твердого тела и вновь становиться пластичными при разминании. Такая обратимая структуризация, называемая тиксотропией, – явление применительно к ВВ нежелательное. Для стабилизации пластичности в состав ВВ иногда вводят добавки поверхностноактивных веществ или масляные эмульсии. В качестве загустителей при изготовлении водных желатин, входящих в состав пластичных ВВ, используют вещества, представляющие собой сложные органические высокомолекулярные соединения, растворимые в воде. Молекулы этих соединении состоит из большого числа атомов углевода, водорода и кислорода (а иногда и азота), соединенных в длинные цепи. Малая подвижность таких цепей обусловливает вязкость, а в некоторых случаях и структуризацию растворов. Наиболее часто для загущения водных растворов применяют натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), реже полиакриламид. За рубежом применяют гуаргам, добываемый из бобов тропического растения гуар. Гуаргам при малом содержании придает раствору большую вязкость, объясняемую явлением поперечной «сшивки» макромолекул этого вещества под влиянием специальных химических добавок (чаще всего буры). В результате такой «сшивки» подвижность макромолекул резко уменьшается, и ВВ, в состав которых входит гуаргам, в отличие от пластичных и несколько липких составов на карбоксиметилцеллюлозе, становятся эластичными (разиноподобными), нелипкими и способными растягиваться без разрыва. От вязкости ВВ зависят возможность и целесообразность его применения. Вязкостью, или внутренним трением, измеряемым в пуазах или сантипуазах, называют свойство жидкости оказывать сопротивление ее течению. Для определения вязкости используют приборы, называемые вискозиметрами. Пластичность и вязкость ВВ определяют и консистометром Геплера: замеряют скорость проникновения иглы с шариком на конце в массу вещества в заданных условиях или деформацию цилиндриков из вещества в результате действия на них в течение определенного времени заданной нагрузки. Пластичность ВВ определяют также более простым прибором – пенетрометром. О пластичности вещества в этом случае судят по скорости проникновения иглы этого прибора, под заданной нагрузкой, в торец цилиндрика из ВВ (отрезок стандартного патрона). Этот метод дает возможность быстро сравнить различные образцы ВВ по их пластичности при комнатной температуре или после выдержки в термостате. Текучесть – характеристика водонаполненных ВВ жидковязкой консистенции, у которых гелеобразная фаза превышает 35 – 40%. Текучесть зависит от температуры, степени загущения жидкой фазы и продолжительности хранения BB. Текучесть ВВ со временем снижается. Резкое снижение наблюдается при понижении температуры и уменьшении жидкой фазы ВВ. Восстановить текучесть можно нагреванием и механическим перемешиванием. Повышение текучести водонаполненного ВВ облегчает перекачивание его из расходной емкости по зарядному шлангу в скважину, но вместе с этим увеличивается расслаивание и утечка заряда по трещинам в породе. Для устранения этого ВВ изготовляют незадолго до заряжания или в момент заряжания, применяя высокоэффективный загуститель и специальные связующие добавки, которые быстро повышают вязкость суспензии после загрузки ее в скважину. Физическая стабильность ВВ Стабильность состава и взрывчатых свойств ВВ характеризуется расслаиванием, пылением, экссудацией, слеживаемостью, гигроскопичностью и водоустойчивостью. Смесовые ВВ часто состоят из компонентов, сильно различающихся по удельному весу и величине частиц, но и по способности вследствие этого к расслаиванию при пересыпании и транспортировании. Расслаиванием называют самопроизвольное или под влиянием внешних причин разделение ВВ на составные части или отдельные компоненты. Небольшое расслаивание иногда наблюдается при засыпке или пневматическом заряжании зерногранулитов, получаемых механическим смешением гранулированной селитры с гранулированным или чешуированным тротилом. При большой скорости потока в процессе пневмозаряжания может срываться и отслаиваться древесная мука у гранулита С-2, алюминиевая пудра у гранулитов АС-4 и АС-8, дизельное топливо у игданита. При хранении этих ВВ, в процессе которого возможно их увлажнение, под действием силы тяжести иногда происходит стекание в нижние слои жидкого компонента. Наблюдается расслаивание водонаполненных акватолов, у которых при недостаточном загущении жидкой фазы и длительном хранении ВВ происходит постепенное оседание и скапливание в нижних слоях крупных твердых частиц компонентов. Хорошо приготовленные ВВ в нормальных условиях хранения и применения расслаиваются незначительно, и это явление в большинстве случаев не оказывает существенного влияния на практические результаты взрывания. Существенным недостатком некоторых ВВ, особенно содержащих в качестве компонента тонкодисперсный алюминий, является способность к пылению. Пылением называют способность сыпучих ВВ при обращении с ними загрязнять окружающую атмосферу своими мелкодисперсными частицами или делать ее взрывоопасной. Пыление находится в прямой зависимости от степени дисперсности ВВ, состояния поверхности его частиц (степени увлажнения, ожирения) и скорости потоков, создаваемых в процессе пневмозаряжания. Обычно сильно пылят порошкообразные аммониты в сухом тонкоизмельченном состоянии. Практически мало пылят все гранулированные ВВ, а такие из них, как алюмотол, гранулотол, игданит и гранулит М, гранулы которых лишены пылеобразных фракций или сильно ожирены, при заряжании практически совсем не пылят. Пыление наиболее часто наблюдается при заряжании пневматическим способом. Его можно существенно понизить или полностью устранить увлажнением или дополнительным ожирением ВВ маслом, подбором соответствующих пневмозарядчиков с пылеулавливающими устройствами и режимов заряжания. Экссудацией называют способность некоторых ВВ при хранении выделять из своего состава жидкие компоненты (экссудаты). К таким ВВ относятся те, в которых значительно содержание нитроэфиров (динамиты), а также гранулиты, содержащие жидкие нефтепродукты. Экссудация происходит под влиянием капиллярных сил или силы тяжести, заставляющих мигрировать жидкость наружу. Экссудация вызывает повышение опасности в обращении с нитроглицериновыми ВВ. Наличие на поверхности патронов капель высокочувствительного нитроглицерина может явиться причиной непредвиденных взрывов при заряжании или при неосторожном обращении с патронами ВВ. Экссудация жидких нефтепродуктов в составе гранулитов может нарушить однородность состава и явиться причиной некачественного взрыва. Кроме того, она увеличивает пожароопасность тары и стеллажей на складе и усложняет обращение с ВВ. Слеживаемостью называют способность некоторых порошкообразных ВВ терять при хранении сыпучесть и превращаться в единую массу. Слежавшиеся ВВ неудобны в обращении и, как привило, хуже взрываются, чем неслежавшиеся. Основной причиной слеживаемости аммиачно-селитренных ВВ является связывание частиц вещества вновь образующимися в процессе хранения кристаллами аммиачной селитры (при наличии влаги). Перекристаллизация увлажненного продукта происходит особенно интенсивно при температуре модификационного превращения. Для аммиачной селитры и ВВ на ее основе при наличии влаги имеет существенное значение температура 30 – 32С. Чем выше влажность продукта, тем интенсивнее происходят процессы кристаллизации продукта и тем сильнее он слеживается. Определенное влияние на слеживаемость оказывает гранулометрический состав или степень измельчения вещества. Как правило, с увеличением размера частиц склонность вещества к слеживанию при прочих ровных условиях снижается. Аммиачная селитра или ее смеси, подвергающиеся в процессе хранения сдавливанию, слеживаются значительно больше, чем находящиеся в свободном состоянии. Некоторые добавки, вводимые в аммиачную селитру при ее изготовлении (например, фуксин), снижают прочность вновь выделяющихся кристаллов из жидкой фазы или ослабляют их связь с частицами, на поверхности которых они выделяются. Пониженной склонностью к слеживанию обладают аммониты, изготовленные на ожелезненной водоустойчивой аммиачной селитре (ЖВ), крупнодисперсные зерногранулиты и гранулиты. Гигроскопичность вещества – это способность поглощать влагу из воздуха и увлажняться. Увлажнение начинается только в определенных значениях относительной влажности и температуры окружающего воздуха, характерных для каждого вещества и зависящих от его химического строения. Гигроскопичность вещества характеризуется гигроскопической точкой, представляющей собой отношение упругости паров над насыщенным раствором данного вещества к упругости водяных паров, насыщающих воздух при той же температуре. Гигроскопическая точка выражается в процентах относительной влажности и характеризует такое состояние вещества, при котором оно не подсыхает и не увлажняется. Чем выше гигроскопическая точка вещества, тем менее гигроскопично вещество. Величина гигроскопической точки с повышением температуры у большинства гигроскопичных ВВ снижается, а скорость поглощении влаги возрастает. К гигроскопичным относится аммиачная селитра, гигроскопическая точка которой при 25°С равна 62,7%. Все промышленные ВВ, в состав которых входит аммиачная селитра, в той или иной степени гигроскопичны. Практически гигроскопическую точку находят, выдерживая навески вещества в эксикаторах над растворами, имеющими различную, но заведомо определенную упругость водяных паров. Взвешивая образцы вещества после их выдержки над этими растворами, находят упругость водяных паров, при которой вес образца не изменяется. Водоустойчивыми называют такие ВВ, заряды которых способны при непосредственным соприкосновением с водой сохранять в течение некоторого времени неизменными свои взрывчатые свойства. Взрывчатые свойства ВВ при соприкосновении с водой могут измениться либо вследствие флегматизирующего действия воды, либо в результате частичного или полного растворения в воде отдельных компонентов ВВ. Все нитросоединения практически нерастворимы в воде или растворимы в незначительной степени. Однако иногда нерастворимые в воде дисперсные ВВ, такие, например, как измельченный или чешуйчатый тротил, при засыпке в скважину, наполненную водой, могут оказаться недетационноспособными. В этом случае вода, обволакивающая каждую частицу ВВ, затрудняет распространение детонации по заряду. Придание водоустойчивости аммиачно-селитровым ВВ основано на понижении смачиваемости их водой при введении в состав аммонитов гидрофобных добавок (стеарата кальция или цинка, асфальтита и т.п.). Большинство гидрофобных добавок сильно флегматизируют ВВ (делают их маловосприимчивыми к детонации). Кроме того, гидрофобные добавки, представляющие собой обычно органические вещества с малым содержанием кислорода в молекуле, требуют для полного сгорания при взрыве дополнительного количества кислорода. Поэтому введение гидрофобных добавок в состав аммонита с сохранением требуемого кислородного баланса приводит к необходимости уменьшить содержание наиболее активного компонента смеси – тротила, что снижает детонационную способность ВВ. Во избежание этого содержание гидрофобных добавок в аммоните должно быть минимальным. Хорошая водоустойчивость аммонитов при малом содержании гидрофобных добавок достигается в результате очень тщательного распределения тонкоизмельченной гидрофобной добавки в массе ВВ. Флегматизирующее действие гидрофобных добавок в значительной мере компенсируется тонким измельчением аммонита, при котором улучшается его детонационная способность. Во взрывчатых веществах, содержащих жидкие нитроэфиры, действие гидрофобных добавок ослабляется тем, что они омачиваются нитроэфирами. Для уменьшения смачивания нитроэфиры желатинируют, вводя в них небольшие количества нитроклетчатки. Применительно к водонаполненным гранулированным и льющимся ВВ водоустойчивость рассматривается как сопротивление выщелачиванию из заряда этих ВВ водорастворимых компонентов уменьшением диффузии их в окружающую заряд воду. В льющихся ВВ диффузия затрудняется наличием в их составе специальных загустителей. Водоустойчивость ВВ при испытании в полигонных и лабораторных условиях принято характеризовать сохранением способности к передаче детонации на расстояние после выдержки патронов в воде в течение определенного времени. Стандартными считают условия испытания, при которых патроны диаметром 32 – 36 мм и массой 200 – 300 г помещают в вертикальном положении в бак с водой таким образом, чтобы над их верхним торцом находился столб воды высотой 1 м. В таком положении патроны выдерживают в течение одного часа. Извлеченные из воды патроны должны передавать детонацию по стандартной пробе на расстояние, незначительно отличающееся (на 1 – 2 см) от расстояния, установленного для сухих патронов. Реакции взрывчатого превращения Взрывчатое превращение всех современных промышленных ВВ основано на окислении горючих элементов кислородом. В химических соединениях кислород находится в самой молекуле, так, например, молекула нитроглицерина включает как горючее (углерод и водород), так и кислород, потребный для окисления. Иное положение во взрывчатых смесях, какими являются все промышленные ВВ. В составе таких смесей должны быть минимум два компонента, один из которых богат горючим, а другой содержит избыточный кислород. В качестве носителя кислорода во все промышленные ВВ, за малым исключением, вводится аммиачная селитра. Рецептуры ВВ составляют с таким расчетом, чтобы при реакции взрыва образовались в основном пары воды, азот и углекислый газ, т.е. газообразные продукты, наименее опасные для человеческого организма. Степень опасности ВВ с точки зрения образования при взрыве ядовитых газов определяется кислородным балансом. Кислородный баланс характеризуемся отношенном избытка или недостатка кислорода в составе ВВ к его количеству, необходимому для полного окисления горючих элементов ВВ. Кислородный баланс наиболее просто определяется выраженным в процентах отношением грамм-атомного веса избытка или недостатка кислорода к грамм-молекулярному весу ВВ. Кислородный баланс считается нулевым, если в составе ВВ содержится количество кислорода, необходимое для полного окисления горючих компонентов. Если в составе ВВ кислорода не хватает для полного окисления горючих элементов, то такое ВВ имеет отрицательный кислородный баланс, а при избытке кислорода – положительный. У ВВ с нулевым кислородным балансом образуется минимальное количество ядовитых газов и выделяется максимальная энергия при взрыве. При недостатке кислорода вместо углекислого газа получается ядовитая окись углерода, причем образование этого соединения идет с меньшим выделением тепла: 2С + О2 = 2СО + 264,1868 кДж/моль; С + О2 = СО2 + 944,1868 кДж/моль. При избытке кислорода образуются весьма ядовитые окислы азота, на что затрачивается часть выделившегося при взрыве тепла. Поэтому уменьшается общая энергия взрыва: N2 + O2  2NO – 221,64,1868 кДж/кг. Таким образом, при составлении рецептур ВВ нужно стремиться обеспечить нулевой кислородный баланс путем регулирования количества горючих и кислородсодержащих компонентов таким образом, чтобы недостаток кислорода в одних компонентах компенсировался избытком его в других. Объясним методы определения кислородного баланса на примере нитроглицерина, формула которого C3H5(ONO2)3. В молекуле нитроглицерина имеется 9 атомов кислорода. Для полного окисления всех атомов углерода в углекислоту требуется 6 атомов кислорода и для окисления 5 атомов водорода в воду – 2,5 атома кислорода, а всего на окисление требуется, 5 атомов кислорода, т.е. имеется избыток кислорода 0,5 атома, значит, кислородный баланс положительный. Вес избытка 0,5 атома кислорода в грамм-атомах равен 0,516 = 8,0, а вес нитроглицерина (в грамм-молекулах) ранен 227. Таким образом, кислородный баланс нитроглицерина: К б  100  8  3,52% . 227 Аналогичным образом производится расчет кислородного баланса ВВ, представляющего собой смесь нескольких химических соединений. Зная значение кислородного баланса отдельных компонентов ВВ, легко составить смесь ВВ с нужным значением кислородного баланса. Определим состав ВВ из смеси аммиачной селитры и тротила, имевшего нулевой кислородный баланс. Кислородный баланс тротила –74%. Кислородный баланс аммиачной селитры +20%. Состав смеси должен быть: X(–74) + (100 – X)20 = 0, откуда X = 21,3 (здесь X – процент тротила в составе ВВ). Таким образом, ВВ должно состоять на 21,3% тротила и 78,7% аммиачной селитры. Составим молекулярное уравнение найденного ВВ: процент формула молекулярный вес г/г-моль 21,3 C7H5(NO2)3 227 0,094 78,7 NH4NO3 80 0,985 На каждую грамм-молекулу тротила необходимо иметь в смеси: 0,985  10,5 г-моль. 0,094 Молекулярное уравнение имеет вид: C7H5(NO2)3 + 10,5NH4NO3 Промышленные ВВ обычно имеют незначительный кислородный баланс от 0,1 до 3 – 4%. Избыток кислорода расходуется на окисление бумажных оболочек и парафинового покрытия патронированных ВВ. Масса бумажной оболочки не должна превышать 2 г, а парафина – 3 г на каждые 100 г ВВ. Значения кислородного баланса для различных ВВ и соединений приведены в табл. 2. Для расчета объема газообразных продуктов, теплоты, температуры и работы взрыва, а также для установления ядовитости продуктов взрывчатого превращения необходимо иметь представление о химических реакциях, протекающих при взрыве. Зная химический состав ВВ и пользуясь законами химической термодинамики, можно с некоторым приближением теоретически рассчитать качественный и количественный состав продуктов взрыва. Для составления уравнения реакции взрывчатого превращения, особенно смесевого ВВ, необходимо выразить в молях содержание компонентов в 1 кг исходного ВВ и подсчитать элементарный состав. Часто при этом ставится задача рассчитать состав смесевого ВВ из заданных компонентов при определенном кислородном балансе ВВ. Таблица 2 – Кислородный баланс некоторых ВВ и их компонентов Химическая Атомный или Кислородный Вещество формула молекулярный вес баланс, % Алюминий Al 27 –89 Аммиачная селитра NH4NO3 80 +20 Бумага (оболочка – – –130 патронов) Гексоген (CH2NO2)3 222 –21,6 Гремучая ртуть Hg(CNO)2 284 –11,3 Динитрогликоль С2Н4(ОNO2)2 152 Динитронафталин C10H6(NO2)2 218 –139,4 Калиевая селитра KNO3 101 +39,6 Калия хлорат KClO3 122,5 +39,2 Калия перхлорат KClO4 138,5 +46,2 Керосин – – –343 Клетчатка C6H10O5 162 –118,5 Магний Mg 24,3 –65,8 Мука злаков C15H25O11 381 –132 Мука древесная C15H22O10 362 –137 Натриевая селитра NaNO3 85 +47 Натрия хлорат NaCl 106,5 +45 Натрия перхлорат NaClO4 122,5 +52,2 Нитроглицерин C3H5(ONO2)3 222 +3,5 Вещество Нитроклетчатка: коллодионная пироксилиновая Октоген Парафин (твердый) Пикриновая кислота Тетранитрометан Тетрил Тротил Тэн Углерод (аморфный) Вода парообразная Окись алюминия Окись кальция Окись азота Окись углерода Углекислота Целлюлоза Химическая формула Атомный или молекулярный вес Кислородный баланс, % C24H31N9O39 C24H29N4O42 C4H8N8O8 C24H50 C6H2(NO2)3OH C(NO2)4 C6H2(NO2)4NCH3 C6H2(NO2)3CH3 C(CH2ONO2)4 C H2O Al2O3 CaO NO CO CO2 C10H6O6 1105,3 1143 296 338,5 229 196 287 227 316 12 18 102 56 30 28 44 162 –38,7 –28,6 –21,6 –346 –45,4 +49 –47,4 –74 –10,1 –266,7 – – – – – – – Для расчета состава продуктов взрыва все ВВ делятся на три группы: 1. ВВ с количеством кислорода, достаточным (или избыточным) для полного окисления горючих элементов. В этом случае весь углерод превращается в углекислый газ (СО2), водород – в воду (Н2О) и алюминий – в окись алюминия (Al2O3). Азот и кислород, если последний имеется в составе в избытке, выделяется в виде элемента. Эти соединения образуются с максимальным выделением тепла. ВВ этой группы имеют нулевой или положительный кислородный баланс. Например, реакция разложения нитроглицерина: 2C3H5(ONO2)3  6CO2 + 5H2O + 3N2 + O Кислородный баланс положительный. Реакция разложения динитрогликоля CH4(ONO2)2  2CO2 + 2H2O + N2 Здесь кислородный баланс нулевой. 2. ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного газообразования. При этом принимается, что кислород, входящий в состав молекул ВВ, сначала окисляет весь водород в воду, углерод – в окись углерода, а затем оставшаяся часть кислорода образует с окисью углерода углекислый газ. В качестве примера дана реакция разложения тэна: С(СH2ONO2)4  4H2O + 3CO2 + 2CO + 2N2 Кислородный баланс тэна (–10,1). При реакции взрыва ВВ этой группы также образуется элементарный водород, метан и некоторые другие углеводороды, однако, чтобы не усложнять расчетов, они в уравнениях реакции не приводятся. 3. ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газообразования. В этом случае водород окисляется в воду, а часть углерода – в окись углерода и выделяется свободный углерод. Например, реакция разложения тротила: С7H5(NO2)3  2,5H2O + 3,5CO + 3,5C + 1,5N2 Кислородный баланс тротила (–74%). При взрыве таких ВВ образуются также СO2, H2, CH4, NH3 и другие соединения. Количественные соотношения этих веществ в продуктах взрыва зависят от плотности ВВ и условий нарывания. Эти правила составления реакции дают ориентировочный состав газообразных продуктов взрыва и не позволяют определить вторичные продукты реакции, которые часто, особенно у ВВ с отрицательным кислородным балансом, резко меняют состав газов взрыва. Лекция 7 Общая характеристика взрывчатых систем. Условия, определяющие возможность взрыва. Условия возникновения и протекания взрывов. Физические и химические взрывы. Классификация явлений взрывчатого превращения. Энергия и мощность взрыва. Форма ударной волны. Длительность импульса. Расчет безопасных расстояний при взрыве горючих смесей Взрыв - процесс быстрого неуправляемого физического или химического превращения системы, сопровождающийся переходом её потенциальной энергии в механическую работу. Механическая работа, совершаемая при взрыве, обусловлена быстрым расширением газов или паров. В основании взрывного процесса могут лежать как физические, так и химические превращения. При химических взрывах вещества могут быть твёрдыми, жидкими, газообразными, а также аэросмесями горючих веществ (жидких и твёрдых) в окислительной среде (чаще в воздухе). А непосредственно химическим взрывом считается тот, при котором происходят чрезвычайно быстрые химические реакции окисления водорода и углерода с выделением 3,2х103 – 5,6х103 кДж/кг тепла и газов (взрывы вредных веществ, метана, угольной или другой органической пыли). Физическим взрывом является тот, при котором происходят только физические преобразования веществ (беспламенное взрывание с помощью жидкой углекислоты пи сжатого воздуха, взрывы паровых котлов баллонов со сжиженным газом, электрические разряды и т.д.). Физический взрыв чаще всего связан с неконтролируемым высвобождением потенциальной энергии сжатых газов из замкнутых объёмов машин и аппаратов, сила взрыва сжатого или сжиженного газа зависит от внутреннего давления этого резервуара. Ещё по своей природе имеются ядерные взрывы, при которых происходят цепные реакции деления и синтеза ядер с образованием новых элементов. В настоящее время реализуется два способа выделения атомной энергии при взрыве: превращение тяжёлых ядер в более лёгкие (радиоактивный распад и деление атомных ядер урана и плутония ) и образование из лёгких ядер более тяжёлых ( синтез атомных ядер ). Например, при термоядерном взрыве из тяжёлого водорода образуется гелий. При таких взрывах выделяется в миллионы раз больше тепла на единицу взрываемого материала чем при химическом (6,7х1013 кДж/кг при ядерном и 4х1014 кДж/кг при термоядерном) . Эти взрывы являются наиболее мощными из известных человечеству в настоящее время. Параметрами, по которым определяют мощность взрыва, является энергия взрыва и скорость её выделения. Энергия взрыва определяется физико-химическими превращениями, протекающими при различных типах взрывов. В производственных условиях возможны также: свободный воздушный, наземный, взрыв в непосредственной близости от объекта, а также взрыв внутри объекта (производственного сооружения). Все ВВ, применяемые в производстве, делятся на три основные группы: инициирующие, бризантные, метательные (пороха) табл. 1. Таблица 1 Классификация ВВ Г руппа 1 2 3 4 Характеристика, Примеры веществ Чрезвычайно опасные вещества. Нестабильны. Взрываются даже в самых малых количествах. Трихлорид азота; некоторые органические пероксидные соединения; ацителинид меди. Образующийся при контакте ацетилена с медью или медесодержащим сплавом. Первичные ВВ. Менее опасные вещества. Инициирующие соединения. Обладают очень высокой чувствительностью к удару и тепловому воздействию. Используются в основном в капсюляхдетонаторах для возбуждения детонации в зарядах ВВ. Азид свинца, гремучая ртуть. Вторичные ВВ (бризантные). Возбуждение детонации в них происходит при воздействии достаточно сильной ударной волны. Последняя может создаваться в процессе их горения или с помощью детонатора. Как правило, ВВ этой группы сравнительно безопасны в обращении и могут храниться в течение длительных промежутков времени. Динамиты, тротил, гексоген, октоген, центратил. Метательные ВВ, пороха. Чувствительность к удару очень мала, относительно медленно горят. Баллиститные пороха – смесь нитроцеллюлозы и других технологических добавок. Загораются от пламени, искры или нагрева. На открытом воздухе быстро горят. В закрытом сосуде взрываются. На местах взрыва чёрного пороха, содержащего азотнокислый калий, серу и древесный уголь в соотношениях 75:15:10, остаётся чёрный остаток, содержащий углерод. Смесевые твёрдые ракетные топлива – смесь перхлората аммония (или другого твёрдого окислителя) и органического связующего (например, полиуретана) В этой таблице приведена существующая классификация ВВ, которая является условной, так как поведение указанных веществ зависит от условий, которых они находятся, и способов инициирования. Так, например, аммиачная селитра, используемая в качестве сельскохозяйственного удобрения и даже не относимая некоторыми специалистами к числу ВВ, проявляет себя как сильное взрывчатое вещество, о чём свидетельствуют данные по авариям. Так в г. Людвигсгафен (Германия) в 1921 г. на территории компании BASF произошёл гигантский взрыв аммиачной селитры массой 4500 т, в результате пострадало более 2000 человек, в том числе погиб 561 человек. ВВ в зависимости от их природы и состояния обладают определёнными взрывчатыми характеристиками. Наиболее важными из них являются:  чувствительность к внешним воздействиям;  энергия (теплота) взрывчатого вещества;  скорость детонации;  бризантность;  фугасность (работоспособность). Условия, определяющие возможность взрыва. Условия возникновения и протекания взрывов. Физические и химические взрывы Как уже сказано несколько выше взрыв это процесс выделения энергии за короткий промежуток времени, связанный с мгновенным физикохимическим изменением состояния вещества, приводящим к возникновению скачка давлений или ударной волны, сопровождающийся образованием сжатых газов или паров, способных производить работу (ГОСТ Р22.0.8.-96). Взрывы, вызывающие тяжелые аварии и человеческие жертвы, часто происходят на промышленных предприятиях. Взрываются котлы в котельных, газы, аппараты, продукция и полуфабрикаты на химических предприятиях, пары бензина и других компонентов на нефтеперегонных заводах, мучная пыль на мельничных комбинатах и зерновых элеваторах, сахарная пудра на сахаро-рафинадных заводах, древесная пыль и лакокрасочные пары на деревообрабатывающих комбинатах, газовые конденсаты при утечке из газопроводов и т.д. Случаются взрывы при перевозке взрывчатых веществ транспортом (например, 4 октября 1988 г. на станции Свердловск-Сортировочная Свердловской железной дороги взорвались два вагона, где находились 47,9 т тротила и 41 т гексогена). Особенно подвержены взрывам с тяжёлыми последствиями шахты и рудники, где взрываются угольная пыль и рудничный газ. Наиболее частой причиной взрыва является искра, в том числе в результате накопления статического электричества. Причиной взрыва может стать халатность и недисциплинированность работников ОПО (взрыв вагонов на станции Свердловск-Сортировочная произошёл из-за халатности железнодорожного диспетчера, грубо нарушившего правила производства маневренных работ и обращения с вагонами, содержащими разрядный опасный груз. При авариях, связанных со взрывами, происходят сильные разрушения, а зачастую большие людские потери. Разрушения являются следствием бризантного (разрушительного) действия продуктов взрыва и воздушной ударной волны. Характер и размеры зоны разрушений зависят от мощности взрыва и параметров ударной волны – избыточного давления на фронте волны и длительности действия давления. Разрушения от ударной волны вызываются как фазой сжатия , так и фазой разряжения, причём последняя может стать определяющей для целостности некоторых конструкций Аварии, связанные со взрывами, часто сопровождаются пожарами. Иногда взрыв приводит к незначительным разрушениям, но вызванный им пожар может иметь катастрофические последствия: более мощные взрывы и более сильные разрушения. Взрыв приводит к образованию сильно нагретого газа ( плазмы) с очень высоким давлением, который при моментальном расширении оказывает ударное механическое воздействие (давление, разрушение) на окружающие тела. Взрыв в твёрдой среде сопровождается её разрушением и дроблением, в воздушной или водной среде вызывает образование воздушной или гидравлической ударной волны, которые разрушают помещённые в них объекты. Взрывы происходят за счёт освобождения химической энергии (главным образом взрывчатых веществ), внутриядерной энергии(ядерный взрыв), электромагнитной энергии (искровой заряд, лазерная искра и др.), механической энергии (при падении метеоритов на поверхность Земли), энергии сжатых газов(при превышении давления предела прочности сосудабаллона, трубопровода). На взрывоопасных объектах возможны следующие виды взрывов:  неконтролируемое резкое высвобождение энергии за короткий промежуток времени в ограниченном пространстве(взрывные процессы)  образование облаков топливовоздушных смесей или других газообразных, пылевоздушных веществ, вызванное их быстрыми взрывными превращениями (объёмный взрыв)  взрывы трубопроводов, сосудов, находящихся под высоким давлением или с перегретой жидкостью (прежде всего резервуаров со сжиженным углеводородным газом). Основными поражающими факторами являются:  воздушная ударная волна (при дефлаграционном взрыве – волна сжатия) – избыточное давление в её фронте (передней границе);  осколки. В результате действия поражающих факторов взрыва происходит разрушение или повреждение зданий, сооружений, технологического оборудования, транспортных средств, элементов коммуникаций и других объектов, гибнут или получают ранения люди. Вторичным последствием взрывов являются поражения людей, находящихся внутри объектов, обломками обрушенных конструкций зданий и сооружений, их погребение под обломками. При взрывах люди получают термические и механические повреждения, черепно-мозговые травмы, множественные переломы и ушибы, комбинированные повреждения. Для предотвращения взрывоопасных ситуаций на предприятии принимается комплекс мер, которые зависят от вида выпускаемой продукции. Многие меры являются специфическими, характерными, только для одного или нескольких видов производства. Но существуют меры, соблюдать которые необходимо на любых химических производствах. Различают взрывы, обусловленные различными физическими причинами (физические взрывы), и взрывы, в основе которых лежат чрезвычайно быстрые химические превращения веществ (химические взрывы). Примерами "физических" взрывов могут служить: I) Ядерные взрывы, источником которых служит ядерная энергия. Этот вид взрывов может быть искусственно вызван в земных условиях и в широких масштабах протекает в космосе. 2) Взрывы электрической природы, источником которых служит электрическая энергия. Примерами этого вида взрывов могут служить мощные искровые разряды в воздухе (молнии) или взрывы тонких металлических проволочек при пропускании через них тока высокого напряжения (взрывающиеся проволочки). 3) Взрывы, происходящие при соударениях тел, движущихся с высокими скоростями (падение крупных метеоритов). Источником взрывов этого вида служит кинетическая энергия движущихся тел, которая при ударе переходит в тепловую энергию, достаточную для превращения части вещества в сильно нагретый газ, что и приводит к взрыву. 4) Взрывы баллонов со сжатым газом, паровых котлов, вулканические взрывы. В этих видах взрывов источником энергии служат сжатые газы. 5) Землетрясения - своеобразная форма "физического" взрыва, обусловленного внезапным переходом потенциальной энергия упругих деформаций в энергию движения (перемещения) среды. Физические взрывы, как правило, связывают со взрывами сосудов от давления паров и газов. Их основной причиной является не химическая реакция, а физический процесс, обусловленный высвобождением внутренней энергии сжатого или сжиженного газа. Сила таких взрывов зависит от внутреннего давления, а разрушения вызывают ударная волна от расширяющегося газа или осколки разорвавшегося сосуда. Физический взрыв может произойти в случае, например, падение переносного баллона с газом под давлением и срыва вентиля, понижающего давление. Давление сжиженного газа редко превышает 40 бар (критическое давление большинства обычных сжиженных газов). К физическим взрывам относится также явление так называемой физической детонации. Оно возникает при смешении горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой (например, при выливании расплавленного метала в воду). Физическая детонация сопровождается возникновением ударной волны с избыточным давлением в жидкой фазе, достигающим в некоторых случаях более 1000 атм. Этот процесс наблюдается в производстве при взаимодействии, например, расплавленного алюминия с водой (при аварии на атомном реакторе), контакте с водой расплавленной стали ( в литейном цехе) или расплава солей(Na2CO3 и Na2S) – при производстве бумаги. Взрыв вулкана Кракатау в 1883 г.— пример физической детонации ,так как он возник в результате взаимодействия расплавленной лавы с водой. Гул взрыва был слышен на расстоянии 5000км в течение 4 часов после события. Многие жидкости хранятся или используются в условиях, когда давление их паров значительно превышает атмосферное. К числу таких жидкостей относятся сжиженные горючие газы (например, пропан, бутан), сжиженные хладагенты – аммиак или фреон (хранимые при комнатной температуре), метан, который должен храниться при пониженной температуре, перегретая вода в паровых котлах. Если ёмкость с перегретой жидкостью повреждается, то происходит истечение пара в окружающее пространство и быстрое частичное испарение жидкости. При быстрых расширении и истечении пара в окружающей среде генерируются взрывные волны. Общим для всех видов физических взрывов и взрывов химической природы является чрезвычайно быстрый переход потенциальной энергии системы в механическую работу разрушения окружающей среды. Однако если химический взрыв – это результат весьма быстрого химического превращения вещества, то при физическом такого превращения, как правило, не происходит (исключен6ия составляют ядерные взрывы). К химическим взрывам относятся взрывы взрывчатых веществ (ВВ), жидких и твердых топлив, взрывчатых газовых смесей, а также взрывы пылевоздушных и пылекислородных смесей. Характерными признаками взрывных превращений веществ являются: 1. Экзотермичность процессов превращения. Экзотермичность процессов превращения ВВ обуславливается различными причинами, главными из которых является химическое разложение эндотермических соединений и окисление горючих элементов (углерода и водорода) за счет кислорода, содержащегося в молекуле вещества. За счет тепла, выделяющегося при взрыве, происходит разогрев газообразных продуктов взрыва до нескольких тысяч градусов и осуществляется последующее разрушительное действие при расширении продуктов превращения вещества. 2. Способность его к самораспространению по массе исходного вещества. Причиной самораспространения является передача энергии, выделившейся в зоне химических реакций, новым слоям ВВ, которая при взрывных превращениях, в отличие от процессов горения, осуществляется при помощи распространения ударной волны. 3. Наличие конечного по ширине фронта превращения, перемещающегося с весьма высокой скоростью. Высокие скорости распространения взрывных процессов обусловлены тем, что передача энергии новым слоям ВВ для возбуждения в них интенсивной химической реакции осуществляется посредством ударной волны, которая распространяется со скоростью, в несколько раз превосходящей скорость звука и исходном веществе, для современных ВВ линейная скорость распространения взрыва составляет 4500-9000 м/сек. 4. Образование продуктов взрыва в виде газов и паров. Эти продукты, находящиеся в момент взрыва в чрезвычайно сжатом состоянии (давление газов достигает сотен тысяч атм.), являются тем физическим агентом, в процессе расширения которого осуществляется чрезвычайно быстрый переход потенциальной энергии ВВ в механическую работу разрушения окружающей среды. Необходимо подчеркнуть, что только наличие всех четырех указанных признаков определяет возможность протекания химического превращения вещества в форме взрыва. Взрывные процессы могут протекать в двух формах: собственно взрыв и детонация. Отличие между ними состоит лишь в том, что собственно взрыв характеризуется переменной скоростью распространения реакции по массе исходного вещества, детонация же представляет стационарную форму взрыва: она характеризуется постоянной и максимально возможной для денного ВВ и данных условий взрыва скоростью распространения. Классификация явлений взрывчатого превращения Под конденсированными взрывчатыми веществами (КВВ) понимаются химические соединения или смеси, находящиеся в твёрдом или жидком состоянии, которые под влиянием определённых внешних условий способны к быстрому самораспространяющемуся химическому превращению с образованием сильно нагретых и обладающих большим давлением газов, которые, расширяясь, производят механическую работу. Такое химическое превращение ВВ принято называть взрывчатым превращением. Взрывчатое превращение в зависимости от взрывчатого вещества и вида воздействия на него может протекать в виде взрыва или горения. Взрыв распространяется по взрывчатому веществу с большей переменной скоростью, измеряемой сотнями или тысячами метров в секунду. Процесс взрывчатого превращения, обусловленный прохождением ударной волны по взрывчатому веществу и протекающий с постоянной (для данного вещества при данном его состоянии) сверхзвуковой скоростью, называется детонацией. В случае снижения качеств ВВ (увлажнение, склеивание) или недостаточного начального импульса детонация может перейти в горение или совсем затухнуть – такая детонация называется неполной. Горение КВВ (конденсированного взрывчатого вещества) – это процесс взрывчатого превращения, обусловленный передачей энергии от одного слоя ВВ к другому путём теплопроводности и излучения тепла газообразными продуктами. Процесс горения ВВ (за исключением инициирующих веществ) протекает сравнительно медленно, со скоростями, не превышающими несколько метров в секунду. Скорость горения в значительной степени зависит от внешних условий, и в первую очередь от давления в окружающем пространстве: с увеличением давления скорость горения возрастает, при этом в некоторых случаях горение может перейти во взрыв. Горение бризантных ВВ в замкнутом объёме, как правило, переходит в детонацию. Возбуждение взрывчатого превращения ВВ называется инициированием. Для возбуждения взрывчатого превращения ВВ требуется сообщить ему с определённой интенсивностью необходимое количество энергии (начальный импульс), которая может быть передана одним из следующих способов:  механическим (удар, накол, трение)  тепловым (искра, пламя, нагревание)  электрическим (нагревание, искровой заряд)  химическим (реакции с интенсивным выделением тепла)  взрывом другого заряда ВВ (взрыв капсюля-детонатора и соседнего заряда). Энергия и мощность взрыва Применение ВВ в военном деле и народном хозяйстве основано на их использовании в качестве своеобразного источника энергии. Энергия, выделяющаяся при взрыве, содержится во взрывчатом веществе в скрытой форме. Чтобы понять, каким же образом происходит выделение этой энергии, вспомним, что всякое вещество состоит из молекул, а молекулы из атомов. Превращение одного вещества в другое происходит в результате изменения строения молекул. Атомы, входящие в состав молекул, при химических процессах перестраиваются, соединяются по-новому. В результате появляются новые молекулы и вещество изменяется. Перестройка молекул сопровождается выделением или поглощением энергии. ВВ способно при соответствующих условиях выделять значительную энергию за счет того, что его молекулы превращаются в молекулы газов. Благодаря выделившейся энергии образовавшиеся газообразные продукты оказываются нагретыми до очень высокой температуры и начинают быстро расширяться. Расширяющиеся газы могут производить механическую работу по перемещению или разрушению окружающих предметов. Скрытой энергией обладают не только ВВ. Ею обладают дрова, уголь, бензин и другие горючие вещества. Эта энергия может также выделяться при определенных условиях, например при горении. Почему же для целей разрушения и метания на протяжении многих веков применяются ВВ и до настоящего времени им не могут найти замену? Казалось бы, можно предположить, что исключительной причиной их применения для этих целей является огромный запас потенциальной энергии. Такое предположение является ошибочным. Известно, что в 1 кг бензина энергии содержится в 10 раз больше, чем в 1 кг тротила, и в 12 раз больше, чем в пироксилиновом порохе. Правда, при таком сравнении допускается некоторая неточность. Вспомним, в каких условиях горит пороховой заряд или взрывается разрывной заряд снаряда. Они мгновенно превращаются в газы в изолированных от внешнего воздуха пространствах зарядной камеры ствола орудия или снаряда. Бензин или любое другое топливо не может гореть в замкнутом объеме без достаточного количества воздуха или свободного кислорода. Для сгорания 1 кг бензина требуется столько кислорода, сколько его содержится в 15,5 кг воздуха. Поэтому правильнее теплоту горения топлива рассчитывать на 1 кг его смеси с необходимым для горения количеством кислорода. При таком расчете разница в величинах теплоты горения бензина и теплоты взрыва ВВ стала меньше, однако и в этом случае количество выделяющейся энергии у бензина больше: пироксилиновый порох — 700 ккал/кг , тротил —1000 ккал/кг, смесь 1 кг бензина с кислородом — 2300 ккал/кг. Следовательно, величина энергии, заключенная во взрывчатых веществах и порохах, не является основной причиной их применения для разрушительных и метательных целей. Основная причина заключается не в величине энергии, хотя это тоже имеет значение, а в очень быстром ее выделении. Если сгорание 1 кг бензина в двигателе автомобиля происходит за 5—6 мин, то 1 кг пороха сгорает в каморе артиллерийского орудия за несколько тысячных долей секунды, а взрыв 1 кг тротила длится всего лишь 1—2 стотысячные доли секунды. Энергия при взрыве выделяется в десятки миллионов раз быстрее, чем при сгорании топлив. Этим объясняется колоссальная мощность взрыва. Путем весьма несложных расчетов можно подсчитать мощность взрыва разрывного заряда 100-мм осколочно-фугасного снаряда. Результат получится весьма внушительный — около 20 млн. л. с. Большая мощность характерна для ВВ и в случае их применения для метательных целей. Мощность порохового заряда артиллерийского выстрела крупного калибра составляет 15 млн. л.с. Возможности использования энергии взрыва и горения ВВ в настоящее время еще далеко не исчерпаны. Одной из задач современной науки, занимающейся изучением ВВ и их взрывного превращения, является овладение в полной мере умением управлять процессами выделения их энергии в целях получения наибольшего разрушительного или метательного эффекта. ВВ при взрыве выделяет энергию за счет того, что небольшой объем твердого или жидкого ВВ превращается в огромный объем газов нагретых до температуры тысяч градусов. Для разных типов ВВ Объем выделяющихся газов на 1 кг ВВ имеющего начальный объем не более 0,8...1л. составляет величину от 300 до 1000 л. и более. Образовавшиеся при взрыве горячие газообразные продукты распада ВВ начинают расширяться, производя механическую работу. Таким образом, ВВ имеют запас скрытой химической энергии освобождающийся при взрыве. Однако скрытой энергией обладает не только ВВ, а, например бензин, уголь, дрова и др. горючие вещества. Эта энергия горючих веществ может выделяться при горении. Почему же для целей разрушения и метания применяются ВВ и пороха, а не, например бензин? Известно, что в 1 кг. бензина энергии содержится в 10 раз больше чем в 1 кг. тротила и 12 раз больше чем в бездымном пироксилиновом порохе. Но заряд ВВ и заряд пороха с громадной скоростью превращается в газы, а бензин или любое топливо не может гореть без достаточного количества воздуха или свободного кислорода. Для сгорания 1кг. бензина требуется столько кислорода, сколько его содержится в 15,5 кг. воздуха. Поэтому теплоту горения (энергию) топлива нужно рассчитывать на 1 кг. его смеси с необходимым для его полного сгорания кислородом. При таком расчете разница в энергии сгорания смеси бензина с кислородом и энергии взрыва заряда ВВ того же количества меньше чем, приведено выше, однако, и в этом случае количество выделяющейся при сгорании бензина энергии больше: бездымный порох 700 ккал/кг., тротил 1000 ккал/кг., смесь бензина с кислородом –2300 ккал/кг. Следовательно, не величина энергии заключенная в ВВ и порохах является основной причиной их применения для целей разрушения и метания. Основная причина заключается не в величине энергии, а в очень быстром ее выделении. Если сгорание 1 кг. бензина в автомобильном двигателе происходит (в зависимости от мощности двигателя и его нагрузки) за 10...60 минут, то 1 кг. пороха сгорает в зарядной каморе артиллерийского орудия за несколько тысячных долей секунды, а взрыв 1 кг. тротила длится всего лишь 30-40 стотысячных долей секунды. Энергия при взрыве выделяется в десятки миллионов раз быстрее, чем при сгорании топлив. Этим и объясняется колоссальная мощность взрыва. Например, при взрыве 1 кг. тротила выделяется 1000 ккал. тепла, которые эквивалентны работе в 427000 кгм. При скорости детонации тротила в 6900 м/сек. и длине заряда 25 см. его детонация закончится в течение времени: 0,25:6900=0,000036=36 микросекунд. Тогда мощность, развиваемая 1 кг. тротила за этот промежуток времени, будет равна 427000:0,000036 = 11900000000 кгм/сек.=158х106 л.с.=158 млн.л.с.! Однако мощность взрыва правильнее вычислять не по времени детонации всего заряда, а по времени расширения продуктов взрыва до атмосферного давления, расширение же до такого объема по результатам скоростных съемок взрывного процесса протекает в течение нескольких миллисекунд. В этом случае мощность 1 кг. тротила выражается величиной более 1 миллиона лошадиных сил. Но и эта мощность в реальных условиях не может быть реализована полностью из-за кратковременности ее действия, инерции масс перемещаемого или разрушаемого материала, на которые она действует, а также потерь на нагрев окружающей среды, на излишнее измельчение и разбрасывание ее, на остаточное тепло в продуктах взрыва после их окончательного расширения и на неизбежные химические потери. В итоге полезная механическая работа часто не превышает 1-2%, а при взрывах в твердой среде 8-9% энергии содержащейся в ВВ. Однако огромное количество потенциальной энергии содержащейся в ВВ и порохах делает их незаменимыми, несмотря на неполное ее использование при взрыве. Большая мощность характерна для ВВ и в случае применения их для целей метания снарядов. Мощность порохового заряда артиллерийского выстрела крупного калибра составляет 15 млн.л.с Форма ударной волны. Длительность импульса Взрыв – это очень быстрое выделение энергии в ограниченном объеме, связанное с внезапным изменением состояния вещества, и сопровождаемое обычно разбрасыванием (дроблением) окружающей среды. Наиболее характерными являются взрывы, при которых на первом этапе внутренняя химическая (или ядерная) энергия превращается в тепловую. По сравнению с обычным топливом химические взрывчатые вещества (ВВ) обладают небольшим тепловыделением (4∙103 кДж/кг или 103 ккал/кг), но из-за малого времени химического превращения (10-5с), которое происходит без участия кислорода воздуха, вещество не успевает разлететься в процессе взрыва и образуется газ с высокой температурой (2∙103 - 4∙103 К) и давлением до 10 ГПа (105 кгс/см). Расширение газа приводит в движение окружающую среду – возникает взрывная волна, скорость распространения которой вблизи очага взрыва достигает нескольких км/с. Взрывная волна оказывает механическое действие на окружающие объекты. Взрывы могут быть вызваны резкими внешними воздействиями ударом, трением, ударной волной и др. Действие взрыва может быть усилено в определенном направлении – кумулятивный эффект. Это достигается специальной формой заряда взрывчатых веществ – с выемкой (обычно конической или параболической формы) в противоположной от детонатора части заряда. При инициировании взрыва продукты химической реакции образуют сходящийся к выемке поток – формируется высокоскоростная кумулятивная струя. Выемку обычно облицовывают слоем металла толщиной h = 1-2 мм, что значительно повышает кумулятивный эффект: под действием высокого (до 10 ГПа) давления продуктов химической реакции образуется струя металла, скорость которой достигает 10-15 км/с, что обеспечивает ей большую пробивную силу. Этот эффект используется в кумулятивных снарядах, БЧ ракет, авиационных бомб и т.д. Рис 5. Устройство кумулятивного снаряда 1 - детонатор; 2 - ВВ; 3- металлическая облицовка; 4 - кумулятивная струя; 5 - продукты взрыва; 6 - фронт детонационной волны. Порожденное взрывом движение среды называют ударной волной. Под воздействием высокого давления газов, образовавшихся при взрыве, окружающая очаг взрыва среда испытывает сжатие и приобретает большую скорость. Движение передается от одного слоя к другому, так что область, охваченная взрывной волной, быстро расширяется. Скачкообразное изменение состояния вещества во фронте взрывной волны называют ударной волной, которая распространяется со сверхзвуковой скоростью. Основными параметрами, характеризующими взрывную волну, являются максимальное давление Pm, время действия и импульс . Для ядерных боеприпасов большой мощности учитывают еще и скоростной напор воздуха ΔРск, движущегося за фронтом ударной волны (при ΔРср > 50 кПа). По мере удаления от центра взрыва Рm и S (максимальное давление и импульс) уменьшаются, а время действия растет (см. рис.). Рис.6. Изменение давления от времени На больших расстояниях преобразуется в звуковую волну. от места взрыва взрывная волна Ударная волна – это распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности  , давления Р и скорости V вещества. Ударная волна возникает при взрывах, детонации и др. явлениях (например, при сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т.д.). При взрывах ВВ образуются высоконагретые продукты взрыва, обладающие большой плотностью и находящиеся под высоким давлением. В начальный момент они окружены покоящимся воздухом при нормальной плотности и атмосферном давлении. Расширяющиеся продукты взрыва сжимают окружающий воздух, причем в каждый момент времени сжатым оказывается лишь воздух, находящийся в определенном объеме; вне этого объема воздух остается в невозмущенном состоянии. С течением времени объем сжатого воздуха возрастает. Поверхность, которая отделяет сжатый воздух от невозмущенного, и представляет собой ударную волну (или, как говорят, фронт ударной волны). Импульс ударной волны (ударный импульс) действует на каждое из соударяющихся тел при ударе. Величина ударного импульса определяется равенством или ,где Р - ударная сила, Pср - ее среднее значение за время удара, - время удара. Ударный импульс рассматривают как меру механического взаимодействия тел при ударе. Иногда ударный импульс называют ударом. 4.2. Общие сведения о взрывчатых веществах Вещества или механические смеси, способные под влиянием внешнего воздействия к взрывным превращениям, называются взрывчатыми веществами (ВВ). При взрывчатом превращении твердое или жидкое ВВ переходит в газообразное состояние. Выделяющаяся при этом теплота и есть та энергия, за счет которой совершается механическая работа выстрела или разрушения окружающей среды. ВВ по характеру своего действия и применения подразделяются на три группы:    инициирующие ВВ; бризантные ВВ; метательные ВВ или пороха Инициирующими называются такие ВВ, которые обладают очень высокой чувствительностью и взрываются от незначительного внешнего воздействия, всегда детонируют и вызывают детонацию других веществ. Применяются в небольших количествах для снаряжения капсюлей, создающих первоначальный импульс взрыва. К инициирующим ВВ относятся гремучая ртуть, азид свинца, тринитрорезорценат свинца (TНРC). Бризантными, или дробящими, называют такие ВВ, которые при взрыве производят дробление окружающих предметов. Бризантные ВB менее чувствительны к внешним воздействиям, чем инициирующие, детонируют обычно при воздействии взрыва другого, более чувствительного ВВ – детонатора. Бризантные ВВ применяются в качестве разрывного заряда в арт. снарядах, минах, боевых частях авиационных бомб, ракет, торпед и т.д. Представителями этой группы ВB являются тротил, тетрил, гексоген и др. Метательными BВ, или порохами, называют такие ВВ, характером взрывчатого превращения которых является быстрое горение, не переходящее в детонацию даже при высоких давлениях, развивающихся при выстреле. Эти ВВ в основном используются для изготовления зарядов, к ним относятся дымные и бездымные пороха. На открытом воздухе они горят спокойно. В замкнутом объеме процесс происходит энергичнее: быстро, но не резко повышается давление, влекущее за собой увеличение скорости горения. Под действием высокого давления происходит перемещение пуль, снарядов и т.д., т.е. выстрел. Из новых типов взрывчатых веществ наиболее перспективными считают прежде всего вещества типа “воздух-горючее” (используются в “вакуумных бомбах” или “бомбах избыточного давления”). При взрывах в воздухе особого сверхлетучего горючего образуется сильная ударная волна, способная нанести значительный урон противнику на больших площадях. Подобные ВВ больше, чем какие-либо другие, сравнимы с ядерными зарядами малой мощности. РАСЧЕТ БЕЗОПАСНЫХ РАССТОЯНИЙ ПРИ ВЗРЫВЕ ГОРЮЧИХ СМЕСЕЙ При оценке последствий аварийных ситуаций, связанных с выбросами в окружающую среду горючих газов или легко испаряющихся горючих жидкостей, необходимо учитывать возможность воспламенения и взрыва образующихся топливно-воздушных смесей (ТВС). Рекомендуемая Госгортехнадзором России методика энергетического потенциала для расчетов безопасных расстояний не учитывает длительность воздействия ударной волны на объект, параметры, состав продуктов и режим взрывного превращения (горение, взрыв, детонация). Поэтому в МИФИ разработана методика определения безопасных расстояний при воздействии на объекты ударных волн и волн сжатия, генерируемых при горении или взрыве открытых объемов ТВС, основанная на термодинамическом моделировании. Для определения параметров состояния и состава продуктов взрывного разложения используются термодинамические расчеты горения, взрыва и последующего изэнтропического расширения продуктов. Термодинамическое моделирование позволяет в рамках сделанных предположений о характере процесса вычислить давление, температуру и состав продуктов взрывного превращения при заданных значениях удельного объема и энергии. Представляется целесообразным проводить оценку параметров ударных волн, исходя из того факта, что на больших расстояниях от места взрыва интенсивность ударной волны определяется энергией, передаваемой воздуху от продуктов горения. С этой целью используется параметр равный разности значений полной удельной внутренней энергии исходной горючей смеси и продуктов взрыва, изэнтропически расширившихся до нормального давления. Значение этого параметра непосредственно характеризует работу, совершаемую продуктами взрыва при заданном режиме взрывного превращения ТВС, так как для ее расчетов используется значение энтропии продуктов в состоянии рассматриваемого режима, будь это горение, детонация или взрыв. Избыточное давление и импульс воздушной ударной волны являются однозначными функциями безразмерного расстояния, которое представляет собой расстояние от центра симметрии, отнесенное к корню кубическому из энергии, передаваемой воздуху при детонации, взрыве или горении данного объема смеси. Значение этой энергии удобно представить в единицах тротилового эквивалента. Получены аппроксимационные зависимости для избыточного давления на фронте и импульса фазы сжатия ударной волны от безразмерного расстояния, которые хорошо описывают экспериментальные данные для смесей разного состава, отличающихся энергиями, передаваемыми воздуху. Зная вид этих зависимостей, а также используя экспериментальные критерии для значений избыточных значений давления и импульса фазы сжатия ударных волн, вызывающих разрушение зданий, сооружений и других объектов, поражение работающего персонала и населения, можно оценить опасные расстояния, на которых тот или иной объект будет разрушен. Эта оценка проводится путем сравнения построенных в координатах импульсдавление зависимостей избыточного давления на фронте и импульса фазы сжатия ударной волны с известными из опытов линиями, определяющими различную степень разрушения объекта. Точка пересечения этих линий соответствует критическим значениям давления и импульса ударной волны, а, следовательно, и расстоянию от центра взрыва, на котором происходит разрушение объекта. Значения безопасных расстояний, рассчитанные по предлагаемой методике, удовлетворительно согласуются с имеющимися опытными данными. Лекция 8 Взрывчатые вещества. Физико-химические характеристики ВВ. Классификация ВВ. Инициирующие ВВ. Бризантные ВВ. Бризантные ВВ повышенной мощности. Взрывчатые вещества (ВВ), химические соединения или смеси веществ, способные к быстрой химической реакции, сопровождающейся выделением большого количества тепла и образованием газов. Эта реакция, возникнув в какой-либо точке в результате нагревания, удара, трения, взрыва другого ВВ или иного внешнего воздействия, распространяется по заряду за счёт передачи энергии от слоя к слою с помощью процессов тепло- и массопереноса (горение) либо ударной волны (детонация). Скорость горения различных ВВ колеблется от долей мм/сек до десятков и сотен м/сек, скорость детонации может превышать 9 км/сек. Взрывчатыми могут быть конденсированные (твёрдые и жидкие) вещества, газы, а также взвеси частиц твёрдых или жидких веществ в газах. Во взрывной технике применяются конденсированные и водонаполненные ВВ, преимущество которых заключается в значительной концентрации энергии в единице объёма. В сочетании с большой скоростью процесса это позволяет получать при взрыве огромные мощности. Так, по заряду из 1 кг гексогена, объём которого 0,6 л, а теплота взрыва 5,4 МДж (1300 ккал), детонация может пройти за 10 мксек, что соответствует мощности 500 млн. кВт (в десятки раз больше, чем мощность самой крупной электростанции). Реакция при детонации идёт так быстро, что газообразные продукты с температурой несколько тысяч градусов оказываются сжатыми в объёме, близком к исходному объёму заряда, до давлений в десятки сотни тысяч кгс/см2. Резко расширяясь, сжатый газ наносит по окружающей среде удар огромной силы. Происходит взрыв. Материалы, находящиеся вблизи от заряда, подвергаются дроблению и сильнейшей пластической деформации (местное, или бризантное, действие взрыва); вдали от заряда разрушения менее интенсивны, но зона, в которой они происходят, гораздо больше (общее, или фугасное, действие взрыва). Давление р, развивающееся при детонации и определяющее бризантность ВВ, зависит от плотности заряда и скорости детонации. Фугасность, или работоспособность, ВВ определяется теплотой, а также объёмом газообразных продуктов взрыва. Обычно работоспособность выражают в относительных единицах, используя в качестве стандартного ВВ тротил (Тротиловый эквивалент), гремучий студень или аммонит ? 6, либо в единицах энергии. Помимо способности производить ту или иную работу, области применения ВВ определяются их химической и физической стойкостью (т. е. способностью сохранять свои свойства в процессе снаряжения, транспортировки и хранения) и чувствительностью к внешним воздействиям, характеризуемой минимальным количеством энергии, необходимым для возбуждения взрыва. Важной характеристикой ВВ является также их детонационная способность, мерой которой служит критический диаметр детонации, т. е. наименьший диаметр цилиндрического заряда, при котором детонация ещё распространяется, несмотря на разброс вещества из зоны реакции. Детонационная способность ВВ тем больше, чем меньше критический диаметр. Основным источником энергии взрыва является окисление. Окислителем обычно служит кислород, который входит в состав ВВ и обеспечивает возможность их горения и взрыва без доступа воздуха. Чем больше кислорода в ВВ, тем выше их кислородный баланс. Если кислорода достаточно для превращения всего углерода ВВ в CO2, а водорода - в H2O, кислородный баланс ВВ равен нулю. У ВВ с недостатком кислорода он отрицателен, с избытком - положителен. Способностью к взрыву обладают и некоторые вещества, не содержащие кислорода: азиды, ацетилен, ацетилениды, диазосоединения, гидразин, йодистый и хлористый азот; смеси горючих веществ с галогенами; "замороженные" радикалы свободные; соединения инертных газов и др. Большинство из них, так же как многие кислородсодержащие соединения (перекиси, озониды, органические соли хлорной и хлорноватой кислот, нитриты, нитрозосоединения и др.), относятся к взрывоопасным веществам, но вследствие слишком высокой чувствительности, малой химической стойкости, токсичности, дороговизны и т.п. как ВВ не применяются. Некоторые взрывчатые смеси горючих веществ с окислителями (хроматами, бихроматами, перекисями, окислами, нитратами, хлоратами и т.п.) используются как пиротехнические составы. Из многих способных к взрыву соединений в качестве ВВ и компонентов взрывчатых смесей применяют лишь 2-3 десятка веществ. Основные из них - нитросоединения (тринитротолуол, тетрил, гексоген, октоген, нитроглицерин, тетранитропентаэритрит - тэн, нитроклетчатка, нитрометан и др.) и соли азотной кислоты, особенно нитрат аммония. Как правило, эти вещества применяют не в чистом виде, а в виде смесей, например, смеси октогена, гексогена и тэна с тротилом, нитроглицерина с нитрогликолем, диэтиленгликольдинитратом и нитроклетчаткой, тротила с нитратом аммония, смеси аммиачной селитры с жидкими (например, соляровым маслом) и порошкообразными (например, древесной мукой, порошкообразным алюминием) горючими веществами. Для уменьшения чувствительности и опасности в обращении мощные ВВ смешивают с парафином, церезином и др. легкоплавкими добавками (флегматизация ВВ). Для увеличения теплоты взрыва в смеси вводят порошкообразный алюминий или магний. Большое значение имеют смесевые ВВ, изготовляемые из невзрывчатых (или слабовзрывчатых) горючих и окислителей - игданиты, гранулиты, дымный порох, хлоратные и перхлоратные ВВ - смеси на основе солей хлорной и хлорноватой кислот, жидкого кислорода (оксиликвиты) и др. По взрывчатым свойствам (условиям перехода горения в детонацию) и обусловленным ими областям применения ВВ подразделяют на инициирующие (первичные), бризантные (вторичные) и метательные (пороха). Инициирующие ВВ характеризуются чрезвычайно высокой скоростью взрывного превращения. Чувствительность их высока, горение неустойчиво и быстро переходит в детонацию уже при атмосферном давлении. Взрыв может быть возбуждён поджиганием, ударом или трением. Инициирующие ВВ используют для возбуждения взрывчатого превращения других веществ. Основные представители инициирующих ВВ - азид свинца, гремучая ртуть, тринитрорезорцинат свинца, тетразен. Бризантные ВВ более инертны. Чувствительность их к внешним воздействиям гораздо меньше, чем инициирующих. Горение может перейти в детонацию только при наличии прочной оболочки либо большого количества ВВ. Поэтому они относительно безопасны в обращении. В качестве бризантных ВВ применяют главным образом нитросоединения и взрывчатые смеси на основе нитратов, хлоратов, перхлоратов и жидкого кислорода, о которых говорилось выше. Основной режим их взрывного превращения - детонация, возбуждаемая небольшим зарядом инициирующего ВВ. Бризантные ВВ применяют для взрывных работ, а также в снарядах и др. боеприпасах. Метательные ВВ горят ещё более устойчиво, чем бризантные: они не детонируют при горении даже в самых жёстких условиях [большие заряды, давления порядка десятков и сотен МН/м2 (сотен и тысяч кгс/см2)]. Основной режим взрывного превращения метательных ВВ - горение. Отличие метательных ВВ от бризантных определяется в основном не химическим составом, а физической структурой этих веществ (плотностью и прочностью заряда). Характеристики некоторых ВВ приведены в таблице. Характеристика некоторых взрывчатых веществ при плотности заряда 1600 кг/м3 Взрывчатые вещества Кислородный баланс, % Теплота взрыва, Мдж/кг (ккал/кг) Объём газообразных Скорость продуктов взрыва, детонации, при нормальных ускг/сек ловиях, м3/кг (л/кг) Тротил. . . . . . . . . . . Тетрил. . . . . . . . . . . Гексоген. . . . . . . . . . Тэн. . . . . . . . . . . . . . Нитроглицерин. . . . . Амонит ? 63. . . . . . . Нитрат аммония. . . . Азид свинца. . . . . . . Баллиститный порох4. =74,0 =47,4 =21,6 =10,1 +3,5 +20,0 =45 4,2 (1000) 4,6 (1100) 5,4 (1300) 5,9 (1400) 6,3 (1500) 4,2 (1000) 1,6?? (380) 1,7?? (400) 3,56 (860) 0,75 (750) 0,74 (740) 0,89 (890) 0,79 (790) 0,69 (690) 0,89 (890) 0,98 (980) 0,23 (230) 0,97 (970) 7,0 7,6 8,1 7,8 7,7 51 ~1,51 5,32 7,0 1 Плотность заряда 1000 кг/м3. 2 Плотность заряда 4100 кг/м3. 3 79% нитрата аммония, 21% тротила. 4 28% нитроглицерина, 57% нитроцеллюлозы (коллоксилина), 11% динитротолуола, 3% централита, 1% вазелина. ВВ широко применяют в народном хозяйстве при взрывных работах, взрывной сварке, взрывном упрочнении металла, взрывном штамповании. ВВ, применяемые в горной промышленности, подразделяют на непредохранительные - для открытых работ и для подземных работ (кроме шахт, опасных по газу или пыли, обычно ВВ для подземных работ обладают большей детонационной способностью, чем ВВ для открытых работ, и образуют при взрыве меньше ядовитых газообразных продуктов - окислов азота и окиси углерода) и на предохранительные взрывчатые вещества (для шахт, опасных по газу или пыли). Основную массу промышленных ВВ составляют аммониты и гранулиты. В меньших количествах используют динамиты, тротил, преимущественно гранулированный (гранулотол), иногда с добавкой алюминия (алюмотол), водонаполненные взрывчатые вещества. В военной технике ВВ применяют для снаряжения боеприпасов: вторичные ВВ - для разрывных зарядов мин, снарядов, авиационных бомб, боевых частей ракет, боевых зарядных отделений торпед, ручных и ружейных гранат и др.; метательные - в качестве пороховых зарядов артиллерийских и миномётных выстрелов, патронов для стрелкового оружия, твёрдотопливных ракетных двигателей и др.; инициирующие - для устройств, обеспечивающих детонацию разрывного или воспламенение порохового зарядов (в капсюлях-детонаторах, электродетонаторах, детонирующем шнуре и т.п.). ВВ используют также для изготовления генераторов газа высокого давления (пороховые заряды для подачи компонентов в камеру сгорания жидкостных ракетных двигателей, для огнемётов и т.д.), устройства инженерных взрывных заграждений (минные поля, фугасы). Они являются важной частью атомных и термоядерных боеприпасов: взрыв зарядов вторичного ВВ обеспечивает достижение надкритической массы ядерного заряда. Широкое применение ВВ находят и в научных исследованиях как простое и удобное средство получения высоких температур, больших скоростей и сверхвысоких давлений. Одним из направлений развития ВВ является широкое использование пригодных для механизированного заряжания сыпучих гранулированных ВВ, взрывание зарядов без применения инициирующих ВВ (например, с помощью мощного электрического разряда), разработка и внедрение новых типов ВВ (например, соединений, содержащих богатую кислородом тринитрометильную группу C (NO2)3), применение нитропарафинов, взрывчатых смесей на основе жидких окислителей (тетранитрометана, четырёхокисид азота и др.). Физико-химические характеристики ВВ Взрывчатые вещества представляют собой класс веществ или смесей веществ, характеризующихся тем, что они, будучи при обыкновенных условиях более или менее стойкими, способны под влиянием некоторых внешних воздействий как-то: трения, удара, искры, и.т. п., «взрывается» то есть разлагаться чрезвычайно быстро, с образованием большого количества раскаленных газов, поскольку при этом разложении выделяется значительное количество тепла. Раскаленные газы, стремясь занять большой объем, производят большое давление на окружающую среду, вследствие чего происходит разламывание и разбрасывание частей окружающей среды (преграды). На указанном свойстве разрушать и разбрасывать преграду основано применение ВВ в военной технике, и в промышленности, например для взрывных работ в горном деле. Чувствительность к удару вв Высота см. падения груза 2кг. гремучая ртуть 2 азид свинца 3-4 тенерес 11 тен 28 гексоген % взрывов при чувствит.к стойкость высоте чувст- прострелу при падения вител. винтовочной нагревании 25 см. пулей °С груза 2кг. 8,5-5,5 груз 0,1кг. 237груз 1,4кг. 18,212,5 груз 1,4кг. стойкость к увлажнению стойкость к свету 180 взрыв Разлагается не взрывается при при 50 10% влажности. 310 взрыв разлагается медленно не гигроскопичен при 200 разлагается 276 взрыв разлагается малогигроскопичен разлагается при50 100 215 взрыв 28 78-80 230 взрыв тетрил 30 50-60 195 взрыв тротил 60 4-12 290 не взрывается разлагается не гигроскопичен при 141 разлагается не гигроскопичен при 203 разлагается не гигроскопичен при 150 стоек не гигроскопичен - стоек стоек стоек Темнеет с поверхности пикриновая кислота Динамит 62% аммонит скальный №1 аммонит 80/20 аммонал (8%AL) диамон 45 24-32 300 взрыв 25 80-100 205 взрыв 25 20-30 205 не взрывается 60-70 16-32 320 - 8-10 310 75-85 8-10 310 не взрывается не взрывается не взрывается стоек малогигроскопичен стоек не гигроскопичен стоек стоек гигроскопичен стоек стоек гигроскопичен стоек стоек гигроскопичен стоек стоек гигроскопичен стоек Классификация ВВ Метательные взрывчатые вещества (пороха). Метательными (порохами) называются такие вещества, основной формой взрывчатого превращения которых является горение. Пороха делятся на дымные и бездымные. Инициирующие взрывчатые вещества. Инициирующие ВВ обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям (удару, наколу, трению и воздействию огня). Взрыв сравнительно небольших количеств инициирующих ВВ в непосредственном контактом с бризантными ВВ возбуждает детонацию последних. Вследствие указанных свойств инициирующие ВВ применяются для снаряжения средств взрывания (капсюлей-воспламенителей, капсюлей-детонаторов и запалов). К инициирующим ВВ относятся: гремучая ртуть, азид свинца, ТРС. К инициирующим ВВ относятся также капсюльные составы, которые используются для возбуждения детонации инициирующих ВВ или для воспламенения порохов. Бризантные взрывчатые вещества. Бризантные ВВ более мощны и менее чувствительны к внешним воздействиям, чем инициирующие ВВ. Возбуждение детонации бризантного ВВ производится взрывом капсюля-детонатора или заряда другого бризантного ВВ. Бризантные ВВ применяются для снаряжения инженерных боеприпасов в чистом виде, а также в виде сплавов и смесей. К бризантным взрывчатым веществам относятся тэн, гексоген, тетрил, тротил и амиачноселитренные ВВ. Инициирующие ВВ Инициирующие ВВ обладают наибольшей чувствительностью к внешним воздействиям. Развитие процесса детонации, то есть установление детонационной скорости в них происходит за очень малый промежуток времени, почти мгновенно (рисунок 1) и поэтому они способны развивать Рисунок 1 – Характер развития детонационной скорости 1. у бризантных ВВ; 2. у инициирующих ВВ нормальную (для конкретного инициирующего ВВ) скорость детонации в очень малых количествах (порядка десятых долей грамма), от таких простых начальных импульсов как искра, луч пламени, накол, удар, возбуждая взрывчатое превращение в других менее чувствительных веществах. Из-за большой чувствительности инициирующих ВВ и их сравнительно малой энергоёмкости, они не используются в качестве ВВ для получения механической работы разрушения. Гремучая ртуть – [Hg (ONC)2] – первое инициирующее вещество открытое французом Бойеном в 1774г, позволила А.Нобелю создать первый капсюль-детонатор положивший начало использования процесса детонации в промышленности и военной техники. Гремучая ртуть представляет собой белый порошок, или при иной технологии изготовления серый порошок в виде игольчатых кристаллов плотностью 4,42 г/см3 нерастворимых в холодной воде. От действия сильных кислот (особенно серной) она взрывается, от действия щелочей разлагается. С металлами практически не взаимодействует, лишь с алюминием она энергично взаимодействует, поэтому гильзы гремучертутных детонаторов не делают из указанного металла. С медью, латунью, железом, гремучая ртуть взаимодействует медленно лишь в присутствии влаги с образованием фульминатов меди и железа, веществ более чувствительных чем сама гремучая ртуть. Гильзы из меди, латуни, железа, перед наполнением гремучей ртутью обязательно покрывают слоем лака недопускающего контакта металла с гремучей ртутью. Сухая гремучая ртуть подожжённая в небольшом количестве вспыхивает без взрыва, при поджигании больших количеств горение перейдёт в детонацию. Гремучая ртуть чувствительна к удару и трению даже весьма незначительным. При содержании 30% влажности она не поджигается, при 10% влажности горит но не взрывается, при 5% взрыв происходит только в месте инициирования и далее не распространяется. Изменение температуры в пределах обычных, не влияют на стойкость гремучей ртути, длительное нагревание при более 50°С приведёт к её разложениё с потерей взрывчатых свойств. При температуре ниже –100°C гремучая ртуть также теряет способность взрываться. Будучи подожжена даже в лёгкой оболочке легко детонирует, применяется для снаряжения капсюлей детонаторов, электродетонаторов, в капсюлях воспламенителях (в смесях с другими веществами). В настоящее время заменяется более прогрессивными инициирующими ВВ. Скорость детонации гремучей ртути при максимальной плотности- 5400м/с. Азид свинца – [PB(N3)2] впервые синтезирован иностранными учёными в 1891г. Азид свинца представляет собой белый кристаллический порошок плотностью 4,71г/см3, нерастворимый в воде, и негигроскопичный. Кислоты, щёлочи, углекислый газ, (особенно в присутствии влаги) и солнечный свет очень медленно разлагают азид свинца. Азид свинца не реагирует с алюминием, и реагирует с медью с образованием более чувствительного чем он сам азида меди, поэтому гильзы для азид- свинцовых детонаторов делают из алюминия. Азид свинца подоженый даже в ничтожных количествах взрывается, детонация развивается даже в сотых долях грамма. Азид свинца детонирует даже при отсутствии оболочки. Азид свинца менее чувствителен к удару, трению, иным механическим воздействиям, чем гремучая ртуть. Чувствительность к искре, лучу пламени (нагреванию), также меньше чем у гремучей ртути. Азид свинца не снижает способности к детонации во влажном состоянии. Температурные колебания не влияют на стойкость азида свинца, но при нагревании до 200°С он начинает разлагаться. По инициирующей способности азид свинца превосходит гремучую ртуть, например при инициировании 2г тетрила в капсюле детонаторе №8 необходимо 0,29-0,30г. гремучей ртути и только 0,025г азида свинца. Азид свинца вследствие своей малой чувствительности к механическим воздействиям применяется для снаряжения капсюлей детонаторов артиллерийских снарядах с высокими начальными скоростями, где на применяемые ВВ действуют громадные ускорения. Однако малая чувствительность азида свинца к лучу огня и нагреванию заставляет применять для его начального возбуждения вещества, которые сами, будучи малочувствительными к механическим воздействиям, чувствительны к тепловым воздействиям и особенно к лучу огня. В азид- свинцовых капсюлях- детонаторах в качестве вещества подобного свойства применяется ТНРС. Азид свинца применяется во всех видах капсюлей- детонаторов и электродетонаторов. ТНРС – [C6H(NO2)3O2Pb] сокращённое название стифнат свинца, или тринитрорезорцинат свинца. Впервые синтезирован иностранными учёными в 1914г. ТНРС представляет собой жёлтый кристаллический порошок, плотностью 3,1г/см3, практически не растворимый в воде, и мало гигроскопичный. Кислоты разлагают ТНРС, также как и солнечный свет. ТНРС не взаимодействует с металлами и может быть помещён в любую оболочку. ТНРС весьма чувствителен к тепловым воздействиям, особенно лучу огня чем отличается от других инициирующих ВВ. Чувствительность к удару ТНРС в 6 раз меньше чем у гремучей ртути, и в 2 раза меньше, чем у азида свинца. Инициирующая способность ТНРС очень мала, даже 2г. ТНРС не могут вызвать детонацию тетрила. Совмещение в одном корпусе капсюлядетонатора, начального инициатора ТНРС и азида свинца позволяют получить прекрасные результаты работы капсюля, нечувствительного к механическим и чувствительного к тепловым воздействиям. Применяется в капсюлях-детонаторах, электродетонаторах, воспламенительных изделиях. Тетразен – [C2H8ON10] сокращённое название гуанилнитрозоаминогуанилтетразена. Впервые получен иностранными учёными в 1910г. Тетразен представляет собой светло- жёлтый кристаллический порошок, практически не растворимый в воде, малогигроскопичный, не взаимодействующий с металлами и поэтому могущий быть помещён в оболочку из любого металла. По чувствительности к наколу и удару тетразен близок к гремучей ртути его инициирующая способность значительно меньше. Тетразен невозможно использовать как самостоятельное инициирующее ВВ, однако его применяют в качестве в качестве сенсибилизатора к азиду свинца или ТНРС. Примесь 23% тетразена к указанным веществам резко повышает их чувствительность к наколу. Перекись ацетона – сокращённое название перекиси трициклоацетона. Перекись ацетона представляет собой белый кристаллический порошок, нерастворимый в воде, негигроскопичный. С металлами не взаимодействует, может быть помещён в любую оболочку. Перекись ацетона чувствительна к удару, наколу, и тепловым воздйствиям. Подожжёная без оболочки сгорает сильным пламенем. Помещённая в оболочку, даже слабую легко детонирует, даже матрица из отверждённой эпоксидной смолы служит оболочкой для развития детонации в перекиси ацетона. Воспламеняется как в сухом, так и во влажном виде. Из-за лёгкости получения часто используется как модельное инициирующее ВВ, однако очень не стойка и теряет свои взрывчатые свойства (в зависимости от условий хранения и общего колличества) в течение от нескольких дней до нескольких недель. По инициирующей способности перекись ацетона не уступает гремучей ртути. Кроме перечисленных веществ инициирующими свойствами обладают некоторые органические азиды, например циануртриазид, органические пероксиды, ацетилениды серебра и свинца, перхлораты, арилдиазониев, производные тетразола и пр. Бризантные ВВ Бризантные ВВ своё название получили от французского слова "Briser", что означает дробить, разламывать. Бризантные вещества в отличие от инициирующих не могут детонировать от простых начальных импульсов (искра, луч пламени, нагревание). Для возбуждения в них детонации необходим начальный импульс в виде взрыва небольшого количества детонирующего инициирующего ВВ, а иногда при пониженной чувствительности бризантных ВВ и взрыва так называемого промежуточного детонатора из другого более чувствительного бризантного ВВ взрываемого в свою очередь от инициирующего ВВ. Бризантные ВВ являются основными (табельными) ВВ применяющихся в огромных количествах для снаряжения боеприпасов (артиллерийских снарядов, миномётных мин, авиационных бомб, морских торпед, ручных гранат, инженерных мин и пр.), а также для производства взрывных работ как для военных так и для мирных идей. ВВ ТЭН гексоген тетрил пикриновая кислота тротил динамит_ 62% аммонит 80/20 80%-нитрат аммония 20%-тротил аммонал динамон игданит хлоратит Бризантность в мм. 24 24 18÷20 18 16 16 10-12 16 12-14 10-12 10 Бризантные ВВ повышенной мощности К этой группе относятся ВВ обладающие повышенной скоростью детонации 7500-9000м/с и выделяющие большое количество тепла при взрыве (более 1000ккал/кг). Одновременно эти ВВ имеют и несколько большую чувствительность к начальному импульсу, они взрываются от капсюля-детонатора любого номера, от простого капсюля с 0,05г. гремучей ртути, а также при ударе винтовочной пули летящей со скоростью не менее 700 м/с. От действия открытого пламени загораются и горят интенсивным светло-жёлтым пламенем, практически не выделяя дыма, при горении их в количестве более нескольких сотен грамм горение может перейти во взрыв. Октоген - C4H(NNO2)4 – циклотетраметилен-N-тетранитроамин, белый кристаллический порошок, t плавления 278,5-280°С, плотность 1,9-1,96г/см3, не растворяется в воде, растворяется в ацетоне. Скорость детонации при плотности 1,9г/см3 = 9100м/с. Впервые октоген был синтезирован зарубежом в 1943г. Октоген высокомощное ВВ имеющую повышенную термостойкость. Применяется в кумулятивных зарядах ракет, обычно в виде сплава с 23% тротила, сплав 23/77 называется октолом, бронепробиваемость октола, превосходит бронепробиваемость сплава ТГ 40/60 (см.гексоген). Гексоген - C3H6(NNO2)3 – циклотриметилен-N-тринитроамин, циклонит, белый кристаллический порошок, t плавления 204-205°С, плотность1,816 г/см3, не растворяется в воде, растворяется в ацетоне. Скорость детонации при плотности 1,8г/см3 = 8750 м/с. Был впервые синтезирован зарубежом в 1899г. При температуре плавления гексоген уже начинает разлагаться поэтому применяется в прессованном виде, либо в виде сплавов с другими ВВ. Гексоген всегда применяется во флегматизированном виде с 4% церезина или парафина, 3% стеарина, с 0,5% красителя судана. В смесях с пластифицирующими веществами из гексогена приготовляется пластит (современные неграмотные журналисты называют его пластид!) пластиковая взрывчатка. Например, одно из таких ВВ разработанных в США состоит из 75% гексогена 4,8% динитротолуола, 3,2% мононитротолуола и ряда добавок. Пластиты могут быть приготовлены также из октогена и ТЭНа. Гексоген применяют в основном для снаряжения капсюлей-детонаторов, промежуточных детонаторов, кумулятивных зарядов ракет и снарядов, снарядов автоматических пушек, а также как диверсионное ВВ заключающее большую мощность в малом объеме и массе. Пластиты применяют для снаряжения бронебойно-фугасных (откольного действия) снарядов и авиационных бомб. Пластиты содержат пластификаторы снижающие мощность и чувствительность гексогена поэтому их относят к ВВ нормальной мощности с коэффициентом ровным 1,3 по отношению к тротилу. Пластиты как правило не взрываются от прострела винтовочной пулей и могут спокойно сгорать в количествах до 50 кг. Ранее гексоген применялся для снаряжения детонирующих шнуров. Сплавы и смеси гексогена с тротилом как более легкоплавкие чем гексоген (для предотвращения разложения гексогена при температуре плавления) применяются для снаряжения боеприпасов методом заливки, что весьма важно для крупных боеприпасов, которые обычно так и снаряжаются. Применяются сплавы гексогена с тротилом называемые ТГ, в числителе указывается процентное содержание тротила в знаменателе гексогена например ТГ – 40/60, 40% тротила, 60% гексогена. По своим взрывчатым свойствам и энергетическим характеристикам сплав ТГ занимает промежуточное положение между тротилом и гексогеном, приближаясь к тому из компонентов, количество которого в сплаве больше. Известны сплавы ТГ-70/30; ТГ-50/50. Зарубежом сплавы, в которых гексоген не менее 60% называют составами «В». Состав ТГ-40/60 называют также гексотолом, состав ТГ-23/77 называют циклотолом. Торпексом и триаленом называют сплавы тротил, гексоген, алюминиевая пудра, отечественное название ТГА, тотже сплав называют «НВХ» его состав 40% тротила, 42% гексогена, 18% алюминиевой пудры и 0,7% флегматизатора (сверх 100%). Гексоген в смесях с аммиачной селитрой применяется на взрывных работах под названием скального динамита, для разработки наиболее прочных горных пород. Гексил C12H4(NO2)6NH – желтые кристаллы, гексанитродифениламин, t плавления 245°С плотность 1,78 г/см3 не растворяется в воде, а растворяется в ацетоне термостойкое ВВ. В настоящее время не употребляется, ранее применялся в смеси с тетрилом или тротилом под названием пиронит и употреблялся для снаряжения морских торпед. По действию взрыва превосходит как тротил, так и пикриновую кислоту. Синтезирован зарубежом в середине 19 века. ТЭН [С(CH2ONO2)4] – тетранитропентаэритрит, белый кристаллический порошок, t плавления 141–142°С, технического 138–140°С, плотность 1,67–1,75 г/см3, не растворяется в воде, растворяется в ацетоне. Скорость детонации при плотности 1,67 г/см3 7800 м/с. Впервые синтезирован зарубежом в 1901 году. При температуре плавления происходит частичное разложение ТЭНа, поэтому он применяется в прессованном виде или в виде сплавов с другими ВВ. ТЭН всегда применяют во флегматизированном виде с введением в него до 5% парафина, церезина, воска и т.п. ТЭН применяют для снаряжения капсюлей-детонаторов, промежуточных детонаторов, детонирующих шнуров, кумулятивных зарядов. Для уменьшения чувствительности ТЭНа его применяют в виде сплавов с тротилом, особо популярен сплав 50% тротила и 50% ТЭНа названный пентолит-50, в другие составы пентолитов входит от 30% до 60% ТЭНа. ТЭН применяется также и в виде пластичных масс называемых пентринитом в состав пентринитов входит ТЭН и нитроглицерин, например: 10–70% ТЭН, 90–30% нитроглицерин. Пентринит требует еще более осторожного обращения чем сам ТЭН из-за присутствия нитроглицерина, кроме того как и нитроглицериновые ВВ, пентринит необходимо оберегать от действия низких температур. Пентриниты чрезвычайно мощные ВВ. Тетрил - [С6H2(NO2)3N(NO2)CH3] – тринитрофенилметилнитроамин, белый кристаллический порошок желтеющий на свету, t плавления 130131°C, плотность 1,7 г/см3, не растворяется в воде, растворяется в бензине, ацетоне. Скорость детонации при плотности 17 г/см3 =7560 м/с. Впервые синтезирован за рубежом около 1870 года. При температуре плавления происходит частичное разложение тетрила, однако он отлично прессуется, что позволяет применять его в виде прессованных форм. Тетрил применяют для снаряжения капсюлей-детонаторов, промежуточных детонаторов, флегматизированный тетрил применяют для снаряжения снарядов автоматических пушек. Для снаряжения боеприпасов литьем применяют сплав тетрила с 20 % тротила. Смеси тетрила с тротилом в виде прессованных шашек по мощности, равных 1,2 мощности тротила называется тетритолом. Тетрил нельзя смешивать с аммиачной селитрой, так как при взаимодействии выделяется тепло, что может привести к воспламенению смеси. Нитроманнит - C6H8(NO3)6 – маннитгексанитрат, белый шелковистые кристаллы, t плавления 112-113°С, плотность 1,806 г/см3, не растворяется в воде, растворяется в спирте. Скорость детонации при плотности 1,8г/см3 = 8000 м/с. Впервые синтезирован Домонтом и Менаром в 1843 году. При температуре плавления происходит частичное разложение нитроманита. Очень чувствителен к механическим и тепловым воздействиям. Флегматизированный нитроманит может применяться для снаряжения капсюлей- детонаторов, промежуточных детонаторов. ЭДНА - C2H6N2(NO2)2, галеит, белое кристаллическое вещество, t плавления 181,7°С, плотность 1,75г/см3, растворяется в горячей воде, плохо в холодной. Скорость детонации при плотности 1,5 г/см3 =7610 м/с. Впервые синтезирована в США во время второй мировой войны. ЭДНА имеет температуру вспышки около 180°С, что не позволяет получать литые формы. Химическая стойкость ЭДНЫ недостаточна, в кислых средах, она способна образовывать чувствительные взрывчатые соли с металлами. Легко прессуется, по силе взрыва не уступает тетрилу, но отличается меньшей чувствительностью к удару, что делает её предпочтительнее для использования в боеприпасах. ДИНА – C4H8N4O8 – динитратдиэтонолнитроамин, диэтонолнитратнитроамин, кристаллическое вещество, t плавления 53°С плотность 1,67г/см3, не растворяется в воде, растворяется в ацетоне. Скорость детонации при плотности 1,47г/см3 = 7350м/с, при большей плотности скорость детонации возрастает. ДИНА имеет недостаточную химическую стойкость и более чувствительна к удару, чем ЭДНА, однако превосходит её по мощности взрыва. Впервые синтезирована в США во время второй мировой войны. Бистринитроэтилмочевина – C5H6N2O(NO2)6 – БЭМ, температура плавления 101°С, плотность 1,79г/см3, скорость детонации 8000м/с при плотности 1,62г/см3, мощность взрыва приближается к гексогену. Перспективное ВВ. впервые синтезировано Веттерхольмом. Лекция 9 ВВ нормальной мощности (свойства). Нитроглицериновые ВВ нормальной мощности. ВВ, находящееся в стадии исследований. Жидкие ВВ и жидкие смесевые ВВ. ВВ жидкие смеси. Оксиликвиты. Суррогатные ВВ Тротил, тритол, тол, тринитротолуол, ТНТ - [C6H2(NO2)3CH3] – кристаллический порошок желтоватого цвета с сероватым оттенком, горький на вкус, при прессовании (или чешуйчатый) приобретает кремово-серый цвет, будучи расплавленным после затвердевания становится коричневым с блестящим изломом. Температура плавления 80,8°С без разложения, плотность 1,64г/см3. Скорость детонации при плотности 1,64г/см3 = 6950м/с. тротил не растворяется в воде, не гигроскопичен, растворяется в спирте, бензине, ацетоне. С металлами не взаимодействует, от винтовочной пули не взрывается, зажжённый на открытом воздухе медленно горит жёлтым сильно коптящим пламенем, может сгорать без взрыва в больших количествах. Горение в оболочке, например в корпусе боеприпаса, может перейти во взрыв. Ценным свойством тротила является малая температура плавления без разложения, что позволяет вводить его в корпуса боеприпасов в жидком виде, а это делает снаряжение простым и дешёвым. Однако литой тротил не детонирует от начального импульса равного капсюлю-детонатору №8, поэтому требует промежуточного детонатора из прессованного тротила, тетрила, тэна, гексогена. Химически стоек и может хранится в обычных условиях десятками (видимо и сотни) лет, единственное условия хранения закрытая тара для недопущения длительного воздействия на тротил солнечных лучей. Удачное сочетания достаточно высоких взрывчатоэнергетических характеристик с хорошей химической стойкостью, малой чувствительностью, низкой температурой плавления, явилось причиной длительного применения тротила в качестве основного (табельного) бризантного ВВ практически всех армий мира. Тротил применяется для снаряжения боеприпасов практически всех типов, а также для изготовления подрывных средств и промежуточных детонаторов. Впервые тротил был синтезирован за рубежом в конце 19 века. Применяется также в смесях со многими другими ВВ. Пироксилин - C24H40-xO20-x(NO3)x – нитроклетчатка, "гремучая вата", – 13,4%N, по виду нитроклетчатка представляет собой вещество в виде хлопковой ваты, слегка жёлтоватого оттенка и некоторым шелковистым блеском. Не имеет температуры плавления на воздухе так как воспламеняется уже при температуре 180°С, плотность прессованного пироксилина достигает 1,3-1,4г/см3,скорость детонации для прессованного пироксилина с13,4% N составляет 7200м/с. Пироксилин не растворяется в воде, спирте, растворяется в ацетоне. Пироксилин не гигроскопичен, однако при специальном хранении может содержать до 20% воды (так называемый «влажный пироксилин»). Влажный пироксилин не взрывается от капсюлядетонатора, однако взрывается от промежуточного детонатора сухого пироксилина, который в свою очередь легко взрывается от действия любого капсюля- детонатора. Детонация сухого пироксилина легко возбуждается от действия капсюля с 0,5г гремучей ртути в прочной оболочке, и 1,5-2г гремучей ртути в прессованном виде без оболочки. Недостатками пироксилина вследствие чего он был выведен из обращения является его крайняя чувствительность к нагреванию, действию искр и открытого пламени, ударам осколков и пуль, а также химическая нестойкость в техническом виде. Химически чистый пироксилин достаточно стоек, однако получение такого чистого пироксилина экономически нецелесообразно. Достоинством пироксилина являлась дешевизна и лёгкость изготовления, поэтому пироксилин был первым табельным ВВ многих армий, и был заменён тротилом только после первой мировой войны. Бездымные пороха, приготовляемые из пироксилина (пироколлодия) с11 - 12,5% N, после окончания сроков их хранения также могут использоваться как ВВ нормальной мощности, и применяются на взрывных работах при условии заливки их в зарядной камере (скважине) водой или лучше насыщенным раствором аммиачной селитры. Залитые водой или раствором бездымные пороха детонируют со скоростями 6000-7000м/с при инициировании их промежуточным детонатором 200-400г тротила, проводя работу эквивалентную ВВ нормальной мощности. Пироксилин был открыт Пелузом в 1838г. Пикриновая кислота - [C6H2(NO2)3OH] – тринитрофенол, ярко жёлтый порошок, t плавления 122,5°С, плотность 1,8г/см3, слабо растворяется в воде, однако не гигроскопична, растворяется в органических растворителях. Хорошо взаимодействует с металлами кроме олова, образуя чувствительные соединения пикраты металлов, особенно чувствительны пикраты железа и свинца. Скорость детонации при плотности 1,8г/см3 = 7400м/с. По сравнению с тротилом пикриновая кислота обладает несколько большей мощностью и чувствительностью, взрывается от прострела винтовочной пулей, подожжённая на открытом воздухе спокойно сгорает сильно коптящем пламенем без взрыва в количестве до 200кг. Пикриновую кислоту нельзя смешивать с аммиачной селитрой, так как при этом происходит выделение азотной кислоты с разогревом и даже воспламенением смеси. Боеприпасы, снаряжаемые разогревом и даже воспламенением смеси. Боеприпасы, снаряжаемые пикриновой кислотой, внутри должны быть лужёными оловом или покрыты слоем лака, эти меры применяются для недопущения контакта пикриновой кислоты с металлом боеприпасов из-за возможности образования чувствительного пикрата железа. Боеприпасы снаряжаются пикриновой кислотой в расплавленном состоянии, часто применяют смеси пикриновой кислоты 70% и динитрофинола 30%, или пикриновой кислоты 80% и динитронафталина 20%, также смеси более легко плавкими, чем чистая пикриновая кислота. Плавленную пикриновую кислоту или указанные смеси часто называют меленит, или лиддит. Пикриновая кислота является не только ВВ, но одновременно и органически жёлтым красителем, петому она может быть легко распознана, так как окрашивает ткани, кожу в жёлтый цвет при её контакте с ними во влажном состоянии. Плавленая пикриновая кислота не детонирует от капсюля с 2-3г. гремучей ртути в лёгкой оболочке на открытом воздухе, но детонирует от того же капсюля в прочной толстостенной оболочке. Для подрыва плавленой пикриновой кислоты без оболочки необходим промежуточный детонатор, например из слабо уплотнённой порошкообразной пикриновой кислоты, тротила, Тэна, гексогена, тетрила. Слабо уплотнённая пикриновая кислота в порошке легко детонирует без оболочки от 1,5г. гремучей ртути, а в оболочке от 0,5г. гремучей ртути. Пикриновая кислота в смеси с тринитрометакрезолом носила такие название крезилит, или шимозе. Пикриновая кислота была открыта Гаусманом в 1788г. Нитроглицерин - C3H5(NO3)3 – НГЦ, глицеринтринитрат, маслянистая, бесцветная (или слегка желтоватая) жидкость без запаха, со сладковатым несколько жгучим вкусом, t плавления лабильной модификации 2°С и стабильной модификации 13,2°С, плотность жидкого 1,6г/см3, очень плохо растворим в воде, растворяется во многих органических растворителях. Нитроглицерин по всем показателям относится к ВВ повышенной, а не нормальной мощности, однако не когда не применяется в чистом виде, а только в смеси с инертными растворителями, поэтому все виды нитроглицериновых ВВ можно отнести к ВВ нормальной мощности (кроме гремучей желатины), которая приравнивается к ВВ повышенной мощности. Скорость детонации НГЦ составляет 7580м/с. НГЦ является крайне чувствительным ВВ, взрывается при ударе (однако при ударе на наковальне молотком взрывается собственно часть, подвергшаяся непосредственно удару, соседние же части разбрасываются без взрыва) замороженный НГЦ менее чувствителен к удару. Горящие и накалённые тела весьма трудно воспламеняются НГЦ, зажжённая спичка в нём тухнет, накалённая проволока его не воспламеняет и.т.п. Но раззажжённый он сгорает постепенно пока температура всей массы не повыситься до 180°С, и тогда наступает общий взрыв всей массы НГЦ. Если медленно поднимаешь температуру массы НГЦ, то как только температура повышается приблизительно до 180°С и разлагающийся при этой температуре с выделением паров двуокиси азота НГЦ закипает, то тот же час наступает сильный взрыв всей взятой массы. При помещении капли НГЦ на нагретую поверхность наблюдаются следующие явления: при 185°С – кипение с выделением бурых паров, при 194°С – медленное улетучивание, при 200°С – быстрое улетучивание, при 218°С – быстрое сгорание, при 241°С – трудный взрыв, при 257°С – сильный взрыв, при 267°С – слабый взрыв, при 287°С – ещё более слабый взрыв, при красном калении капля НГЦ принимает сфероидальную форму и улетучивается без взрыва. НГЦ легко детонирует уже от капсюля с 0,1-0,3г. гремучей ртути. Ещё со времён Нобеля специалистами были отмечены противоречивые данные по чувствительности НГЦ, с одной стороны, самые, казалось бы, слабые механические воздействия вызывали детонацию НГЦ, а с другой – подрыв мощного капсюля не приводил к его инициированию. Работы Боудена (1947) о взрывной чувствительности жидких ВВ объяснили эти противоречия, разработкой теории сенсибилизирующей роли воздушных и кавитационых пузырьков. Общий результат теории говорит, что для возбуждения надежной детонации в жидких ВВ необходимо наличие в них газовых включений, либо наличие упругой оболочки, либо повышенная мощность промежуточного детонатора, либо всё перечисленное, но не в полной мере. Чистый НГЦ никогда не применялся для взрывных работ в сколь нибудь значительных количествах, Нобель предложил транспортировать НГЦ в виде растворов в метиловом спирте (не чувствительных к случайным ударам), которые при прибавлении воды тотчас же выделяют НГЦ в свободном состоянии, однако повсеместное употреблении НГЦ в виде твердых динамитов началось после открытия последних Нобелем. НГЦ достаточно химически стойкое вещество при условии его тщательной очистки от следов кислот, при t=50°С НГЦ не изменяется в течении неопределённого долгого времени, при t=100°С менее короткого промежутка времени. Нитроглицерин был открыт Собреро в 1847г. Гексанитроэтан - C2(NO2)6 – бесцветное кристаллическое вещество, t плавления 150°С (с разложением), плотность 2,25г/см3, может применятся как ВВ в смеси с дополнительным горючим, и как компонент ракетных топлив. Нитроглицериновые ВВ нормальной мощности В 1867г. Альфред Нобель нашёл средство для широкого использования нитроглицерина (НГЦ). Он пропитал НГЦ инфузорную землю (трепел) и так получил вещество названное динамит, способное выдерживать перевозку, почти идеальное в обращении и использовании. Различают несколько видов динамитов: 1. Желатин-динамиты высокомощные, состоят в основном из 9094% НГЦ и 6-10% пироксилина (НК). Например: Гумми динамит – 94,5НГЦ/5,5 - Швеция, Гомма А-92НГЦ/8НЦ - Франция, Гремучий студень93НГЦ/7НК – ФРГ, Полярный динамит-92НГЦ/8НК – Англия, и т.п. Все желатин-динамиты представляют собой пластичные, или разиноподобные гелеобразные вещества, отличающиеся высокой мощностью, не уступающие и даже превосходящие по взрывным свойствам ВВ повышенной мощности. Эти динамиты легко детонируют от любого типа капсюлей детонаторов, горят сильным желтым пламенем, взрываются от прострела винтовочной пулей, и имеют большую чувствительность к тепловым и механическим воздействиям, скорость детонации таких динамитов достигает 7900м/с. 2. Гурдинамиты классические, состоят в основном из НГЦ и пористых носителей в которые он впитан, носители могут быть как инертные (трепел) так и активные, то есть способствующие взрыву (выделяющие дополнительную энергию, или и энергию, и дополнительный кислород для окисления входящих в состав горючих веществ) например: Гурдинамит – 75НГЦ/25 кизельгур, Нобелит – 20НГЦ/1,6НК/60 (NaNO3) 14 нитросоединений / 2,5 уголь, Рексит – 64НГЦ/20 NaNO3/11 дубильных опилок / 5 древесных опилок. Гурдинамиты с аммиачной селитрой: Динамон 45НГЦ/47 аммиачной селитры/8 угля недообугленного, Скальный динамит – 10НГЦ/80АС/10 уголь, Аммиачный динамит – 16 НГЦ/0,1НК/60АС /15NaNO3/8,9 уголь. Гурдинамиты представляют собой порошки, обычно спрессованные в патроны диаметром 20-25мм., обёрнутые в парафинированную бумагу или в пластиковой оболочке длиной 10см и более. Гурдинамиты с содержанием более 50% НГЦ являются ВВ нормальной мощности и детонируют со скоростью 6500-7000м/с, будучи инициированы капсюлем-детонатором №8. Гурдинамиты с содержанием НГЦ менее 40% можно скорее относить к ВВ переходной мощности между нормальной и пониженной мощностью. Такие динамиты могут детонировать как с нормальной 6000м/с, так и с пониженной скоростью 2000–2500м/с. Пониженная скорость детонации мало сказывается на работоспособности динамита, однако сильно сказывается на его дробящем действии, что в некоторых случаях важно. Для надежного возбуждения детонации с нормальной скоростью в таких динамитах необходимо увеличение диаметров зарядов до 35-40 мм, или применение совместно с капсюлем-детонатором №8 промежуточного детонатора из ТЭНа, тетрила, гексогена массой не менее 2 г. 3. Желатин-динамиты нормальной мощности, состоят из 20-63% НГЦ; 1-3% НК; 2-10% ароматических нитросоединений (мононитротолуол, динитротолуол, динитронафталин, динитробензол), или твердого горючего (уголь, древесные опилки и т.п.) 35-60% аммиачной селитры (АС) и иногда других веществ. Желатин-динамиты нормальной мощности обычно пластичные вещества плотностью 1,5-1,7 г/см3, зажженые горят светящимся пламенем, но безопасно сгорают только в небольших количествах. Пример: Гомма В–60 НГЦ /3НК/ /34 АС/ 3ТГ (твердое горючее, Амонжелит-1, 38 /НГЦ/2 НК/4 АНС/52АС/4ТГ, Полярный амонжелигнит – 26 НГЦ/1НК/52АС/12NaNO3/9ТГ,Желегнит – 54 – 63 НГЦ /3 – 5НК /26– 34KNO3/6–9 древесные опилки/0,5CaCO3. Правила возбуждения детонации в этих динамитах такие же, как для гурдинамитов. Динамиты приготовленные на НГЦ замерзают (отвердевают) при температуре 8-12°С, при этом хотя чистый замороженный НГЦ менее чувствителен к удару, динамиты в замороженном состоянии более чувствительны к удару чем НГЦ. В связи с вышеуказанным НГЦ сейчас не применяют в чистом виде для изготовления динамитов, обычно под обозначением НГЦ в рецептах динамитов обозначается смесь 50% чистого НГЦ и 50% нитрогликоля. Подобная смесь практически не уступает по взрывчато-энергетическим характеристикам чистому НГЦ однако замерзает при более низких температурах чем чистый НГЦ, около –18°С. Замерзшие динамиты весьма чувствительны к ударам и трению, могут легко взорваться при разламывании патрона, снятия с него бумаги и т. п. Нитроглицерин и нитрогликоль постепенно эксудируют из внутренних слоев патрона к периферийным внешним, и скапливаясь на поверхности патрона в виде капелек, делают динамит очень опасным в обращении. Желатин-динамиты при хранении постепенно уплотняются за счет вытеснения пузырьков воздуха, находящихся внутри их массы. Это явление называется старением, и в соответствии с теорией Боудена снижает чувствительность динамитов к начальному импульсу и ведет к отказам при взрыве. Эксудация и старение динамитов ограничивает срок их годности обычно шестью месяцами. Тринитроксилол С6Н(NO2)3(CH3)2 – ксилил, ТНК, 2,4,6 тринитроксилол, кристаллический порошок, t плавления 182°С, плохо растворим в воде, растворяется в ацетоне, бензоле. По своим свойствам ксилил близок к тротилу. Скорость детонации немного меньше чем у тротила, чувствительность к начальному импульсу также несколько меньше. Взрывчато энергетические характеристики несколько меньше чем у тротила. В процессе получения тринитроксилола, образуется так называемое ксилиловое масло, представляющее собой низкоплавкую эвтектическую смесь моно-, ди-, тринитроксилолов. Ксилиловое масло применяют для производства ВВ, как добавку нитропродуктов например в аммиачноселитренные ВВ, а также как пластификатор для бездымных порохов. *Тринитроанизол – эфир пикриновой кислоты, по взрывчатоэнергетическим характеристикам близок к тротилу, в отличие от пикриновой кислоты не взаимодействует с металлами. *Тринитрофенетол - обладает примерно теми же свойствами, что и тринитроанизол и тротил. Нитрокрахмал - C12H20–ХO10–Х(NO3)Х–1 называемый также ксилоидин, подобно пироксилину (нитроклетчатке) образует несколько азотных эфиров, все они более или менее взрывчаты, интерес представляет пентанитрокрахмал и гексонитрокрахмал с содержанием азота 13,5%. Пентаи гексонитрокрахмалы представляют собой белый порошок так же как пироксилин не имеющий температуру плавления, t воспламенения 170– 175°С, не растворяются в воде, однако сильно гигроскопичны, растворяются в ацетоне. Сухой прессованный нитрокрахмал инициируется капсюлемдетонатором, по взрывчато-энергетическим характеристикам сходен с пироксилином, однако еще лучше последнего растворяется в нитроглицерине, применяется для изготовления бездымных порохов наряду с пироксилином. Впервые нитрокрахмал был получен Бракунно в 1832 году. Тринитрометакрезол (CH3)C6H(OH)(NO2)3 – желтый кристаллический порошок, плохо растворим в воде, ограниченно растворим в органических растворителях, по свойствам близок к пикриновой кислоте, в смеси с последней называются шимозе. Тринитрофенилендиамин C6H(NO2)3(NH2)2 – желтый кристалличкский порошок, t плавления 289°С (с разложением), не растворяется в воде, растворяется в уксусном ангидриде. По взрывчатоэнергетическим характеристикам близок к тротилу, термостойкое ВВ для прострела нефтяных скважин. Нитрогуанидин - CH4N3NO2–НД – белый кристаллический порошок, t плавления 232– 246°С с разложением, плотность 1,77 г/см3, практически не растворим в воде, растворим в ацетоне, существует в двух формах, обычный нитрогуанидин форма ????. По взрывчато-энергетическим характеристикам нитрогуанидин приближается к тротилу, однако отличается от других ВВ ценным свойством выражающимся в очень низкой температуре взрыва, поэтому НД применяется как в чистом виде, так м в смеси с другими ВВ в шахтах опасных по возможности взрыва газа или пыли. Такие ВВ называются гризунитами или антигризунитами, или предохранительными ВВ. При их взрывах опасность воспламенения шахтных газов или пыли существенно понижается. НД – также широко применяется при изготовлении бездымных порохов, для снижения температуры их горения в канале стволов оружия. Впервые получен Пелицари, Франшимоном, Тиле в конце 19 века. Нитромочевина – H2NCONHNO2 – белый кристаллический порошок, t плавления 158–164°С (с разложением), гидролизуется в воде, растворяется в ацетоне. Нитромочевина по взрывчато-энергетическим характеристикам приближается к тротилу, низкая стоимость, и простота изготовления делают нитромочевину интересной для производства промышленных ВВ. Нитромочевина была впервые получена Тиле и Лахманом в конце 19 века. *Нитрат гидразина - H5N2NO3 – белый кристаллический порошок, t плавления -? плотность 1,68г/см3, нерастворим в воде, негигроскопичен, нитрат гидразина горит на открытом воздухе, при нагревании в оболочке взрывается, по некоторым данным скорость детонации нитрата гидразина при плотности 1,6г/см3 достигает 8690м/с; однако другие данные позволяют считать нитрат гидразина ВВ нормальной мощности с взрывчатоэнергетическими характеристиками тротила. При разложении нитрата гидразина выделяется дополнительный кислород, поэтому ВВ на основе нитрата гидразина необходимо приготовлять с добавками горючих веществ так же как ВВ на основе аммиачной селитры, в этом случае работоспособность и фугасность такой смеси, вероятно, повысится в сравнении с чистым нитратом гидразина. Чувствительность к удару и трению нитрата гидразина меньше чем у гексогена, но выше чем у тротила. *Динитрат гидразина - N2H4х2HNO3 - белый кристаллический порошок, t плавления 103-104°С (с разложением), ВВ более чувствительное, чем нитрат гидразина, требует введения дополнительного горючего также как нитрат гидразина. *Нитрат триаминогуанидина C(N2H3)3NO3 – белый кристаллический порошок, t плавления 206-216°С, очень чувствителен к удару, скорость детонации при 1,46г/см3= 7930м/с. *ДНПМТА - C5H10(NO2)2N4 – динитрозопентаметилентетрамин, светло жёлтый порошок, нерастворимый в воде, негигроскопичный, по взрывчатоэнергитическим характеристикам приближается к тротилу, безопасен в обращении, нечувствителен, перспективное ВВ по дешевизне и лёгкости получения. *ЦТМТНА – C3H6N3(NO2)3 – циклотриметилентринитрозоамин, жёлтый кристаллический порошок, t плавления 107°С, нерастворим в воде, негигроскопичен, по взрывчато-энергетическим характеристикам приближается к тротилу, безопасен в обращении, нечувствителен, перспективное ВВ по дешевизне и лёгкости получения. *Тринитроазидобензол - C6H2N3(NO2)3 – взрывчатое вещество, данные отсутствуют. Тринитротриазидобензол - C6N6(NO2)3 – ТАБ, плотность___г/см3, скорость детонации при максимальной плотности 8580м/с. *Диаминотринитробензол - C6H5N2(NO2)3 – ДТБ, плотность 1,79г/см3, скорость детонации при максимальной плотности 7520м/с. *Триаминотринитробензол - C6H6N3(NO2)3 – ТТБ, плотность 1,9г/см3, скорость детонации при максимальной плотности 7900м/с. *Тринитробензол - C6H3(NO2)3 – ТНБ, плотность 1,9г/см3, скорость детонации при максимальной плотности 7900м/с. *Тринитрорезорцин - C6H(OH2) (NO2)3 – ТНР, стифниновая кислота, жёлтый кристаллический порошок, t плавления 180°С, плотность 1,83 г/см3, очень плохо растворим в воде, по взрывчато-энергетическим характеристикам приближается к тротилу, употребляется для изготовления ТНРС. *Бистринитроэтиламин – кристаллическое вещество, t плавления 116°С (с разложэнием), отличается низкой термической стойкостью, может разлагаться с взрывом при нагревании, ВВ по некоторым данным превосходит тротил по взрывчато энергетическим свойствам. *Бистринитроэтилнитрамин (O2N-N(CH2C(NO2)3)2 – кристаллическое вещество, t плавления 90-91°С, ВВ по мощности превосходящее тротил. ВВ, находящееся в стадии исследований Многие химические вещества по своим взрывчатым свойствам могли бы характеризоваться как ВВ, однако этому препятствуют другие их свойства как-то: большая чувствительность к механическим и тепловым воздействиям, химическая нестойкость, реакционная способность таких веществ, выражающаяся в возможности химического взаимодействия с разного рода материалами могущих контактировать с ВВ при хранении и употреблении (упаковка, оболочки, материал детонаторов и пр.), термическая неустойчивость, гигроскопичность и т.п. Вследствие этих причин многие ВВ длительное время находятся в стадии испытаний на устойчивость к воздействию указанных факторов. Другие ВВ не отличаясь особенно выдающимися взрывчато-энергетическими характеристиками но, являясь нечувствительными и достаточно стойкими по всем указанным выше категориям стойкости, не вводятся в эксплуатацию по причинам высокой стоимости, трудности изготовления, недоступности сырья для их получения. Такие ВВ как бы находятся в стадии долговременных исследований и могут быть производимы в случае необходимости, или обнаружения у них неких свойств возможно необходимых для решения задач военной, промышленной или научной областей. К указанным веществам относятся ВВ, описанные выше и отмеченные знаком *, а кроме того, следующие: Перхлорат гуанидина - CN3H6ClO4 – белое кристаллическое вещество, t плавления 240-252°С, нерастворим в воде, негигроскопичен, достаточно устойчив и малочувствителен, может применяться с дополнительным качеством горючего вводимого в состав ВВ на его основе. Диперхлорат гуанидина - нет данных. Перхлорат триаминогуанидина - CN6H9ClO4 - t плавления 132°С, скорость детонации при плотности 1,56г/см3 = 7730м/с. Моноперхлорат гидразина - N2H4хHClO4 - t плавления 137°С, очень чувствителен к удару и трению. Диперхлорат гидразина - N2H4х2HClO4- белый кристаллический порошок, выше 100°С воспламеняется, открыт Таррентайном в 1915г. Перхлорат гидраксиламмония - NH3OHClO4- температура плавления 81°С растворим в воде и ацетоне. Открыт Робсоном. Нитрозилперхлорат - NOClO4 – гигроскопичен, может быть покрыт защитным покрытием из поливинилхлорида. Перхлорат нитрония - NO2ClO4 – нитроилперхлорат, белые кристаллы, очень гигроскопичен, со многими органическими соединениями реагирует со взрывом, открыт Ганчем. Жидкие ВВ и жидкие смесевые ВВ Достаточно большой класс ВВ представляют жидкие индивидуальные ВВ и жидкие смесевые ВВ. В некоторых случаях применение таких ВВ целесообразнее, чем твёрдых ВВ. Ещё в первую мировую войну в военном деле применялись бинарные ВВ (жидкие смесевые ВВ) смешение которых производилось в момент сбрасывания авиационной бомбы (гельгофит). С использованием жидких ВВ созданы первые образцы фугасных боеприпасов объемного взрыва. При сбрасывании такого боеприпаса образуется облако, аэрозольной взрывчатой смеси которое подрывается различными способами. По настоящее время главным и основным жидким ВВ является нитроглицерин, описанный в разделе ВВ нормальной мощности, однако, изза большой чувствительности он не применяется в чистом виде, а только в виде смесей с различными ВВ (в основном с нитрогликолем и нитроклетчаткой). Вместе с тем в последнее время применяются много других жидких ВВ, как в чистом виде, так и в смеси с различными другими ВВ или веществами служащими одновременно дополнительным горючим и флегматизатором. Нитрогликоль - C2H4(NO3) – гликольдинитрат, НГЛ, прозрачная маслянистая жидкость, плотность 1,48г/см3, вязкость НГЛ значительно меньше вязкости НГЦ и примерно равна вязкости воды, НГЛ гораздо более летуч, чем НГЦ даже при нормальной температуре, при её повышении она ещё более увеличивается. Температура затвердевания НГЛ – 22,3°С, очень плохо растворим в воде, растворим во многих органических растворителях. Химическая стойкость НГЛ выше, чем химическая стойкость НГЦ. НГЛ менее чувствителен к удару, чем НГЦ, при нагревании НГЛ также как НГЦ может детонировать, при зажигании спокойно горит пока температура не превысит критическую. Скорость детонации и взрывчатоэнергетические характеристики НГЛ сравнимы с НГЦ. Применение НГЛ см. нитроглицерин. Диэтиленгликольдинитрат - C4H8O(NO3)2 – дигликольдинитрат, нитродигликоль, НДГЛ, желтоватая маслообразная жидкость, вязкость меньше чем у НГЦ, плотность 1,39г/см3, плохо растворим в воде, растворим в ацетоне и.пр. органических растворителях, t плавления 2°С. НДГЛ менее чувствителен к тепловым и особенно механическим воздействиям чем, НГЦ, в обычных условиях способен к устойчивому горению. Скорость детонации, взрывчато энергетические характеристики НДГЛ приближаются к НГЦ, достаточно применяем при изготовлении смесевых ВВ. Тетранитродиглицерин - ВВ применяется в смеси с НГЦ для снижения температуры его затвердевания, по мощности превосходит НГЦ, применялся в первую мировую войну. Триметилолэтантринитрат - C5H9N3O9 – мутная маслянистая жидкость янтарного цвета, t затвердевания 2°С, плотность1,47г/см3, гораздо менее чувствителен к удару чем НГЦ, мощность взрыва приближается к НГЦ. Триэтиленгликольдинитрат - C6H12N2O8 – маслянистая жидкость светло-жёлтого цвета, t затвердевания -19°С, плотность1,33г/см3, менее чувствителен чем триметилолэтантринитрат, мощность взрыва приближается к НГЦ. Пентаэритриттринитрат - C5H9N3O11 – петрин, t затвердевания -28°С, плотность 1,54г/см3, малочувствителен, мощность взрыва приближается к НГЦ. Бутандиол - 1,4 – динитрат - C4H8N2O6 – t затвердевания от –6 до 11°С, плотность 1,33г/см3, мало чувствителен, мощность взрыва приближается к НГЦ. Нитрометан - CH3NO2 – HM, безцветная жидкость, t плавления – 28,5°С, плотность 1,13-1,35г/см3, растворим в воде (при 20°С, 9,77%), растворим в органических растворителях, чувствительность нитрометана гораздо меньше чем НГЦ. Скорость детонации НМ = 6390м/с. НМ реагирует со щелочами образуя соли, при взаимодействии которых с HgCl2 образуется гремучая ртуть. НМ широко применяется в промышленных и исследовательских взрывных работах. Тринитрометан - CH(NO2)3 – нитроформ ТНМ, t плавления 25-27°С, плотность 1,6г/см3, бесцветные кристаллы, в воде растворяется с жёлтым окрашиванием, малочувствителен, однако с органическими веществами образует крайне чувствительные к удару взрывчатые смеси. По мощности приближается к НГЦ. Тетранитрометан - C(NO2)4 – ТНМ, подвижная безцветная жидкость с резким запахом, t плавления 14,2°С, плотность 1,63г/см3, не растворим в воде, смешивается с органическими растворителями, малочувствителен, скорость детонации = 6400 м/с, с органическими веществами особенно с бензолом, толулолом, керосин, масло (с которыми он смешивается во всех отношениях) образует крайне чувствительные взрывные смеси. Такие смеси стехиометрического состава более чувствительны, чем НГЦ. Смеси ТНМ с алифатическими соединениями, простыми эфирами, спиртами менее чувствительны. ТНМ может применяться как ВВ в смеси с этими веществами, а также в смеси с НМ, основное назначения ТНМ ракетный окислитель, так как его взрывчатые свойства сравнительно слабы. 1-нитропропан - CH3(CH2)2NO2 – подвижная жидкость, t плавления 104°С, плотность 0,99г/см3, очень плохо растворим в воде, растворим в органических растворителях, чувствителен к нагреванию и удару, применяется как компонент ракетных топлив. 2-нитропропан - (CH3)2CHNO2 – подвижная жидкость, t плавления – 91,3°С, плотность 0,98г/см3, очень плохо растворим в воде, растворим в органических растворителях, применяется как компонент ракетных топлив. Метилнитрат - CH2ONO2 – мироль, МН, жидкость, t плавления - 83°С, плотность 1,2г/см3, растворяется в воде, растворяется в органических растворителях, очень чувствителен к нагреванию и приближается по чувствительности к НГЦ, применялся во вторую мировую войну из-за дешевизны и лёгкости получения, может взорваться при температуре кипения = 65°С. Этилнитрат - C2H5ONO2 – жидкость, t плавления – 94,6°С, плотность 1,1г/см3, плохо растворим в воде, хорошо в органических растворителях, чувствителен к нагреванию и удару. n-пропилнитрат - C3H7ONO2 – жидкость, t затвердевания -101°С, плотность 1,05г/см3, менее чувствителен к нагреванию и удару чем МН и этилнитрат. Изопропилнитрат - CH3CH2ONO2CH3 – ИПН, плотность 1,03г/см3, свойства напоминающие Н-пропилнитрат, скорость детонации 5400 м/с. Тринитроэтиловый спирт - (NO2)3CCH2OH – бесцветное кристаллическое вещество, t плавления 72-73°С, в чистом виде не гигроскопичен и достаточно стабилен, ограничено растворим в воде, растворим в органических растворителях, по мощности близок к НГЦ. *Тринитромасляная кислота - (NO2)3C4H5O2, белое кристаллическое вещество, t плавления 57-60°С, умеренно растворима в воде, растворима в органических растворителях. *Тринитроэтиловый эфир тринитромасляной кислоты – кристаллическое вещество, t плавления 94°С. *Тринитрометиловый эфир тринитромасляной кислоты – кристаллическое вещество, мощное ВВ. Иногда в качестве ВВ применяют смеси взаиморастворимых друг в друге жидких индивидуальных ВВ. Например смесь состава: Нитроглицерин 70%, нитрогликоль 30%. ВВ жидкие смеси Большинство жидких смесевых ВВ используют в качестве окислителей дешёвую азотную дымящуюся кислоту (красную азотную кислоту), иногда употребляется двуокись азота в виде димера. Жидкие смесевые ВВ были разработаны ещё в конце 19 – начале 20 века иностранными военными химиками. Оксонит – представляет собой смесь 58% пикриновой кислоты и 42% азотной кислоты, готовится незадолго до применения, по взрывчато энергетическим характеристикам равен НГЦ, нечувствителен к удару и кратковременному нагреванию. Гельгофит – представляет собой смесь 28% нитробензола и 72% азотной кислоты, красная, прозрачная, маслообразная жидкость, по взрывчато энергетическим характеристикам равен НГЦ, нечувствительна к нагреванию и удару, готовится непосредственно перед применением. Анергит – представляет собой смесь 50% динитробензола и 50% азотной кислоты, по взрывчато энергетическим характеристикам равен НГЦ, нечувствителен к нагреванию и удару (однако известен случай взрыва контейнера с анергитом массой 300кг, упавшего с борта грузовика с высоты всего 0,5м. от земли). Достаточно устойчив и может храниться достаточно долгое время. Панкластит – представляет собой смесь 65% димера двуокиси азота и 35% сероуглерода, достаточно чувствителен к удару, взрывается при нагревании свыше 100°С, по взрывчато энергетическим характеристикам уступает НГЦ. Применялся в первую мировую войну. КД смесь - смесь азотной кислоты 30-40% концентрации, дихлорэтана, олеума в соотношении 60/40/30. Смесь КД применялась в СССР во время отечественной войны, по взрывчатым характеристикам практически равноценна тротилу. Иные смеси. В качестве других смесей применялись также смесь азотной кислоты и мононитробензола, смесь азотной кислоты и ... Вообще жидкие ВВ смеси, могут быть составлены путём смешения стехиометрических количеств совместимых между собой жидких окислителей (азотная кислота, четырехокись азота, тетранитрометан и т.п.) и органических горючих или органических нитропроизводных слабой степени нитрации. Количество вариантов таких смесевых жидких ВВ уже очень велико, и может быть ещё больше. Оксиликвиты Оксиликвиты – ВВ, в которых пористые горючие вещества – поглотители (торф, сажа, солома, древесная мука, опилки и т.п.) пропитаны жидким кислородом, или смесью жидкого воздуха и жидкого кислорода. Оксиликвиты были изобретены за границей Линде. Жидкий кислород температура которого –182°C, постоянно испаряется даже при низких зимних температурах, поэтому оксиликвиты сразу после пропитки являются ВВ повышенной мощности, однако по мере испарения жидкого кислорода снижают свои взрывчатые свойства и по испарению кислорода остается один, невзрывчатый безопасный поглотитель. Это свойство оксиликвитом предполагает приготовлять такое ВВ непосредственно на месте взрывных работ, засыпая в скважину поглотитель, заливая его жидким кислородом и без замедления производить взрывание. Время в течение, которого оксиликвит сохраняет взрывчатые свойства, называется его жизнеспособностью. Жизнеспособность оксиликвитных патронов диаметром 30 мм, составляет не более 5 минут, а диаметром 200 мм, уже 50 минут. Во время отечественной войны СССР при обороне Москвы применялись авиабомбы массой 100кг и 250кг, снаряженные оксиликвитом с поглотителем смесью мха (сфагнума) и древесного угля залитые жидким кислородом с Московских предприятий. Такие оксиликвитные авиабомбы сохраняли взрывчатые свойства на уровне авиабомб снаряженных смесью тротила и аммиачной селитры 50/50, в течение 3-4 часов. Суррогатные ВВ В военное время, при резком возрастании расхода боеприпасов и недостатка табельных ВВ, исключительно важное значение приобретают так называемые суррогатные ВВ, то есть ВВ созданные на основе веществ обычно не применяющихся в военном деле, либо на основе отходов производства ВВ, или отходов производства органических веществ. Во время 1-ой мировой войны применяли так называемый грубеит представляющий собой смесь болотного пироксилина (отложения пироксилина в сточный водах пороховых заводов, состоящие из мельчайших частиц пироксилина прошедшего сквозь сита и фильтры), тротилового масла (эвтектическая смесь ди- и мононитротолуолов), и нитрата натрия состава: болотный пироксилин 75%, тротиловое масло 10%, натриевая селитра 15%. Тонит – смесь: 50% пироксилина, 50% нитрата бария. Потентит – 60% пироксилина, 40% нитрата калия. Смесь 58% пироксилина и 42% хлората калия. Смесь 40% пироксилина с 60% аммиачной селитры. Робурит – смесь хлординитробензола с серой и аммиачной селитрой. К суррогатным ВВ также могут быть отнесены составы Фавье, Шеддиты, Цементиты, Шнейдерит, Сикрит, все аммиачноселитренные ВВ, а также сплавы и смеси различных органических нитратов, нитроэфиров, отходов продуктов химии органических красителей, и основной органической химии. Лекция 10 Некоторые особенности взрывчатых газообразных смесей и паров жидких горючих. Метано-воздушная смесь. Особенности. Взрывная волна Смеси горючих газов и мелкодисперсных горючих с воздухом или кислородом имеют практическое значение. Хотя удельная мощность их не так уж и велика, но благодаря большим объемам реагирующих веществ и простотой создания такие смеси очень эффективны. Даже создание давления в ударной волне более 1 атмосферы уже способно нанести поражение живой силе, а большинство зданий и сооружений способно разрушаться при давлении несколько атмосфер (кгссм2). Взрывы на мельницах, складах сыпучих материалов, хранилищах жидких и газообразных веществ, от природного газа в жилых и производственных помещениях, в большинстве случаев бывают намного разрушительнее, чем при производстве этих разрушений классическими ВВ. Особенно разрушительны и опасны взрывы мучной пыли. По последствиям и масштабам нанесенного ущерба, такие взрывы и взрывы газовых смесей, можно сравнить с применением тактического атомного оружия. Существует два вида взрывов газовых смесей. Обычный взрыв протекает в форме быстрого горения. А взрыв, инициируемый ВВ протекает с явлениями детонации смеси. Детонирующий фронт горения газовой смеси имеет большую энергию и мощность чем взрыв обычного ВВ. В войсках, уже с 1960-х годов применяются бомбы объемного взрыва («вакуумные»). Небольшой заряд ВВ разрушает оболочку такого боеприпаса, распыляя жидкое или сгущенное газообразное горючее в воздухе и спустя определенное время, производится детонация образовавшейся взрывчатой смеси. Радиус зоны детонации достигает до 1525 метров, при давлении в этой зоне до 70-120 кгссм2. А опасное давление большее атмосферного поражает живую силу и уничтожает объекты далеко за пределами зоны детонации, иногда превышая по эффективности действие ядерного заряда. Для взрыва газовых смесей не является ограничителем закон передачи детонации через куб расстояния. Ведь весь объем детонирует сразу, а так как облако смеси занимает большой объем, то при давлении большем 1кгссм2 объектам уже наносится поражение. А при классическом взрыве огромное давление в тысячи кгссм2 достигается на очень небольшом расстоянии, но с увеличением этого расстояния давление резко падает, создавая предел достигаемому разрушению. Можно образно сказать так, что в боеприпасе объемного взрыва объем взрыва и давления растянуты, как бы размазаны во времени и в объеме, чем и достигается столь значительный эффект. Имея давление во фронте ударной волны (в зоне облака) в сотню атмосфер, проигрывая в интенсивности, выигрываем в объеме и радиусе зоны действия этого давления. Но это характеристика воздействия детонируемых смесей, а даже обычное взрывное горение природного бытового газа способно разрушить до основания огромный многоквартирный, многоэтажный дом, так как взрыв этот происходит в объеме. И даже без детонации несколько кубометров газа замещают десятки, если не сотни килограммов классических ВВ. Таблица 1. Параметры газовых смесей (расчетные величины средних давлений взрыва для воздушных смесей некоторых горючих газов и сравнение соотношений). Газ. Содержание в смеси, % Давление взрыва Р. Рср\% газа в (по объему). ср. кгссм2 смеси % газа в смеси Рср Аммиак. 22,5 4,85 0,215 4,639 Ацетилен. 14,5 10,3 0,710 1,407 Ацетон. 6,3 8,93 1,417 * 0,705 * Бензол. 3,9 9 2,307 * 0,433 * Водород. 32,3 7,39 0,228 4,371 Гексан. 3 8,65 2,883 * 0,347 Метан. 9,8 7,17 0,732 1,367 Окись этилена 11 9,9 0,9 1,111 Пентан. 3 8,65 2,883 * 0,347 * Пропан. 4,6 8,58 1,865 * 0,536 * Этилен. 8 8,86 1,107 * 0,903 1. Максимальные давления, отвечающие взрыву в режиме детонации, равны примерно = 2 Рср. 2. Из таблицы видно, что наиболее высокие величины взрывчатых параметров имеют смеси на: пентане, гексане, бензоле, пропане, ацетоне. (Ацетон имеет наиболее низкие показатели в представленном ряду, но наиболее доступен, менее ядовит чем бензол, а самое главное - в нормальных условиях находится в жидкой фазе, что удобно для снаряжения). Отдельно о метане: - хотя метан имеет вдвое худшие характеристики по сравнению с пропаном, но благодаря его широкому распространению (бытовой газ) он имеет полное право быть включенным в указанный ряд наиболее подходящих горючих газов для создания воздушно-газовых взрывчатых смесей. То же можно отметить в отношении ацетилена, как имеющего высокую скорость взрывчатого превращения, а при применении инициирования взрывом КД способного к детонации в большей степени, чем другие газы. Заряд ВВ = 1,5 г тротила. При горении смесей с ацетиленом наиболее вероятен переход их горения в детонацию. Напрашивается логичный вывод о целесообразности применения растворов ацетилена в ацетоне, объединяющем их положительные свойства. Таблица 2. Взрывчатые характеристики смесей некоторых горючих с воздухом при инициировании их твердыми ВВ. Горючее. Конц. горючего, % (по Расч. теплота взрыва, Удельный объему) ккалм3 взрыва, кгсм2. Бензин. 1,82-1,96 875 249 водород 16-23 156 237 импульс Таблица 3 Теплота сгорания в смеси с кислородом. Горючее. Теплота сгорания, ккаллитр Количество теплоты сгор. 1 литра смеси, ккалл. Водород. 2230 1,7 Бензин. 2300 4,2 Углерод. 2140 4,2 Учитывая, что при инициировании ВВ показатели удваиваются, можно считать, что при обычном воспламенении открытым огнем, удельный импульс взрыва для бензина будет равен = 120-125 кгсм2, а для водорода 115-118 кгсм (естественно в замкнутом помещении или в трубе-тоннеле). При взрыве этих смесей на открытом воздухе все указанные параметры невоспроизводимы. Таблица 4. Характеристики газов и газовых смесей с воздухом. Газ или Плотность, гсм3 Температура вспышки Минимальная энергия распыленное для тв. веществ и в смеси с воздухом, электрич. искры для горючее. отн. (для газов). град Цельсия восплам, мДж. Метан. 0,55 545-730 0,28 Этан. 1,04 472-594 - Пропан. 1,52 466-588 0,26 Бутан. 2,01 450-569 0,25 Пентан. 2,49 545 - Гексан. 2,98 470 - Гептан. 3,46 430 0,24 Пары бензина. - 380-420 - Водород. 0,07 510-610 0,019 Аммиак. 0,60 650 - Окись углерода. 0,97 500-610 8 Сероводород. 1,19 290-300 7 Природный газ. - 537 - Ацетилен. 0,91 (0,00121) 335 0,19 Нефтяной газ. - 356 - Уголь. 1,2-1,9 750-1100 40 Сера. 1,93-2,07 275-340 15 Колчеданы (сульфиды) 3,56-7,6 330-460 - Древесина. 0,6-0,9 430 20 Магний. 1,74 520 20 Алюминий. 2,7 550 50 Цинк. 7,14 600 100 Стеарат алюминия. - - 15 Состав природного газа %- метан = 97,6; этан =0,25; пропан = 0,15; углекислый газ =0,5; азот = 1,5. Пределы опасной концентрации (воспламеняемости и взрыва) для угольной пыли составляют 10-2500 гм3 (при темп всп. = 750-1105 град Цельсия), а для серной пыли = 5 –1000 гм3 (при темп всп. = 275-290 градцельсия). Наиболее легко воспламеняемые газы: водород, ацетилен, и метан, пропан, пентан, гептан. Ацетилен, к тому же, имеет и наиболее низкую температуру вспышки, являясь наиболее опасным из применяемых в смесях газов. Начальная плотность = 0,00121 гсм3= . (газ). Удельная теплота сгорания смеси с воздухом = 815 ккалкг. Объемная плотность энергии = 986 ккалм3. Период индукции метано-воздушной смеси (начиная с максимума концентрации метана в 8,3 % и температурой вспышки от 540 до 700 градЦельсия) уменьшается с уменьшением концентрации метана. Более чувствительной, чем метано-воздушная смесь является бензо-воздушная (с 1,6 % бензина) имеющая температуру вспышки = 400 град Цельсия. Таблица 5. Концентрационные пределы необходимые для взрыва газовой смеси. Показатели. Метан. Водород. Ацетилен. Окись углерода. Концентр. Пределы (по объему), %. Нижние. 55 44,6 2,528 12,515,5 Верхние. 1561 7595 8093 7594 510450 335300 610590 Минимальная градЦельсия. температура вспышки, 545 - ( Первая цифра для смеси с воздухом, вторая для смеси с кислородом). Таблица 6 . Флегматизация горючих газов негорючими газами. Газ (горючее). Флегматизаторы (в объемах к горючему газу). Азот. Углекислый газ Метан. 6,0 3,3 Этан. 12,8 7,3 Водород. 16,5 10,2 Окись углерода. 4,1 2,2 Смешение горючего газа с негорючим в указанных в таблице пределах полностью подавляет горючесть, такие смеси невозможно инициировать тепловым источником даже самой максимально возможной мощности. Таблица 7. Максимальная скорость сгорания газовых смесей не переходящая во взрыв. Горючее. Ацетилен. Этилен. Пропилен Метан. Водород. Макс. скор. горения, смсек 131 63 37 43,5 267 Таблица 8. Теплотворная способность некоторых газообразных и твердых горючих веществ (ккалкг). ( МДж.м3) Горючее. Теплотворная способность, ккалкг Удельный вес, гсм3 Мазут. 9940-10240 0,955 Нефть. 9800-11000-12000 (10500) 0,76 Керосин. 10260-11230 (10000) 0,8 Соляровое масло. 10000 0,8 Спирт этиловый 6450-7000-7200 (30 Кдж.кг) 0,78-0,8 (0,794) Бензин. 10450-11000 0,7 Спирт метиловый 5332 (23 Кджкг) -0,796 Бензол. 10000ккал.кг-------------------140,13 0,87-0,885 МДж.м3 Ацетон. 11400ккалкг---74,10 МДж.м3 Метан. 8120-10400 МДжм3 Этан. 1540ккал.кг---64,31 МДж.м3-(Плотн. в отн. един1,04) Гептан. 183,00 МДж.м3------------- (=3,46) 0,683 Гексан. 171,00 МДжм3----------- (=2,98) 0,655 Пропан. 96,68 МДжм3 -----------(=2,49) 0,5005 ----- (0,002г.см3-газ) Бутан. 120,83 12250ккал.кг Окись этилена. Около 1700 Этилен. Около МДж.м3 Ацетилен. МДж.м3 0,78-0,79 (8510)ккалкг----35,80 0,76 (0,717) - 0,5612 при минус100 град/Ц МДжм3----- 0,6012-0,57 (=2,01) 0,8839 при 10 град/Ц 1700ккалкг----54,91 0,5699 при минус 103,8 град/Ц 11500ккалкг---55,19 1,17 г / литр (= 0,91) Водород. 34000 (28600) 8590ккалм3 0,09 г /литр Окись углерода 2420-3040 1,25 Природный газ. 8500-10400ккалкг---36,63 МДж.м3 0,78-0,8 Доменный газ. 910 0,78-0,8 Коксовый газ. 4000 0,78-0,8 эфир 112,00 МДж.м3 0,71-0,72 Сера. ? 2,07 Мука. 3830-4160 (3900) 1,05-1,4 Древесный уголь 6800-8000 1,5-1,7 и1,869 ( обжиг при 1500 град.Цельсия Алюминиевая пудра. 0,82 (0,61-0,86)-пудра; и 2,7металл 6900 –пудра, металл-7140-7400 Таблица 9. Пределы взрываемости газов, % (объемных). Газ. ( Пары жидкого горючего). Концентрация газа, % объёмных. Доменный газ. 46,0-68,0 Коксовый газ. 5,6-30,4 Скипидар. 0,73 Окись углерода. 1,25-80,0 Водород. 4,0-80,0 Ацетон. 1,6-13,0 Аммиак. 15,5-27,0 Бензол. 1,3-9,5 Ацетилен. 1,53-82,0 Метан. 2,5-15,4 Пропан. 2,0-9,5 Метано-воздушная смесь. Особенности. Взрыв метаново-воздушной смеси возможен в пределах его концентрации от 4,5 до 14 %. Хотя в таблице 3 и даны несколько иные значения, но стехиометрический оптимум для метана составляет 9,5 % , в смеси (по объему). Метано-воздушная смесь при концентрации метана = 9 %, дает при инициировании ее зарядом ВВ, скорость детонации = 1,72 кмсек. А максимальная мощность взрыва смеси достигается при том же стехиометрическом оптимуме = 9,5 % метана по объему. При стехиометрическом отношении скорость детонации метано-воздушной смеси ниже 1,72 кмсек. следовательно, есть возможность выбора между мощным или резким ударным воздействием заряда, что регулируется содержанием метана в стехиометрическом или ином значении. Температура ударной волны = 1584 градуса Кельвина. Температура горения смеси = 1850-2050 градЦельсия. Период индукции равен = 1,7 мкс. при сгорании метановоздушной смеси в ударной волне выделяется = 0,823 энергии заряда. Таким образом, общая энергия, идущая на поддержание ударной волны в метано-воздушной смеси при взрыве в ней заряда ВВ с энергией = Е равна = 1,823 Е., Следовательно, можно сказать, что потери в ударной волне = 0,177 Е заряда газовой смеси. Предельные заряды ВВ: - ПЖВ-20 = 30 г, угленита Э-6 = 180 г. давление в ударной волне имеет амплитуду = 30 кгссм2 Удельная теплота сгорания метано-воздушной смеси = 1,190 умн.10 в 7 степени Джм3, а метано-кислородной = 3,381 умн.10 в 7 степени. Джм3. Начальная плотность газовой смеси = 1,17 умн.10 в минус3 степени. (Удельная теплота горючего (в ккал) = 660 ккалкг). Объемная плотность энергии газовой смеси = 772 ккалм3. При массе заряда в 1000 г тола скорость детонации метано-воздушной смеси = 1540 мсек. При отношении энергии инициатора к энергии взрыва газовой смеси = 13 - 8. Максимальное давление во фронте детонационной волны = 16 атм. (кгссм2). Средняя скорость распространения ударной волны в воздухе = 950 мсек критический диаметр ударной волны = 1,3 м (при начальном объеме газового заряда = 1015 м3). Для разных газовых смесей необходимо соблюдение общего условия - чтобы время химической реакции горения газовой смеси было меньше времени прохождения продуктами горения зоны сжатия. То есть необходимо детонационное превращение, возможное при возбуждении взрыва достаточно мощным детонирующим зарядом. Время индукции - время от воспламенения газовой смеси посторонним зарядом до начала самоподдерживающейся реакции (само распространяющегося воспламенения) для метано-воздушной смеси = меньше равно = 0,45 мс. А для метано-кислородной смеси меньше равно = 0,040 мс. При взрыве в газовых смесях ВВ с удельной энергией = 1000 ккалкг критическая масса зарядов для метано-воздушной и метано-кислородной смесей равна соответственно = 385 г и 1,55 г. (В общем случае, величина заряда тротила для инициирования детонации газовых смесей колеблется от 1,5 г до 1000 г). Из представленных данных видно, что воспламенение метанокислородных смесей непосредственно ударной волной взрыва ВВ реализуется даже при сравнительно малых зарядах и, следовательно, этот способ воспламенения является основным. А воспламенение метановоздушной смеси по механизму (способу) ударного сжатия возможно только при очень больших зарядах ВВ. мешает азот воздуха, флегматизируя газовую смесь. Ведь на 1 объем кислорода приходится 7 объемов азота воздуха. Но при этом следует отметить, что воспламенение метановоздушной смеси можно вызвать и зарядом на порядок меньшим, чем необходимо для ударного воспламенения. То есть зарядом в 40 – 50 г. Это возможно при использовании заряда аммонита № 6 ЖВ, который уже при массе заряда от 25 г безотказно воспламеняет метано-воздушную смесь. Это можно объяснить тем, что при величине заряда меньше критической происходит вынужденное горение метана в зоне заглохшей детонации. Далее давление во фронте волны резко падает и вынужденное горение метана прекращается. Самораспространяющееся воспламенение в таких условиях имеет возможность возникать от зоны, где прекратилось вынужденное горение метана. В этом случае поджигание осуществляется путем теплопередачи и диффузии. То есть по законам дефлаграции. И будет зависеть от ширины этой зоны. Ширины определяемой большим количеством очагов воспламенения получаемых при взрыве такого ВВ. Видимо это ВВ дает частицы более жгучие и более крупные, чем в других ВВ. И в силу этого дает возможность иметь большую энергию инициирования и больший объем инициированной смеси. Практически этот эффект можно усилить добавляя в ВВ крупные частицы алюминия. То есть вводить в состав аммонита достаточно большое количество алюминиевой стружки или крупки сверх необходимого для взрыва аммонита. Возможно и введение катализаторов ускорения горения газовых смесей. Ведь если есть флегматизирующие газы, то должны быть и сенсибилизирующие газовую смесь газы. А предложенное объяснение Вайнштейна стр. 184-185 (которое я не стал записывать) - это бред сивой кобылы. Энергия взрыва газового объема равна произведению объемной плотности энергии газовой смеси на ее объем. Е = Q об. * V нач. = 772ккалм3 *Vм3. Пример: Е = 772 * 10 м3 = 7720 ккал. ( 3292170 кгм!).. что соответствует массе ВВ = 7,72 кг. Пример: обьем куба со сторонами в 6 м, составляет 216 м3, что дает Е = 216* 772 = 166752 ккал. Что соответствует массе ВВ = 166,752 кг!. ( а масса газа = 259-270 кг!). При условии обычного взрывного горения энергия взрыва, как уже было ранее отмечено, равна 12 от энергии взрыва при детонации и, следовательно, можно считать, что такой газовый заряд соответствует заряду ВВ = 80-90 кг!. При слабом инициировании газовых смесей, (пример: метановоздушная смесь) происходит медленное распространение фронта пламени со скоростью 1-10 мсек. Внутри объема газовой смеси давление не превышало 0,05 кгссм2 в окружающей атмосфере –0,01 кгссм2 (это наблюдалось в объеме 10-15 м3). Но при условии увеличения объема или при сферически – симметричной форме облака (объема) коэффициент использования энергии резко возрастает. Происходит ускоренное распространение фронта пламени. И при условии достаточно большого объема смеси или при присутствии условий для турбулентного горения или при увеличении мощности источника инициирования, ускоренное движение фронта пламени может перерасти в детонацию. Для этого случая и можно считать, что масса газа эквивалентна 12 массы ВВ. (воспламенение облака, близкое к естественному, при аварии объекта). . Необходимым условием, как для взрывного, так и для детонационного горения, является скорость образования аэрозоля. Чем быстрее образуется аэрозоль, тем меньше потери на образование не сработавших объемов аэрозоля, с низкими концентрациями. А также, способность горючего к взрыву при минимальной его концентрации, и максимально возможная скорость горения горючего. Приведем пример по использованию ацетилена. У ацетилена характеристики удвоены по сравнению с данными для метано-воздушной смеси. Итак: пример1--100 кг ацетилена смешаны с воздухом в стехиометрическом соотношении. Смесь воспламенилась высоко над уровнем земли, и горение перешло в детонацию (свободный воздушный взрыв). Плотность смеси = 1,21*10 в минус 3 степени. Теплота взрыва смеси = 815 ккалкг, объем газового облака при Р.=1 кгссм2 и температуре 15 градЦельсия равен = 12150 м3 радиус облака = 14 м (диаметр = 28 м). Энергия взрыва Е = 12*10 в 6 степени ккал. В центре облака импульс давлениядостигает 20 кгссм2 на границе облака Р. = 60-80 кгссм2 и на удаление 100 м Р.= 30-40 кгссм2 и на 200 м импульс давления составляет еще около 3-4 кгссм2. А давление в облаке равно 20 кгссм2, на границе облака около 1 кгссм2 Расчетное энерго-выделение составляет 12000000 ккал, что соответствует массе ВВ = 12000 кг, что дает соотношение в 1120. Что делает действие газового заряда подобным взрыву тактического ядерного боеприпаса. Ведь практически вес заряда ацетилена и есть вес необходимого боеприпаса, так как мы не учитываем массу воздуха необходимого для создания смеси (этот воздух уже находится в районе цели и не требует транспортировки). В итоге и получается впечатляющая цифра, когда 100 кг ацетилена эквивалентны по энергии взрыва 12000 кг ВВ. Конечно, подобные теоретические расчеты -слишком идеальны, и в итоге коэффициент использования энергии конечно много меньше. На практике, можно считать, что 100кг ацетилена эквивалентны не 12000 кг ВВ, а 30008000 кг ВВ. В любом случае, выгодны большие объемы облака аэрозоля, способствующие повышению коэффициента использования энергии взрыва. Но существует определенное ограничение максимального объема облака, так как его превышение над опптимальным объемом облака вызывает снижение кпд, но при общем увеличении энергии взрыва. То есть, можно сказать, что особо большие объемы облака аэрозоля и количества распыленного вещества, разрушительны, но имеют меньший кпд,, и зону разрушения, чем меньшие по величине, но отвечающие оптимальной величине. За счет большей скорости взрыва и большей бризантности у зарядов (облака аэрозоля) оптимальной величины. Можно считать, что для организованного взрыва (боеприпасы объемного взрыва) оптимальны величины заряда 3040кг горючего (в зависимости от типа горючего), а ля неорганизованного взрыва, типа промышленного газового выброса, не менее 100-150 кг горючего (но при мощном воспламенителе). А для классического газового выброса, не имеющего источника мощного воспламенения в виде заряда вв, мощность взрыва определяется объемом облака, при котором, для данного горючего возможно образование взрывного горения, с возможностью перехода в детонацию. Для ацетилена, такое возможно при величине заряда горючего не менее 100 кг (см пример1). При инициировании воздушноацетиленового аэрозоля, зарядом вв, величина заряда ацетилена не имеет значения, детонация возникает в облаке любого минимального объема. При неорганизованном взрыве облака аэрозоля образованного большим количеством горючего, масштабы разрушения могут быть значительны, но давление в облаке и на пути ударной волны будут много меньше, чем при взрыве облака аэрозоля оптимального объема. PS- 1. США-боеприпас объемного взрыва. вес топливной смеси=32,6 кг (окись этилена). Диаметр облака аэрозоля=15-17м. высота облака=3м. объем облака=600м3. плотность энерговыделения =3,802 МДж.м3. максимальное избыточное давление на расстоянии 4-7 диаметров облака=0,99МПа. В зоне облака достигается давление =25-35 МПа. 2. Известно, что 1 кг окиси этилена при сгорании в кислороде дает энергию в 3-5 раз большую, сем при взрыве(горении) 1 кг тротила. Для обычных углеводородов, принято считать энергию 1 кг углеводорода =энергии 3 кг тротила. 3. При взрывном (не детонационном) горении облака горючей смеси =10-40 тонн, коэффициент использования энергии смеси =4-6%. 4. При взрывном горении пара(газа) горючего принято считать коэффициент использования энергии =10%( данные для заряда 50-100кг). На практике он обычно не более 5%. При условии детонации топливной смеси коэффициент использования энергии смеси более 10%, и 1 кг горючего эквивалентен 5-7 кг тротила. 5. При взрывном горении, облако горит в направлении от внешней границы к центру облака, с неравномерным выбросом в произвольном направлении. Детонационный взрыв облака, характеризуется правильной формой огненного шара(полусферы – при наземном взрыве), и распространением огненного импульса от центра облака к его границам, что видно на видео. При инициировании облака не в центре, а с какой либо стороны, распространение огненного импульса более правильно, чем при взрывном горении. Оно не сопровождается неорганизованными выбросами в произвольном направлении, а дает эффект подобный эффекту направленного взрыва. При этом формируется достаточно четкое направление энергии взрыва( в направлении подачи инициирующего импульса) 6. Написанное здесь, уже упоминалось ранее, но повторяю опять:Распыление жидких горючих имеет свои особенности. При взрыве распыляющего заряда образуется облако аэрозоля из воздуха и мелко распыленных частиц горючего. Для лучшего использования горючего и создания более равномерной топливной смеси необходимо полное распыление (испарение) капель горючего – полный переход жидкости в газообразную (парообразную) фазу, что требует некоторого времени различного, для каждого вида горючего. Так, сжиженные газы при распылении наиболее быстро переходят в газообразное состояние, а жидкие горючие, распыленные до формы мелкого тумана из жидких капель, испаряются до парообразного состояния намного хуже. Этим условием и определяется величина времени задержки инициирования после распыления заряда горючего. Чем больше время испарения капель горючего, тем больше размывается облако, и снижается эффективность его взрыва. Наиболее выгодны горючие имеющие наименьшее время парообразования, и широкие концентрационные пределы воспламенения, не считая конечно максимальной скорости воспламенения и возможно большего давления взрыва. Наиболее приемлемые горючие достаточно легко подобрать из рассмотренных ранее таблиц. Все это, касается не только жидких горючих, но, вполне применимо и для сжиженных газов. 7. Достаточно эффективны как горючее, должны быть растворы ацетилена в ацетоне, а также растворы триперекиси ацетона в ацетоне, бензоле, эфире. Вопрос лишь в достаточной эффективности горючего и невысокой стоимости. Величина распыляющего заряда подбирается аналогично величине заряда в химических снарядах –10-25%-от веса горючего - (не более 30%). PS: - Применение ацетилена в чистом виде, как в газообразном, так и в сжиженном состоянии опасно и неудобно вследствие способности ацетилена к самопроизвольному взрыву. Поэтому и предлагается его раствор в ацетоне, хотя - строго говоря, образующийся при распылении такого раствора аэрозоль более подходит под определение ацетонового, а не ацетиленового. Но, даже небольшая примесь ацетилена облагораживает свойства ацетонового аэрозоля, в сторону соответствия параметрам ОДБ. 8 .данная статья не является пропагандой, какого либо горючего. В таблицах представлены наиболее важные свойства горючих подходящие к рациональным составам ТОС. Подбор состава, величина заряда - все решается, исходя из конкретных требований - методом исключения менее подходящих веществ в пользу более подходящих, для каждого конкретного случая. Схемы распыления горючего и конструкции намеренно не рассматривались, ограничившись тем, что указано в заголовке статьи. . Взрывная волна порожденное взрывом движение среды. Под воздействием высокого давления газов, образовавшихся при взрыве, первоначально невозмущённая среда испытывает резкое сжатие и приобретает большую скорость. Состояние движения передаётся от одного слоя среды к другому так, что область, охваченная В. в., быстро расширяется. На фронте расширяющейся области среда скачком переходит из исходного невозмущённого состояния в состояние движения с более высокими давлением, плотностью и температурой. Происходящее скачком изменение состояния среды — Ударная волна — распространяется со сверхзвуковой скоростью. В. в. характеризуется изменением давления, плотности и скорости среды с течением времени в различных точках пространства или распределением этих величин в пространстве в фиксированные моменты времени. Одним из важных параметров, определяющих механическое действие В. в., служит создаваемое волной максимальное давление. При взрывах в газообразных и жидких средах максимальное давление достигается в момент сжатия среды в ударной волне. Др. важным параметром является интервал времени действия В. в. По мере удаления от места взрыва максимальное давление уменьшается, а время действия увеличивается (рис. 1). При распространении В. в. в твердых средах ударный фронт сравнительно быстро исчезает, и В. в. превращается в ряд последовательных быстро затухающих колебаний, распространяющихся со скоростью упругих волн. В. в. обладают свойством подобия. В соответствии с этим свойством при взрывах зарядов химического взрывчатого вещества одинаковой формы, но различной массы, расстояния, на которых максимальное давление во В. в. имеет одно и то же значение, относятся между собой как кубические корни из масс зарядов. В том же отношении изменяется интервал времени действия В. в. Например, если увеличить расстояния и интервал времени, приведённые на рис. 1, в 10 раз, то такая В. в. будет соответствовать взрыву уже не 1 кг, а 1 т тринитротолуола (тротила). В. в. имеет тенденцию к быстрой утрате особенностей, обусловленных природой взрыва, так что её последующее движение в основном определяется лишь величиной энергии, передаваемой окружающей среде. Благодаря этому обстоятельству В. в., порожденные в одной и той же среде взрывами разного типа, в основных чертах оказываются подобными, что позволяет ввести для характеристики взрывов так называемый Тротиловый эквивалент. Распространяющаяся В. в. затрачивает на нагревание среды вблизи очага взрыва значительную часть своей механической энергии. Например, на расстоянии 10 км воздушная В. в., порожденная взрывом 1000 тхимического взрывчатого вещества, содержит примерно 10% первоначальной энергии взрыва, а при ядерном взрыве той же энергии — вдвое меньше (из-за бо́льших потерь на нагревание воздуха). Максимальное повышение давления в волне для указанных значений расстояния и энергии взрыва измеряется сотнями н/м2 (тысячными долями кгс/см2). На больших расстояниях В. в. представляет собой звуковую волну (или упругую волну в твёрдой среде). Звуковые волны в атмосфере (или упругие волны в земной коре), порождённые взрывами достаточно большой энергии, могут быть зарегистрированы специальными приборами (микробарографами,Сейсмографами и др.) на очень больших расстояниях. Например, при взрывах с энергией порядка 1013 дж(несколько тысяч т тринитротолуола) волны регистрируются на расстояниях в нескольких тысяч км, а при энергиях взрывов Взрывная волна 1016 дж (нескольких млн. т) — практически в любой точке земного шара. На таких больших расстояниях В. в. представляет собой длинную последовательность колебаний атмосферного давления (или колебаний почвы — при подземных взрывах) очень низкой частоты (рис. 2). Изменение давления со временем в воздушной взрывной волне на расстояниях 1 м, 2,7 м и 11 м от центра взрыва сферического заряда тринитротолуола массой 1 кг. Запись колебаний атмосферного давления в воздушной волне на расстоянии 11 500 км от места взрыва с энергией 1016 дж. Волна пробегает такое расстояние примерно за 10 ч. Лекция 11 Показатели пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов. Концентрационный предел распространения пламени. Меры по предотвращению взрывов. Предотвращение инициирования горения. Рекомендации по профилактике пожаров и взрывов в быту 1. Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и свечением. 2. В зависимости от скорости протекания процесса, горение может происходить в форме собственно горения и взрыва. 3. Взрыв - это частный случай горения, протекающего мгновенно с кратковременным выделением значительного количества тепла и света. 4. Для процесса горения необходимо: 1) наличие горючей среды, состоящей ив горючего вещества и окислителя; 2) источника воспламенения. Чтобы возник процесс горения, горючая среда должна быть нагрета до определенной температуры при помощи источника воспламенения (пламя, искра электрического или механического происхождения, накаленные тела, тепловое проявление химической, электрической или механической энергий). 5. После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения. Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения. Наибольшая скорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая - при содержании в воздухе 14 - 15% кислорода. При меньшем содержании кислорода в воздухе горение большей части веществ прекращается. 6. Различают следующие виды горения: - полное - горение при достаточном количестве или избытке кислорода; - неполное - горение при недостатке кислорода. При полном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CO2), вода (H2O), азот (N), сернистый ангидрид (SO2), фосфорный ангидрид. При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды. 7. Горение веществ может протекать не только в среде кислорода, но также в среде некоторых веществ, не содержащих кислорода, хлора, паров брома, серы и т.д. 8. Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном. Отдельные твердые вещества при нагревании плавятся и испаряются, другие - разлагаются и выделяют газообразные продукты и твердый остаток в виде угля и шлака, третьи не разлагаются и не плавятся. Большинство горючих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образуют газообразные продукты, которые при смешивании с кислородом воздуха образуют горючую среду. По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают; - гомогенное горение - горение газов и горючих парообразующих веществ в среде газообразного окислителя; - горение взрывчатых веществ и порохов; - гетерогенное горение - горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя; - горение в системе «жидкая горючая смесь - жидкий окислитель» 9. Важнейшим вопросом теории горения является распространение пламени (зоны резкого возрастания температуры и интенсивной реакции). Различают следующие режимы распространения пламени (горения): - нормальный режим горения; - дефлеграционное горение; - детонация. а) Нормальный режим горения наблюдается при спокойном гетерогенном двухфазном диффузионном горении. Скорость горения будет определяться скоростью диффузии кислорода к горючему веществу в зону горения. Распространение пламени происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к его поверхности. Такое горение и скорость распространения пламени по неподвижной смеси вдоль нормали к его поверхности называют нормальным (ламинарным). Нормальные скорости горения невелики. В этом случае повышения давления и образования ударной волны не происходит. б) В реальных условиях вследствие протекания внутренних процессов и при внешних осложняющих факторах происходит искривление фронта пламени, что приводит к росту скорости горения. При достижении скоростей распространения пламени до десятков и сотен метров в секунду, но не превышающих скорости звука в данной среде (300 – 320м/сек) происходит взрывное (дефлеграционное) горение. При взрывном горении продукты горения нагреваются до 1.5-3.0 тысяч °С, а давление в закрытых системах увеличивается до 0.6-0.9МПа. Продолжительность реакции горения до взрывного режима составляет для газов ~0.1 сек, паров ~0.2 – 0.3 сек, пыли ~0.5 сек. Применительно к случайным промышленным взрывам под дефлебрацией обычно понимают горение облака с видимой скоростью порядка 100 - 300 м/сек, при которой генерируются ударные волны с максимальным давлением 20 - 100 кПа. в) В определенных условиях взрывное горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1 - 5 км/сек. Это происходит при сильной турбулизации материальных потоков, вызывающей значительное искривление фронта пламени большое увеличение его поверхности. При этом возникает ударная волна, во фронте которой резко повышается плотность, давление температура смеси. При возрастании этих параметров смеси до самовоспламенения горячих веществ возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой быстрореагирующей (самовоспламеняющейся) смеси. Избыточное давление в пределах детонирующего облака смеси может достигать 2 МПа. Процесс химического превращения горючих веществ, который вводится ударной волной и сопровождается быстрым выделением энергии, называется детонацией. При детонационном режиме горения облака ГВ большая часть энергии взрыва переходит в воздушную ударную волну, при дефлеграционном горении со скоростью распространения пламени ~200 м/сек переход энергии в волну составляет от 30 до 40%. Показатели пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов Показатели пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов определяются с целью получения исходных данных для определения категории производства и разработки систем обеспечения пожарной безопасности в соответствии с требованиями ГОСТ 12.I.00485 и ГОСТ 12.I.010-76. Пожаро- и взрывоопасность веществ и материалов определяется показателями, выбор которых зависит от агрегатного состояния вещества и условий его применения. Количество показателей, необходимых и достаточных для характеристики пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов в условиях их производства, переработки, транспортировки и хранения, как правило, определяется разработчиком системы обеспечения пожарной безопасности объекта. Номенклатура и применяемость показателей пожароопасности веществ и материалов приведены в табл. Ниже приведены понятия основных показателей пожаровзрывоопасности веществ, материалов и область их практического применения. Одним из основных показателей пожароопасности, применяемых при классификации веществ и материалов по способности их к горению, является группа горючести. По горючести и вещества и материалы подразделяются на три группы: негорючие (несгораемые) - вещества и материалы, не способные к горению в воздухе. Негорючие вещества могут быть пожароопасными (например: окислители, а также вещества, выделяющие горючие продукты при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом); трудногорючие (трудносгораемые) - вещества и материалы, способные возгораться в воздухе от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления; горючие (сгораемые) - вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления. Из группы горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющееся вещества и материалы. Легковоспламеняющиеся называют горючие вещества и материалы, способные воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т.п.). Легковоспламеняющимися называются жидкости с температурой вспышки не более 61 °С в закрытом тигле или 66 °С в открытом тигле. Группа горючести применяется при подразделении материалов по горючести, при определении категории помещений, зданий по взрыво- и пожароопасности, а также классов взрывоопасных зон; при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности. Температура вспышки - самая низкая температура горючего вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхивать от источника зажигания, но скорость их образования еще не достаточна для устойчивого горения. Значение температуры вспышки применяется при классификации жидкостей по степени пожароопасности, при определении категории производств по взрывопожарной и пожарной опасности, а также классов взрывоопасных и пожароопасных зон по ПУЭ при разработке пожарной безопасности и взрывобезопасности. Температура воспламенения - наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое пламенное горение. Значение температуры воспламенения применяется при установлении группы горючести веществ, оценке пожарной опасности оборудования и технологических процессов, связанных с переработкой горючих веществ, при разработке мероприятий по обеспечению пожаро - и взрывоопасности технологических процессов. Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающихся пламенным горением. Значение температуры самовоспламенения применяется при оценке пожаро - и взрывоопасности веществ, при определении группы взрывоопасной смеет по ГОСТ 12.1.011-78 для выбора типа взрывозащищенного электрооборудования, при разработке мероприятий по обеспечению пожаро - и взрывоопасности технологических процессов. Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени - минимальное (максимальное) содержание горючего в смеси "горючее вещество - окислительная среда", при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания. Значения нижнего и верхнего концентрационных пределов распространения пламени (воспламенения) используются: при определении классов взрывоопасных и пожароопасных зон по ПУЭ; при расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей внутри технологического оборудования, трубопроводов; при проектировании вентиляционных систем; при расчете предельно допустимых взрывобезопасных концентраций газов и паров в воздухе рабочей зоны с потенциальными источниками зажигания в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.010-76. Температурные пределы распространения пламени (воспламенения) - такие температуры вещества, при которых его насыщенные пары образуют в конкретной окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему (нижний температурный предел) и верхнему (верхний температурный предел) концентрационным пределам распространения пламени. Значение температурных пределов распространения пламени применяется при расчете пожаро - и взрывобезопасных температурных режимов работы технологического оборудования, при оценке аварийных ситуаций, связанных с разливом горючих жидкостей, и для расчета концентрационных пределов распространения пламени. Температурой самонагревания - называется самая низкая температура вещества, при которой самопроизвольный процесс его нагревания не приводит к тлению или пламенному горению. Значение температуры самонагревания применяется при выборе безопасных условий нагрева вещества, при разработке мероприятий по обеспечению пожаробезопасности технологических процессов. Безопасной температурой длительного нагрева вещества считают температуру, не превышающую 90% температуры самонагревания. Температура тления - температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций окисления, заканчивающихся возникновением тления. Значение температуры тления следует применять при экспертизах причин пожаров, при выборе взрывозащищенного электрооборудования и разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности и технологических процессов. Условия теплового самовозгорания - экспериментально выявленная зависимость между температурой окружающей среды, массой вещества и временем до момента его самовозгорания. Результаты оценки условий теплового самовозгорания следует применять при выборе безопасных условий хранения и переработки самовозгорающихся веществ. Минимальная энергия зажигания - наименьшее значение энергии электрического разряду, способной воспламенить наиболее легковоспламеняющуюся смесь газа, пара, пыли с воздухом. Значение минимальной энергии зажигания следует применять при разра- ботке мероприятий по обеспечению пожаро - и взрывобезопасных условий переработки горючих веществ и электростатической искробезопасности технологических процессов. Кислородный индекс - минимальное содержание кислорода в кислородно-азотной смеси, при котором возможно свечеобразное горение материалов в условиях специальных испытаний. Значение кислородного индекса применяется при разработке полимерных композиций пониженной горючести и контроле горючести твердых материалов. Способность взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и другими веществами - это качественный показатель, характеризующий особую пожарную опасность некоторых веществ. Результаты оценки способности взрываться и гореть при взаимном контакте веществ применяются при определении категорий производств; при выборе безопасных условий проведения технологических процессов и условий совместного хранения и транспортировки веществ и материалов. Нормальная скорость распределения пламени - скорость перемещения фронта пламени относительно несгоревшего газа в направлении, перпендикулярном его поверхности. Значение нормальной скорости распространения пламени применяется в расчетах скорости нарастания взрывного давления газо-, паро-воздушных смесей, критического (гасящего) диаметра, при разработке мероприятий по обеспечению (пожаро - и взрывобезопасности технологических процессов). Скорость выгорания - количество горючего, сгорающего в единицу времени с единицы площади. Скорость выгорания характеризует интенсивность горения вещества в условиях пожара. Значение скорости выгорания применяется яри определении продолжительности пожара в резервуарах интенсивности тепловыделения и температурного режима пожара. Коэффициент дымообразования - величина, характеризующая оптическую плотность дыма, образующегося при сгорании вещества (материала) с заданной насыщенностью в объеме помещения. Значение коэффициента дымообразования следует применять для классификации материалов по дымообразующей способности. По дымообразующей способности материалы подразделяют на три группы: с малой, умеренной, высокой дымообразующей способностью. Индекс распространения пламени - условный безразмерный показатель, характеризующий способность веществ распространять пламя по поверхности. Значение индекса распространения пламени следует применять для классификации строительных материалов, лакокрасочных и полимерных покрытий, тканей и пленок по способности распространять пламя на поверхности. Показатель токсичности продуктов горения - отношение количества материала к единице объема замкнутого пространства, при сгорании которого выделяющиеся продукты вызывают гибель 50% подопытных животных. Значение показателя токсичности продуктов горения полимерного материала следует применять для сравнительной оценки полимерных материалов, которые классифицируются по величине показателя токсичности продуктов горения: чрезвычайно опасные - показатель токсичности до 13 г/м; высоко опасные - показатель токсичности от 13 до 40 г/м; умеренно опасные - показатель токсичности от 40 до 120 г/м3; малоопасные - показатель токсичности свыше 120 г/м3. Минимальное взрывоопасное содержание кислорода - такая его концентрация в горючей смеси, ниже которой воспламенение и горение смеси становится невозможным при любой концентрации горючего в смеси, разбавленной данным флегматизатором. Значение минимального взрывоопасного содержания кислорода применяется при расчетах пожаро- и взрывоопасных режимов работы технологического оборудования, выборе режимов работы систем (азотного дыхания), выборе безопасных условий работы пневмотранспорта, разработке мероприятий по обеспечению пожаро- и взрывобезопасности. Минимальная флегматизирующая концентрация - наименьшая концентрация флегматизатора в смеси с горючим и окислительной средой, при которой смесь становиться неспособной к распространению пламени при любом соотношении горючего и окислительной среды. Значение минимальной флегматизирующей концентрации поменяется при расчетах безопасных составов газовых и пылегазовых смесей, при разработке мероприятий по пожаро - и взрывобезопасности технологических процессов. Максимальное давление взрыва - наибольшее давление, возникающее при взрыве газо-, паро- или пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси 101.3 кПа. Значение максимального давления взрыва следует применять при разработке мероприятий по пожаро - и взрывобезопасности технологических процессов. Скорость нарастания давления при взрыве - производная давления взрыва по времени на восходящем участке зависимости давления взрыва газо- ,паро-, пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде от времени. Значение скорости нарастания давления при взрыве следует применять при расчетах предохранительных устройств, при разработке мероприятий по пожаро - и взрывобезопасности технологических процессов. ПОЖАРЫ Пожар - это неконтролируемый процесс поражения, сопровождающийся уничтожением материальных ценностей и создающий опасность для жизни людей. Пожароопасный объект (ПОО) - это объект, на котором производятся (хранятся, транспортируются) продукты, приобретающие при некоторых условиях (авариях, инициировании) способность к возгоранию. Основными причинами возникновения пожаров при производственных авариях и стихийных бедствиях являются: - разрушения котельных, емкостей и трубопроводов с легковоспламеняющимися или взрывоопасными жидкостями и газами; - короткие замыкания электропроводки в поврежденных или частично разрушенных зданиях и сооружениях; - взрывы и возгорания некоторых веществ и материалов. Возникновение пожаров, прежде всего, зависит от характера производства и степени возгораемости или огнестойкости зданий и материалов, из которых они изготовлены. По взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности все промышленные производства подразделяются на шесть категорий: А, Б, В, Г, Д, Е (СНи П. 2.01.02-85). А - нефтеперерабатывающие заводы, химические предприятия, трубопроводы, склады нефтепродуктов и пр. Б - цехи приготовления и транспортировки угольной пыли, древесной муки, сахарной пудри, выбойные и разномольные отделения мельниц; В - лесопильные, деревообрабатывающие, столярные, модельные, лесотарные и т.п. производства; Г - технологические производства получения, хранения и применения несгораемых веществ и материалов в горючем, раскаленном или расплавленном виде, пожарная опасность которых связана с выделением лучистого тепла и образованием искр и пламени, а также производства, связанные со сжиганием твердого, жидкого и газообразного топлива (металлургические производства, котельные, электростанции и т.д.) Д - процессы получения, хранения и применения несгораемых веществ и материалов в холодном виде (машиностроительные и другие предприятия склады негорючих веществ и материалов). К наиболее пожароопасным предприятиям относят предприятия категорий: А, Б, В. Предприятия категорий Г и Д относят к не пожароопасным. Под пожарной опасностью понимают возможность возникновения или развития пожара, заключенный в каком-либо веществе, состоянии или процессе. Огнестойкость зданий - это способность зданий оказывать сопротивление воздействию высоких температур во времени при сохранении своих эксплуатационных свойств. Огнестойкость здания зависит от пределов огнестойкости его конструктивных основных частей. Все строительные материалы по возгораемости (огнестойкости) делятся нам три группы: - несгораемые - это такие материалы, которые под воздействием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются; - трудно сгораемые - это такие материалы, которые под воздействием огня или высокой температуры с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются и продолжают гореть или тлеть только при наличии источника огня, при его отсутствии процесс горения или тления прекращается; - сгораемые - это материалы, которое под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня. Здания, выполненные даже из несгораемых материалов, могут выдержать воздействие огня или высоких температур только определенное время. Предел огнестойкости конструкций определяется временем, в течение которого не появляются сквозные трещины, конструкция не теряет несущей способности, не обрушивается и не нагревается до 200С на противоположной стороне. По степени возгораемости (огнестойкости) здания и сооружения делятся на пять групп I, II, III, IV, V, в зависимости от огнестойкости частей зданий и сооружений (СН и П 2.01.02-85). Минимальные пределы огнестойкости строительных конструкций, час. Степени Колонны Несущие и Самонесулестнич. щие клеток Наружные не- Внутренние сущие несущие (перегородки) Лестнич. площад. косоур. ступени балки и марши лестнич. клеток Несущие конструкции перекрытий Элементы покрытий Плиты, настилы и прогоны Балки, фермы, арки, рамы I 2,5 несгора- 1,25 несгора- 0,5 несгорае- 0,5 несгорае- 2,5 несгоемые емые мые мые раемые 1 несгораемые 1 несгораемые 0,5 несгораемые 0,5 несгораемые II 2,0 несгора- 1 0,25 несгора- 0,25 несгорае- 2 емые несгораемые емые мые несгораемые 1 несгораемые 0,25 несгораемые 0,25 несгораемые 0,25 несгораемые 1 трудносгораемые 0,75 трудносгораемые - сгораемые - сгораемые III 2,0 несгора- 1 0,25 трудно- 0,25 трудно- 2 несгораемые сгораемые сгораемые несгораемые емые IV 0,5 трудно- 0,25 трудно- 0,25 трудно- 0,25 трудно- 0,5 трудно- 0,25 труд- 0,25 труд- - сгора- - сгорасгораемые сгораемые V сгораемые сгораемые сгораемые носгораемые носгораемые емые емые СГОРАЕМЫЕ Огнестойкость строительных конструкций определяется временем возгорания к выражается в часах. Пожары по своим масштабам и интенсивности подразделяются на следующие виды: - отдельные пожары; - сплошной пожар; - огневой шторм; - массовый пожар Отдельный пожар - пожар, возникший в отдельном здании или сооружении. Продвижение людей и техники по застроенной территории между отдельными пожарами возможно без средств защиты от теплового излучения. Сплошной пожар - одновременное интенсивное горение преобладающего количества зданий и сооружений на данном участке застройки (90% зданий и сооружений). Продвижение людей и техники через участок сплошного пожара невозможно без средств защиты от теплового излучения. Огневой шторм - особая ферма распространяющегося сплошного пожара, характерными признаками которого являются: приток свежего воздуха, со всех сторон со скоростью не менее 50 км/час по направлению к границам огневого шторма. (Охватывает -90% зданий). Массовый пожар - совокупность отдельных и сплошных пожаров, охватившие более 25% зданий. К крупным пожарам на объектах народного хозяйства, соцкультбыта и жилого фонда относятся: - пожары и выбросы газов и нефтяных фонтанов; - пожары и выбросы горючей жидкости в резервуарах, нефти, нефтепродуктов; - пожары на складах каучука, резинотехнических изделий, предприятий резинотехнической промышленности; - пожары на складах лесоматериалов; - пожары на складах и хранилищ химикатов; - пожары на технологических установках предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей промышленности; - пожары в жилых домах я учреждениях соцкультбыта, возведенных из дерева. Пожары характеризуются следующими параметрами: - Продолжительность пожара - время с момента его возникновения до полного прекращения горения. - Температура внутреннего пожара - среднеобъемная температура газовой среды в помещении. - Температура открытого пожара - температура пламени. - Площадь пожара - площадь проекции зоны горения на горизонтальную или вертикальную плоскость. - Зона горения - часть пространства, в котором происходит подготовка горючих веществ к горению и их горение. - Зона теплового воздействия - часть пространства, примыкающего к зоне горения, в котором тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния материалов и конструкций и делает невозможным пребывание в нем людей без специальной тепловой защиты. - Зона задымления - часть пространства, примыкающего к зоне горения и заполнения дымовыми газами в концентрациях, создающих угрозу жизни и здоровью людей или затрудняющих действия пожарных подразделений. - Фронт сплошного пожара - граница сплошного пожара, по которой огонь распространяется с наибольшей скоростью. - Скорость распространения сплошного пожара - скорость его перемещения. - Распространение пожара - процесс распространения зоны горения по поверхности материалов за счет теплопроводности, тепловой радиации и конвенции. Основную роль в распространении пожара играет тепловая радиация племени. Тепло в окружающую среду передается за счет теплопроводности, конвенции и излучения. Последствия пожаров Последствия пожаров обусловлены воздействием их поражающих факторов. Основными поражающими факторами пожара являются непосредственное действие огня на горящий предмет (горение) и дистанционное воздействие на предметы и объекты высоких температур за счет излучения. В результате происходит сгорание предметов и объектов, их обугливание, разрушение, выход из строя. Уничтожаются все элементы зданий и конструкций, выполненных из сгораемых материалов. Действие высоких температур вызывает пережог, деформацию и обрушение металлических ферм, балок перекрытий, других конструктивных деталей сооружений. Кирпичные стены и столбы деформируются. В кладке из силикатного кирпича при длите льном нагреве до 500- 600 С наблюдается расслоение кирпича трещинами и разрушение материала. При пожарах полностью или частично уничтожается технологическое оборудование и транспортные средства. Гибнут домашние и сельхоз. животные. Гибнут или получают ожоги различной тяжести люди. Вторичными последствиями пожаров могут быть: - взрывы; - утечка ядовитых или загрязняющих веществ в окружающую среду; - большой ущерб не затронутым пожаром помещениям может принести вода, примененная для тушения пожара. Тяжелыми социальными и экономическими последствиями пожара является прекращение объектом народного хозяйства выполнения своих хозяйственных и иных функций. Последствия производственных аварий, вызванных пожарами, по своему характеру аналогичны последствиям светового излучения в очагах ядерного поражения и по выделяемой массовыми пожарами энергии могут превосходить эффект мегатонных ядерных взрывов. ВЗРЫВЫ Общая характеристика взрывных явлений. Особую опасность с точки зрения возможных потерь и ущерба представляют взрывы. Взрыв - это освобождение большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени. Взрыв приводит к образованию сильно нагретого газа (плазмы) с очень высоким давлением, который при моментальном расширении оказывает ударное механическое воздействие (давление, разрушение) на окружащие тела. Взрыв в твердой среде сопровождается ее разрушением и дроблением, в воздушной или водной - вызывает образование воздушной или гидравлической ударных волн, которые и оказывают разрушающее воздействие на помещенные в них объекты. В деятельности, не связанной с преднамеренными взрывами в условиях промышленного производства, под взрывом следует понимать быстрое, неуправляемое высвобождение энергии, которое вызывает ударную волну, движущуюся на некотором удалении от источника. В результате взрыва вещество, заполняющее объем, в котором происходит высвобождение энергии, превращается в сильно нагретый газ (плазму) с очень высоким давлением, (до нескольких сотен тысяч атмосфер ). Этот газ, моментально расширяясь оказывает ударной механическое воздействия на окружающую среду, вызвав ее движение. Взрыв в твердой среде вызывает ее дробление и разрушение в гидравлической и воздушной среде - вызывает образование гидравлической и воздушной ударной (взрывной) волны. Взрывная волна - есть движение среды, порожденное взрывом, при котором происходит резкое повышение давления, плотности и температуры среды. Фронт (передняя граница) взрывной волны распространяется по среде с большой скоростью, в результате чего область охваченная движением, быстро расширяется. Посредством взрывной волны (или разлетающихся продуктов взрыва - в вакууме) взрыв производит механическое воздействие на объекты, находящиеся на различных удалениях от места взрыва. По мере увеличения расстояния от места взрыва механическое воздействие взрывной волны ослабевает. Таким образом, взрыв несет потенциальную опасность поражения людей и обладает разрушительной способностью. Взрыв может быть вызван: - детонацией конденсированных взрывчатых веществ (ВВ); - быстрым сгоранием воспламеняющего облака газа или пыли; - внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или с перегретой жидкостью; - смешиванием перегретых твердых веществ (расплава) с холодными жидкостями и т.д. В зависимости от вида энергоносителей и условий энерговыделения, источниками энергии при взрыве могут быть как химические так и физические процессы. Источником энергии химических взрывов являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или реакции термического разложения нестабильных соединений. Источниками энергии сжатых газов (паров) в замкнутых объемах аппаратуры (оборудования) могут быть как внешние (энергия, используемая для сжатия тазов, нагнетания жидкостей; теплоносители, обеспечивающие нагрев жидкости и газов в замкнутом пространстве) так и внутренние (экзотермические физико-химические процессы и процессы тепломассообмена в замкнутом объеме), приводящие к интенсивному испарению жидкостей или газообразованию, росту температуры и давления без внутренних взрывных явлений. Источником энергии ядерных взрывов являются быстропротекающие цепные ядерные реакции синтеза легких ядер изотопов водорода (дейтерия и трития) или деления тяжелых ядер изотопов урана и плутония. Физические взрывы возникают при смещении горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превосходит температуру кипения другой. Испарение в этом случае протекает взрывным образом. Возникающая при этом физическая детонация сопровождается возникновением ударной волны с избыточным давлением, достигающим в ряде случаев сотен МПа. Энергоносителями химических взрывов могут быть твердые, жидкие, газообразные горючие вещества, а также аэровзвеси горючих веществ (жидких и твердых) в окислительной среде, в т.ч. и в воздухе. Взрывчатые вещества Твердые и жидкие энергоносители относятся в большинстве случаев к классу конденсированных взрывчатых веществ. Взрывчатыми веществами называются химические соединения или смеси веществ, способные к быстрой химической реакции с выделением большого количества тепла и образованием газа. В состав ВВ входят восстановители и окислители или другие химические нестабильные соединения. При инициировании взрыва в этих веществах с огромной скоростью протекают экзотермические окислительно-восстановительные реакции или реакции термического разложения с выделением тепловой энергии и большого количества газа. Эта реакция, возникнув в какой-либо точке заряда в результате нагревания, удара, трения, взрыва другого ВВ или иного внешнего воздействия распространяется о заряду путем тепло- или массообмена, (горение), ибо ударной волны (детонация). ВВ обладают способностью к быстрому разложению, при котором энергия межмолекулярных связей выделяется в виде теплоты, причем -при повышений температуры скорость разложения ВВ увеличивается. При сравнительно низкой температуре скорость разложения ВВ невелика и ВВ в течении длительного времени может не претерпевать заметного изменения в своем состоянии. В этом случае между ВВ и окружающей средой устанавливается тепловое равновесие. Если создаются условия, при которых теплота, выделяемая ВВ, не успевает отводится в окружающую среду, то благодаря повышению температуры развивается процесс самоускоряющегося химического разложения ВВ, который называется тепловым взрывом. Возможен иной процесс осуществления взрыва, при котором химическая реакция распространяется по заряду ВВ последовательно от слоя к слою в виде волны. Движущийся по заряду с большой скоростью (>9 км/с) передний фронт этой волны представляет собой ударную волну - резкий переход вещества из исходного состояния в состояние с очень высоким давлением и температурой. ВВ, сжатое ударной волной, оказывается в состоянии, при котором химическое разложение протекает очень быстро. Процесс химического превращения В1, который вводится ударной волной и сопровождается быстрым выделением энергии называется детонацией. Скорость химической реакции при детонации обычно достигает нескольких км/сек. Тонна твердого ВВ может превратиться в плотный газ с очень высоким давлением за время 1*10-4 сек. Давление достигает в этом случае нескольких сотен тысяч атмосфер. Преимущество конденсированных и водонаполненных ВВ заключается в значительной концентрации энергии в единице объема. Резко расширяясь, сжатый газ наносит по окружающим телам удар огромной силы. Происходит взрыв. Объекты, находящиеся вблизи заряда, подвергаются дроблению и сильнейшей пластической деформации (местное или бризантное действие взрыва). Объекты, находящиеся вдали от парада, испытывают меньшее разрушение, но зона, в которой оно происходит, гораздо больше (общее или фугасное действие взрыва). Бризантность ВВ определяется давлением, развивающемся при детонации, которое в свою очередь зависит от плотности заряда и скорости детонации. Фугасность (работоспособность) ВВ определяется теплотой, а также объемом газообразных продуктов, образующихся при взрыве. Основными характеристиками ВВ являются: - бризантность; - фугасность (работоспособность); - химическая и физическая стойкость (способность сохранять свои свойства, при хранении и обращении с ними); - чувствительность к внешним воздействиям (минимальное количество энергии, необходимое для возбуждения взрыва); - детонационная способность (критический диаметр детонации). К взрывоопасным веществам относятся: - кислородсодержащие соединения (перекиси, озониды, органические соли хлорной и хлорноватой кислот, нитриты, нитрозосоединения и т.п.); - некоторые вещества, не содержащие кислорода (азида, ацетилен, ацетиленида, диазосоединения, гидрозин, йодистый и хлористый азот, смеси горючих веществ с галогенами, соединения инертных газов и т.п.). Из многих, способных к взрыву соединений, в качестве ВВ используются: - нитросоединения (тринитротолуол, тетрил, гексоген, октоген, нитроглицерин, тэн, нитроклетчатка, нитрометан); - соли азотной кислоты (нитрат аммония). Как правило эти вещества применяются не в чистом виде, а в виде смесей. По взрывчатым свойствам (условиям перехода горения в детонацию) ВВ подразделяют на: - инициирующие (первичные); - бризантные (вторичные); - метательные (пороха). Инициирующие ВВ характеризуются очень высокой скорость взрывного превращения, высокой чувствительностью, неустойчивым горением, быстрым его переходом в детонацию уже при атмосферном давлении. Взрыв может быть возбужден поджиганием, ударом или трением. Основными представителями инициирующих ВВ являются азид свинца, гремучая ртуть, тетразен, тринитрорезорцинат свинца. Инициирующие ВВ используются для возбуждения взрывов других ВВ. Бризантные ВВ более инертны, обладают меньшей чувствительностью к внешним воздействиям. Горение этих ВВ может перейти в детонацию только при наличии прочной оболочки, либо большого количества ВВ. Относительно безопасны в обращении. Основными представителями бризантных ВВ являются нитросоединения и взрывчатые смеси на основе нитратов, хлоратов, перхлоратов и жидкого кислорода: тринитротолуол, тетрил, гексоген, октоген др. Применяются при производстве взрывных работ и для снаряжения боеприпасов различных видов и назначения. Метательные ВВ (пороха) обладают устойчивым горением, не детонируют в самих жестких условиях. Место Сан-Франциско Токио-Иопогама Год 1906 1923 Гамбург Дрезден Токио 1943 1945 1945 Нанесённый ущерб Уничтожено 95% зданий Уничтожено 377 тыс. зданий, погибло 311 тыс. человек. Уничтожено 214 тыс. зданий Уничтожено 80% зданий Пожар на площади 44 км2 Все виды взрывов можно классифицировать на следующие три группы: - неконтролируемое резкое высвобождение энергии за короткий промежуток времени и в ограничением пространстве (взрывные процессы); - образование облаков топливно-воздушной смеси (ТВС) или других химических газообразных, пылеобразных веществ, их быстрые взрывные превращения (объемный взрыв); - взрывы трубопроводов, сосудов, находящихся под высоким давлением или с перегретой жидкостью, прежде всего резервуаров со сниженным углеродным газом. Взрывы проходят за счет высвобождения химической энергии (взрывчатке вещества), внутриядерной энергии (ядерный взрыв), электромагнитной анергии (искровой разряд, лазерная искра), энергии сжатых газов (при превышении давления газа в сосуде предела прочности этого сосуда- различных баллонов, трубопроводов и т.д.) Наиболее часто взрывы происходят на взрывоопасных объектах (ВОО). Взрывоопасный объект - это объект, на котором хранятся, используются, производятся, транспортируются вещества (продукты) приобретающие при определенных условиях способность к взрыву. К взрывоопасным объектам относятся: - предприятия оборонной, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой промышленности; - предприятия хлебопродуктовой, текстильной и фармацевтической промышленности - склады легковоспламеняющихся и горючих жидкостей и сжиженных газов. Основными поражающими факторами взрыва являются: 1. воздушная ударная волна, возникающая при ядерных взрывах, взрывах инициирующих и детонирующих взрывчатых веществ, при взрывных превращениях топливо-воздушных смесей (ТВС), газовоздушных смесей (ГВС), взрывах резервуаров с перегретой жидкостью и резервуаров под давлением, 2. осколочные поля, создаваемые летящими обломками разного рода объектов технологического оборудования, строительных деталей. При взрыве газо-воздушной среды образуется три полусферические области (зоны): I – зона непосредственного бризантного действия газо-воздушного взрыва вблизи земли (зона полных разрушений); II – зона действия продуктов взрыва; III – зона действия воздушной ударной волны. Эффективное воздействие в I зоне характеризуется разрушениями, которые возникают в результате резкого удара продуктов детонации, находящихся внутри газо-воздушной смеси окружающих предметов. Радиус этой зоны определяется по таблицам или по формуле ЧI = 1.7 Ч0. При взрывах углеводорода, пропана и метана Ч0 имеет значение 8. Кол-во ГВС Значение Ч0 10 т. 40 м. 50 т. 70 м. 100 т. 90 м. 200 т. 109 м. Основными параметрами поражающих факторов являются: 1. – воздушной ударной волны -избыточное давление в её фронте. 2. - осколочного поля - количество осколков, их кинетическая энергия и радиус разлёта. Ударная волна любых взрывов вызывает большие людские потери и разрушения элементов сооружений. Размеры зон поражения от взрывов возрастают с увеличением их мощности. Действие ударной волны на элементы сооружения характеризуется сложным комплексом нагрузок: - прямое давление; - давление отражения; - давление обтекания; - давление затекания; - нагрузка от сейсмовзрывных волн и т.п. Сопротивляемость элементов сооружений действию ударной волны принято характеризовать величиной избыточного давления во фронте ударной волны, в Рф. Избыточное давление в Рф используется как универсальная характеристика сопротивляемости элементов сооружения действию ударной волны и для определения степени их разрушения и повреждения. Степень и характер повреждения сооружений при взрывах во время производственных аварий зависят от: 1. - мощности (тротилового эквивалента) взрыва; 2.- технических характеристик сооружения (конструкция, прочность, размер,форма- капитальные, временные, наземные, подземные и т.п.); 3.- планировки объекта (рассредоточение сооружений), характера застройки, ландшафта местности (рельеф, грунт, занесенность); 5.- метеоусловий (направление и сила взрыва, влажность, температура, наличие осадков). Последствия взрывов В результате действия поражающих факторов взрыва происходит разрушение или повреждение зданий, сооружений, технологического оборудования, транспортных средств, элементов коммуникаций и других объектов, гибель людей. МЕРОПРИЯТИЯ по профилактике аварий на пожаро- и взрывоопасных объектах, защите персонала и населения. Пожары и взрывы на объектах экономики соцкультбыта и в жилых домах представляют большую опасность для персонала этих объектов и населения и могут причинить огромный материальный ущерб. Вопросы обеспечения пожарной безопасности производственных и жилых зданий и сооружений имеют большое значение и регламентируются специальными государственными решениями и постановлениями. Пожарная безопасность может быть обеспечена мерами пожарной профилактики и активной пожарной защиты. Понятие пожарной профилактики включает в себя комплекс мероприятий, направленных на предупреждение возникновения пожара (взрыва) и создание условий для предотвращения ущерба от них. Под активной пожарной защитой понимаются меры, обеспечивающие успешную борьбу с возникающими пожарами или взрывоопасной ситуацией. Анализ имевших место на объектах экономики крупных пожарах показам что при пожаре на этих предприятиях создаётся сложная обстановка для пожаротушения, поэтому требуется разработка комплекса мероприятий но противопожарной защите. Этот комплекс включает мероприятия профилактического характера и устройство систем пожароту- шения и взрывозащиты. Они рекомендуются общероссийскими и ведомственными документами. Основы противопожарной защиты объектов определены стандартами (ГСТ 12.1.004-76 «Пожарная безопасность» и ГОСТ 12.1.010-76 «Взрывобезопасность». Общие требования). Этими стандартами возможная частота пожаров и взрывов допускается такой, чтобы вероятность их возникновения в течение года не превышала 10-6 или чтобы вероятность воздействия опасных факторов на людей в течение года не превышала 10-6 на человека. Пожарная профилактика является составной частью технологических процессов производства, градостроительства, планировки и застройки населенных пунктов. Её мероприятия учитываются при проектировании, строительстве, реконструкции, эксплуатации объектов, зданий, сооружений, транспортных средств и в быту. Организацией пожарной профилактики занимаются органы Государственного пожарного надзора. Пожарная профилактика достигается: - разработкой, внедрением пожарных норм и правил на объектах и контролем за их соблюдением; - ведением конструирования и проектирования создаваемых объектов с учётом их пожарной безопасности; - совершенствованием и содержанием в готовности противопожарных средств; - регулярным проведением пожарно-технических обследований объектов, жилых и общественных зданий; - пропагандой пожарно-технических знаний среди населения. Мероприятия по пожарной профилактике разделяются на организационные, технические, режимные и эксплуатационные. Организационные мероприятия предусматривают: - правильную эксплуатацию оборудования и транспорта; - правильное содержание зданий и сооружений, территории; - противопожарный инструктаж рабочих и служащих объекта; - организацию добровольных пожарных формирований, пожарно-технических комиссий; - издание приказов по вопросам усиления пожарных формирований и т.д. К техническим мероприятиям относятся: - соблюдение противопожарных правил и норм при проектировании зданий, устройстве электропроводов и оборудования, отопления, вентиляции, освещения; - правильное размещение оборудования. Мероприятия режимного характера - это запрещение курения в неустановленных местах производства сварочных и других огневых работ в пожароопасных помещениях. Эксплуатационными мероприятиями являются своевременные профилактические осмотры, ремонты и испытания технологического оборудования. Пожарная профилактика ведется по видам объектов - в гражданских зданиях, на складах, базах, на промышленных объектах, транспорте, в лесах и торфяных разработках. В гражданских зданиях предусматриваются противопожарные меры, связанные с системами отопления, электроснабжения, газовыми и керосиновыми приборами. Пожарная профилактика на складах, базах и в магазинах включает: - соблюдение противопожарных разрывов между зданиями при их строительстве; - создание внутреннего пожарного водопровода; - оборудование пожарной и пожарно-охранной сигнализации; - разделение больших складских помещений противопожарными стенами; - раздельное хранение легковоспламеняющихся и горючих веществ; - запрет на печное и газовое отопление. Пожарная профилактика на промышленных объектах организуется на основе общих требований ко всем объектам, а также в соответствии с категорией пожарной опасности технологических процессов на каждом из них Она включает: - исполнение зданий и сооружений объекта в степени огнестойкости, соответствующей категории пожарной опасности объекта. Повысить огнестойкость зданий и сооружений можно облицовкой или оштукатуриванием металлических конструкций, защитой деревянных конструкций оштукатуриванием (известково-цементное, асбоцементное, гипсовое покрытие или пропитывание их антипиренами (фосфорно-кислый аммоний, сернокислый аммоний) или огнезащитными красками; - устройство противопожарных разрывов между зданиями. Величины противопожарных разрывов между основными и вспомогательными зданиями определяют с учетом их огнестойкости они могут находиться в пределах от 9 до 18 метров; - зонирование территории. Это мероприятие заключается в группировании при генеральной планировке предприятий в отдельные комплексы объектов, родственных по функциональному назначению и признаку пожарной опасности. Для таких комплексов на промышленной площадке отводят определенные участки. Сооружения с повышенной пожарной опасностью располагают с подветренной стороны, склады ЛВЖ и резервуары с горючими веществами располагают на границах объекта или за их пределами в более низких местах; - устройство внутризаводских дорог, которые должны обеспечивать беспрепятственный удобный проезд пожарных автомобилей к любому зданию объекта; выбор мест расположения пожарных депо. Одна из сторон предприятия должна примыкать к дороге общего пользования или сообщаться с ней проездами; - устройство внутреннего противопожарного водопровода, спринклерных и дренерных установок пожаротушения, пожарной сигнализации; - замена сгораемых перекрытий на несгораемые; - установка электрооборудования в пылевлагонепроницаемом исполнении; - систематизация хранения горючих материалов, создание буферных складов, исключающих накопление горючих материалов на рабочих местах; - отделение особо опасных технологических участков производства противопожарными преградами (противопожарные стены, перекрытия, люки, двери, ворота, тамбуршлюзы и окна). Противопожарные стены выполняются из несгораемых материалов и должны иметь предел огнестойкости не менее 2,5 час. и опираться на фундаменты Противопожарные двери, окна и ворота в противопожарных стенах должны иметь предел огнестойкости не менее 1 часа, а противопожарные перекрытия - не менее I часа. Перекрытия не должны иметь проемов и отверстий, через которые могут проникать в помещение продукты горения при пожаре; - в чистоте и исправности поддерживаются пути эвакуации людей при пожаре. При возникновении пожара люди должны покинуть здание в минимальное время, которое определяется кратчайшим расстоянием от их место нахождения в здании до наружного выхода. Число эвакуационных выходов из зданий, помещений и каждого этажа здания определяется расчетом, но должно составлять не менее двух. Выходы должны располагаться рассредоточено. Лифты и другие механические средства транспортирования людей в расчет не берутся. Ширина участков путей эвакуации должна быть не менее I метра, дверей на этих путях - не менее 0,8 м., ширина наружных дверей лестничных клеток - не менее ширины марша лестницы, высота прохода на путях эвакуации - не менее 2 метров. Необходимое время эвакуации регламентируется СНиП 11-2-80 в зависимости от назначения здания и степени огнестойкости его конструктивных элементов. Для зданий I,II,и III степени огнестойкости в зависимости от категории производства по степени взрывной, взрыво- и пожарной опасности и объема помещения необходимое время устанавливается от 50 минут до 3 часов; - устройство специальных конструктивных элементов в здании для удаления из помещений дыма при пожаре и стравливания избыточного давления при взрыве. Удаление газа и дыма из горящих помещений производится через оконные проемы, аэрационные фонари, специальные дымовые люки и легко сбрасываемые конструкции, (сброс давления при взрыве); - установление строгого противопожарного режима на объекте. Меры по предотвращению взрывов Известны три принципа предотвращения взрывов. К ним относятся - исключение образования горючих систем; - предотвращение инициирования горения; - локализация очага горения в пределах определенного устройства, способного выдержать последствия горения. Исключение образования горючих систем можно осуществлять тремя методами: - поддержанием концентрации горючего вещества в смеси менее нижнего концентрационного предела воспламенения; - флегматизацией взрывчатых смесей, т.е. добавлением в смесь с фиксированным соотношением горючего и окислителя инертных компонентовфлегматизаторов (СО2,N2, Н2O) или ингибиторов (химически активных веществ, способных затормозить скорость химической реакции окисления). Добавление флегматизаторов к горючей смеси приводит к понижению температуры горения смеси, вместе с температурой горения понижается и скорость горения (скорость распространения пламени) соответствующим количеством флегматизаторов можно свести скорость горения к нулю и превратить смесь в негорючую. - обезжириванием устройств и установок жидкого кислорода. Большую опасность представляют системы масло-кислород (воздух). Смазочные масла при перегреве подвергаются термическому разложению с выделением легкокипящих углеводородных фракций. При смешении указанных фракций с кислородом они взрываются под влиянием различных импульсов (искры ударной волны и т.д.) Предотвращение инициирования горения. Среди инициаторов горения наибольший удельный вес имеют электрические разряды и фрикционные искры. Наиболее благоприятной средой возникновения и накопления статических зарядов являются диэлектрические жидкости, а также газы, содержащие во взвешенном состоянии жидкие и твердые дисперсные частицы. Для обеспечения взрывобезопасности в отношении статических зарядов ограничивают скорости движения диэлектрических жидкостей по трубопроводам; предотвращают образование дисперсных частиц в газах и проводят нейтрализацию электрозарядов путем заземления аппаратуры и оборудования. Фрикционные искры образуются при истирании металлических предметов или при ударах по ним. Для предотвращения новообразования вместо искрообразующих материалов (железо, сталь) следует применять алюминий, медь и их сплавы. Локализация очага горения предусматривает такое выполнение технологического процесса при котором возможный очаг горения был бы локализован в пределах определенного аппарата или газопровода, способного выдерживать последствия горения. Локализация очага горения предусматривает наличие специальных устройств (обратных клапанов, гидрозатворов, автоматических задвижек и т.д.) предотвращающих дальнейшее распространение пламени. В этой связи широкое распространение нашли огневзрывопреградители, принцип работы которых основан на том, что струя горящей смеси разбивается на множество струек с малым диаметром при котором из-за тепловых потерь пламя взрыва (пожара) не может распространяться. Пламегасящие каналы огневзрывопреградителей могут быть образованы пучками трубок, отверстиями в диафрагмах, плоскими щелями, металлическими сетками и т.п. Способы защиты персонала и оборудования от поражения и разрушения при взрывах смесей: - проектирование прочных ограждений конструкций, способных выдержать нагрузку, равную максимальному давлению при взрыве; - создание во взрывоопасных зонах инертной среды, в которой содержание кислорода было бы меньше необходимого для поддержания горения; - изоляция взрывоопасной зоны прочными стенами; - расположение взрывоопасного производства в местах, где при взрыве не будет причинен вред окружающей среде; - установка специальных предохранительных клапанов для сброса давления взрыва; - подавление взрыва (предотвращение распространения пламени); - строительство для персонала защитных сооружений (убежищ). Рекомендации населению по профилактике пожаров и взрывов в быту. Соблюдение мер пожарной безопасности и умелые действия во время пожара способствуют снижению пожарной опасности, спасению людей и имущества. Персонал объекта для предотвращения пожаров и взрывов действует в соответствии с установленными на объекте правилами пожарной безопасности нормами техники безопасности и охраны труда, технологическими инструкциями. Для предотвращения пожаров и взрывов в быту, спасения жизни и имущества при их возникновении следует соблюдать ряд запретов и несложных правил: - избегать хранения в доме большого количества легковоспламеняющихся жидкостей и горючих веществ; - небольшое количество ЛВЖ и ГВ хранить в плотно закрытых сосудах, вдали от нагревательных приборов, не подвергать их ударам, встряске, разливу; - не разогревать мастики, краски и лаки, аэрозоли на открытом огне, не стирать в бензине; - не загромождать лестничные клетки и противопожарные выходы мебелью и другими предметами; - не устанавливать электроприборы вблизи горючих веществ; - содержать электрооборудование помещений в исправном состоянии; не оставлять включенными электронагреватели, приборы и телеприемники без присмотра, не перегружать электросеть, при ремонте отключать приемники от сети; - соблюдать осторожность при курении и пользовании открытым огнем, не сушить одежду и белье над горящей газовой и электрической плитой, не отогревать замерзшие трубы отопления открытым огнем, не допускать шалости детей со спичками, включения ими электроприборов и зажигания газовых плит; - следить за исправностью средств пожарной автоматики и средств пожаротушения. Знать номера телефонов пожарных служб и медицинской службы; - знать правила пользования огнетушителями, правила оказания первой помощи пораженным. При пожаре наибольшую опасность для людей представляют высокая температура воздуха, задымленность, концентрация окиси углерода, возможное обрушение зданий и сооружений, взрывы технологического оборудования и приборов. Опасно входить в зону задымления, если видимость менее 10 метров. При спасении людей и при тушении пожара необходимо соблюдать следующие правила: - перед входом в горящее помещение накрыться с головой мокрым покрывалом; - дверь в задымленное помещение открывать осторожно, чтобы избежать вспышки пламени от притока свежего воздуха; - в сильно задымленном помещении двигаться ползком или пригнувшись, дышать через увлажненную ткань; - для тушения горящей одежды набросить плотную ткань и плотно ее прижать, прекратить приток воздуха к огню; сбить пламя, катаясь по земле; бежать нельзя; - на места ожогов наложить повязку и отправить пострадавшего в мед.часть; - при тушении пожара использовать огнетушители, пожарные краны, воду, песок, землю, плотную ткань и др. средства; - огнегасящее вещество следует направлять в места наиболее интенсивного горения и не на пламя, а на горящую поверхность; если горит вертикальная поверхность воду направляют в верхнюю ее часть; - в задымленном помещении применять распыленную струю воды; - горючие жидкости тушить пенообразующим составом, засыпать песком или землей, небольшой очаг горения накрыть брезентом, тяжелой тканью, одеждой; - при горении электропроводки - обесточить сеть а затем приступить к ее тушению; - выходить из зоны горения в наветренную сторону; - если в общественном здании прозвучит сигнал пожарной тревоги необходимо немедленно покинуть его; - не рекомендуется пользоваться лифтами; - при эвакуации из горящих зданий использовать наряду с основными запасные пожарные выходы или лестницы. При их задымлении плотно закрыть двери, ведущие на лестничные клетки, коридоры, холлы и выйти на балкон. С балкона эвакуироваться по пожарной лестнице или через другую квартиру (на нижних этажах - через балконы и окна, используя подручные средства - веревки, простыни и т.п.) Лекция 12 Характеристика пожарной опасности производства и основные причины пожаров. Возгораемость и огнестойкость строительных конструкций Основными причинами почти 80% зарегистрированных пожаров на промышленных предприятиях служат неосторожное обращение с огнем, несоблюдение правил пожарной безопасности при осуществлении огнеопасных работ, неисправности технологического оборудования, электроустановок, отопительных систем и т, л. В зависимости от степени взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности производства подразделяются на шесть категорий; "А", "Б", "В", "Г", "Д", "Е". К категории "А" относятся производства, на которых получают, хранят и применяют вещества, способные воспламениться или взрываться в результате воздействия воды, кислорода воздуха или друг с другом, жидкости с температурой вспышки паров 28 °С и ниже, горючие газы, нижний предел взрываемости которых 10 % и менее к объему воздуха, при условии, что они могут образовать взрывоопасные смеси в объеме, превышающем 5 % объема помещения. К категории "Б" относятся производства, на которых получают, хранят и применяют легковоспламеняющиеся и горючие жидкости с температурой вспышки паров 29 - 61 °С, горючие газы, нижний предел взрываемости которых более 10 % к объему воздуха, жидкости, нагретые в условиях производства до температуры вспышки и выше, волокна твердых горючих вешеств, нижний предел взрываемости которых равен 65 г/м3 и менее к объему воздуха, при условии, что указанные газы, жидкости могут образовать взрывоопасные смеси в объеме, превышающем 5 % объема помещения. Взрыво- и пожароопасные производства категорий "А" и "Б" составляют большинство цехов и установок нефтеперерабатывающих, нефтехимических, химических, газовых и других предприятий, а также склады легковоспламеняющихся и горючих жидкостей. Здания, в которых размещают такие производства, возводятся не ниже II степени огнестойкости. К категории "В" относятся производства, на которых получают, хранят и применяют твердые горючие вещества и материалы, горючие жидкости с температурой вспышки паров выше 61 °С, горючие волокна, нижний предел взрываемости которых более 65 г/м3 к объему воздуха, вещества, способные гореть только при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом. Производства данной категории составляют, как правило, все деревообрабатывающие, резинотехнические, текстильные предприятия, склады твердых горючих веществ и т. д. К категории "Г" относятся производства, на которых получают, хранят и применяют негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии и в процессе их обработки выделяются лучистое тепло, искры и пламя, а также производства, связанные со сжиганием твердого, жидкого и газообразного топлива. Процессы получения, хранения и применения негорючих веществ и материалов в холодном состоянии составляют категорию "Д". К производствам категорий "Г" и "Д" относятся металлургические, машиностроительные и другие предприятия, котельные, склады негорючих веществ и материалов. Степень огнестойкости зданий и сооружений с производствами категорий "В", "Г" и "Д" определяется в зависимости от их размеров и этажности. Процессы получения, хранения и применения горючих газов без жидкой фазы и взрывоопасной пыли, а также веществ, способных взрываться без последующего горения при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг- с другом, составляют категорию "Е". На всех производствах независимо от их категории должны быть внутриобъектные дороги, подъезды к зданиям и сооружениям, пожарным гидрантам и водоемам. При производстве дорожно-ремонтных работ или закрытии отдельных участков дорог по другим причинам руководитель организации, осуществляющей данные работы, обязан поставить в известность об этом пожарную охрану. Кроме того, в соответствующих местах необходимо установить специальные указатели или дорожные знаки с обозначением направления объезда или организовать переезды через участки дороги, которые ремонтируются. В темное время суток такие участки дороги должны быть освещены. Категорически запрещено использовать противопожарные разрывы между зданиями и сооружениями для хранения сырья, готовой продукции, материалов, оборудования, упаковочной тары и т. д. Для этих целей должны быть оборудованы специальные площадки или выделены здания. Независимо от категории пожарной опасности производства на территориях всех предприятий курение разрешается только в специально предназначенных для этого местах. Органы Государственной противопожарной службы строго контролируют организацию пожарной охраны и проведение профилактических мероприятий на таких предприятиях. Нефтеперерабатывающие или химические производства, как правило, имеют разветвленную сеть пожарной охраны, которая обеспечивает выполнение требований пожарной безопасности. Несмотря на то, что производства, относящиеся к категории "В", считаются менее опасными в пожарном отношении, существуют объективные причины для проведения на данных объектах жесткого контроля по соблюдению требований пожарной безопасности. Дело в том, что большое количество таких производств, особенно на мелких и средних предприятиях, принадлежащих частным лицам и негосударственным структурам, значительно уступает предприятиям нефтяной и химической продукции (категории "А" и "Б") по объемам производства, финансовым средствам, а следовательно, и по своим возможностям в организации, оснащении и содержании службы, обеспечивающей пожарную безопасность. В наибольшей степени это касается деревообрабатывающих и текстильных производств, где скапливается большое количество пыли, опилок, стружек, других горючих отходов, что создает угрозу возникновения пожара. Кроме того, в зданиях, где размещаются такие производства, устанавливается большое число агрегатов и оборудования, оснащенных электрическими двигателями, а в качестве смазочных материалов и растворителей применяются легковоспламеняющиеся и горючие жидкости. Во избежание пожара в цехах, на участках, в мастерских должен поддерживаться строгий противопожарный режим. Для хранения поступающих в помещение цеха пиломатериалов необходимо отвести специальную свободную площадку. Запас материала, хранящегося в цехе, не должен превышать расхода одной рабочей смены. Складирование сменного запаса материалов у станков или на рабочих местах не допускается. Ритмы производственных операций и количество единиц оборудования, участвующего в технологическом процессе, не должны приводить к скоплению полуфабрикатов на отдельных рабочих местах. Если в соответствии с технологическим процессом полуфабрикаты накапливаются (например, для дополнительной подсушки или подкраски деталей, изделий, выдерживания склеенных деталей и т. п.), то для их складирования на дополнительной резервной площадке организуется промежуточный (буферный) склад. Вместимость склада не должна превышать сменного запаса деталей. В противном случае оборудуется специальный буферный склад, отделенный от цеха противопожарной стеной. Такой же стеной должны быть отделены от смежных помещений участки, на которых выполняются операции, связанные со шлифовкой, окраской, лакировкой и сушкой изделий. Согласно Правилам пожарной безопасности (ППБ-01-93) эксплуатация лесопильных рам, круглопильных, фрезернопильных и других станков категорически запрещается в следующих случаях: - если пила соприкасается с ограждением; - если пила имеет недостаточное или неравномерное плющение (развод) зубьев и крупные заусенцы; - при повреждении систем смазки и охлаждения; - при неисправных системах охлаждения и смазки, а также при отсутствии устройств, обеспечивающих автоматическую остановку лесопильной рамы, если давление в системе охлаждения ниже паспортного; - при перекосе пильной рамки, ослаблении и неправильной подгонке ползунов; - если подшипники нагреваются свыше 70 °С. Системы транспортировки стружечных и пылевых материалов должны быть оснащены приспособлениями, предотвращающими распространение огня, а также специальными люками для ликвидации загораний. Специальные требования пожарной безопасности предъявляются к объектам транспорта (стоянкам автомобилей, тракторов и т. д.). Автотранспортные средства в гаражах или на открытых площадках должны храниться таким образом, чтобы при возникновении пожара была возможность оперативно ликвидировать загорание, а также удалить из опасной зоны хранящуюся в гараже технику собственным ходом или с помощью тягачей. Для помещений, где хранится более 25 единиц транспорта, должен быть разработан план размещения транспортных средств и установлены очередность и порядок их эвакуации в случае пожара. Открытую стоянку транспортных средств размещают не ближе 20 м от строений из горючих материалов и 15 м, если строение из негорючих материалов. Площадка должна быть ровной, освещенной в темное время суток и иметь не менее двух въездов. Все виды стоянок (кроме стоянок для индивидуального транспорта) должны быть соответствующим образом оснащены, в частности, буксирными тросами и штангами из расчета один трос (штанга) на 10 единиц техники. Вне зависимости от условий хранения транспортных средств на стоянках категорически запрещается: - устанавливать транспортные средства в количестве, превышающем норму; нарушать план их расстановки, уменьшать расстояние между автомобилями; - загромождать выездные ворота и проезды; - производить кузнечные, термические, сварочные, малярные и деревообделочные работы, а также промывку деталей с использованием легковоспламеняющихся и горючих жидкостей; - оставлять на хранение транспортные средства с открытыми горловинами топливных баков, а также при наличии течи горючего или масла; - заправлять транспортные средства горючим и сливать из них топливо; - хранить на территории стоянки тару из-под горючего, а также горючее и масла (кроме гаражей индивидуального транспорта); - подзаряжать аккумуляторы непосредственно на транспортных средствах; - подогревать двигатели автомобилей с помощью открытого огня (костров, факелов, паяльных ламп), пользоваться открытыми источниками для освещения; - устанавливать на общих стоянках транспортные средства для перевозки легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, а также газов. Кроме того, в гаражах, предназначенных для индивидуального транспорта, не разрешается хранить мебель, предметы домашнего обихода, выполненные из горючих материалов, а также запас топлива более 20 литров. Места стоянки автотранспорта должны быть снабжены первичными средствами пожаротушении (огнетушителями, ящиками с песком и т. д.) согласно действующим нормам, а также металлическими ящиками с плотно закрывающимися крышками для сбора использованных промасленных тряпок и других пожароопасных отходов. При выборе складских помещений необходимо учитывать совместимость веществ и материалов, которые предполагается хранить, а также однородность огнетушащих средств. В одной секции с каучуком или резиной запрещается хранить какие-либо другие материалы или товары независимо от того, что применяемые огнетушащие средства однородны. По функциональному назначению складские объекты подразделяются на универсальные, специализированные, оптовые и т. д. Вероятность возникновения пожара на объектах торговли, складах, базах значительно снижается, если они оборудованы системами пожарной и охранно-пожарной сигнализации. Внедрение автоматических установок пожаротушения позволяет уменьшить размеры ущерба от пожара. Если складские помещения расположены в подвальных или цокольных этажах, они должны иметь не менее двух выходов, обособленных от лестничных клеток общего пользования, двух люков или окон шириной не менее 0,9 м и высотой не менее 1,2 м для выпуска дыма при пожаре и для доставки огнетушащих средств к месту возгорания. Особую опасность на складских объектах представляют комнаты для курения, конторки малой площади, а также различные электроустановки, погрузочно-разгрузочные механизмы, авто- и электрокары, транзитные газопроводы и т. д. Установленные Правилами пожарной безопасности требования по совместному хранению веществ и материалов (в соответствии с ГОСТ 12.1.004-91) распространяются на все находящиеся на территории Российской Федерации предприятия, которые имеют складские помещения. Исключение составляют склады или базы, предназначенные для взрывчатых и радиоактивных веществ и материалов, хранение и транспортировка которых производится по специальным правилам. Возгораемость и огнестойкость строительных конструкций. Согласно СНиП 2.01.02-85, 1.4, строительные материалы и конструкции по горючести (возгораемости) подразделяются на три группы: негорючие (несгораемые), трудногорючие (трудносгораемые) и горючие (сгораемые). Группы горючести определяются по СТ СЭВ 382—76 и СТ СЭВ 2437—80. Негорючий материал под воздействием огня или высокой температуры не воспламеняется, не тлеет и не обугливается (СТ СЭВ 383— 76). Испытание на определение негорючих строительных материалов (однородных и слоистых) проводят в трубчатой печи в течение 20 мин при воздействии температуры 800...850 0С (СТ СЭВ 382—76). Температуру замеряют термопарами. Для испытания принимают пять образцов цилиндрической формы. Номинальные размеры и допускаемые отклонения размеров образцов следующие: диаметр — 45±2 мм; высота — 50±3 мм; объем — 80±5 см3. Если толщина материала составляет менее 50 мм, то образец изготовляют из соответствующего количества слоев, чтобы обеспечить установленную высоту. Слои материала в образце располагают в горизонтальном положении и плотно соединяют друг с другом тонкой проволокой. Плотность образца должна соответствовать плотности материала. Образцы предварительно выдерживают в вентилируемом сушильном шкафу при температуре 60±5°С не менее 20 ч, затем охлаждают до температуры окружающей среды. До начала испытания определяют массу каждого образца. Перед началом испытаний предварительно калибруют трубчатую печь. При установившемся режиме температура внутренней стенки в средней части печи на участке длиной 100 мм должна быть в пределах 800...850 °С в течение 10 мин до введения образца в печь. Образец помещают в держатель. Операция по опусканию образца внутрь печи не должна занимать более 5 с. Период испытания образца начинается с момента введения его в печь и продолжается 20 мин. В это время регистрируют температуру по показаниям термопар, а также отмечают места, время и продолжительность воспламенения образца. Воспламенение считается устойчивым при наличии пламени в течение 10 с и более. После испытания определяют массу каждого образца. Материал относится к группе негорючих, если соблюдены следующие условия: - средняя температура в печи (из всех максимальных показаний) не превышает более чем на 50 °С первоначально установившуюся; - средняя температура поверхности образца (из всех максимальных показаний) не превышает более чем на 50 0С первоначально установившуюся; - средняя потеря массы образцов составляет не более 50 % их первоначальной массы после кондиционирования; - средняя продолжительность пламени (из всех максимальных значений) — не более 10 с. Трудногорючий материал под воздействием огня или высокой температуры воспламеняется, тлеет или обугливается и продолжает гореть, тлеть или обугливаться при наличии источника зажигания; после удаления источника зажигания горение или тление прекращается (СТ СЭВ 383—76). Испытанию по СТ СЭВ 2437—80 на определение трудногорючих строительных материалов подвергаются следующие однородные и слоистые материалы: плиты из древесины и древесных материалов, а также эти плиты с наполнителями, армированием и обработкой поверхностей органическими и неорганическими веществами; плиты из полимерных материалов (плотных, вспененных), а также эти плиты с наполнителями; плиты из неорганических материалов с органическими наполнителями или с покрытием; материалы на основе бумаг и пленок; технические ткани; облицовочные материалы вместе с основанием и креплением. Испытание на определение трудногорючих строительных материалов проводят в шахтной печи воздействием пламени газовой горелки в течение 10 мин. Для испытания изготовляют по три образца, каждый из которых состоит из четырех отдельных плит. Размеры плиты, мм: длина—1000±5, ширина—190±3, максимальная толщина — 50. Плиты толщиной более 50 мм обрабатывают механическим способом до достижения допустимой толщины. Материалы толщиной менее 0,25 мм испытанию по методу, изложенному в СТ СЭВ 2437—80, не подлежат. Образцы перед испытанием хранятся при температуре 20±10 °С и относительной влажности воздуха 60+10 %. До начала испытания определяют массу каждого образца m0. Крепление каждой плиты образца к держателю должно обеспечивать неизменяемость ее положения до конца испытания. Шахтную печь калибруют через каждые 10 испытаний и при изменении состава газовой смеси по показаниям термопар, установленных на калибровочном образце и в дымоходе. Калибровочный образец состоит из четырех стальных плит размерами 10001901,5 мм. Термопары устанавливают только на двух противоположных стальных плитах калибровочного образца на уровне 300, 500, 1000 мм относительно их нижней кромки. Две термопары устанавливают в дымоходе. Перед испытанием образцов температура в шахтной печи должна составлять 20...40 °С. Держатель с образцом вводят в шахтную печь, и дверь ее закрывают, после чего включают вентиляционную систему. Через 1 мин зажигают горелку, пламя которой воздействует на образец в течение 10 мин. После выключения горелки вентиляционная система должна работать до окончания самостоятельного горения образца, которое определяют визуально или о помощью пирометрического устройства. Момент прекращения самостоятельного горения образца является концом испытания в шахтной печи. Материал относится к группе трудногорючих, если соблюдены условия, приведенные в таблице 1. В том случае, когда длина отрезка неповрежденной части одной из плит равна нулю, проводят повторное испытание трех образцов. Если и при повторном испытании неповрежденная длина хотя бы одной из плит будет равна нулю, испытанный материал не относится к группе трудногорючих (СТ СЭВ 2437—80, 6.3). По результатам испытаний составляются протоколы, в которые включаются следующие сведения: наименование изготовителя или поставщика материала; наименование или торговая марка материала и его описание; даты изготовления, поставки и проведения испытания; номер стандарта, по которому проводится испытание; результаты испытания и заключение о группе горючести материала; особые наблюдения; печать и подпись лаборатории. Таблица 1 - Параметры, определяющие трудногорючеетъ строительного материала по результатам испытаний (СТ СЭВ 2437—80) Измеряемый параметр Температура дымовых газов, 0С Время самостоятельного горения, с Степень повреждения по длине, % Степень повреждения по массе, % Максимальное среднеарифметическое значение по результатам трех испытаний 235 30 85 80 Максимальное значение по результатам одного из трех испытаний 250 60 90 85 Горючий материал под воздействием огня или высокой температуры воспламеняется, тлеет или обугливается и продолжает гореть, тлеть или обугливаться после удаления источника зажигания (СТ СЭВ 383—76). Испытание на определение горючих строительных материалов проводится по ГОСТ 12.1.044—84 на приборе «огневая труба» при воздействии пламени газовой горелки. Максимальное время Зажигания образца пламенем горелки не должно превышать 2 мин. Испытание проводится на шести образцах длиной 150, шириной 35 и толщиной 10 мм. После испытания определяют потерю массы в процентах. Материал относится к горючим при следующих условиях: - самостоятельное пламенное горение и тление продолжается более 60 с и потеря массы более чем у одного образца (из шести) превышает 20 %; - самостоятельное пламенное горение продолжается менее 60 с, но пламя распространяется по всей поверхности образца при одновременной потере массы более чем у одного образца свыше 90 %; - самостоятельное пламенное горение композиционных материалов, состоящих из горючих и негорючих компонентов, продолжается менее 60 с, но пламя распространяется по всей поверхности образца и при этом выгорает вся органическая часть материала; - самостоятельное пламенное горение композиционных материалов продолжается более 60 с, а потеря массы составляет менее 20 % (в этом случае потерю массы относят только к массе органическое части материала). ОГНЕСТОЙКОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Под огнестойкостью конструкций зданий и сооружений понимают способность их сохранять несущие и (или) ограждающие функций при пожаре. Предел огнестойкости конструкции определяется временем (в часах) от начала стандартного огневого испытания до наступления предельного состояния по огнестойкости, которое непосредственно предшествует моменту или проявляется в момент утраты конструкцией несущих и (или) ограждающих функций вследствие воздействия опасных факторов пожара. Пределы огнестойкости устанавливают опытным или расчетным путем. Головная организация по испытанию строительных конструкций на огнестойкость ВНИИ противопожарной обороны разработал и издал в 1980 г. Руководство по испытанию строительных конструкций на огнестойкость. СТ СЭВ 1000—78 устанавливает методы испытаний на определение пределов огнестойкости таких строительных конструкций, как несущие, самонесущие и навесные стены и перегородки без проемов; колонны и столбы; покрытия и перекрытия без проемов с подвесными потолками и без них; балки, фермы и ригели; окна, люки и клапаны. Метод испытания строительных конструкций на определение пределов огнестойкости заключается в установлении времени от начала испытания до наступления предельного состояния при заданных тепловом воздействии, давлении, нагрузках и способах опирания. Предельное состояние характеризуется потерей несущей способности (деформация, обрушение), образованием трещин и сквозных отверстий или повышением температуры на необогреваемой поверхности более чем на 160°С (СТ СЭВ 1000—78, 6). Для окон предельное состояние по огнестойкости характеризуется обрушением и потерей плотности, а для противопожарных дверей лифтовых шахт — теплоизолирующей способностью и потерей плотности дверного полотна (СНиП 2.01.02-85, 3.3). Предел огнестойкости противопожарных дверей и ворот определяется по СТ СЭВ 3974—83. Испытания на определение пределов огнестойкости образцов строительных конструкций производят в вертикальных и горизонтальных печах, выполненных в соответствии с требованиями СТ СЭВ 5062—85. Печи оснащают специальным оборудованием и аппаратурой для контроля и регулирования стандартного температурного режима пожара, а также для опирания, закрепления и нагружения испытываемых на огнестойкость образцов. Установки работают на жидком топливе (керосине, мазуте) или газе, сжигаемом в огневых камерах, оснащенных длинопламенными форсунками с воздушным дутьем или газовыми горелками, расположение которых обеспечивает равномерное распределение теплоты от факелов пламени по всей поверхности образца. Потерей несущей способности является деформация конструкции во время испытания. Для горизонтальных конструкций предельным можно считать состояние, когда прогиб составляет 1/15…1/30 длины пролета, а скорость нарастания деформации, мм/мин,   L2 9000h , где L — длина пролета, мм; h — расчетная высота конструкции, мм. Для вертикальных конструкций предельным является состояние, когда вертикальная деформация достигает 1/100 длины пролета или скорость нарастания вертикальных деформаций составляет 10 мм/мин для образцов длиной 3±0,5 м. Расчетным методом предел огнестойкости определяют по методикам, разработанным ВНИИПО. В этом случае рекомендуется исходить из следующих предположений. Нагрузку на конструкцию определяют на основании подробного анализа условий, возникающих во время пожара. В случае невозможности определения таких условий нагрузку принимают равной нормативной. Тепловое воздействие на конструкцию определяется тепловым полем при реальном пожаре. Предел огнестойкости рассчитывают на основе теплового поля в конструкции. В расчете учитывают изменения механических и физических свойств материала, вызываемые высокой температурой. В качестве начальной температуры среды и конструкции принимают 20 °С, если нет оснований для другого значения. При определении предела огнестойкости конструкции расчетным методом огневые испытания ее не проводятся (СТ СЭВ 1000—78, 8). ВНИИПО разработал ряд инструкций по расчету фактических пределов огнестойкости железобетонных изгибаемых конструкций, колонн, стен и др., а также алгоритмы для решения большинства типовых задач с помощью ЭВМ. В экспресс-информациях и сборниках трудов «Огнестойкость строительных конструкций» ВНИИПО помещает результаты огневых испытаний и расчеты пределов огнестойкости новых строительных конструкций: армосиликатобетонных, силикатобетонных трехслойных и двухслойных стеновых панелей, несущих конструкций иа стеклопластика, аебестоперлитоцементных плит, асбестоцементных стен с утеплителем из пенопласта ФРП-1, навесных стен с утеплителем из пенополиуретанов и модифицированного пенополистирола, перегородок из профильного стекла (стеклопрофилита) и др. Предел распространения огня — одна из характеристик пожарной опасности строительной конструкции, определяемая размерами поврежденной зоны образца от границы зоны нагрева до наиболее удаленной точки повреждения (для вертикальных конструкций — вверх, для горизонтальных — в каждую сторону). Результаты измерений округляют до 1 см в большую сторону. Предел распространения огня по конструкциям допускается принимать равным 0, если размер повреждения образца в контрольной зоне не превышает 5 см для вертикальных и 3 см — для горизонтальных конструкций. Для измерения размеров повреждения слоистых конструкций обследуют все слои путем вскрытия (СНиП 2.01.02-85, прил. 1, 4.1). Сущность метода испытания строительных конструкций на распространение огня заключается в определении размера повреждения конструкции вследствие ее горения за пределами зоны нагрева — в контрольной зоне. Распространение огня определяют на основании испытаний образцов на специальных огневых печах. Размеры образцов ограждающих конструкций должны быть не менее 22 м. Длина образцов стержневых конструкций должна обеспечивать возможность их крепления. Влажность материалов образцов должна динамически уравновешиваться с влажностью окружающей среды при относительной влажности 60±15% и температуре 20±10°С. Образцы с ребрами и выступами располагают на печи так, чтобы они не препятствовали распространению огня в контрольной зоне. Размер контрольной зоны — не менее 0,75 м. Испытания образцов конструкций на распространение огня проводят при его локальном воздействии по режиму, установленному СТ СЭВ 1000— 78. Предел распространения огня по несущим конструкциям (перекрытиям, покрытиям, колоннам и др.) определяют, как правило, при испытании ненагруженных образцов. Проводят испытание при начальной температуре 20±10 °С и скорости движения воздуха не более 0,5 м/с, если условия эксплуатации конструкций не требуют других условий испытаний. Температура в помещении, печи и испытуемого образца должна быть стабилизирована за 2 ч до начала испытаний. Длительность теплового воздействия на образец—15±0,5 мин. По истечении этого времени пламя в печи гасят и не позднее чем через 2 мин образец снимают с печи или в зазор между образцом и огневой камерой вводят теплоизолирующий экран. Повреждение слоев пароизоляции толщиной менее 2 мм не учитывают. По результатам испытаний составляют протокол, в котором указывают: наименование организации, проводящей испытания, и организациизаказчика; наименование изделия с указанием технической документации на изготовление; дату испытаний; наименование нормативного документа, в соответствии с которым проведено испытание; данные о метеоусловиях во время испытаний; для несимметричных внутренних стен и перегородок — сторону, подвергнутую огневому воздействию при испытании; поведение образца при испытании; контролируемые параметры; результаты измерения границ повреждения образца в контрольной зоне вследствие его горения. Кроме этого, в протоколе помещают заключение о пределах распространения огня по конструкции. К протоколу прилагают чертежи и описание конструкции образцов, а также фото конструкции в процессе и после испытания, а при необходимости — и после вскрытия внутренних слоев. Лекция 13 Пожары. Противопожарная защита сооружений и объектов силовой электроники системами пожаротушения высокократной пеной. Автоматическая систе6ма пожарной сигнализации, пожаротушения и взрывоподавления в трактах топливоподачи электростанций. Новая технология тушения и предотвращения пожаров Пожар – это неконтролируемая экзотермическая реакция интенсивного высокотемпературного соединения (окисления) или разложения горючего твёрдого, жидкого или газообразного вещества с интенсивным образованием теплоты и газообразных продуктов, наносящая материальный ущерб и опасная для людей. Реакции соединения могут происходить с кислородом (углерод, сера и их соединения), хлором (водород, металлы), серой (медь), диоксидом углерода (магний). Реакции разложения характерны для ацетилена. Скорость реакции соединения и разложения нелинейно возрастает с повышением температуры (кислород) или светового потока (хлор), переходя при критических значениях в лавинообразный процесс (вспышка, воспламенение, взрыв, детонация). Протекание реакции возможно самопроизвольно (самовозгорание) или от внешнего импульса (источника). По этому признаку различают эндогенные и экзогенные пожары. Противопожарная защита сооружений и объектов силовой электроники системами пожаротушения высокократной пеной Практика борьбы с пожарами на протяженных объектах, к которым относятся коллекторы и некоторые объекты силовой электроники, показала, что для успешной ликвидации очага горения необходимо применять дистанционную подачу огнетушащих средств. В противном случае ликвидация пожара может занять длительное время, сопровождаться ощутимыми потерями и наносить непоправимый экологический вред окружающей среде. Одним из средств объемного пожаротушении решающего проблему эффективного тушения и предотвращающего распространение вредный продуктов горения в атмосферу, является высокократная воздушно механическая пена. О перспективности создания систем дистанционной подачи высокократной пене: свидетельствуют результаты исследований, приведенные в работах. В настоящее время для получения высокократной пены (кратностью 800-1000) используются вентиляционные агрегаты, принудительно нагнетающие воздух на сетку, смоченную пенообразователем, после чего образующиеся пузырьки выдуваются в пространство, создавая пенный поток. При разработке конструкций генераторов высокократной пены (стационарных или передвижных) для защиты конкретных объектов необходимо иметь данные о требуемых напорно-расходных характеристиках вентиляторов, зависящих от гидродинамики пенного потока по пенопроводящим каналам (протяженным сооружениям). Кроме этого следует рассчитать объем пенообразователя, достаточного для образования пены в количестве, обеспечивающем пожаротушение. Последний определяется объемом сооружения, а также количеством разрушенной пены вследствие механического и теплового воздействия. Приведём правила постановки эксперимента, результаты которого могут быть распространены на широкий круг объектов, по которым транспортируется высокократная пена для тушения пожаров. Для получения обобщающей картины явления необходимо условия проведения эксперимента поставить в соответствие с правилами физического моделирования. Критерии подобия, устанавливающие правила физического моделирования, определяются из дифференциальных уравнений, описывающих рассматриваемый класс явлений. В общем виде уравнение двухфазной среды неньютоновской жидкости, к которой относится пенный поток может быть получено на основании либо закона сохранения импульса, либо закона сохранения энергии. Эти уравнения содержат много параметров и, если к ним применить теорию подобия, то получиться значительное количество критериев, которые в эксперименте воспроизвести невозможно. Такое положение можно объясните тем, что структурно-механические свойства пены, которые учитываются при построении математической модели, зависят от большого числа одновременно влияющих факторов, а прогнозировать степень их воздействия на конечный результат не представляется возможным. Поэтому еще на предварительной стадии исследования целесообразно сделать некоторые допущения. Так, если рассматривать пену как макроструктуру, то можно отметить следующее. Пенный поток по своей природе не является сплошной средой. Ho и вода, и газ, строго говоря, имеют неоднородную структуру, однако при решении целого ряда практических задач гидромеханики к ним успешно применяется абстрактное понятие «сплошная среда» со всеми допущениями и приближениями. С этих позиций пенный поток - тоже сплошная среда. И чем толще слой пены, больше ее объём, тем справедливее это допущение. Безусловно, что количественные характеристики движения пенного потока будут существенно отличаться от потока обычной жидкости. В общем случае для пенного потока в сипу его специфических особенностей (сжимаемость, двухфазность, изменение межфазовой поверхности структуры и др.) существует несомненное отличие от классической жидкости. Однако в энергетическом балансе потери энергии на трение будут составлять подавляющую долю. И определение таких значений, гак потери давления и коэффициент гидравлического трения, позволят рассчитать параметры пеногенератора. Потери же пенного потто в результате механического и теплового разрушения могут быть определены экспериментально, и при соблюдении правка моделирования эти параметры также могут быть распространены на другие объекты. С учетом приведенная допущений для описания движения пенного потока в кабельных сооружениях и протяженных объектах силовой электроники могут быть применены дифференциальные уравнения, описывающие движение жидкости. Их анализ методам теории подобия позволил установить, что при моделировании движения турбулентного пенного потока необходимо соблюдать критерий гидродинамической гомохронности. 1 1  , (1)  где l - линейный размер;  - время; v -скорость. Полученное условие подобия определяет внутреннюю структуру потока, не отражая граничных условий Поскольку процесс разрушения пены во многом зависит от контакта с ограждающей поверхностью, то представляется целесообразным рассмотреть интегральное уравнение количества движения, которое позволит сформулировать правила моделирования движения пены в области контакта с ограждающими конструкциями. Уравнение движения или уравнение импульсов в гидромеханике используется в тех случаях, когда по условию задачи необходимо определить воздействие внешних сил, действующих. На жидкость, при этом процессы, протекающие внутри массы, не являются предметом исследования. Для материальной точки уравнение количества движения в проекции на одну из осей имеет вид: m(V-v)=Fx d  , (2) где V - проекция скорости; Fx - проекция приложенных к точке сил; индексами обозначена принадлежность физического параметра к начальному и конечному моментам времени d  ; произведение Fx d  - импульс силы, осредненной в интервале d  . В нашем случае уравнение импульсов может быть записано в следующем виде: Qп2  а х2 Qп2 pS   UL   п  п  , (3) S S где p - перепад давления, Па; S - сечений канал, м2;  w напряжение трения на ограждающих конструкциях, Па; U -смоченный периметр м; L - ширина границы взаимодействующих потоков, м;  п плотность пены, кг*м-3; Qп - расход пены, м3*с-1; ах - коэффициент, учитывающий разрушение пены при движении. Аналитическое решение уравнения (3) возможно при заданных независимых переменных  п , U , S и др., функции которых не установлены. Однако анализ приведенных зависимостей позволяет отметить общие закономерности движения пены и определить условия подобия взаимодействующих внешних сил при моделировании движения пены по каналам. В результате было установлено, что при соблюдении равенства в натуре и модели условия:   idem , (4) D где  - высота выступов шероховатости, м; D - диаметр канала, м, достигается подобие взаимодействия внешних сил. Множитель ах, определяющий количественный процесс механического разрушения пены, в соответствии с (4) должен быть неизменным и зависящим при одинаковых свойствах относительной шероховатости канала.  (5) D Необходимо отметить, что все вышеприведенные рассуждения приводились к пенному потоку, как к сплошной среде. На самом деле пена имеет ярко выраженную ячеистую структуру. Причем, для высокократной лены дисперсность пузырьков достигает значительных размеров, и не учитывать это состояние жидкости безусловно нельзя. Поэтому закономерность (5) справедлива в том случае, если принимать во внимание только механические потери на поверхности контакта потока с элементами конструкций тоннеля. В реальных условиях механическое разрушение пены происходит не только на границах потока, но и внутри его в результате впитывания жидкой фазы с поверхности контакта потока пены с внутренней поверхностью тоннеля; стекания (синерезиса) под воздействием силы тяжести жидкой фазы из потока, сопровождающегося утончением оболочки с последующим схлопыпанием пузырьков под действием внутреннего давления; диффузионного увядания пузырьков вследствие наличия диффузионного потока воздуха из объема пузырьков вовне. И, безусловно, механическое разрушение пены по этим причинам зависит от толщины слоя пены или, иначе, от масштаба кабельного сооружения и протяженного объекта силовой электроники (при одинаковых свойствах пены). В этой связи при движении пены по каналам разных диаметров постоянство множителя ах может не ах  F  соблюдаться. Но его количественные изменения могут быть учтены при анализе результатов экспериментов, проведенных на разномасштабных моделях. В этой связи закономерности движения пенного потока по кабельным сооружениям и протяженным объектам силовой электроники должны изучаться на разномасштабных моделях, что позволит установить влияние структуры пены на ее движение по сооружениям различных размеров. Таким образом, проведенные исследования и рассуждения позволяют сформулировать правила моделирования движения высокократной пены по кабельным сооружениям и протяженным объектам силовой электроники: 1. При проведении экспериментов независимо от масштабов моделей (каналов) пенный поток воспроизводится с неизменёнными структурными свойствами. 2. В моделях обеспечивается турбулентный режим движения пены. 3. Модели выполняются в геометрическом подобии, включая шероховатость конструкций. 4. В моделях обеспечивается равенство скоростей. 5. В общем случае подобие движения пенных потоков обеспечивается равенством определяющих критериев подобия гидродинамической гомоxpoнности и относительной шероховатости. 6. Закономерности движения пенного потока по кабельным сооружениям и протяженным объектам силовой электроники должны изучаться на разномасштабных моделях, что позволит установить влияние структуры пены на ее движение по сооружениям различных размеров. 7. Масштабы физических величин при моделировании движения пенного потока должны рассчитываться по таблице 1. Таблица 1. Уравнения масштабов для преобразования физических величин при моделировании процессов гидродинамики пенных потопав. Физические величины Линейный размер Площадь Объём Скорость движения пены Расход пены Время Коэффициент местного сопротивления (шероховатость) Уравнение масштаба М1 Мs= М 12 Mw= M13 Mv=1 MQ= М 12  M v M   M1  M v1 1 Приведенные правила физического моделирования движения высокократной пены позволяют получить результаты для расчета параметров пеногенераторов систем дистанционной подачи пены для объемного тушения пожаров в протяженных сооружениях. Задачей экспериментальных исследований является установление всех физических параметров пенного потока, которые позволят сформулировать научно-обоснованные требования к системам пенного пожаротушения при дистанционной подаче высоко кратной пены. К таким параметрам относятся давление, обеспечивающие подачу пены по кабельным сооружениям и протяженным объектам силовой электроники, и ее скорость подачи (расход). Для наиболее оптимального подхода к проведению экспериментов на предварительном этапе необходимо установить измеряемые величины и вид их возможной функциональной взаимосвязи. Расходно-напорные характеристики пеногенератора могут быть определены по известной из гидродинамики зависимости: p  c    D 1    v 2 , (6) где  - коэффициент гидравлического трения, определяющий отношение сил трения в потоке к силам давления жидкости. Для исследования движения пенного потока представлятся целесообразным представить приведенную зависимость в виде: p  c    (L  D)   v 02 , (7) где с, ,  - эмпирические коэффициенты, подлежащие определению; v0начальная скорость пенного потока. В зависимости (7) отражены все показатели. определяющие закономерности движения пенного потока одинаковой кратности. Это позволяет в одной форме представить расчетную формулу расходнонапорной характеристики для движения высокократной пены по кабельным сооружениям и протяженным объектам силовой электроники различных размеров. Кроме гидромеханических характеристик движения пенного потока при расчете систем пенного пожаротушения следует иметь данные, позволяющие рассчитать объем пенообразователя, необходимый для пожаротушения. Для этого необходимо знать количество пены, разрушенной вследствие механического и теплового воздействия внешней среды. Для инженерных расчетов механической потери пены целесообразно не изучать каждый процесс ее разрушения е отдельности, а объединить все эти факторы в один результирующий - разрушение пены при «холодном» заполнении канала, которое может быть оценено уже приведенным в (5) коэффициентом ах, определяемым отношением объема выработанной пены к объему модели: ах=Wп/WМ, (8) где Wп - объем пены, выработанной к моменту полного заполнения модели, м3; WМ - объем модели. При проведении экспериментов по ранее сформулированным правилам Физического моделирования для реальных условий определяется объем пенообразователе с учетом механической потери пены. При исследования взаимодействия пенных потоков с очагов горения (тепловое разрушение пена) целесообразно ранее приведенные правила моделирования дополнить критерием динамического подобия, полученным при изучении взаимодействия воздушных потоков с продуктами горения [3] и преобразованным для пенных потоков:   V  а г  F   г г  , (9)   п  Vп  где р, v - соответственно плотность и скорость (индексы «г» и «п» обозначают принадлежность параметров к продуктам горения и пенного потока); аг - коэффициент теплового разрушения пены. По существу приведенный критерий определяет соотношения масс и температур воздуха и продуктов горения, что в нашем случае может быть представлено как взаимодействие масс пены и продуктов горения. При разномасштабных экспериментах, но одинаковых химикофизических свойствах и температурах пены и продуктов горения и при соблюдении условия подобия можно ожидать идентичности процессов взаимодействия пены и очага пожара и, следовательно, процесса разрушения лены. Потери пены в зоне горения Wt, могут быть рассчитаны как Wt=Wг-Wр , (10) 3 где Wг - суммарный объем разрушения пены, м ; Wp - объем разрушенной пены вследствие механических причин, м3 («холодное» разрушение). Показатель теплового разрушения пены рассчитывается по зависимости: аг=Wt/Wз , (11) где Wз – объём зоны горения. Таким образом для определения параметров систем пожаротушения высокократной пены необходимо провести три этапа экспериментов по приведенным правилам физического моделирования на разномасштабных моделях. Приведенная методология использовалась при проведении экспериментов на разномасштабных моделях и макетах. В ходе исследований были получены данные, приведенные в таблице 2. Они позволяют производить расчеты пеногенераторов высокократной пены для систем пожаротушения в протяженных сооружениях, а также дают возможность чет объема пенообразователя для этих систем. Таблица 2 Потери напора на пеногенераторе, коэффициенты разрушения высокократной пены Наименование параметра Потери давления в пенопроводящем канале Коэффициент механического разрушения пены, м3 Размерность Обозначение Расчётная зависимость Па p 58.  L  D 1.497  0.227  v 2 м3/м2 ах 2.1 Коэффициент теплового разрушения пены м3/м3 аг 0.05  t ср  12.948 Автоматическая систе6ма пожарной сигнализации, пожаротушения и взрывоподавления в трактах топливоподачи электростанций В ВТИ разработана автоматическая система обнаружения очагов тлеющего твердого топлива на движущихся конвейерных лентах, возгораний конвейерных лент, кабелей, расположенных в галереях, пламени, образованного от взрыва топливной пыли, их локализации и тушения распыленной водой. В состав системы входят: дымовые, тепловые и инфракрасные пожарные извещатели; подводящий противопожарный трубопровод; электромагнитные быстродействующие клапаны; дренчерные питающие и распределительные трубопроводы, расположенные в продольном и поперечном направлениях с оросителями для пожаротушения и взрывоподавления. Система разработана с учетом физико-химических характеристик топлив разных марок, особенностей технологического процесса и эксплуатации оборудования, а также компоновки строительных конструкций подземных, наклонных подъемных и бункерных галерей тракта топливоподачи. Применение автоматической системы пожарной сигнализации, пожаротушения и взрывоподавления в отличие от существующих индивидуальных дренчерных водяных завес с ручным управлением обеспечивает быстродействие и надежность обнаружения, локализации ii тушения очагов возгораний на ранней стадии горения. Достоинства системы: • раннее и надежное обнаружение пожарными извещателями очагов тлеющего топлива на движущихся конвейерных лентах, возгораний конвейерных лент, кабелей, расположенных в галереях, и пламени, образованного ) взрывом пыли; • надежность локализации и тушения возгораний с применением продольного водяного орошения и водяных завес; • возможность многократного повторного автоматического и ручного включения системы при вторичных возгораниях; • автоматизированное управление гидравлической системой для обеспыливания и гидросмыва пыли, отложившейся на оборудовании я строительных конструкциях конвейерных галерей; • возможность изменения продолжительности автоматического включения и создания различных режимов работы в зависимости от физикохимических свойств топлив, состояния оборудования и гидроизоляции конвейерных галерей; • включение автоматической системы с помощью местного ручного управления или дистанционно с центрального щита управления (ЦЩУ) топловоподачи; • наличие на ЦЩУ топливоподачи сигнализации о срабатывании извещателей, автоматическом и ручном включении и отключении исполнительных органов системы защиты; • наличие электрической блокировки, осуществляющей запрет на автоматическое включение системы в галереях топливоподачи при автоматическом ее включении в одной из галерей; • применение серийно изготовляемых отечественной промышленностью пожарных извещателей и технического оборудования. Экономический эффект Повышение надежности работы оборудования и предотвращение ущерба от пожара и взрыва пыли, связанного с необходимостью замены конвейеров, восстановлением строительных конструкций галерей, недоотпуском электрической и тепловой энергии. Новая технология тушения и предотвращения пожаров Основная причина того, что ущерб от пожаров во всём мире составляет сотни миллионов долларов, заключается именно в несовершенстве существующих технологий пожаротушения. В практике пожаротушения за последние 300 лет не произошло никаких радикальных изменений. Существующие технологии борьбы с огнём сводятся по сути к сбиванию пламени различными веществами. Для этого используют воду, песок, пену и некоторые вещества, которые вводятся в зону горения. Сбивая пламя, одновременно исключают поступление кислорода в зону горения. На основе электроогневой технологии был разработан, апробирован и запатентован радикально новый эффективный метод тушения пожаров и предотвращения возгорания огня. Способ электрического подавления пламени основан на физическом эффекте отклонения пламени к одному из разноименных высоковольтных потенциалов внешнего электрического поля. Для реализации предлагаемого способа в зоне пламени создают внешнее постоянное электрическое поле. Напряженность поля (2-25 кВ/см) выбирают исходя из типа пламени и его интенсивности. Физическая сущность предложенного способа состоит в том, что внешнее электрическое поле определённой напряженности способно «вытягивать» из зоны горения электроны и разноименно электрически заряженные радикалы горящих веществ, содержащиеся в пламени, в результате чего они осаждаются на специальные высоковольтные жаростойкие электроды, размещенные в зоне горения, но вне пламени и присоединенные к преобразователю напряжения. В результате этого нарушаются условия поддержания цепных реакций дробления радикалов горящих веществ в ядре пламени. Возникает эффект срыва пламени, причем при достаточно высокой напряженности электрического поля пламя гаснет скачкообразно. Для реализации предлагаемого бесконтактного способа тушения пламени необходимо разместить рядом с очагом возгорании источник высокого напряжения и один или несколько электродов. При выборе оптимальной напряженности электрического поля, достаточной для нарушения предельных допустимых условий горения конкретных веществ, пламя тухнет. Как правила, для многих горящих веществ напряженность поля составляет 1—5 кВ/см. Опыты показывают, что чем выше напряженность электрического поля, тем быстрее происходит срыв пламени и быстрее прекращается процесс горения. Кроме того, чем больше площадь поверхности электродов, тем на большей площади можно тушить пламя. Рисунок 1 – Простейшее устройство для бесконтактного способа тушения пожара Простейшее устройство, показанное на рисунке 1, состоит из источника внешнего электрического поля, например регулируемого высоковольтного выпрямителя 2, и подвижных жаропрочных электродов 3, размещенных вне факела пламени 1 горящего вещества (объекта). Устройство работает следующим образом. Для тушения пламени подают питание на вход высоковольтного преобразователя-выпрямителя и создают постоянное по знаку внешнее электрическое поле между электродами, размещенными вне факела. Напряженность поля и минимальное расстояние между электродами определяют по условию недопущения электрического пробоя высоковольтного преобразователя через пламя и электроды. В результате разноименные электрически заряженные радикалы и свободные электроны горящего и химически дробящегося в процессе горения вещества вырываются из пламени и притягиваются к электродам. Если напряженность электрического поля в зоне горения превышает 1 кВ/см, то условия протекания цепных реакций горения и физико-химического дробления веществ в пламени становятся невозможны ми и пламя гаснет. Экспериментально подтверждено, что чем выше напряженность электрического поля (например, 10 к В/см), тем быстрее гаснет пламя. Рисунок 2 - Вариант установки бесконтактного пожаротушения Один из тугоплавких электродов 4 высоковольтного источника 2 помещают непосредственно в зону горения, а кольцевой электрод 3 размещают подвижно над пламенем 1 на расстоянии 3 — 5 см. По мере гашения, т.е. снижения высоты пламени, его приближают к вершине факела пламени. Результаты исследований показывают, что наиболее эффективно проходит процесс тушения, когда площадь электрода равна площади проекции пламени. Электрическая мощность источника напряжения практически не зависит от мощности пламени и определяется только внутренними потерями в самом источнике напряжения, т.е. ничтожно мала по сравнению с мощностью пламени в очаге пожара. Например, время тушения пламени высотой в 1 м составило 3 с при мощности всего 3 — 4 Вт и напряженности электрического поля З кВ/см. Тушить пожары на большой площади можно плавно перемещая разноименные плоские электроды в зоне пожара непосредственно над пламенем с напряженностью электрического поля и со скоростью, достаточной для срыва и подавления этого пламени. Для этого специальная мобильная установка, например вертолет, тягач или автомашина высокой проходимости, оборудуется источником высокого напряжения и электродами, закрепленными на телескопических мачтах, с подведенными к ним высоковольтными проводами повышенной прочности. Электроды, например ажурные тонкие жаропрочные металлические сетки на специальных растягивающихся каркасах, помещают в зоне горения и проводят тушение пламени. После того, как пламя погаснет, установку перемещают к следующему очагу пламени. Следует отметить, что с помощью рассмотренной установим можно остановить движущийся с определенной скоростью фронт пламени. Главное, чтобы площадь охвата таким противопожарным электрическим щитом зоны огня была не меньше площади и длины фронта огня. При своевременной локализации очага возгорания добиться этого относительно несложно. Для этого мобильную установку необходимо доставить в очаг возгорания и оперативно развернуть подвижную систему электродов по периметру зоны возгорания и подать напряжение. Следует отметить, что при таком способе тушения очага возгорания одновременно с прекращением горения пламени исчезает и дым, который является по сути продуктом неполного горения углеводородных веществ, т.е. очаг возгорания подавляется полностью и быстро. Если рассмотренную систему заранее разместить вблизи потенциально опасного в пожарном отношении объекта и дополнить датчиками возгорания, то весь процесс подавления огня в начальной стадии сведется лишь к подаче напряжения на электроды по команде датчиков. Причем в качестве источника электрического поля можно использовать специальные тонкие пластмассовые покрытие — полимерные электреты, долго сохраняющие электрический заряд. Производство электретов достаточно хорошо освоено, они широко применяются в средствах телефонной связи. Можно также в наиболее пожароопасных объектах заранее создать внешнее электрическое поле необходимой напряженности, например внутри дома, квартиры, вокруг банковского сейфа, силового масляного трансформатора, на буровой установке в устье буровой скважины и т.д. Тогда в зоне действия данного электрического поля возгорание веществ будет затруднено, так как электрическое поле будет препятствовать началу возникновения цепных реакций горения путем вытягивания из потенциального очага возгорания электронов и электрически заряженных радикалов. В результате возгорание вещества, например, на срезе трубы буровой установки становится невозможным. Таким образам, предлагаемое устройство можно применять и как профилактическое противовоспламеняющее средство для особо пожароопасных или ценных объектов. Например, для предотвращения пожаров на торфяниках в Подмосковье необходимо создать кольцо (кольца) безопасности вокруг столицы. Для этого необходимо соединенные между собою электроды ввести в торфяники в местах наиболее вероятного возгорания и присоединить их через автоматические выключатели к источникам высокого напряжения, например, через специальные комплектные устройства к высоковольтным линиям электропередач. Исследования показывают, что коррозионно-стойкие и жаропрочные электроды достаточно размещать на расстоянии 50 — 100 м друг от друга. Датчиками начала возникновения пожара могут служить и датчики дымности, и датчики электропроводности, и любые другие аналогичные датчики. После создания такой системы предотвращения пожаров можно ликвидировать любой очаг возгорания на ранней стадии развития. Для этого достаточно будет по команде датчиков подать напряжение в систему кольцевых электродов в конкретном локальном кольце. Предложенная технология пожаротушения электрическим полем высокой напряженности позволяет бороться с пожарами различной степени. Она характеризуется высоким быстродействием и может применяться для тушения пожаров на большой площади. Кроме того, установки, разработанные на основе данной технология, можно применять в качестве противопожарных средств как в определенной зоне возгорания, например в торфяниках Подмосковья, так и на конкретных объектах, например в здании Останкинской телебашни, на буровой установке и т.д. Лекция 14 Основные понятия о пожаре и его развитии. Общие сведения о пожаротушении. Физико – химические свойства и особенности средств пожаротушения Пожары наносят огромный ущерб экономике страны. По среднестатистическим данным ежедневно в России происходит более 670 пожаров, при которых погибает 45 человек, и около 40 получают травмы различной степени тяжести, выгорает 169 строений и 17 единиц техники. Рассматривая пожарную безопасность как элемент управления охраной труда в организации, необходимо знать причины, по которым в основном происходят пожары на производственных объектах. К ним относятся:  неосторожное обращение с огнем (40,1%);  нарушение правил устройства и эксплуатации электроустановок (25,3%);  нарушение правил безопасности проведения электрогазосварочных работ и огневых работ (12,2%);  нарушение правил устройства и эксплуатации печей (10,5%);  нарушение правил пожарной безопасности при эксплуатации электроприборов (5,5%);  неисправность производственного оборудования, нарушение технологического процесса (6,4%). К опасным факторам, воздействующим на людей, по классификации относятся: 1.пламя и искры; 2. повышенная температура окружающей среды; 3. токсичные продукты горения и термического разложения; 4.дым; 5.пониженная концентрация кислорода. Предельные значения факторов пожара: - температура окружающей среды - 70°С; - тепловое излучение – 500Вт/м2; - содержание оксида углерода – 0,1%; - содержание двуокиси углерода – 6%; - содержание кислорода – менее 17%. Вторичные проявления опасных факторов пожара:  осколки, части разрушающихся агрегатов, конструкций и т.п.;  радиоактивные и токсичные вещества и материалы, вышедшие из разрушенных аппаратов;  электрический ток, возникший в результате высокого напряжения на токопроводящих частях конструкций;  опасные последствия взрыва, произошедшего после возникновения пожара;  огнетушащие вещества. Развитие пожара происходит в три основные фазы: 1. первая фаза – начальная стадия, которая включает в себя период возгорания пожара (1 – 3 мин) и рост зоны горения. Продолжительность первой фазы составляет 2 – 30% общей продолжительности пожара. Температура в помещении повышается до 200°С; 2. вторая – стадия объемного развития пожара, продолжающаяся 30 – 40 мин, при этом температура в помещении моментально достигает 250 300°С. Из – за притока свежего воздуха резко возрастает интенсивность пожара, и температура внутри помещения быстро повышается до 800 900°С. Максимальная скорость выгорания 10 – 12 мин. 3. третья – затухающая стадия пожара, сопровождаемая тлением или медленным догоранием. Через некоторое время пожар прекращается. Анализируя причины пожаров, убеждаемся, что они входят в сферу функций контроля, осуществляемого специалистами по охране труда. Нарушение правил устройства и эксплуатации электрооборудования, безопасности проведения электрогазосварочных и огневых работ, устройства и эксплуатации печей, а также неисправность производственного оборудования и нарушение технологического процесса не должны быть вне внимания специалистов по охране труда при проведении ими контроля за безопасным проведением работ. Службы охраны труда должны оказывать необходимое содействие лицам, ответственным за обеспечением пожарной безопасности, в выполнении следующих работ. Опасными факторами пожара, воздействующими на людей и материальные ценности, помимо открытого пламени, повышенной температуры корпусов оборудования и окружающей среды, являются также токсические продукты горения и термического разложения, пониженная концентрация кислорода в воздухе рабочей зоны и вызванные описанными факторами их вторичные проявления: осколки, движущиеся части разрушившихся аппаратов, установок, конструкций, токсические вещества и материалы, вышедшие из разрушившихся аппаратов и установок, электрический ток, возникший в результате выноса высокого напряжения на токопроводящие части конструкций, аппаратов, опасные факторы взрывов, происходящие вследствие пожаров. Эти факторы приводят к отравлениям, ухудшению работы органов дыхания, травмированию работающих. Обеспечение безопасности людей в чрезвычайных ситуациях, одной из которых и самой распространенной до сих пор остается пожар, является приоритетным требованием Строительных Норм и Правил по проектированию зданий и сооружений. Поэтому в зданиях должны быть предусмотрены объемно-планировочные, конструктивные и инженернотехнические решения, обеспечивающие, в случае пожара, прежде всего возможность эвакуации людей из зданий на прилегающую к нему территорию до наступления угрозы их жизни и здоровью из-за воздействия опасных факторов пожара (ОФП). Причем безопасную эвакуацию людей должны обеспечивать эвакуационные пути и выходы из помещения, с этажа и из здания в целом, без учета применяемых в них средств пожаротушения и противодымной защиты. Для обеспечения пожаробезопасных условий необходимо проведение комплекса организационно-технических мероприятий. Они должны включать: - организацию пожарной охраны, организацию ведомственных служб пожарной безопасности; - паспортизацию веществ, материалов, изделий, технологических процессов, зданий и сооружений объектов в части обеспечения пожарной безопасности; - разработку и реализацию норм правил пожарной безопасности, инструкций о порядке обращения с пожароопасными веществами и материалами, о соблюдении противопожарного режима и действиях людей при возникновении пожара; - организацию обучения работающих правилам пожарной безопасности на производстве, а населения – в порядке, установленном правилами пожарной безопасности соответствующих объектов пребывания людей. Пожар – в области безопасности труда пожар характеризуется образованием опасных факторов пожара. Процесс, характеризующийся социальным и/или экономическим ущербом в результате воздействия на людей и/или материальные ценности факторов термического разложения и/или горения, развивающиеся вне специального очага, а также применяемых огнетушащих веществ. Система пожарной безопасности – комплекс организационных мероприятий и технических средств, направленных на предотвращение пожара и ущерб от него. Объект защиты – здание, сооружение, помещение, процесс, технологическая установка, вещество, материал, транспортное средство, изделия, а также их элементы и совокупности. В состав объекта защиты входит и человек. Устойчивость объекта при пожаре – свойство объекта предотвращать воздействие на людей и материальные ценности опасных факторов пожара и их вторичных проявлений. Источник зажигания – средство энергетического воздействия, инициирующее возникновение горения. Горючая среда – среда, способная самостоятельно гореть после удаления источника зажигания. Пожарная опасность объекта – под опасностью принимается возможность причинения ущерба опасными факторами пожара, в том числе их вторичными проявлениями. Предельно допустимое значение опасного фактора пожара – значение опасного фактора, воздействие которого на человека в течение критической продолжительности пожара не приводит к травме, заболеванию или отклонению в состоянии здоровья в течение нормативно установленного времени, а воздействие на материальные ценности не приводит к потере устойчивости объекта при пожаре. Критическая продолжительность пожара – время, в течение которого достигается предельно допустимое значение опасного фактора пожара в установленном режиме его изменения. Эвакуация людей при пожаре – вынужденный процесс движения людей из зоны, где имеется возможность воздействия на них опасных факторов пожара. Спасение людей при пожаре – действия по эвакуации людей, которые не могут самостоятельно покинуть зону, где имеется возможность воздействия на них опасных факторов пожара. План эвакуации при пожаре – документ, в котором указаны эвакуационные пути и выходы, установлены правила поведения людей, а также порядок и последовательность действий обслуживающего персонала на объекте при возникновении пожара. Пожарная профилактика - комплекс организационных и технических мероприятий, направленных на обеспечение безопасности людей, на предотвращение пожара, ограничение его распространения, а также создание условий для успешного тушения пожара. Система предотвращения пожара – комплекс организационных мероприятий и технических средств, направленных на исключение условий возникновения пожара. Пожарная безопасность – состояние объекта, при котором с установленной вероятностью исключается возможность возникновения и развития пожара и воздействия на людей опасных факторов пожара, а также обеспечивается защита материальных ценностей. Общие сведения о пожаротушении Пожаротушение – это комплекс мероприятий и действий, направленных на ликвидацию возникшего пожара. Поскольку для возникновения и развития процесса горения, приводящего к пожару, необходимы присутствие горючего вещества, окислителя, источника зажигания и непрерывный поток тепла от очага пожара к горючему материалу или в свежую горючую газовую смесь, для прекращения горения достаточно исключить какой-либо из указанных факторов. Следовательно, пожаротушение можно обеспечить: изоляцией очага горения от воздуха или снижением содержания кислорода в воздухе, что достигается разбавлением воздуха негорючими газами до концентрации кислорода, при которой не может происходить горение; охлаждением очага горения до определенных температур; интенсивным торможением (ингибированием) скорости химических реакций в пламени; механическим срывом пламени сильной струей газа или воды; созданием условий огнепреграждения, т.е. таких условий, при которых пламя распространяется через узкие каналы и при уменьшении сечения последних до установленной величины распространение пламени прекращается. Для создания этих условий применяют различные огнетушащие вещества и составы (называемые в дальнейшем средствами тушения0. В качестве средств тушения применяют: воду, подаваемую в очаг пожара сплошными или распыленными струями; воду с добавками (смачивателями, против замерзания и т.д.); пены (воздушно – механическую различной кратности, химическую); инертные газовые разбавители (диоксид углерода, азот, аргон, дымовые газы, водяной пар); галогеноуглеводороды (хладоны 13В1, 12В1, 114В2); порошки; комбинированные составы. Эффект воздействия всех существующих средств пожаротушения на горение зависит от физико – химических свойств горящих материалов, условий их горения и других факторов. Рассмотрим это подробно. Физико – химические свойства и особенности средств пожаротушения Вода. Является наиболее широко применяемым средством тушения пожаров различных веществ и материалов. К достоинствам воды, как средства тушения, относятся доступность, дешевизна, значительная теплоемкость, высокая скрытая теплота испарения, подвижность, химическая нейтральность и отсутствие ядовитости. Вода не только обеспечивает тушение многих объектов, но и, эффективно охлаждая их, защищает от возгорания соседние с горящим объекты. К недостаткам воды относятся сравнительно высокая температура замерзания, недостаточная в ряде случаев (например, при тушении тлеющих материалов) смачивающая способность, сравнительно высокая электропроводность (особенно в присутствии добавок против замерзания, смачивателей и др.), затрудняющая тушение установок под напряжением. Для понижения температуры замерзания в воду вводят антифризы (некоторые минеральные соли, гликоли). Чтобы повысить смачивающую способность воды, в нее вводят 0,5—2,0 % поверхностно-активных веществ (ПАВ) — сульфонаты, сульфонолы НП-1 и НП-3, смачиватели ДБ, НБ, ОП-7 и ОП-10, пенообразователи (ПО). Для уменьшения растекаемости в воду вводят добавки, повышающие ее вязкость (например, натрийкарбоксиметилцеллюлозу). Воду нельзя применять для тушения веществ, бурно реагирующих с ней с выделением тепла, горючих, а также токсичных и коррозионноактивных газов. К таким веществам относятся многие металлы и металлоорганические соединения, карбиды и гидриды металлов, раскаленные уголь и железо. Нефтепродукты и многие другие органические жидкости при тушении водой могут всплывать на ее поверхность, увеличивая площадь пожара. В этом случае целесообразно применять распыленную воду. Характер дробления воды (размер капель) должен подбираться с учетом температуры вспышки жидкости. Следует помнить, что при тушении водой масел и жиров могут происходить выброс или разбрызгивание горящих продуктов. Нельзя также применять для тушения горючих пылей сплошные струи воды во избежание образования взрывоопасной среды. В этом случае надо применять распыленную воду со смачивателем. Для определения возможности тушения водой (а также пенами и другими средствами на водной основе) веществ и материалов проводятся специальные испытания. Кратная сводка веществ и материалов, для тушения которых нельзя применять воду и составы на ее основе, приведена в таблице 1. Таблица 1. Вещества и материалы, для тушения которых нельзя применять воду и составы на ее основе Вещество или материал Характер взаимодействия с водой Алюминийорганические соединения, щелочные металлы Литийорганические соединения азид свинца, карбиды многих металлов, гидриды ряда металлов (А1, Zп, Мg) Серная кислота, термит, хлорид титана Гидросульфит натрия Реагируют со взрывом Битум, жиры, масла, петролатум Усиление горения, разбрызгивание, вскипание, выброс Разложение с выделением горючих газов Сильный экзотермический эффект Самовозгорание Пены. Широко используются при тушении пожаров на промышленных предприятиях, складах, нефтехранилищах и т. п. Пены представляют собой коллоидные системы, состоящие из пузырьков газа, окруженных пленками жидкости, и характеризуются агрегативной и термодинамической неустойчивостью. Для получения пен к воде добавляют ПО и пенопорошки, в качестве которых применяют некоторые природные и синтетические ПАВ. Кроме того, для повышения устойчивости, морозостойкости и других показателей вводят различные стабилизаторы и добавки. К достоинствам пен как средств тушения относятся: существенное сокращение расхода воды, возможность тушения больших площадей, повышенная (по сравнению с водой) смачивающая способность. Особенно важно то, что в отличие от большинства других средств при тушении пенами не требуется одновременное перекрытие всего зеркала горения (или большей его части), поскольку пена способна растекаться по поверхности горящего материала. Пены характеризуются кратностью, дисперсностью, вязкостью и т. д. Наиболее важной характеристикой является кратность пены, под которой понимают отношение объема пены к объему ее жидкой фазы. В зависимости от способа и условий получения огнетушащие пены подразделяются на химическую и воздушно-механическую различной кратности. Химическая пена образуется при взаимодействии растворов кислот и щелочей в присутствии ПО. Химическую пену применяют редко. Для получения воздушно-механической пены требуются специальная аппаратура и водные растворы ПО. Воздушно-механическая пена подразделяется на низкократную (кратность до 30), среднекратную (30— 200) и высокократную (> 200). Наиболее широкое применение находит пена средней кратности (70—150). Для получения воздушно-механических пен применяют следующие ПО: ПО-1 (ГОСТ 6948—81), представляющий собой раствор нейтрализованного керосинового контакта Петрова (натриевые соли сульфокислот) с добавками костяного клея и этанола или этиленгликоля, пригоден для тушения пожаров классов А и В (кроме полярных соединений); ПО-1Д (ТУ 3810799—81) — раствор алкиларилсульфоната (назначение см. ПО-1); П0-1с (ТУ 3820767—83) — это ПО-1Д с добавкой аль-гината натрия и спиртов фракции С10 — С12, пригоден для тушения пожаров классов А и В (в том числе для тушения этанола и других полярных веществ, в связи с большим расходом применяется редко); ПО-ЗАИ (ТУ 3810923—75) — раствор вторичных алкилсульфатов (назначение см. ПО-1), обладает пониженной коррозионной способностью; ПО-6К (ТУ 3810740) — раствор смеси натриевых солей сульфокислот (назначение см. ПО-1); ПО «ТЭАС» (ТУ 107127—82) — обладает биоразлагаемостью, можно использовать для тушения нефтепродуктов и твердых материалов (для пожаров классов А и В); ПО «САМПО» (ТУ 10950— 78) — обладает повышенной огнетушащей способностью, биоразлагаем, пригоден для тушения пожаров . классов А и В; ПО «Форэтол» (ТУ 6-02-780—86) — на основе фторированных ПАВ, пригоден для тушения пожаров класса В (в том числе полярных жидкостей — спиртов, эфиров и т. п.) без разбавления (в отличие от ПО-1С), характеризуется наиболее высокой огнетушащей способностью; ПО универсальный (ТУ 6-02-2-890—86) — на основе фторированных ПАВ, применяется при тушении различных, в том числе полярных, жидкостей. Концентрация раствора 10 %. Следует иметь в виду, что воздушномеханическая пена, полученная с использованием ПО на основе алкиларилсульфонатов, например натриевых солей сульфокислот (называемых в дальнейшем «обычными» ПО, в отличие от фторосодержащих), быстро разрушается на полярных органических жидкостях и поэтому не может применяться для их тушения. Для тушения полярных жидкостей следует применять пену, получаемую при помощи ПО на основе фторированных ПАВ («форэтол», универсальный). Нормативную интенсивность подачи пены при тушении жидких горючих в резервуарах устанавливают по зависимости: Jн=2,3 Iкр (1) где Iкр — критическая интенсивность, определяемая из опыта. Минимальная интенсивность подачи растворов ПО передвижными средствами тушения пожаров класса В составляет [в кг/(м2с)]: 0,08— ПО-1, ПО-1Д, ПО-6К, ПО-ЗАИ, ПО «ТЭАС»; 0,05 — ПО «Сампо», 0,3—ПО- 1с (при тушении эталона); 0,15—ПО «ФОРЭТОЛ» и ПО универсальный при тушении эталона и других полярных жидкостей и 0,05 — для других ЛВЖ. При устройстве стационарных (в том числе автоматических) установок тушения воздушно-механической пеной нормативная интенсивность подачи раствора ПО (согласно СНиП 2.04.09—84) в зависимости от условий составляет 0,08—0,4 кг/(м2с). Инертные разбавители. В качестве инертных разбавителей используют газообразные диоксид углерода, азот, аргон, дымовые газы, водяной пар. Горение большинства веществ прекращается при снижении содержания кислорода в атмосфере защищаемого объема до 12- 15% (об.). Для веществ, характеризуемых широкой концентрационной областью распространения пламени (водород, ацетилен, диборан и др.), металлов, тлеющих материалов предельное содержание кислорода составляет 5 % и ниже. Наиболее широкое применение из указанных газообразных разбавителей находит диоксид углерода. Его используют в стационарных установках (объемного тушения), в ручных (ОУ-2, ОУ-5, ОУ-8) и возимых (УП-2М) огнетушителях. Особенностью диоксида углерода является его способность при дросселировании образовывать хлопья «снега». При поверхностном тушении «снежным» диоксидом углерода его разбавляющее действие дополняется охлаждением очага горения. Если нельзя применять диоксид углерода (например, при горении металлов и некоторых других веществ), используют азот или аргон. Аргон применяют тогда, когда имеется опасность образования взрывчатых нитридных соединений (например, нитридов некоторых металлов). Огнетушащая концентрация диоксида углерода для большинства горючих веществ составляет от 20 до 40 %. Нормативная величина расхода СО2 при объемном тушении составляет 0,7 кг на 1 м3 защищаемого помещения; при расчете установок пожаротушения эту величину умножают на коэффициент К2, учитывающий вид горючего. Требуемый для стационарных установок объемного тушения запас диоксида углерода т рассчитывают по формуле (в кг) m=1,1К2 [К3 (А1+30А2)+0,7V], (2) где Кз — коэффициент, учитывающий утечку С02 через неплотности (принят равным 0,2 кг/м2); А1 и А2— суммарные площади ограждающих конструкций и открытых проемов соответственно, м2; V — объем помещения, м3. Время подачи С02 по нормам принимают от 60 до 120 с. Диоксид углерода (как и многие другие средства) недостаточно эффективен при тушении глубинных пожаров тлеющих материалов. Для тушения таких материалов целесообразно добавлять к С02 хладоны (см. ниже). Небольшие добавки СО2 [до 6 % (об.)] к азоту позволяют существенно повысить эффективность последнего при объемном тушении щелочных металлов. Хладоны. Хладоны - это товарное наименование предельных галогенуглеводородов, в молекулах которых обязательно имеются атомы фтора, а также могут быть все остальные галогены (ранее назывались фреонами). Для пожаротушения используют обычно бромсодержащие, а также бромхлоросодержащие хладоны. Основу хладонов, применяемых для пожаротушения, составляют алканы с числом атомов углерода от 1 до 3. По принятой в РФ номенклатуре хладоны обозначают следующим образом: первая цифра — число атомов углерода в молекуле минус единица, вторая — число атомов водорода плюс единица, третья — число атомов фтора; бром (а также иод) обозначают буквой В (или I) и цифрой, соответствующей числу атомов Вг (или I); число атомов хлора определяется по числу оставшихся в молекуле незаполненных (свободных) связей. Например, дифторхлорбромметан (СF2С1Вг) обозначается как хладон 12В1. Хладоны в отличие от водо-пенных средств и инертных разбавителей являются ингибиторами горения, т. е. веществами, способными активно вмешиваться в химические процессы, тормозя их. Наиболее эффективно хладоны тормозят горение органических веществ (нефтепродуктов, растворителей и др.) и значительно слабее тормозят горение водорода, аммиака и некоторых других веществ. Хладоны неприемлемы для тушения металлов, многих металлоорганических соединений, некоторых гидридов металлов, а также тогда, когда окислителем при пожаре является не кислород, а другие вещества (например, галогены, оксиды азота). Механизм огнетушащего действия хладонов заключается в торможении цепного процесса, происходящего при горении, что обусловлено связыванием активных центров (преимущественно атомов водорода). Физико-химические свойства хладонов, наиболее широко применяемых для пожаротушения, даны в таблице 2. Таблица 2. Физико – химические свойства пожаротушащих хладонов Физико-химические свойства СF3Br С2F4Br2 СF2CIBr Номер хладона 13В1 114В2 12В1 Молекулярная масса 148,93 259,89 165,4 Температура, 0С: Кипения -57,8 47,5 -4,0 замерзания -168,0 -110,5 -160,5 1480 38 266 Давление пара при 20 С кПа Плотность жидкости, г/см3 1,575 2,18 1,83 Плотность пара кг/м3 6,2 10,9 6,9 160 762 520 Вязкость при 20 С, Па с/м2 659 542 Не опред Температура самовоспл., С Огнетушащая концентрация для 220-250 195-220 255 нефтепродуктов, кг/м3 (% об) (1,9-2,2) (3,0-3,1) (3,5) Как следует из данных табл. 2, по огнетушащей способности хладоны 114В2 и 13В1 близки, а хладон 12В1 несколько уступает им. Хладоны используют в основном в установках объемного тушения и флегматизации, а также в ручных огнетушителях. Возможность применения хладонов в качестве средств объемного тушения и флегматизации обусловлена легкостью образования газовой фазы, высокой плотностью паров, хорошими диэлектрическими свойствами, низкими температурами замерзания и др. Хладоны обладают сравнительной низкой коррозионной активностью и умеренной токсичностью (особенно хладон 13В1, относящийся к наименее вредным веществам группы 6). Для огнетушителей используют хладоны 114В2 и 12В1. Хладон 13В1 применяют в качестве пропеллента (например, в огнетушителях типа ОАХ0,5). Хладоны 13В1, 114В2 и 12В1 относятся к трудногорючим веществам, поскольку способны самовоспламеняться в воздухе (при температурах выше ~550—600 °С), но не имеют пределов распространения пламени. Самовоспламенение хладонов наблюдалось лишь в специальных опытах, и потому практически их следует считать негорючими. Следует помнить, что в кислороде пары хладона 114В2 становятся горючими, имеющими пределы распространения пламени. Хладоны успешно используют для защиты вычислительных центров, окрасочных отделений и камер, музеев, архивов, машинных залов и т. д. Масса т хладона 114В2, требуемая для расчета систем объемного тушения, определяется по формуле (в кг) m= VqnK+m1+m2+m3 (3) где V—объем помещения, м3; qп — нормативная огнетушащая концентрация, равная 0,37 кг/м3 для помещений категорий А и Б по пожароопасности и 0,22 кг/м3 — для категории В; К — коэффициент, учитывающий потери хладона в трубопроводах и в результате утечек (принимается равным 1,2 для помещений, 1.1 для подполий); т1 —остаток хладона в баллонах, кг;  — число баллонов; т.2 — остаток хладона в распределительных трубопроводах (для кабельных подполий), кг; тз — остаток хладона в коллекторе, кг. По СНиП 2.04.09—84 время подачи хладонов в зависимости от категории помещения по пожаро- и взрыве-опасности принято от 60 до 120 с/ Необходимо отметить, что результатами специальных исследований оптимальное время установлено равным 19 с. Такая продолжительность подачи хладонов при объемном тушении хорошо согласуется с последними зарубежными нормами. Порошки. Огнетушащие порошки представляют собой мелкоизмельченные минеральные соли с различными добавками, препятствующими слеживанию и комкованию. В качестве основы для огнетушащих порошков используют фосфорноаммонийные соли (моно-, диаммонийфосфаты, аммофос), карбонат и бикарбонат натрия, хлориды натрия и калия и др. В качестве добавок — кремнийорганические соединения (например, аэросил АМ-1-300), стеараты металлов, нефелин, тальк и др. Эти порошки обладают высокой огнетушащей способностью и обеспечивают, например, тушение пожаров класса В на большой площади в течение нескольких секунд. К достоинствам порошков также относятся: возможность их применения для тушения пожаров любых классов (которые невозможно тушить водой и другими средствами, например металлы), разнообразие способов пожаротушения (стационарные установки, огнетушители, автомобили, флегматизация, взрывоподавление), возможность тушения электрооборудования под напряжением и др. Механизм огнетушащего действия порошков заключается в ингибировании горения в результате связывания активных центров цепных реакций, протекающих в пламени. Происходит либо гетерогенная рекомбинация этих центров на поверхности порошков, либо гомогенное взаимодействие газообразных продуктов возгонки порошков с активными центрами. Огнетушащая способность порошков зависит не только от химической природы порошков, но и от степени их измельчения. Чем мельче частицы порошков, тем больше их поверхность и тем выше их эффективность. Но возможность приготовления и применения очень тонких порошков ограничена. Оптимальный размер порошков общего назначения (ПСБ, ПФ, ПГС и т. п.) составляет 40—80 мкм. Порошки храпят в специальных упаковках, предохраняя их от увлажнения, и подают в очаг горения сжатыми газами. Порошки не обладают токсичностью, мало агрессивны, сравнительно дешевы, удобны в обращении. Основные сведения о применяемых в нашей стране порошках приведены в таблице 3 (кроме указанных порошков для тушения некоторых веществ класса D применяют порошок фторида кальция. Таблица 3. Основные сведения об огнетушащих порошках Порошок Область применения Огнетуша(марка) Основной компонент (классы пожаров) Щая способНость, кг/м3 ПСБ-3 Бикарбонат натрия ВСЕ 1,6 ПФ Диаммоний фосфат АВСЕ 1,4 ПС Карбонат натрия D 40 П-2АП Аммофос АВСЕ 1,8 Пирант А » АВСЕ 1,8 ПГС-М Смесь хлоридов ВСD 26D калия и натрия 1,4ВС СИ-2 РС МГС Силикагель, насыщен D (металлорганичесный хладоном 114В2 кие соединения, гидриды металлов Графит, вспучиваюD (сплав калия и щийся при нагреве натрия) Графит с пониженD (для натрия и ной плотностью лития) 20-32D 0,2В 6,0-9,0 3,0-10,0 Комбинированные составы. Комбинированные — это огнетушащие составы, в которых сочетаются свойства различных огнетушащих средств. Наиболее эффективными являются такие составы, которые представляют собой комбинации носителя с сильным ингибитором горения. К ним относятся, например, водно-хладоновые эмульсии и комбинации воздушномеханической пены с хладонами. К комбинированным можно отнести также порошок СИ-2. Для объемного тушения разработаны азотно-хладоновый и углекислотно-хладоновый составы, обеспечивающие 4—5-кратное снижение удельного расхода дорогостоящих и дефицитных бром-хладонов. Особенно перспективен состав, содержащий 85 % (масс.) СО2 и 15 % (масс.) хладона 114В2. Этот состав рекомендуется СНиП 2.04.09—84. К его достоинствам относится взаимная растворимость компонентов при указанных соотношениях в конденсированной фазе (под давлением). При этом обеспечивается возможность хранения состава в одном баллоне, что значительно упрощает и удешевляет его применение. Расчетная масса состава т определяется по формуле (в кг) т=КVqn где К — коэффициент, учитывающий негерметичность помещения; V — объем помещения, м3; qn — норма подачи, равная 0,27 кг/м3 при т=30 с и 0,4 кг/м3 при т=60 с. Для объемного тушения в помещениях с натрием разработан комбинированный состав, содержащий 94 % (об.) азота и 6 % (об.) диоксида углерода. Добавка диоксида углерода к азоту обусловливает снижение пирофорности натрия (увеличение его температуры самовоспламенения) и увеличение огнетушащей способности азота. Лекция 15 Огнестойкость строительных конструкций. Степени огнестойкости зданий, сооружений и пожарных отсеков. Категории помещений и зданий по взрыврпожароопасности и пожарной опасности. Система и устройства пожарной сигнализации. Требования к установкам пожарной сигнализации. Основные технические характеристики пожарных извещателей. Под огнестойкостью конструкций зданий и сооружений понимают способность их сохранять несущие и (или) ограждающие функции при пожаре. Предел огнестойкости конструкции определяется временем (в часах) от начала стандартного огневого испытания до наступления предельного состояния по огнестойкости, которое непосредственно предшествует моменту или проявляется в момент утраты конструкцией несущих и (или) ограждающих функций вследствие воздействия опасных факторов пожара. Пределы огнестойкости устанавливают опытным или расчетным путем. Испытание строительных конструкций на определение пределов огнестойкости заключается в установлении времени от начала испытания до наступления предельного состояния при заданных тепловом воздействии, давлении, нагрузках и способах опирания. Предельное состояние характеризуется потерей несущей способности конструкций и узлов (деформация, обрушение), образованием трещин и сквозных отверстий или повышением температуры на необогреваемой поверхности более чем на 160ºС. При определении предела огнестойкости конструкции расчетным методом огневые испытания не проводятся. Для этого разработаны инструкции по расчету фактических пределов огнестойкости железобетонных изгибаемых конструкций, колонн, стен, а также алгоритм решения типовых задач с помощью ЭВМ. Предел распространения огня – одна из характеристик пожарной опасности строительной конструкции, определяемая размерами повреждений зоны образца от границы зоны нагрева до наиболее удаленной точки повреждения (для вертикальных конструкций – вверх, для горизонтальных – в каждую сторону). Результаты измерений округляют до 1 см в большую сторону. Предел распространения огня по конструкциям допускается принимать равным нулю, если размер повреждения образца в контрольной зоне для вертикальных конструкций не превышает 5 см, для горизонтальных – 3. Для измерения размеров повреждения слоистых конструкций обследуют все слои путем их вскрытия. Сущность метода испытаний строительных конструкций на распространение огня заключается в определении размера повреждения конструкции вследствие ее горения за пределами зоны нагрева – в контрольной зоне. Распространение огня определяют на основании испытаний образцов на специальных огневых печах. Размеры образцов ограждающих конструкций составляют не менее 2×2 м. Длина образцов стержневых конструкций должна обеспечивать возможность их крепления, а влажность материалов образцов динамически уравновешиваться с влажностью окружающей среды при относительной влажности 60 ± 15 % и температуре 20 ± 10 ºС. Образцы с ребрами и выступами располагают на печи так, чтобы они не препятствовали распространению огня. Размер контрольной зоны – не менее 0,75 м. Испытания образцов конструкций на распространение огня проводят при его локальном воздействии по режиму, установленному СТ СЭВ 1000 – 78. Предел распространения огня по несущим конструкциям (перекрытия, покрытия, колонны и др.) определяют, как правило, при испытании ненагруженных образцов. Повреждение слоев пароизоляции толщиной менее 2 мм не учитывают. Степени огнестойкости зданий, сооружений и пожарных отсеков Здания, сооружения, а также их части, выделенные противопожарными стенами с пределами огнестойкости 2,5 ч (пожарные отсеки), подразделяются по степеням огнестойкости. Степень огнестойкости зданий определяется минимальными пределами огнестойкости строительных конструкций и максимальными пределами распространения по ним огня. К строительным конструкциям, по которым определяется степень огнестойкости здания, относятся: стены (несущие, лестничных клеток, самонесущие, наружные несущие и из навесные панелей, внутренние ненесущие перегородки); колонны; лестничные площадки, косоуры, ступени, балки и марши лестничных клеток; плиты, настилы и другие несущие конструкции перекрытий; плиты, настилы, прогоны, балки, фермы и рамы покрытий. К Ι степени огнестойкости относятся здания с несущими и ограждающими конструкциями из естественных или искусственных каменных материалов, бетона или железобетона с применением листовых и плитных негорючих материалов. Ко ΙΙ степени огнестойкости относятся здания с несущими и ограждающими конструкциями из естественных или искусственных каменных материалов бетона или железобетона с применением листовых и плитных негорючих материалов. В покрытиях зданий допускается применять незащитные стальные конструкции. К ΙΙΙ степени огнестойкости относятся здания с несущими и ограждающими конструкциями из естественных или искусственных каменных материалов бетона или железобетона. Для перекрытий допускается использование деревянных конструкций, защищенных штукатуркой или трудногорючими листовыми, а также плитными материалами. К элементам покрытий не предъявляются требования по пределам огнестойкости и пределам распространения огня, при этом элементы чердачного покрытия из древесины подвергаются огнезащитной обработке. Таблица 1 – Минимальные пределы огнестойкости, ч (числитель) и максимальные пределы распространения огня, см (знаменатель) строительных конструкций в зависимости от степени огнестойкости здания Строительные конструкции Стены: несущие и лестничных клеток самонесущие наружные ненесущие (в том числе из навесных панелей) внутренние ненесущие (перегородки) Колонны Лестничные площадки, косоуры, ступени, балки и марши лестничных клеток Плиты, настилы (в том числе с утеплителем) и другие несущие конструкции перекрытий Элементы покрытий: плиты, настилы (в том числе с утеплителем) и прогоны балки, фермы, арки, рамы Ι ΙΙ ΙΙΙ ΙΙΙа ΙΙΙб ΙV IVа 2,5/0 2/0 2/0 1/0 1/40 0,5/40 0,5/40 1,25/0 1/0 1/0 0,5/0 0,5/40 0,25/40 0,25/40 0,5/0 0,25/0 0,25/0 или 0,5/40 0,25/40 0,25/0 или 0,5/40 0,25/40 0,25/н.н. 0,5/0 0,25/0 0,25/40 0,25/40 0,25/40 0,25/40 0,25/40 2,5/0 2/0 2/0 0,25/0 1/40 0,5/40 0,25/0 1/0 1/0 1/0 1/0 0,75/0 0,25/25 0,25/0 1/0 0,75/0 0,75/25 0,25/0 0,75/25 0.25/25 0,25/0 0,5/0 0,25/0 н.н./н.н. 0,25/25 0,25/0 н.н./н.н. 0,25/н.н. 0,5/0 0,25/0 н.н./н.н. 0,25/0 0,75/ 20(40) н.н./н.н. 0,25/0 Примечания: 1. Для зданий V степени огнестойкости пределы огнестойкости и пределы распространения огня не нормируются. 2. Сокращение н. н. означает, что показатели не нормируются. 3. В скобках в знаменателе приведены пределы распространения огня для вертикальных и наклонных участков конструкций. 4. Пределы огнестойкости самонесущих стен, учитываемых при расчете жидкости и устойчивости здания, следует принимать как для стен несущих и лестничных клеток. 5. В зданиях II степени огнестойкости производственного и складского назначения допускается применять колонны с пределом огнестойкости 0,75 ч. 6. В зданиях Ι и ΙΙ степени огнестойкости допускается применять перегородки из гипсокартонных листов с Каракасом из негорючих материалов с пределами огнестойкости не менее соответственно 1 и 0,5 ч. При этом в общих коридорах, лестничных клетках, вестибюлях, холлах и фойе указанные перегородки не допускается окрашивать горючими красками. К ΙΙΙа степени огнестойкости относятся здания преимущественно с каркасной конструктивной схемой. Элементы каркаса – из стальных незащищенных конструкций; ограждающие конструкции – из стальных полированных листов или других негорючих листовых материалов с трудногорючим утеплителем. К ΙΙΙб степени огнестойкости относятся здания преимущественно одноэтажные с каркасной конструктивной схемой. Элементы каркаса – из цельной или клееной древесины, подвергнутой огнезащитной обработке, обеспечивающей требуемый предел распространения огня; ограждающие конструкции – из панелей или поэлементной сборки, выполненные с применением древесины или материалов на ее основе. Древесина и другие горючие материалы ограждающих конструкций подвергаются огнезащитной обработке или защищаются от воздействия огня и высоких температур, чтобы обеспечить требуемый предел распространения огня. К IV степени огнестойкости относятся здания с несущими и ограждающими конструкциями из цельной или клееной древесины и других горючих или трудногорючих материалов, защищенных от воздействия огня и высокий температур штукатуркой или другими листовыми либо плитными материалами. К элементам покрытий не предъявляются требования по пределам огнестойкости и пределам распространения огня. При этом элементы покрытия из древесины подвергаются огнезащитной обработке. К IVа степени огнестойкости относятся здания преимущественно одноэтажные с каркасной конструктивной схемой. Элементы каркаса – из стальных незащищенных конструкций; ограждающие 0 конструкции – из стальных профилированных листов или других негорючих материалов с горючим утеплителем. К V степени огнестойкости относятся здания, к несущим и ограждающими конструкциям которых не предъявляются требования по пределам огнестойкости и пределам распространения огня. В случаях, когда минимальные пределы огнестойкости установлены 0,25 ч, допускается применять незащитные стальные конструкции, а в труднодоступных местах строительства – наружные ограждающие конструкции из алюминиевых листов независимо от их фактического предела огнестойкости. В зданиях всех степеней огнестойкости допускается применение гипсокартонных листов (ГОСТ 6266 – 81) для облицовывания металлических конструкций с целью повышения их предела огнестойкости (СНиП 2.01.02 - 85). Категории помещений и зданий по взрыврпожароопасности и пожарной опасности Для установления нормативных требований по обеспечению взрыврпожарной и пожарной безопасности помещений и зданий в отношении планировки и застройки, этажности, площадей, конструктивных решений и инженерного оборудования руководствуются категориями помещений и зданий. Категории помещений и зданий подведомственных предприятий и учреждений определяются министерствами и ведомствами, а также технологами проектных организаций на стадии проектирования зданий и сооружений в соответствии с ведомственными нормами технологического проектирования или специальными перечнями, утвержденными в установленном порядке. Категории устанавливаются для наиболее неблагоприятного в отношении пожара или взрыва периода, исходя из вида находящихся в помещениях горючих веществ и материалов, их количества и пожароопасных свойств, особенностей технологических процессов. Пожароопасные свойства веществ и материалов определяется на основании результатов испытаний или расчетов с учетом параметров состояния (давления, температуры и т. п.). Допускается использование справочных данных, опубликованных в научно-технической литературе, издаваемой министерствами и ведомствами, а также показателей пожарной опасности для смесей веществ и материалов по наиболее опасному компоненту. По взрыврпожароопасности и пожарной опасности помещения и здания подразделяются на категории А, Б, В, Г и Д. К категории А относятся помещения, в которых находятся (обращаются) горючие газы или легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28 ºС в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа, а также вещества и материалы, способные гореть и взрываться при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом, в таком количестве, что расчетное избыточное давление взрыва в помещении превышает 5 кПа. Здание относится к категории А, если в нем суммарная площадь помещений категории А превышает 5% площади всех помещений, или 200 м2. Допускается не относить здание к категории А, если суммарная площадь помещений этой категории в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 1000 м2), и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения. К категории Б относятся помещения, в которых находятся (обращаются) горючие пыли или волокна, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки более 28 ºС или горючие жидкости в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные пыле- или парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа. Здание относится к категории Б, если одновременно выполнены два условия: здание не относится к категории А и суммарная площадь помещений категории А и Б превышает 5% суммарной площади всех помещений, или 200 м2. Допускается не относить здание к категории Б, если суммарная площадь помещений категорий А и Б в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 1000 м2), и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения. К категории В относятся помещения, в которых находятся (обращаются) горючие и трудногорючие жидкости, твердые горючие (в том числе пыль и волокна) и трудногорючие вещества и материалы, а также вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха ил друг с другом гореть только при условии, что помещения, в которых они находятся или обращаются, не относятся к категориям А и Б. Здание относится к категории В, если одновременно выполнены два условия: здание не относится к категориям А и Б и суммарная площадь помещений категорий А, Б и В превышает 5% суммарной площади всех помещений (10%, если в здании нет помещений категорий А и Б). Допускается не относить здание к категории В, если суммарная площадь помещений категории А, Б и В в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 3500 м2), и помещения категорий А, Б и В оборудуются установками автоматического пожаротушения. К категории Г относятся помещения, в которых находятся (обращаются) негорючие вещества или материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистой теплоты, искр и пламени, а также горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива. Здание относится к категории Г, если одновременно выполнены два условия: здание не относится к категориям А, Б и В и суммарная площадь помещений категорий А, Б, В и Г превышает 5% суммарной площади всех помещений. Допускается не относить здание к категории Г, если суммарная площадь помещений категории А, Б, В и Г в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 5000 м2), и помещения категорий А, Б и В оборудуются установками автоматического пожаротушения. К категории Д относятся помещения, в которых находятся (обращаются) негорючие вещества или материалы в холодном состоянии. Здание относится к категории Д, если оно не относится к категориям А, Б, В и Г. Система и устройства пожарной сигнализации. Требования к установкам пожарной сигнализации. На каждом объекте должна быть предусмотрена телефонная или радиосвязь для вызова пожарной охраны. С пожарной частью, непосредственно охраняющей строящийся объект, устанавливают прямую телефонную связь. На видных местах территории строительства и в помещениях необходимо вывешивать знаки и таблички с указанием места нахождения ближайшего телефона. Около каждого телефона (радиостанции) устанавливают табличку о порядке вызова пожарной охраны, памятку о действиях работающих на случай пожара, список боевых расчетов ДПД. Для подачи сигнал тревоги строительные площадки оборудуются средствами оповещения и автоматической пожарной сигнализации. К средствам оповещения относятся звуковые сигналы (колокол, сирена и т. п.) Около этих сигналов должны быть вывешены надписи «Пожарный сигнал» и список боевого расчета ДПД. Рисунок 1 – Указательный знак пожарного гидранта: ПГ – пожарный гидрант; 40 – номер пожарного гидранта; Ø 150 – внутренний диаметр водопровода; ВК – водопровод кольцевой; цифры возле стрелок обозначают расстояние, м, от указателя до гидранта: «вправо «→», влево «←», вперед «↑», назад «↓». Автоматической пожарной и охранно-пожарной сигнализацией на новостройке должны оборудоваться столовые для строителей площадью 300 м2 и более, а также временные бытовые, административные, складские и производственные помещения (сооружения). Рисунок 2 – Указательный знак пожарного водоема: ПВ – пожарный водоем; 300 м3 – емкость водоема; 2 авт. – количество пожарных автомобилей, которые могут быть одновременно установлены на площадке у водоема. Сигнал от приемной станции выводится на фасад защищаемого сооружения или в помещение сторожевой охраны. Для обеспечения круглосуточной работы пожарных извещателей при совмещенной охраннопожарной сигнализации (ОПС) датчики пожарной сигнализации должны прокладываться отдельным шлейфом при многолучевом приборе ОПС или выводиться на отдельный однолучевой прибор. Основные технические характеристики пожарных извещателей. Применение автоматических средств обнаружения пожаров является одним из основных условий обеспечения пожарной безопасности в машиностроении, так как позволяет оповестить дежурный персонал о пожаре и месте его возникновения. Пожарные извещатели преобразуют неэлектрические физические величины (излучение тепловой и световой энергии, движение частиц дыма) в электрические, которые в виде сигнала определенной формы направляются по проводам на приемную станцию. По способу преобразования пожарные извещатели подразделяют на параметрические, преобразующие неэлектрические величины в электрические с помощью вспомогательного источника тока, и генераторные в которых изменение неэлектрической величины вызывает появление собственной ЭДС. Извещатели пожара делят на приборы ручного действия, предназначенные для выдачи дискретного сигнала при нажатии соответствующей пусковой кнопки, и автоматического действия для выдачи дискретного сигнала при достижении заданного значения физического параметра (температуры, спектра светового излучения, дыма и др.). В зависимости от того, каков из параметров газовоздушной среды вызывает срабатывание пожарного извещателя, они бывают: тепловые, световые, дымовые, кобминированные, ультразвуковые. По исполнению пожарные извещатели делят на нормального исполнения, взрывобезопасные, искробезопасные и герметичные. По принципу действия - максимальные (реагируют на абсолютные величины контролируемого параметра и срабатывают при определенном его значении) и дифференциальные (реагируют только на скорость изменения контролируемого параметра и срабатывают только при ее определенном значении). Лекция 16 Тепловые пожарные извещатели. Дымовые пожарные извещатели. Извещатели пламени. Газовые пожарные извещатели. Комбинированные пожарные извещатели Простота изготовления тепловых ПИ и предопределила их большое распространение, и особенно у нас в России. Первый автоматический ПИ был разработан в 60-годах и это был тепловой максимальный ПИ ДТЛ. Он состоял из двух проводников, спаянных специальным сплавом (сплав Вуда был разработан еще в конце 18 века), разрушающимся под воздействием температуры и вследствие этого размыкающим электрический контакт. Поскольку сплав разрушался, то ДТЛ необходимо было менять после срабатывания. Другой разработкой был ИП105-2/1, использующий геркон с герметизированными контактами и двумя кольцевыми магнитами. При повышении температуры магниты теряют свои свойства, что приводит к переключению геркона и размыканию электрической цепи. Применение геркона позволило сделать ПИ многоразовым, в отличие от ДТЛ. Надо иметь в виду, что эффективность тепловых ПИ сама по себе крайне низкая, о чем мы скажем дальше. А эффективность максимального извещателя даже в рамках тепловых ПИ самая низкая, поскольку такой ПИ обеспечивает выдачу сигнала Пожар только при достижении температуры некоторого порога (температуры срабатывания). Для большинства отечественных датчиков этот порог составляет 70 ÷ 72 °С. Согласно НПБ 85-2000 "Извещатели пожарные тепловые. Технические требования пожарной безопасности. Методы испытаний" такие ПИ рассчитаны на работу в помещениях с условно нормальной температурой 35°С. Дифференциальный или максимально-дифференциальный ПИ более эффективен, поскольку он способен обеспечить выдачу тревожного сигнала на более ранней стадии развития пожара при условии наличия быстрого повышения температуры. Однако наличие двух термоэлементов (один на плате, один вынесен как можно дальше) и необходимость обработки сигналов от них вызывает определенное удорожание ПИ. Определенной вехой в истории развития тепловых ПИ стало появление линейных тепловых извещателей. Основное преимущество линейных ПИ это возможность защиты одним сенсором протяженного пространства. Наиболее простым вариантом такого ПИ является термокабель с двумя проводниками, изолированными слоем материала, разрушающегося под действием температуры. В месте возникновения локального перегрева термокабеля изолированные проводники замыкаются, что регистрируется блоком обработки. За исключением возможности контроля протяженного пространства, термокабель такого типа не имеет преимуществ перед обыкновенными точечными максимальными ПИ. Более широкие возможности дает термокабель, проводники которого выполнены из специального материала, сопротивление которого зависит от температуры. В данном ПИ блок обработки постоянно измеряет сопротивление проводников термокабеля и обрабатывает полученную информацию в соответствии с заданным алгоритмом. Такие ПИ имеют ряд преимуществ по сравнению с рассмотренными ранее. Во-первых, возможность установки алгоритма работы в блоке обработки (который может быть установлен вне зоны контроля). Во-вторых, наличие так называемого коммулятивного (суммирующего) действия, что позволяет суммировать значения по длине отрезка кабеля, подвергнувшегося нагреву. Особую актуальность коммулятивное действие приобретает на больших высотах. Действительно, теплая струя воздушного потока, от источника возгорания поднимаясь вверх, на высотах около 10 м начинает значительно расширяться из-за смешивания теплого воздуха с более холодным. При этом падает температура восходящей струи, но увеличивается площадь воздушного потока, что делает применение точечных максимальных ПИ неэффективным. При использовании же рассматриваемого термокабеля, каждая его точка прогревается слабее, но на большей длине. И абсолютное изменение сопротивления кабеля остается достаточным для возможности обнаружения очага пожара. Таким образом, высота установки рассматриваемого ПИ оказывает меньшее влияние на его способность обнаружения, чем на точечные тепловые ПИ. Аналогичными возможностями обладают многоточечные и термобарометрические тепловые ПИ. Многоточечные ПИ представляют собой совокупность точечных ПИ (например, термопар), расположенных в единой электрической цепи, сигнал от которых суммируется и поступает на блок обработки. Термобарометрические ПИ состоят из металлической трубки запаянной с одного конца и подсоединенной другим концом к блоку обработки. В этом случае блок обработки содержит датчик давления. При нагреве трубки давление в ней повышается. Информация об измеренном давлении обрабатывается в соответствии с заложенным алгоритмом, и, при определенных условиях, блок обработки выдает тревожный сигнал. Применение тепловых ПИ имеет смысл только тогда, когда наиболее вероятным признаком возникновения пожара является выделяющееся тепло. В нашей стране исторически сложилось, что самым применяемым является тепловой максимальный одноразовый ПИ, что обусловлено только одним крайне привлекательной ценой. Точно также использование линейного теплового ПИ в кабель-каналах и в подвесном потолке будет оправдано, если термокабель будет буквально опутывать провода. Иначе линейный ПИ не дает принципиальных преимуществ по отношению к точечным максимальнодифференциальным. Само собой, что в таких случаях говорить о какой-либо эффективности систем обнаружения не приходится. Во всем мире уже давно понятие эффективности системы неразрывно связывают с применяемыми ПИ. Поэтому использование столь любимых у нас тепловых ПИ с порогом 70 ÷ 72 °С может рассматриваться только для таких помещений, в которых применение других типов ПИ невозможно в виду наличия внешних факторов, способных вызвать их ложное срабатывание. Примером может служить котельная, где дифференциальный канал может давать ложные срабатывания в виду возможных колебаний температур, а более низкий порог использовать нельзя из-за высокой температуры в помещении. Если говорить о тенденциях развития тепловых ПИ на нашем рынке, то можно констатировать, что пока еще медленно, но уже наметился переход к максимально-дифференциальным и линейным тепловым ПИ. В современных мировых ПИ явно наметилась интеллектуализация ПИ и применение цифровой обработки, когда работа осуществляется с одним термоэлементом. При этом дифференциальный канал обеспечивается сравнением текущего значения со значением, хранимым в памяти ПИ, а скорость изменения определяется по встроенному таймеру. Дымовые пожарные извещатели На сегодняшний во всем мире основным признаком возгорания, который обеспечивает ранее обнаружение, является дым, поскольку в подавляющем большинстве на первой стадии пожара происходит тление материала, сопровождающееся задымлением, а лишь затем образуются открытые очаги пламени и, следовательно, выделение тепла. Это привело к тому, что дымовые ПИ являются самыми распространенными ПИ во всем мире. К сожалению, в России до сих пор самым массовым пока еще является тепловой ПИ, что в основном определяет огромное число пожаров по сравнению с европейскими странами. Рассмотрим, какие типы дымовых ПИ существуют и как они работают. Исторически сложилось, что первым дымовым ПИ был точечный ионизационный радиоизотопный извещатель, который содержит источник радиоактивного излучения со сверхнизким уровнем излучения, ниже фонового значения. Обычно в качестве источника используется изотоп америция-241. За счет ионизации молекул воздуха и наличия электрического поля в дымовой камере обеспечивается направленный поток заряженных частиц (электрический ток). Попадание частиц дыма внутрь приводит к уменьшению величины тока, что и фиксируется схемой обработки. Из отечественных ПИ хорошо известны РИД-1 и РИД-6М. На сегодняшний день в России производство радиоизотопных ПИ прекращено полностью. Другим типом дымового ПИ является оптико-электронный дымовой извещатель, который использует оптический эффект рассеяния инфракрасного излучения на частицах дыма. Это самый распространенный тип извещателей: более 80% дымовых извещателей работают на этом принципе. А у нас в стране и все 95%. Внутри дымовой камеры (Рис.1) расположены ИК излучатель и приемник, принимающий ИК-сигнал, отраженный от частиц дыма. При этом конструкция дымовой камеры и расположение ИК передатчика и приемника рассчитываются специально, чтобы излучение светодиода в нормальных условиях практически не попадало на фотоприемник. В случае появления в воздухе частиц дыма они попадают в оптическую камеру. Чем выше концентрация этих частиц, тем больше излучения отражается от них и попадает на приемник. При достижении определенной оптической плотности среды (определенной концентрации дыма) в дымовой камере, сигнал на выходе приемника Uвых возрастает до некоторого порогового значения (Uпож) и ПИ фиксирует возгорание в контролируемом помещении (рис. 2). а) Корпус дымовой камеры б) Крышка дымовой камеры Рис.3 - Внешний вид дымовой камеры Рис.4 - Величина сигнала приемника Все крупные производители ПИ уделяют огромное внимание дымовой камере, поскольку именно она определяет основные характеристики ПИ и степень совершенства ПИ в целом. При разработке всегда приходится учитывать, как минимум, два противоречивых требования, а именно, затруднить доступ в камеру частицам пыли и грязи, а также внешнего света, и в тоже время облегчить доступ частицам дыма. При этом именно в разработке и производстве дымовой камеры и сосредоточена основная стоимость извещателя, поскольку от качества и состава материала, конструкции и исполнения камеры зависит качество прибора. В то время как стоимость электронных компонентов практически одинакова и составляет небольшую часть стоимости ПИ. Как следствие этого, одни производители постоянно совершенствуют дымовую камеру, а другие используют одну и ту же конструкцию или же просто "передирают" ее у других. Это отчетливо видно на российском рынке, где есть все три группы производителей и первая дымовая камера, использованная в ДИП-1 еще в начале 80-х годов прошлого века, применяется в ряде извещателей до сих пор без каких-либо изменений. Отдельно стоит отметить линейные дымовые извещатели, которые представляют собой, по сути, активный инфракрасный барьер, при попадании частиц дыма, в зону действия которого происходит затухание сигнала и, соответственно, снижение его уровня на выходе фотоприемника. Принцип действия напоминает принцип действия охранных барьеров для защиты периметра. На самом же деле разница в алгоритме обработки очень большая. Полное перекрытие луча в охранных датчиках трактуется как Тревога, в пожарных же, как Неисправность. Сигнал Пожар формируется при достижении определенного уровня поглощения оптического сигнала задымленным участком среды по линии обнаружения, протяженность которой обычно составляет до 100 м. Этот тип дымовых извещателей используется при работе в больших помещениях, когда одним линейным извещателем можно заменить как минимум 12 точечных ПИ, а также при высоких потолках (по нормативам выше 12 м, но по-хорошему, уже более 8 м). При этом время достижения дымом обычного извещателя велико, а концентрация дыма очень мала, следовательно, эффективность точечного извещателя практически нулевая. В последнее время появились, так называемые аспирационные ПИ, которые представляют собой точечный дымовой извещатель с высокой чувствительностью, установленный в специальном корпусе и систему труб с отверстиями, через которые с помощью вентилятора всасывается воздух из контролируемого помещения. Данный тип дымовых извещателей на сегодняшний день является относительно экзотическим и дорогостоящим. Мнение специалистов по поводу эффективности его использования и возможности обеспечения сверхраннего обнаружения неоднозначно, нормативная база не проработана. В целом же оценивая происходящее на нашем рынке в этом сегменте можно выделить следующее:  среди отечественных дымовых ПИ наметилась тенденция перехода на SMТ, что позволяет сделать ПИ более технологичными и качественными;  идет постоянное усовершенствование алгоритмов обработки и введением интеллекта в ПИ. Как следствие этого процесса можно отметить формирование различных сигналов индикатора при переходе в режим Пожар или в режим Неисправность, если последний вызван необходимостью чистки дымовой камеры. Не такой редкостью становится такая функция, как автоматическая компенсация запыленности дымовой камеры, которая продлевает срок службы извещателя между чистками без увеличения уровня ложных тревог;  совершенствование линейных ПИ привело к появлению однопозиционных датчиков, совмещающих в одном корпусе и приемник и передатчик с пассивным рефлектором в конце зоны, что значительно упрощает монтаж и обслуживание системы. Отрадно отметить, что благодаря здравому смыслу и совершенствованию нормативной базы у нас в стране все-таки наметился переход от тепловых ПИ к дымовым. Хотя "колебания курса" очень заметны и обусловлены противоречием в требованиях НПБ в различных редакциях. Извещатели пламени Иногда необходимо зарегистрировать наличие пожара при первом появлении пламени (до начала горения окружающих материалов). В этом случае необходимо использовать извещатели пламени, которые регистрируют электромагнитное излучение, генерируемое как открытым пламенем, так и тлеющим очагом. Известно, что пламя сопровождается характерным излучением, как в ультрафиолетовой, так и в инфракрасной частях спектра. Горящие материалы, пламя которых имеет относительно низкую температуру и, как правило, окрашено в красный цвет, активно излучают сигнал в ИК диапазоне. Высокотемпературное пламя имеет большую интенсивность излучения в УФ диапазоне. В зависимости от диапазона длин волн регистрируемого излучения, извещатели подразделяют на извещатели пламени ИК диапазона и УФ диапазона. Теоретически возможна регистрация излучения пламени и в видимом диапазоне, однако практически, обнаружение горения в видимом диапазоне связано со значительными техническими сложностями, обуславливаемыми высоким уровнем паразитного сигнала. Извещатели пламени применяют в тех случаях, когда применение тепловых или дымовых извещателей невозможно или нецелесообразно. Одним из основных направлений применения извещателей пламени являются объекты, где обращаются вещества, быстро распространяющие горение, например объекты нефтегазовой, химической промышленности с присутствием легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, многие из которых горят без выделения дыма. Основным ограничением применения извещателей пламени является наличие искусственных и естественных помех, способных вызвать срабатывание извещателя без наличия пламени. Высокий уровень электромагнитного излучения создается источниками искусственного освещения, солнечным светом, нагретыми телами (радиаторами, работающими двигателями), сварочными работами, отражением излучения зеркальными поверхностями и т. д. Произвести фильтрацию помех от излучения пламени является сложной задачей. Существует несколько методов борьбы с помехами. Это:  учет источника паразитного сигнала и в соответствии с этим правильный выбор типа извещателя. Например, при применении ламп накаливания с высокой интенсивностью излучения в ИК диапазоне целесообразней применить УФ извещатель пламени.  использование модуляционных ПИ, которые могут различать паразитные сигналы от излучения пламени по признаку модуляции. Большинство горючих веществ горит не ровным, а пульсирующим пламенем, при этом электромагнитное излучение пламени модулировано. Частота модуляции зависит от горючего вещества и лежит в диапазоне от единиц до нескольких десятков герц.  более сложным способом обнаружения пламени на фоне паразитного сигнала является метод, основанный на сравнении уровней электромагнитного излучения в двух и более диапазонах длин волн. При этом можно не только выделить излучение пламени на фоне паразитного сигнала, но и определить тип горящего вещества.  комбинация различных методов защиты от паразитного сигнала позволяет получить еще большую устойчивость извещателей пламени к воздействию источников искусственного и естественного освещения. Безусловно, данный метод ведет к усложнению схемы приема и обработки сигнала, что, в свою очередь, увеличивает цену извещателя. Площадь, контролируемая извещателем пламени, не нормируется (как для дымовых и тепловых ПИ), а рассчитывается исходя из расстояния между извещателем и контролируемой поверхностью и паспортного значения угла обзора извещателя. Следует отметить, что извещатели пламени являются наиболее дорогими приборами и сфера их применения затрагивает в основном промышленные объекты. Газовые пожарные извещатели В процессе горения различных веществ и материалов газовый состав атмосферы претерпевает значительные изменения. Принцип действия газовых ПИ основан на регистрации этих изменений с целью формирования тревожного сигнала. Основным элементом газового ПИ является чувствительный элемент (сенсор), обеспечивающий перевод значения концентрации в атмосфере того или иного газа в электрический сигнал. Наиболее распространенные горючие вещества и материалы, обращающиеся как в производстве, так и в быту представляют собой органические соединения. Основными газами, образующимися при сгорании таких горючих веществ, являются углекислый газ (СО2) и угарный газ (СО). Известным в технике чувствительным элементом, регистрирующим наличие в атмосфере повышенного содержания недоокисленных газов, например, угарного газа, является так называемый датчик Тагучи. При попадании угарного газа на поверхность датчика, происходит его доокисление, датчик меняет свою электрическую характеристику, что является сигналом к срабатыванию ПИ. В тоже время датчик Тагучи регистрирует не только угарный газ, но и многие другие недоокисленные газы, то есть обладает низкой селективностью. Данное обстоятельство приводит к ложным срабатываниям газовых ПИ, реагирующих на распространяющиеся в окружающей среде газы, не связанные с возгоранием, что препятствует эффективному использованию газовых извещателей, выполненных на основе датчика Тагучи. Интересна идея построения линейного газового ПИ. В нем метод регистрации газообразных продуктов сгорания основан на избирательном поглощении газами электромагнитного излучения. Извещатель, работа которого основана на этом методе, строится, подобно линейному дымовому ПИ, на основе источника и приемника оптического излучения, работающих в очень узком диапазоне длин волн (длина волны должна соответствовать резонансной частоте молекул обнаруживаемого газа). При увеличении концентрации в атмосфере обнаруживаемого газа мощность излучения источника, регистрируемая приемником, падает, что служит сигналом к срабатыванию извещателя. Эти извещатели требуют высокой точности поддержания заданной длины волны. Требуемая стабильность излучаемой длины волны может быть достигнута при использовании твердотельных лазеров, которые вряд ли возможно применить для целей противопожарной защиты в силу их габаритов, энергопотребления и стоимости. Полупроводниковые лазерные излучатели, выпускаемые в настоящее время, не способны поддерживать стабильную длину излучаемой волны. Данный факт накладывает существенное ограничение на возможность применения линейных газовых ПИ. В силу оговоренных выше сложностей в создании газовых ПИ, эти приборы пока не нашли широкого применения и весьма редко используются в автоматических системах пожарной сигнализации. Уже несколько раз по ходу обзора применялось понятие эффективности использования ПИ. Прежде чем рассмотреть класс комбинированных ПИ, попробуем разобраться в этом вопросе. Обратимся к нормативной базе. В 1997 году был введен в действие ГОСТ Р 50898-96, в котором изложены методики проведения натурных испытаний пожарных извещателей и даны критерии определения пригодности ПИ к обнаружению различных видов пожара. Испытания проводятся в помещении с размерами (10±1)м х (7±1)м и высотой (4±0,2)м. Тестовый очаг располагается в центре помещения на полу, а на потолке размещаются измерители оптической плотности среды m, концентрации продуктов горения Y, температуры Т, и тестируемые пожарные извещатели (рис. 3). Рис.5 - Испытательное помещение (вид сверху). 1 – положение на потолке тестируемых ПИ, измерителей оптической плотности среды и концентрации продуктов горения; 2 – положение на полу тестового очага пожара. Рис.6 - Тестовый очаг ТП-3. Примерно 90 хлопковых фитилей длиной 800 мм. Используются 6 типов тестовых очагов пожара (ТП), причем в п.7.9 определено, что тепловые ПИ проверяют только на воздействие ТП-6, а дымовые – на воздействие всех видов ТП, кроме ТП-6. Для каждого типа ТП заданы максимальные величины оптической плотности среды m, концентрации продуктов горения Y и температуры Т, соответствующие времени окончания испытаний, так же указаны предельно допустимые времена срабатывания ПИ, соответствующие минимальной скорости развития пожара: ТП-1 (горение древесины) - Y = 6, время срабатывания не более 370 с; ТП-2 (тление древесины) - m = 2, время срабатывания не более 840 с; ТП-3 (тление со свечением хлопка) - m = 2, время срабатывания не более 640с; ТП-4 (горение полимерных материалов) - Y = 6, время срабатывания не более 180 с; ТП-5 (горение легковоспламеняющейся жидкости с выделением дыма) - Y = 6, время срабатывания не более 240 с; ТП-6 (горение легковоспламеняющейся жидкости без выделения дыма) Т = 600С, время срабатывания не более 510 с. При испытаниях фиксируется время активизации каждого образца ПИ и соответствующие значения контролируемых параметров. Считается, что пожарные извещатели не выдержали испытание по данному виду ТП, если они не активизировались при достижении максимальных значений контролируемых параметров. При сертификации российских ПИ испытания по ГОСТ Р 50898-96 не проводятся, и информация об их чувствительности к конкретному типу возгорания отсутствует. В Европе испытания дымовых извещателей аналогичные НПБ 65 - 97 и ГОСТ Р 50898-96 включены в один документ европейский стандарт EN 54 часть 7 и проводятся одновременно. Причем сначала измеряется чувствительность извещателей в дымовом канале, а затем четыре наименее чувствительных образца подвергаются испытаниям на тестовые пожары. Такое отличие по испытаниям привело к тому, что оценить реальную эффективность данного типа ПИ становится возможным только на действующих объектах методом проб и ошибок. Правда, зачастую за счет человеческих жертв. В таблице 1 приведены общие рекомендации по выбору типа извещателя, исходя из принципа работы и эффективности обнаружения возгорания. Таблица 2 – Чувствительность пожарных извещателей к тестовым очагам пожара (О - отлично обнаруживает; Х - хорошо обнаруживает; Н - не обнаруживает) Тип тестового пожара ТП-1 ТП-2 ТП-3 ТП-4 ТП-5 ТП-6 Открытое Открытое Пиролиз Тление Горение Горение Характеристика горение горение древесины хлопка гептана спирта древесины пластмассы Основные Дым, Дым, Дым, Пламя, сопутствующие пламя, Дым Дым пламя, пламя, тепло факторы тепло тепло тепло Тепловой Х Н Н Х Х О Дымовой Н О О Х Х Н оптический Дымовой Х О О О О Х ионизационный Комбинированный тепловой и Х О О Х Х О дымовой оптический Комбинированный тепловой, дымовой О О О О О О оптический и дымовой ионизационный Комбинированные пожарные извещатели На защищаемой территории могут присутствовать материалы с различными характеристиками горения, что предполагает использование разных физических принципов обнаружения возгорания. Поскольку никогда не известно, что загорится первым, а значит и какой фактор пожара будет первичен, необходимо было бы поставить несколько различных извещателей. Однако для решения этой задачи выпускаются специальные комбинированные извещатели, где в одном корпусе объединены два или более типа, реагирующих на разные факторы пожара. Сочетание используемых принципов действия и обнаруживаемых факторов пожара может быть различным. В любом случае, чем больше факторов пожара мы будем контролировать, тем надежнее и эффективнее будет обнаружение пожара. Наиболее часто в одном ПИ объединяют дымовой и тепловой извещатели. Такой ПИ дает возможность обнаруживать горение широкого класса веществ. На этапе начальной стадии горения при повышенном дымообразовании обнаружение пожара будет осуществлено дымовым каналом комбинированного ПИ. Если же горючей нагрузкой является вещество, практически не выделяющее при горении дым, то пожар будет обнаружен тепловым каналом ПИ. Некоторые производители выпускают и так называемые трехмерные комбинированные извещатели, в которых в одном корпусе объединены дымовой оптический, дымовой ионизационный и тепловой принцип обнаружения. Однако случаи использования подобных устройств весьма редки, в виду их большой стоимости. В любом случае, ПИ, реагирующие на два или более факторов пожара, являются более эффективными по сравнению с обычными. Это подтверждается данными Таблицы 1 - ни один тип ПИ не обеспечивает обнаружение всех 6-ти типов тестовых пожаров. Во всем мире применение того или иного типа ПИ рассматривается именно с точки зрения эффективности обнаружения очага пожара, а, следовательно, расширяется применение комбинированных ПИ, как наиболее эффективных устройств обнаружения. У нас же в стране этот процесс полностью приостановлен, поскольку комбинированный ПИ по защищаемой площади приравнен к обычному тепловому, что значительно удорожает установку по сравнению с дымовыми ПИ. Лекция 17 Тушение порошками. Тушение комбинированными составами. Порошковый огнетушитель ОП-1. Порошковый огнетушитель ОП-10. Огнетушитель самосрабатывающий порошковый (ОСП). Самовозгорание в промышленности Порошковые огнетушители предназначены для тушения возгорания твердых, жидких и газообразных веществ (класса А, В, С или В, С в зависимости от типа применяемого порошка), а также возможно их применение для тушения электроустановок, находящихся под напряжением до 1000 В. Порошковыми огнетушителями рекомендуется оборудовать легковые и грузовые автомобили, сельскохозяйственную технику, противопожарные щиты на химических объектах, в гаражах, мастерских, офисах, гостиницах и квартирах. Не следует использовать порошковые огнетушители для тушения оборудования, которое может выйти из строя при попадании порошка (ЭВМ, электронное оборудование, электромашины коллекторного типа и т.д.). Огнетушители должны эксплуатироваться в диапазоне рабочих температур от -40оС до +50оС. Огнетушащие порошки представляют собой мелкоизмельченные минеральные соли с различными добавками, препятствующими слеживанию и комкованию. В качестве основы для огнетушащих порошков используют фосфорноаммонийные соли (моно-, диаммонийфосфаты, аммофос), карбонат и бикарбонат натрия, хлориды натрия и калия и др. В качестве добавок — кремнийорганические соединения (например, аэросил АМ-1-300), стеараты металлов, нефелин, тальк и др. Эти порошки обладают высокой огнетушащей способностью и обеспечивают, например, тушение пожаров класса В на большой площади в течение нескольких секунд. К достоинствам порошков также относятся: возможность их применения для тушения пожаров любых классов (которые невозможно тушить водой и другими средствами, например металлы), разнообразие способов пожаротушения (стационарные установки, огнетушители, автомобили, флегматизация, взрывоподавление), возможность тушения электрооборудования под напряжением и др. Механизм огнетушащего действия порошков заключается в ингибировании горения в результате связывания активных центров цепных реакций, протекающих в пламени. Происходит либо гетерогенная рекомбинация этих центров на поверхности порошков, либо гомогенное взаимодействие газообразных продуктов возгонки порошков с активными центрами. Огнетушащая способность порошков зависит не только от химической природы порошков, но и от степени их измельчения. Чем мельче частицы порошков, тем больше их поверхность и тем выше их эффективность. Но возможность приготовления и применения очень тонких порошков ограничена. Оптимальный размер порошков общего назначения (ПСБ, ПФ, ПГС и т. п.) составляет 40—80 мкм. В последние годы в качестве средств тушения пожаров применяют порошковые составы на основе неорганических солей щелочных металлов. Они отличаются высокой огнетушащей эффективностью и универсальностью, т.е. способностью тушить любые материалы, в том числе нетушимые всеми другими средствами. Порошковые составы являются, в частности, единственным средством тушения пожаров щелочных металлов, алюминийорганических и других металлоорганических соединений (их изготавливает промышленность на основе карбонатов и бикарбонатов натрия и калия, фосфорно-аммонийных солей, порошок на основе графита для тушения металлов и т.д.). У порошков есть ряд преимуществ перед галоидоуглеводородами: они и продукты их разложения не опасны для здоровья человека; как правило, не оказывают корроизионного действия на металлы; защищают людей, производящих тушение пожара, от тепловой радиации. Порошки хранят в специальных упаковках, предохраняя их от увлажнения, и подают в очаг горения сжатыми газами. Порошки не обладают токсичностью, мало агрессивны, сравнительно дешевы, удобны в обращении. Основные сведения о применяемых в нашей стране порошках приведены в таблице 1 (кроме указанных порошков для тушения некоторых веществ класса D применяют порошок фторида кальция). Таблица 1. Основные сведения об огнетушащих порошках Порошок (марка) Основной компонент Огнетушащая Область применения (классы пожаров) способность, кг/м3 ВСЕ ПСБ-3 ПФ ПС П-2АП Пирант А ПГС-М СИ-2 РС МГС Бикарбонат натрия Диаммоний фосфат Карбонат натрия Аммофос » Смесь хлоридов калия и натрия Силикагель, насыщен ный хладоном 114В2 Графит, вспучивающийся при нагреве Графит с понижен- ной плотностью D (металлорганичес-кие соединения, гидриды металлов D (сплав калия и натрия) 1,6 1,4 40 1,8 1,8 26D 1,4ВС 20-32D 0,2В 6,0-9,0 D (для натрия и лития) 3,0-10,0 АВСЕ D АВСЕ АВСЕ ВСD Существует целый ряд моделей порошковых огнетушителей, различных как по массе заряда порошка (от 900 г до 79 кг), по массе самого огнетушителя (от 2,8 кг до 135 кг) и габаритным размерам, так и по длине струи огнетушащего вещества (от 3 до 6 метров) и продолжительности подачи огнетушащего вещества (от 5 до 30 секунд). Для тушения небольших очагов загораний горючих жидкостей, газов, электроустановок напряжением до 1000 В, металлов и их сплавов используются порошковые огнетушители ОП-1, ОП-25, ОП-10. Порошковый огнетушитель ОП-1 «Спутник» емкостью 1 л используется при тушении небольших загораний на автомобилях и сельскохозяйственных машинах. Состоит из корпуса, сетки и крышки, изготовленных из полиэтилена. Заполнен составом ПСБ (порошок сухой бикарбонатный), состоящий из 88 % бикарбоната натрия с добавлением 10 % талька марки ТКВ, стеаратов металлов (железа, алюминия, магния кальция, цинка) – 9 %. Во время пользования снимают крышку огнетушителя и через сетку порошок ПСБ вручную распыливают на очаг горения. Образующееся устойчивое порошковое облако изолирует кислород воздуха и ингибирует горение. Порошковый огнетушитель ОП-10 (рисунок 4) содержит в тонкостенном десятилитровом баллоне порошок ПС-1 (углекислый натрий с добавками). Подается с помощью сжатого газа (азот, диоксид углерода, воздух), хранящегося в дополнительном баллончике емкостью 0,7 л под давлением 15 МПа. Применяется для тушения загораний щелочных металлов (лития, кадия, натрия) и магниевых сплавов. В других огнетушителях этого типа используются порошковые составы: ПСБ (бикарбонат натрия с добавками), ПФ (фосфорно-аммонийные соли с добавками), предназначенные для тушения древесины, горючих жидкостей и электрооборудования, СИ-2 (сидикагель с наполнителем) - для тушения нефтепродуктов и пирофорных соединений. Огнетушитель самосрабатывающий порошковый (ОСП) - это новое поколение средств пожаротушения. Он позволяет с высокой эффективностью тушить очаги загорания без участия человека. Огнетушитель представляет собой герметичный стеклянный сосуд диаметром 50 мм и длиной 440 мм, заполненный огнетушащим порошком массой 1 кг. Устанавливается над местом возможного загорания с помощью металлического держателя (рисунок 5). Срабатывает при нагреве до 100 °С (ОСП-1) и до 200 °С (ОСП-2). Защищаемый объем до 9 м3. Огнетушители ОСП предназначены для тушения очагов пожаров твердых материалов органического происхождения, горючих жидкостей или плавящихся твердых тел, электроустановок, находящихся под напряжением до 1000 В. Достоинства ОСП: тушение пожара без участия человека, простота монтажа, отсутствие затрат при эксплуатации, экологически чист, нетоксичен, при срабатывании не портит защищаемое оборудование, может устанавливаться в закрытых объемах с температурным режимом от минус 50 °С до плюс 50 °С. Таблица 2.Виды порошковых огнетушителей Модель Фото Характеристики ОП-1 (б) Масса заряда порошка - 0,9 кг, длина струи огнетушащего вещества - 3 м, продолжительность подачи огнетушащего вещества - 5 с, габаритные размеры 316х135х100 мм, масса - 2,8 кг. ОП-2 (з) Масса заряда порошка - 1,5 кг, длина струи огнетушащего вещества - 3 м, продолжительность подачи огнетушащего вещества - 5 с, габаритные размеры 325х150х130 мм, масса - 3,7 кг. ОП-3 (з) Масса заряда порошка - 2,3 кг, длина струи огнетушащего вещества - 3 м, продолжительность подачи огнетушащего вещества - 5 с, габаритные размеры 428х150х130 мм, масса - 5 кг. ОП-5 (з) Масса заряда порошка - 3,7 кг, длина струи огнетушащего вещества - 3,5 м, продолжительность подачи огнетушащего вещества - 6 с, габаритные размеры 450х320х300 мм, масса - 6,6 кг. ОП-10 (з) Масса заряда порошка - 7,4 кг, длина струи огнетушащего вещества - 4,5 м, продолжительность подачи огнетушащего вещества - 10 с, габаритные размеры 628х350х355 мм, масса - 14 кг. ОП-50 (з) Масса заряда порошка - 42,5 кг, длина струи огнетушащего вещества - 6 м, продолжительность подачи огнетушащего вещества - 30 с, габаритные размеры 1020х460х480 мм, масса - 85 кг. ОП-100 (з) Масса заряда порошка - 79 кг, длина струи огнетушащего вещества - 6 м, продолжительность подачи огнетушащего вещества - 30 с, габаритные размеры 1090х640х630 мм, масса - 135 кг. ОП-2 (з)(А,В,С) Масса заряда порошка - 1,5 кг, длина струи огнетушащего вещества - 3 м, продолжительность подачи огнетушащего вещества - 5 с, габаритные размеры 325х150х130 мм, масса - 3,7 кг. ОП-3 (з)(А,В,С) Масса заряда порошка - 2,3 кг, длина струи огнетушащего вещества - 3 м, продолжительность подачи огнетушащего вещества - 5 с, габаритные размеры 428х150х130 мм, масса - 5 кг. ОП-5 (з)(А,В,С) Масса заряда порошка - 3,7 кг, длина струи огнетушащего вещества - 3,5 м, продолжительность подачи огнетушащего вещества - 6 с, габаритные размеры 450х320х300 мм, масса - 6,6 кг. ОП-10 (з)(А,В,С) Масса заряда порошка - 7,4 кг, длина струи огнетушащего вещества - 4,5 м, продолжительность подачи огнетушащего вещества - 10 с, габаритные размеры 628х350х355 мм, масса - 14 кг. ОП-50 (з)(А,В,С) Масса заряда порошка - 42,5 кг, длина струи огнетушащего вещества - 6 м, продолжительность подачи огнетушащего вещества - 30 с, габаритные размеры 1020х460х480 мм, масса - 85 кг. ОП-100 (з)(А,В,С) Масса заряда порошка - 79 кг, длина струи огнетушащего вещества - 6 м, продолжительность подачи огнетушащего вещества - 30 с, габаритные размеры 1090х640х630 мм, масса - 135 кг. ТУШЕНИЕ КОМБИНИРОВАННЫМИ СОСТАВАМИ Комбинированные — это огнетушащие составы, в которых сочетаются свойства различных огнетушащих средств. Наиболее эффективными являются такие составы, которые представляют собой комбинации носителя с сильным ингибитором горения. К ним относятся, например, воднохладоновые эмульсии и комбинации воздушно-механической пены с хладонами. К комбинированным можно отнести также порошок СИ-2. Для объемного тушения разработаны азотно-хладоновый и углекислотно-хладоновый составы, обеспечивающие 4—5-кратное снижение удельного расхода дорогостоящих и дефицитных бром-хладонов. Особенно перспективен состав, содержащий 85 % (масс.) СО2 и 15 % (масс.) хладона 114В2. Этот состав рекомендуется СНиП 2.04.09—84. К его достоинствам относится взаимная растворимость компонентов при указанных соотношениях в конденсированной фазе (под давлением). При этом обеспечивается возможность хранения состава в одном баллоне, что значительно упрощает и удешевляет его применение. Расчетная масса состава т определяется по формуле (в кг) т=КVqn где К — коэффициент, учитывающий негерметичность помещения; V — объем помещения, м3; qn — норма подачи, равная 0,27 кг/м3 при т=30 с и 0,4 кг/м3 при т=60 с. Для объемного тушения в помещениях с натрием разработан комбинированный состав, содержащий 94 % (об.) азота и 6 % (об.) диоксида углерода. Добавка диоксида углерода к азоту обусловливает снижение пирофорности натрия (увеличение его температуры самовоспламенения) и увеличение огнетушащей способности азота. Самовозгорание в промышленности Наибольший вред самовозгорание причиняет при разработке угольных и сульфидных месторождений, а также при добыче фрезерного торфа. Самовозгорание может быть случайной аварией, иногда принимающей характер катастрофы, предвидеть и предотвратить которую трудно. В других случаях в него переходит самонагревание, которое является неизбежным спутником при разработке некоторых месторождений. Если не учитывать возможности самовозгорания, то могут произойти пожары с очень тяжелыми последствиями. Примерами могут служить уральские медно-колчеданные рудники (1935-1948 г) и Текелийский свинцово-цинковый рудник (1954-1961 г), производительность которых на несколько лет была сильно снижена, а ликвидация пожаров потребовала огромных затрат. В угольной промышленности имеется характерная тенденция к увеличению общего числа рудничных пожаров. Так, по всему Советскому Союзу с 1953 по 1959 год, по сравнению с периодом 1946-1952, число пожаров увеличилось на 64%. Это, по-видимому, связано с изменением в экономике минерального топлива, которое потребовало значительного удешевления добычи угля. Поэтому, наряду с увеличением эффективности средств добывания, произошло ослабление противопожарной профилактики. Приблизительно половина рудничных пожаров в угольной промышленности возникает от самовозгорания. Остальные связаны главным образом с применением электрической энергии, с взрывными работами и трением в механизмах. Для этих экзогенных пожаров проявляется тоже характерная тенденция, которая состоит в уменьшении относительного числа пожаров от электрического тока и в увеличении пожаров от трения в механизмах и от открытого огня, особенно при сварочных работах. Это, несомненно, связано с ростом механизации добычи угля. Для пожаров от самовозгорания характерно крайне неравномерное распределение по месторождениям. Наибольший вред оно причиняет в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса, Челябинском бассейне, на месторождениях Средней Азии и Дальнего Востока. В Прокопьевско-Киселевском районе 95% рудничных пожаров возникает от самовозгорания, причем один пожар приходится примерно на 1 млн т добытого угля. На трех самых мощных пластах, которые дают около 60% добычи, из десяти выемочных участков один загорается, а в четырех происходит самонагревание. В Донецком же бассейне только около 20% пожаров имеет эндогенное происхождение. Наибольшее число эндогенных пожаров наблюдается на месторождениях Средней Азии. Это только отчасти может быть объяснено малым объемом добычи на этих месторождениях, в основном же объясняется большой пожароопасностью, создавшейся в настоящее время при разработке этих месторождений. В рудной промышленности наибольший ущерб самовозгорание причиняет при добывании сульфидных руд, содержащих пирит. Нередки также пожары от самовозгорания углистых сланцев на месторождениях, руды которых сами по себе не способны самовозгораться. На уральских колчеданных рудниках много пожаров стало возникать в середине ЗО-х годов, что было вызвано полным отсутствием профилактики самовозгорания при значительном расширении и форсировании добычи руды. На пяти рудниках для ликвидации 300 пожаров было затрачено 200 млн. руб. Сначала для их тушения применялось заиливание. Но затем было предложено заливать пожарные участки водой с тем, чтобы она выщелачивала из горячей руды медь (которая, как обычно, извлекается из рудничного водоотлива). Это сильно способствовало развитию пожаров. В 1946—1948 г вновь перешли на заиливание. На Дегтярском руднике 80% выработок бездействовало из-за пожаров. В 1949 г. было начато систематическое заиливание запожаренных участков, которое продолжалось пять лет и стоило 25 млн. руб. В результате этих работ и включения профилактического заиливания в систему ведения горных работ пожарное состояние рудника было ликвидировано. Прямые расходы на борьбу с рудничными пожарами, то есть на профилактику и тушение, составляют по всему Советскому Союзу около 15 млн. руб. в год. Кроме этих прямых расходов, большие убытки получаются из-за выхода из строя участков, на подготовку которых затрачены средства, а также вследствие стеснения горных работ. В Прокопьевском районе профилактическое заиливание одного участка стоит в среднем 5 тыс. руб., а тушение одного пожара 15—25 тыс. руб. В год расходуется на профилактику и тушение пожаров около 2 млн. руб., причем профилактика обходится в два раза дороже тушения (1961 г.). В Челябинском бассейне в 1957 г. расходы на борьбу с пожарами составили 1 руб. на 1 тонну добытого угля. На уральских колчеданных рудниках профилактическое заиливание обходится в среднем 80 коп. на 1 тонну добытой руды и составляет меньше 1 % ее себестоимости (1959 г.). ОСНОВЫ БОРЬБЫ С САМОВОЗГОРАНИЕМ Борьба с самовозгоранием заключается в профилактических мероприятиях и в непосредственной ликвидации пожаров. Ликвидация эндогенных пожаров мало отличается от тушения пожаров, вызванных внешними причинами, и практика располагает для этого достаточно эффективными способами. Затруднение вызывает лишь определение точного местонахождения недоступных пожаров очагов. Профилактика же самовозгорания чрезвычайно трудна, а существующие методы не удовлетворяют промышленность: они недостаточно эффективны, стесняют производство и обходятся дорого. Для целесообразного применения профилактических мероприятий необходимо оценивать пожароопасность, то есть возможность и условия возникновения пожара в данном месте. Все, что способствует самовозгоранию, называется факторами пожароопасности. Из них слагается степень пожароопасности. Таких факторов можно указать много, и они трудно поддаются точному определению. Это очень затрудняет оценку пожароопасности. Непосредственное наблюдение не дает для этого надежных критериев. Чтобы преодолеть эти затруднения, необходимо исходить из современных научных представлений. Становится все более ясно, что промышленность в этой области руководствуется устаревшей, неудовлетворительной теорией. Общий подход можно получить на основе теории самовозгорания, которая определяет физические условия его возникновения. Этих условий только три: 1) химическая активность окисляющихся материалов; 2) приток воздуха в их скоплениях; 3) теплообмен со средой. Пожароопасность надо рассматривать как реализацию этих физических условий. Таким образом, появляется возможность оценивать значимость неопределенно большого числа факторов, которые обнаруживаются при непосредственном наблюдении. Это дает также основу для систематизации фактических данных при накоплении опыта. Химическая активность расценивается как склонность к самовозгоранию и является внутренним условием, так как она обусловлена природой окисляющегося материала. Приток воздуха и теплообмен иногда объединяют как внешние условия. Основные результаты в области борьбы с самовозгоранием в горной промышленности получены путем применения таких способов ведения горных работ, которые включают в себя как элементы противопожарные мероприятия, предотвращающие самовозгорание и предусматривающие ликвидацию пожара в случае его возникновения. В соответствии с отмеченной выше тенденцией к увеличению эффективности средств добывания угля необходимо изменить подход к борьбе с самовозгоранием и поставить новые задачи исследовательских работ по ее улучшению: время требует организовать борьбу с самовозгоранием так, чтобы она не мешала эффективности производства и вместе с тем достаточно защищала его от пожарной опасности. ТЕОРИЯ ПРОЦЕССА САМОВОЗГОРАНИЯ На современном уровне научного знания самовозгорание промышленных объектов должно изучаться и рассматриваться с точки зрения теории химических процессов. Задача состоит в выяснении физических условий самовозгорания в том виде, в каком это имеет место в промышленности. Исследуемый процесс начинается с самонагревания. Основное его условие состоит в том, что в скоплении окисляющегося материала тепла образуется больше, чем отдается в среду. Это чисто тепловое условие. Химические же превращения служат лишь одним из факторов, действующим в результате того, что они сопровождаются переходом химической энергии в тепловую. Поэтому, чтобы количественно определить факторы самонагревания, надо основываться на законе, которому подчинены тепловые явления, то есть на законе сохранения энергии. В данном случае ему можно придать форму теплового баланса. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРИ САМОНАГРЕВАНИИ Тепловой баланс для скопления самонагревающегося материала имеет вид: Генерация тепла = Нагревание материала + Вынос тепла воздухом + Отдача тепла теплопроводностью + Прочие статьи для частных случаев. Чтобы пользоваться им, надо выразить его статьи через физические величины, которые в действительности могут быть измерены, и установить методы нахождения численных значений этих величин. Рассмотрим последовательно статьи баланса. Приходную часть баланса составляет генерация тепла за счет химической энергии окисляемого материала. Генерация тепла пропорциональна скорости сорбции кислорода, причем коэффициентом пропорциональности служит Q —удельная теплота сорбции, то есть количество тепла, образующееся при сорбции 1 мл кислорода. При сорбции кислорода из воздуха, который находится в соприкосновении с окисляющимся материалом, в общем случае происходит уменьшение и концентрации кислорода, и объема воздуха. Количество сорбированного кислорода равно произведению концентрации на объем воздуха: М = Со Vo - CV, мл, где Со и Vo — начальная концентрация и объем; С и V — концентрация и объем в данный момент времени. Для малого промежутка времени это соотношение принимает дифференциальную форму: dM = -d (VC) мл. Относя это количество к единицам времени и массы материала, получим удельную скорость сорбции: 1 dM 1 d VC  H d H d  (1.1) Как это следует из наших опытов по низкотемпературному окислению углей и сульфидов, она пропорциональна концентрации кислорода. Поэтому: 1 d VC   UC. H d где U — константа скорости сорбции кислорода. Средняя скорость сорбции за время τ будет 1 C0V0  CV  U C. H  Если пренебречь уменьшением объема воздуха, вызванным сорбцией кислорода, то:  V dC  UC . H d (1.2) Интегрирование этого уравнения дает зависимость концентрации кислорода от времени: V C ln  U . H C0 (1.3) где τ — продолжительность соприкосновения воздуха с материалом («время контакта»). Это уравнение применимо к любому рассматриваемому объему воздуха независимо от того, находится ли он в покое, или течет через материал (фильтруется через кусковой материал, идет по трещинам в целиках или даже по одному каналу). Константа U зависит от природы материала, степени его измельчения и разрыхления, времени его соприкосновения с воздухом, температуры и некоторых других факторов. Эти зависимости описаны в разделе, посвященном низкотемпературным процессам. В скоплении окисляющегося материала воздух заполняет пустоты. Количество кислорода, сорбированного 1 г материала, выразится уравнениями (1.1) и (1.2). В 1 см3 скопления находится γ г материала. Поэтому количество сорбированного кислорода будет dM dC m  Uc . d d (1.4) где m — пористость скопления. Количество образовавшегося при этом тепла Q dM dC  Qm  QUC . d d (1.5) Это и есть приходная статья теплового баланса, рассчитанного на 1 см3 самонагревающегося скопления материала. Так как U зависит от температуры, которая может быть не одинакова для разных частей скопления и изменяться со временем, то последнее уравнение выражает среднюю скорость образования тепла. РАСХОДНЫЕ СТАТЬИ БАЛАНСА Наиболее общие из них - нагревание материала, вынос тепла исходящим воздухом и теплопроводность. В частных случаях могут приобретать значение и некоторые другие. Например, испарение воды. Его можно учесть добавочным членом вида dW q, d где dW/dτ —скорость испарения; q —удельная теплота испарения. Нагревание единицы объема в скоплении материала вычисляется по формуле: с где dT , d γ —объемный вес скопления; с —теплоемкость материала; dT/dy — скорость нагревания. Конвекционный вынос тепла воздухом равен:  'С з Б dT , dy где у' —плотность воздуха; Ср —теплоемкость воздуха; Б —скорость воздушного потока; dT/dy —градиент температуры вдоль потока. Теплопроводность для общего случая символически обозначается 2  T . .где Δ Т — оператор Лапласа — сумма вторых производных температуры по трем координатам. В тех случаях, когда самонагревающееся скопление материала имеет поверхность, которая соприкасается с воздушной средой, потеря тепла с этой поверхности происходит путем теплоотдачи, вычисляемой по закону охлаждения (закон Ньютона): 2  T  T0 A, где а — коэффициент теплоотдачи; Т — температура поверхности; Тп — температура воздушной среды; А — поверхность теплоотдачи. Эта статья имеет существенное значение для штабелей и терриконов. Таким образом, уравнение теплового баланса для единицы объема в скоплении самонагревающегося материала имеет вид: QUC  c dT dT   'C p Б  2T  Фн , d dу (1.6) где Ф (н) — прочие статьи, которые могут приобретать значение в частных случаях. Члены этого уравнения выражают мгновенные скорости генерации и распределения образующегося тепла. Интегрирование его в общем виде невозможно. Но все члены теплового баланса могут быть вычислены, если определить среднее значение соответствующих физических величин для рассматриваемого промежутка времени. Например среднее значение концентрации С кислорода за время τ, т. е. той концентрации, которой была бы пропорциональна средняя скорость сорбции за то же время, получаем из формулы (2.2): V C0  C   U C. H  (1.7) Подставим в это уравнение значение τ из уравнения (1. 3) и получим: С С0  С . ln C / C0  (1.8) Таким образом, средняя концентрация кислорода равна среднему логарифмическому из концентраций в начальный и в конечный моменты. Если разность Со — С невелика, то без значительной ошибки можно пользоваться средней арифметической концентрацией, которая вычисляется проще: С С0  С . 2 Вычисление членов, связанных с нагреванием материала и конвекцией тепла воздухом, не представляет трудностей. Вычисление же теплопроводности связано с чрезмерными математическими трудностями и дает ненадежные результаты, вследствие упрощающих допущений, которые приходится делать. Если остальные статьи определены достаточно точно то теплопроводность надежнее вычислять из уравнения теплового баланса. Из уравнения (2.6) теплового баланса можно получить математическую формулировку условий самонагревания и возгорания и делать практические выводы. Приток воздуха Приток воздуха служит важным фактором самонагревания и в особенности самовозгорания, так как он влияет на две основные статьи теплового баланса: на генерацию тепла, путем увеличения концентрации кислорода, и на вынос тепла исходящим воздухом. Непосредственно от него зависит продолжительность соприкосновения воздуха данного объема с окисляющимся материалом (время контакта). Для воздуха, который течет через материал, время контакта τ вычисляется из соотношения: Б =my/τ, (2.9) где Б —объемная скорость воздушного потока; τ —пористость скопления материала; у — путь, пройденный элементом потока. Если значение τ из этой формулы подставить в уравнение (2.3), получим: V C Umy (1.10) ln  . H C0 Б Для 1 см3 скопления V = m и Н = γ. Этим уравнением можно воспользоваться для решения обратной задачи: определения скорости Б воздушного потока на основании анализа исходящего воздуха: Б Uу .  ln C / C0  (1.11) Это представляет интерес, так как прямое измерение скорости течения воздуха в промышленных скоплениях материалов чрезвычайно затруднительно. Например, в изолированных подземных выработках она так мала, что ее нельзя измерить анемометром. Определение же ее по утечкам вентиляционных потоков не дает удовлетворительных результатов, так как поверхность, через которую проникает воздух, остается неизвестной. Если данных о внутренней структуре скопления материала нельзя получить, то оно может рассматриваться мегоскопически (сверхмакро-скопически) как среда, характеризуемая активностью поглощения кислорода. Если же такие данные имеются, можно установить связь между поглотительной активностью и скоростью воздушного потока, а также факторами, влияющими на нее: проницаемостью скопления, степенью измель-ченности и разрыхленности материала. Уравнение (1.10) описывает уменьшение концентрации кислорода вдоль воздушного потока в окисляющемся материале и зависимость этого уменьшения от скорости воздуха. НЕРАВНОМЕРНОСТЬ САМОНАГРЕВАНИЯ Наблюдения показывают, что в начале самонагревание развивается довольно равномерно по всему объему окисляющегося материала. Это объясняется тем, что при низких температурах потребление кислорода идет медленно и его достаточно даже в тех участках скопления материала, в которых приток воздуха мал. А там, где он больше, согласно предыдущему он не может вызвать ускорения процесса. Поэтому неравномерность просачивания воздуха обычно не оказывает значительного влияния на процесс. Равномерности нагревания способствует также то, что вначале оно идет медленно и теплопроводность успевает выравнивать разности температур В дальнейшем, по мере развития, самонагревание становится все более неравномерным; в скоплении материала увеличиваются разности температур, и ее максимум сосредотачивается во все меньшем объеме. Это вызывается неравномерностью притока воздуха. В скоплениях окисляющихся материалов воздух течет преимущественно по «коридорам» с наименьшим сопротивлением. Вдоль оси коридора скорость воздуха наибольшая, а к периферии его она убывает. В начале при низких температурах неравномерность вызывается переносом тепла воздухом вдоль его потока. Поэтому в материале темпера тура повышается вдоль потока и ее максимум находится в его конце. Рядом с коридором, даже при невысоких температурах, концентрация кислорода может значительно понизиться, что вызывает замедление генерации тепла и создает разность температур в направлении, перпендикулярном к потоку (по оси х). С повышением температуры вследствие ускорения сорбции кислорода эта разность увеличивается — увеличивается неравномерность нагревания. Если скорость воздуха мала, или температура высока, то большая часть кислорода расходуется в начале потока. В конце же его генерация тепла замедляется, и нагревание происходит только за счет переноса тепла вдоль потока. Поэтому максимум температуры перемещается к началу потока. САМОВОЗГОРАНИЕ Когда хотя бы в небольшой части скопления материала достигается критическая температура, самонагревание быстро переходит в возгорание. Эта температура для больших скоплений материалов в промышленности обычно находится в пределах от 60 до 100°. Итак, первое условие возгорания состоит в достижении критической температуры. Но при этой температуре сильно ускоряется потребление кислорода. Поэтому дальнейшее развитие процесса с переходом его в возгорание возможно только при большом притоке воздуха. Это второе условие возгорания. Тепловой баланс дает возможность оценить эффективность изоляции окисляющегося материала для разных стадий его самонагревания. Для начала самонагревания достаточен очень слабый приток воздуха и, следовательно, такая совершенная изоляция, которую трудно создать. Но даже не очень хорошая изоляция может воспрепятствовать переходу самонагревания в возгорание. Значение притока воздуха можно наблюдать на угольных штабелях, имеющих изоляционное покрытие. В них самонагревание может продолжаться выше критической температуры, не переходя в возгорание (иногда наблюдались температуры до 160°). Но возгорание происходило быстро, если нарушалось изоляционное покрытие в результате оседания штабеля или при его разборке. Аналогичное происходит в подземных горных выработках. В них самонагревание может длиться годами. Вскрытие такого очага нагревания или его подработка приводят к быстрому возникновению пожара. Из описанной неравномерности самонагревания понятно, почему самовозгорание происходит всегда в отдельных небольших очагах и для объяснения этого нет надобности привлекать гипотезу о присутствии особо активных включений, как это делают представители химических теорий самовозгорания, например Г. Л. Стадников (1956). Их представления основаны на наблюдениях над пирофорными материалами, то есть такими, которые немедленно загораются при соприкосновении с воздухом. Обычно такие материалы не встречаются в месторождениях. Имеются только более или менее активные прослойки и участки. Но они не настолько активны, чтобы, будучи рассеяны в скоплении измельченного материала, могли вызвать гнездовое возгорание. Местное нагревание, вызванное активными примесями, может возникать только в том случае, если они сконцентрированы в одном месте. Как на пример материалов повышенной активности указывают на пирит и на некоторые углистые сланцы в Кураховском районе Донбасса, в Осиновском районе Кузбасса и в Воркутском месторождении. Надо заметить, что эти сведения основываются на случайных наблюдениях и недостаточно проверены специальными исследованиями. Значительно больший интерес представляют зоны повышенной склонности углей к самовозгоранию, которые наблюдаются, например, в Кузнецком бассейне. Если происходит фильтрация воздуха, то очаги самовозгорания зарождаются преимущественно в этих зонах. Тепловой баланс может служить для определения времени, по истечении которого самонагревание перейдет в возгорание. Очевидно, что это произойдет тогда, когда накопится столько тепла, что температура достигнет критического значения. Для решения задачи в уравнение (1.6) надо подставить ΔТ = Тк — То, где Тк и Го критическая и начальная температуры, а также средние значения генерации и распределения образующегося тепла. Затем, чтобы перейти от скоростей к количествам тепла, надо все члены уравнения умножить на искомое время. Тогда получим:    с T QUC   ' CP БT    2 T . Из этого уравнения можно узнать, от каких факторов зависит длительность инкубационного периода. СКЛОННОСТЬ К САМОВОЗГОРАНИЮ И ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ Разные материалы, например угли разных месторождений, участков или пластов, самовозгораются не одинаково легко. Это несомненный факт, установленный непосредственным наблюдением. Но он может быть обусловлен как природой материала так и внешними причинами, то есть условиями притока воздуха и теплообмена. Обе эти группы факторов проявляются всегда вместе и создают условия для самовозгорания. Уже давно возникло стремление разделить внутренние и внешние факторы. При этом значение внутренней природы материалов переоценивалось и казалось, что для ее характеристики легче найти объективный показатель. ПОКАЗАТЕЛЬ СКЛОННОСТИ К САМОВОЗГОРАНИЮ Под внутренними факторами в данном случае понимается химическая активность материала, зависящая только от его природы и не зависящая от внешних условий. Поэтому в качестве показателя склонности к самовозгоранию принимается способность окисляться, точнее — скорость окисления. Ее можно определять в разных условиях, то есть при воспроизведении разных химических процессов. Очевидно, что чем ближе условия испытания к тем, при которых возникает самовозгорание в промышленности, тем вернее выбранный показатель будет характеризовать склонность к самовозгоранию. Надо заметить, что полное моделирование самовозгорания в лаборатории не может быть осуществленно, так как оно возможно только при размерах модели, близких к натуре, как и почти для всех химических гетерогенных процессов. Из сказанного прежде всего следует, что окисляемость надо определять по отношению к газообразному кислороду и при низких температурах, так как наибольшее значение для оценки склонности к самовозгоранию имеет интервал от 20 до 60°. Показатель, полученный при более высоких температурах, может не согласоваться с действительностью, так как при этом механизм окисления изменяется. Относительность и условность показателя. Итак, в качестве показателя склонности к самовозгоранию принимается химическая активность материала, измеряемая по скорости окисления. Эта предпосылка требует существенных оговорок. Скорость окисления должна быть достаточно велика для того, чтобы генерация тепла была больше, чем теплоотдача. А это значит, что скорость окисления материала может быть только относительным показателем склонности к самовозгоранию — по отношению к внешним условиям. При благоприятных условиях могут самовозгораться и материалы с малой скоростью окисления. Например, кузнецкие угли в Прокопьевском районе менее активны донецких, а самовозгораются они несравненно чаще. Самовозгораются сульфидные руды, хотя скорость их окисления меньше, чем у углей, относимых к группе, не склонных к самовозгоранию. Определение скорости окисления связано с экспериментальными трудностями. Отсюда и возникает условность получаемых показателей. В угоду лабораторной технике часто заменяют трудно определяемую окисляемость кислородом при низких температурах более удобной для воспроизведения окисляемостью при повышенных температурах или в водной среде. Но при этом воспроизводятся не те процессы, которые вызывают самовозгорание. Принцип физического подобия грубо нарушается со всеми нежелательными последствиями. Так, при повышенных температурах реализуется среднетемпературная форма окисления, которая сильно отличается от низкотемпературной формы и не имеет значения для самовозгорания. Поэтому получаемый показатель может не согласоваться с действительностью. Разные методы отличаются и другими условиями, в которых производится окисление (концентрация кислорода, теплообмен, влажность и т. д.). В метод входит также условность отбора и хранения образцов. Все это создает условность получаемых показателей, ограничивающую область их применимости, причем границы этой области остаются неопределенными. Таким образом, только принимая во внимание относительность и условность лабораторно-определяемой окисляемости, можно пользоваться ею в качестве показателя склонности к самовозгоранию, который может быть использован только после сопоставления с промышленной практикой. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСЛОЖНЕНИЯ Большие осложнения вызывает изменение во времени скорости окисления. У свежедобытого каменного угля она может увеличиваться вследствие раскрытия трещин после разгрузки от горного давления. По мере же увеличения количества сорбированного кислорода она уменьшается. Это вносит осложнения двоякого рода. Во-первых, определение скорости окисления дает не одно число, а ряд чисел. В качестве показателя приходится принимать их среднее значение. Вовторых, как у опробуемого материала, так и у отобранной пробы скорости окисления изменяются со временем. Это сильно осложняет вопрос о представительности пробы. Преодолеть его обычно стремятся путем немедленной герметизации пробы при ее отборе и быстрого ее испытания. Однако это никоим образом не может быть принципиальным решением. Самовозгорание материала происходит не тотчас после проникновения в него воздуха, а по истечении некоторого времени (инкубационного периода). Так что в действительности материалы самовозгораются после более или менее длительного соприкосновения с воздухом. Это значит, что и пробы должны некоторое время выдерживаться на воздухе. Оба эти осложнения еще увеличивают условность показателя. Теория теплового баланса самонагревания указывает на большое значение температурного коэффициента скорости окисления для активации притоком воздуха и продолжительности инкубационного периода. Отсюда прямо следует, что медленно окисляющийся материал пожароопасен, если скорость его окисления сильно увеличивается с повышением температуры. Лекция 18 Строительные материалы. Строительные конструкции. Сравнительная оценка пожарной опасности лакокрасочных покрытий. Эвакуация людей при пожаре Строительные материалы характеризуются только пожарной опасностью. Пожарная опасность строительных материалов определяется следующими характеристиками: горючестью, воспламеняемостью, распространением пламени по поверхности, дымообразующей способностью и токсичностью. Строительные материалы подразделяются на негорючие (НГ) и горючие (Г). Горючие строительные материалы подразделяются на четыре группы: Г1 (слабогорючие); Г2 (умеренногорючие); Г3 (нормальногорючие); Г4 (сильногорючие). Горючесть и группы строительных материалов по горючести устанавливают по ГОСТ 30244. Для негорючих строительных материалов другие показатели пожарной опасности не определяются и не нормируются. Горючие строительные материалы по воспламеняемости подразделяются на три группы: В1 (трудновоспламеняемые); В2 (умеренновоспламеняемые); В3 (легковоспламеняемые). Группы строительных материалов по воспламеняемости устанавливают по ГОСТ 30402. Горючие строительные материалы по распространению пламени по поверхности подразделяют на четыре группы: РП1 (нераспространяющие); РП2 (слабораспространяющие); РП3 (умереннораспространяющие); РП4 (сильнораспространяющие). Группы строительных материалов по распространению пламени устанавливают для поверхности слоев кровли и полов, в том числе ковровых покрытий, по ГОСТ 30444 (ГОСТ Р 51032-97). Горючие строительные материалы по дымообразующей способности подразделяются на три группы: Д1 (с малой дымообразующей способностью); Д2 (с умеренной дымообразующей способностью); Д3 (с высокой дымообразующей способностью); Группы строительных материалов по дымообразующей способности устанавливают по 2.14.2 и 4.18 ГОСТ 12.1.044. Горючие строительные материалы по токсичности продуктов горения подразделяются на четыре группы: Т1 (малоопасные); Т2 (умеренноопасные); Т3 (высокоопасные); Т4 (черезвычайно опасные). Горючие строительные материалы по токсичности продуктов горения устанавливают по 2.16.2 и 4.20 ГОСТ 12.1.044. Строительные конструкции Строительные конструкции характеризуются огнестойкостью и пожарной опасностью. Показателем огнестойкости является предел огнестойкости, пожарную опасность конструкции характеризует класс ее пожарной опасности. Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливается по времени (в минутах) наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции, признаков предельных состояний: потери несущей способности (R); потери целостности (Е); потери теплоизолирующей способности (I). Предел огнестойкости строительных конструкций и их условные обозначения устанавливают по ГОСТ 30247. При этом предел огнестойкости окон устанавливается только по времени наступления потери целостности (Е). По пожарной опасности строительные конструкции подразделяются на четыре класса: К0 (непожароопасные); К1 (малопожароопасные); К2 (умеренопожароопасные); К3 (пожароопасные). Класс пожарной опасности строительных конструкций устанавливают по ГОСТ 30403. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ Облицовочные и отделочные материалы широко используются в строительстве. Лаки, краски, эмали, грунтовки и прочие лакокрасочные материалы занимают важное место среди огромного числа отделочных материалов. Получаемые из них покрытия имеют обычно небольшую толщину, представляя собой довольно тонкие пленки на защищаемой поверхности. Особенностью лакокрасочных покрытий, применяемых в разных помещениях зданий, является относительно низкая удельная пожарная нагрузка горючего материала и большие занимаемые площади поверхности. Влияние лакокрасочных покрытий на развитие пожара в зданиях изучено недостаточно. В настоящее время в технической литературе имеется лишь ограниченная информация о характеристиках пожарной опасности некоторых лакокрасочных покрытий, нанесенных на различную по химической природе основу. При этом сведения о виде лакокрасочных покрытий (ЛКП), об их химическом составе и свойствах чаще всего отсутствуют, а сам ассортимент исследованных ЛКП незначителен. Например, в работах [1,2] внимание исследователей было сосредоточено на определении влияния интенсивности внешнего теплового потока и расхода лаков и красок на воспламеняемость окрашенных облицовочных материалов — ДСП и фанеры, гипсовой штукатурки. Был установлен сложный характер поведения облицовок, окрашенных 2-8 слоями лаков или красок, при изменении плотности внешнего лучистого теплового потока. При большом числе слоев (большом расходе лакокрасочного материала) скорость тепловыделения при горении покрытия на горючей основе возрастала и при достижении некоторого предела переставала зависеть от типа последней [1]. Общий вывод авторов [1, 2] о том, что с увеличением числа слоев горючесть ЛКП возрастает, а при достижении определенной толщины происходит их выгорание независимо от свойств основы, согласуется в принципе с нашими собственными результатами и наблюдениями. Ранее нами было показано, что с увеличением числа слоев покрытия (расхода лакокрасочного материала) на негорючей асбоцементной основе значительно возрастает индекс распространения пламени по поверхности покрытия при действии внешнего теплового потока постоянной плотности [3,4]. Химическая природа лакокрасочного материала влияла на темп нарастания этого показателя. ЛКП из класса материалов, медленно распространяющих пламя, могли перейти в класс с быстрым распространением пламени по поверхности. Цель настоящей работы состояла в определении влияния химической природы ЛКП, а также таких важных факторов, как плотность внешнего лучистого теплового потока, тип материала покрываемой поверхности, число слоев покрытия, на показатели пожарной опасности ЛКП. Представляло интерес выявить наиболее опасный фактор пожара (ОФП), возникающий на начальной стадии его развития при горении того или иного ЛКП, и рассчитать значения критической продолжительности пожара, моделируемого сценарием пожара в коридоре здания гостиничного типа, по условию достижения выявленным ОФП предельно допустимого значения. Объекты и методы исследования В качестве объектов исследования использована серия представительных образцов ЛКП на основе пленкообразующих синтетических и природных полимеров (сополимеров) разных химических классов: силикатные; силикономасляные; алкидные, полученные реакцией поликонденсации многоатомных гликолей и фталевого ангидрида; эпоксидные; акриловые; стиролакриловые; уретаноалкидные; фенолоальдегидные; нитроцеллюлозные; нефтеполимерные и пр. Лаки, эмали, краски и грунтовки, растворимые в органических растворителях, а также водноэмульсионные латексные краски наносили кистью на поверхность древесины (дубовый паркет), гипсовую штукатурку (толщиной 16 мм) или 20-мм асбоцементную плиту в 1-6 слоев. Каждый слой высушивали до постоянного веса при комнатной температуре, фиксируя расход материала и толщину покрытия. Наиболее детально характеристики пожарной опасности по всем основным показателям изучены для ЛКП, содержащих значительное количество минеральных наполнителей и пигментов. Это покрытия на основе пентафталевых эмалей (ПФ-115, ПФ-266, ПФ-1217), глифталевой белой эмали ГФ-230 BE, нитроцеллюлозной эмали НЦ-132, уретанофенолоалкидной эмали УРФ-1128, латексных стиролакриловых красок — Aryal, Corail и их отечественных аналогов. Для сравнения рассмотрены также ЛКП на этиленвинилацетатном сополимерном латексе — ЭВА-27А, масляноалкидной краске —МА-25, нефтеполимерной краске— НП-2135 [5]. К основным показателям пожарной опасности строительных материалов относят обычно горючесть, воспламеняемость, распространение пламени по поверхности, дымообразующую способность и токсичность продуктов горения. Для определения показателей пожарной опасности ЛКП в работе использовали стандартные методы испытания: • метод определения горючести по ГОСТ30244-93; • метод определения воспламеняемости по ГОСТ30402-96; • метод определения индекса распространения пламени по ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.19; • метод определения коэффициента дымообразования по ГОСТ 12.1.04489, п. 4.18; • метод определения показателя токсичности продуктов горения полимерных материалов по ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.20. Указанные лабораторные методы позволяют получить экспериментальные данные по различным характеристикам пожарной опасности ЛКП, на основе которых проводится классификация материалов по уровню определенных показателей. Соответствующая обработка результатов испытаний дает возможность получить также данные по тепло-физическим свойствам материалов, скорости распространения пламени, удельной концентрации токсичных продуктов горения и кислорода, общему тепловыделению и полноте сгорания, необходимые для расчета динамики нарастания ОФП. Расчет динамики нарастания ОФП Основной концепцией пожаробезопасного применения строительных материалов в зданиях является обеспечение безопасности жизни людей. На начальной стадии развития пожара безопасность людей зависит от темпа роста ОФП в зоне локации людей: средней температуры окружающей газовой среды, изменения видимости, концентрации токсичных продуктов, дефицита кислорода. Расчет динамики ОФП и критической продолжительности пожара при горении ЛКП в коридоре (одном из основных путей эвакуации людей из здания) выполнен с использованием современной теории, разработанной профессором Ю. А. Кошмаровым [6, 7]. Теория базируется на интегральной математической модели пожара, выраженной системой дифференциальных уравнений, отражающих законы сохранения массы, энергии и импульса, а также граничные условия: Vdρm /dτ =ψ+Gв-Gг; (1) р (cv / R) Vdp/dτ =ψηQн (1-φ)+срТвGв-срТтGг; (2) Vdρ1 / dτ = Gв x01 –ηL1 ψ(ρ1 / ρт)Gг,; (3) Vdρ2/ dτ=ηL2 ψ-(ρ1/ ρ 2)Gг; (4) Vdμт/ dτ=Dψ-μт Gг ρт (5) р=ρт RTт , (6) где V— объем помещения; ρm,Tm,p — среднеобъемные значения соответственно плотности, температуры и давления; τ — время; ψ— массовая скорость выгорания горючего материала; Gв — расход воздуха, поступающего через проемы; Gг — расход газов, уходящих из помещения через проемы; сv, ср — удельная теплоемкость соответственно при постоянных объеме и давлении; R — универсальная газовая постоянная; η — коэффициент полноты горения; QH — низшая теплота полного сгорания; Тв — температура воздуха, поступающего в помещение; ρ1— среднеобъемная парциальная плотность кислорода; х01 — концентрация кислорода в помещении; L1 — масса кислорода, поглощаемого при сгорании единицы массы топлива; ρ2 — среднеобъемная парциальная плотность продуктов горения; L2 — масса продукта горения, образующегося при сгорании единицы массы горючего материала; μт— среднеобъемная оптическая концентрация дыма; D — дымообразующая способность горючего материала; φ* — коэффициент теплопотерь. Начальные условия этой системы уравнений следующие: ρт = ρо; р=р0; ρ1х01 = ρ01; ρ2= 0; μ2 = 0. (7) Путем применения ряда упрощений и приближений было получено аналитическое решение вышеуказанных дифференциальных уравнений относительно нарастания ОФП на начальной стадии пожара. Угроза жизни людей возникает, когда значения ОФП достигают критического уровня. Время его достижения рассматривают как меру серьезной пожарной опасности горючих материалов и, в частности, при горении ЛКП. Следует отметить, что критические значения для каждого из ОФП зависят от распределения средней объемной температуры, плотности дыма, концентрации токсичных веществ и кислорода по высоте помещения. Поэтому выбор этих значений осуществляют на основе принимаемой локации рабочей зоны по высоте помещения. На темп нарастания ОФП в помещении влияет характер газообмена с внешней средой через проемы. На начальной стадии пожара в помещениях с относительно малыми проемами приток свежего воздуха практически не наблюдается. Продолжительность пожара до наступления опасного критического уровня взаимосвязана со скоростью распространения пламени по поверхности покрытия. В настоящей работе принята модель кругового распространения пламени по окрашенной поверхности стен. Для определения продолжительности пожара до достижения критического уровня по каждому из ОФП использованы следующие уравнения:  время достижения критической средней объемной температуры: τТ=[(B /A)ln(Tcr/To)]1/3; (8)  продолжительность пожара до достижения критической концентрации кислорода:  О2  В ВL1 / V   01    ln cr   А BL1 / V  1  1/ 3 ; (9)  время, необходимое для достижения критической концентрации токсичных продуктов горения в рабочей зоне помещения:  ts В ВL2    ln cr   А BL2   2  1/ 3 (10) ;  продолжительность пожара до критического уровня оптической плотности дыма в рабочей зоне:  дым В ВD    ln cr  А BD     1/ 3 . (11) В уравнениях (8)—(11) А=πvPN2 ψ/3. Β=сp ρo To V/η(1-φ)Qн. (12) (13) где φ — средний коэффициент теплопотерь за рассматриваемый интервал времени. Коэффициент теплопотерь в определенный момент времени равен отношению теплопотерь в ограждения помещения к скорости тепловыделения: φ = Qw/ηQн ψ. (14) Принятые в работе критические значения ОФП приведены в таблице 1. Для того чтобы оценить потенциальный вклад ЛКП в нарастание ОФП и выяснить влияние химической природы применяемых покрытий на возникновение критической ситуации, проанализирован сценарий пожара в коридоре размером 20x2,24x2,24 м. Стены и потолок коридора сконструированы из негорючих асбоцементных плит или облицованы гипсокартонными плитами, окрашенными четырьмя слоями исследуемых лакокрасочных материалов. Симулируемый внешний лучистый тепловой поток, подводимый к ЛКП, принят равным 50 кВт/м2. Критические условия для людей в коридоре возникают в результате воспламенения ЛКП и развития пожара. Таблица 1 – Критические значения ОФП ρcr(CO2), ρcr(CO), Видимос Тcr,К ρ1cr,кг/м3 μcr,м-1 3 3 кг/м кг/м ть, м 343 0,226 0,11 0,00116 0,119 20 Результаты и обсуждение Из 40 исследованных образцов ЛКП единственным негорючим материалом в соответствии с требованиями ГОСТ 30244-94 оказалось покрытие на силикатном связующем с высоким содержанием минерального наполнителя. Все остальные ЛКП на органических полимерах являлись горючими материалами и были подразделены по группе горючести по ГОСТ 30244-94. Отечественные и импортные лаковые покрытия (прозрачные лаки УНФ-1 и ПФ-231К или турецкие Боат-лак и Класс-Варниш лак), нанесенные на дубовый паркет, соответствовали группе горючести Г4. В этом случае сказывается влияние горючей основы и плохие огнезащитные свойства покрытия. Содержащие большое количество минеральных наполнителей и пигментов эмалевые и грунтовочные четырехслойные ЛКП на инертной подложке соответствовали группе Г1, но различались по воспламеняемости (класс В1 или В2). ЛКП, относящиеся к одной группе по горючести и воспламеняемости — Г1 и В1, по значению критического теплового потока воспламенения qвкр (кВт/м2) можно расположить в такой последовательности: ГФ-0163 (35) < НЦ 132 (40) = ПФ 266 (40) = Polu-Tech (40) < ПФ 115 (45) = ГФ230 (45) < <Акриал (50) = ФЛ 0ЗК (50). Высокие значения qeKp имеют покрытия на основе водно-дисперсионных составов типа Coraline, Interacryl и Акриал, а также на основе фенолформальдегидного связующего ФЛ ОЗК. С увеличением в эмалевых ЛКП концентрации органической составляющей, а также содержания легко разлагающихся компонентов с неразветвленными или слаборазветвленными углеводородными структурными элементами наблюдается снижение критического теплового потока воспламенения ЛКП. Покрытия, относящиеся к группам Пи В2, по значению q^ можно расположить в ряд: ПФ-1217 (28) < ПФ-5279 (30) = силикономасляное ЛКП (30) = =Corail (30) < УРФ-1128 (33) Таким образом, эмалевые ЛКП на основе алкидных полимеров, полученных реакцией конденсации пентаэритрита и фталевого ангидрида, так же как и на стиролакриловом сополимере Corail, уступают по сопротивлению внешнему тепловому потоку покрытию УРФ-1128 на основе уретаноалкидного связующего. Все исследуемые в работе эмалевые и грунтовочные покрытия отечественного и зарубежного производства по токсичности продуктов горения являются умеренноопасными материалами (класс Т2 с индексом токсичности HCL 50 < 40 г/м3 ), а по дымообразующей способности — материалами умеренной (класс Д2) или высокой (класс ДЗ) опасности. Следует отметить, что модификация пленкообразующих компонентов ЛКП растительными маслами вызывает усиление дымообразования. Аналогичный эффект наблюдается при использовании в качестве отвердителей эпоксидных ЛКП ароматических диаминов взамен алифатических. Большинство из изученных трудновоспламеняемых эмалевых покрытий (сqвкр > 35 кВт/м2) характеризуется медленным распространением пламени по поверхности ЛКП (индекс распространения пламени по поверхности IРП < 20). Однако потенциал ЛКП по распространению пламени по поверхности зависит как от природы материала основы, так и от толщины покрытия. Например, было экспериментально найдено, что каждый новый слой эмали ПФ115 на негорючей асбоцементной плите увеличивает индекс распространения пламени на 2-6 ед. В результате уже восьмислойное покрытие трансформируется в материал с быстрым распространением пламени по поверхности. Удобным параметром для сравнения различных ЛКП и определения влияния некоторых факторов является критический тепловой поток распространения пламени по поверхности материала qРПкр (кВт/м2). В таблице 2 приведена сравнительная характеристика различных ЛКП по этому параметру. Из таблицы видно, что критическое значение теплового потока, ниже которого пламя распространяться не может, при прочих равных условиях зависит от химической природы ЛКП. Химический состав ЛКП сказывается на характере изменения значения РП q кр с увеличением числа слоев покрытия. При замене асбоцементной основы на гипсокартонную штукатурку пожарная опасность ЛКП возрастает. Подобный эффект неорганической основы на критический тепловой поток распространения пламени обнаружен для всех исследуемых в работе ЛКП. Таблица 2.- Влияние числа слоев ЛКП и вида материала основы на qРПкр Значения qРПкр, кВт/м2, при числе слоев ЛКП ПФ 115 ПФ – 132 ПФ – 266 ПФ – 1217 Acryal Corail EVA – 27A асбоцемента гипсокартона 1 4 6 1 4 6 26 24,5 23 20,5 14 14 33 24 23,8 - - 20,6 27 25,4 18,3 13,7 11 10,5 31 23,5 - 21,7 18 17,5 23 27 24,2 21,6 16 14,5 11 13,7 11 12,8 - >35 - 30 29,5 29,2 Естественным пределом влияния увеличения толщины покрытия (числа слоев) на воспламеняемость и распространение пламени по поверхности ЛКП является трансформация термически тонкого покрытия в материал с поведением термически толстого. Экспериментами установлено, что температура на горящей поверхности ЛКП снижается до некоторого предела при увеличении толщины покрытия до 0,8-1 мм. Можно ожидать, что при большей толщине покрытия воспламеняемость и распространение пламени по поверхности ЛКП станут независимыми от толщины ЛКП и природы подложки. Лабораторные методы испытания ЛКП позволили получить информацию о различных характеристиках покрытий, необходимых для сравнительной оценки пожарной опасности этих материалов при разных сценариях пожара. Полученные таким образом исходные данные для расчета продолжительности пожара до критического уровня по каждому ОФП на начальной стадии его развития приведены в таблице 3. В уравнениях (8)-(11) величины, представленные в логарифмической форме, являются обобщенными параметрами, которые обычно называют индексами пожарной опасности [6, 7]. Сравнение ЛКП по индексам пожарной опасности провод* лось на примере уменьшенной модели коридор длиной 20 м и объемом 1 м3. В таблице 4 представлены результаты расчета. При расчете средний коэффициент теплопотерь был принят равным 0,6. Если индекс пожарной опасности имеет отрицательно значение, т. е. I < 0, то это означает, что рассматриваемый фактор не представляет существенно опасности. Как видно из табл. 4, наиболее опасны фактором пожарной опасности при горении ЛКП симулируемой ситуации пожара является образование дыма. Индексы пожарной опасности исследуемы ЛКП (за исключением ЭВА27А) изменяются в слeдующем порядке: Iдым