Повна версія

Головна arrow Товарознавство arrow Теорія горіння та вибуху

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

Енергія вибуху

Головні переваги ВВ перед іншими джерелами енергії полягають у компактності, транспортабельності й у тому, що виділення енергії може протікати за короткі часи, дозволяючи розвивати величезні потужності. Так, при вибуху сферичного заряду масою 1 кг і щільністю 1,65 г / см3, який виготовлений з потужного ВВ - гексогену, збуджуваного (ініційованого) в центрі, швидкість поширення вибухового перетворення по речовині (детонація) становить 8300 м / с. Шлях r (радіус заряду), який пройде детонація, визначається з рівності

де Gup - відповідно маса і щільність заряду.

Час реалізації процесу - τ = r / D (D - швидкість детонації).

Потужність N (кДж / e), развиваемую при вибуху, можна оцінити, знаючи що виділяється кількість тепла q при вибуховому перетворенні 1 кг гексогену:

(4.25)

Для гексогену q = 5 420 кДж / кг. Розрахована потужність завищена, оскільки не було враховано час, протягом якого розширюються гази здійснюють роботу. Слід зазначити, що вона перевищує потужність найбільших електростанцій світу. Вибухові речовини, здатні до настільки швидкого перетворення, називають бризантними.

З бризантних вибухових речовин виділяють ініціюючі ВВ, що практично не мають самостійного застосування і використовувані лише для приготування засобів підривання. Засоби підривання (капсулі-детонатори, вибухові патрони, підривники, детонують шнури й т.д.) об'єднують в спеціальну підгрупу. Бризантні ВВ, пороху і засоби підривання складають групу вибухових матеріалів. Як при детонації, так і при згорянні при пострілі, на перетворення ВВ в гази накладаються додаткові умови: для порохів - стійке з розрахунковою швидкістю горіння при різних тисках, для бризантних ВВ - надзвичайно велика швидкість поширення перетворення по речовині.

Однак вибухові речовини здатні не тільки до швидких перетворенням. Якщо підпалити невелика кількість ВВ звичайними засобами і дати йому горіти в атмосферних умовах, що не утрудняючи відведення газів, то згоряння пройде повільно і спокійно. На цьому заснований метод знищення негідних ВВ спалюванням, при кваліфікованому виконанні досить безпечний і зручний. При неправильному спалюванні можуть виникнути обставини, за яких горіння мимовільно перейде в детонацію з більш швидким перетворенням ВВ в гази.

Що ж таке вибух? Вибухом називають фізична або хімічне перетворення речовини, при якому його енергія швидко переходить в енергію стиснення і руху самого речовини або продуктів його перетворення і навколишнього середовища Енергія вибуху може бути різною. Виділення хімічної, електричної, ядерної, термоядерної, теплової, кінетичної енергій, енергії пружного стиснення здатне супроводжуватися вибуховими процесами. Наприклад, при електроіскровому способі руйнування матеріалів використовуються мікровибухи, джерелом енергії яких служить електричний розряд, а носієм енергії - продукти випаровування і розкладання або просто нагріву середовища, в якому розряд здійснюється. Вибух, викликаний руйнуванням балонів зі стисненим газом, парових котлів, посудин високого тиску, також може протікати з великою швидкістю і викликати серйозні пошкодження в навколишньому просторі.

Проте основне значення має використання потенційної хімічної енергії, яка у багатьох речовин в певних умовах (в результаті хімічної реакції) може швидко переходити в енергію стислих газів. Речовини, здатні до таких перетворенням, називаються вибуховими, а вибух - хімічним. Надалі під вибухом, без спеціальних застережень, будемо розуміти тільки хімічний вибух, а всі розглянуті процеси відносити до процесам, що протікають при хімічному вибуху.

Вибух можна характеризувати кількістю виділяється енергії. Оскільки цей процес іноді задається параметрами апаратури (наприклад, у пневматичних ізлу чатель - об'ємом камери і тиском стисненого повітря), потрібно вміти визначати його енергію. Для пневматичного випромінювача вона дорівнює PV / (k - 1), де Р - тиск стисненого газу; V - об'єм камери; k - поправочний коефіцієнт (для повітря k = 1,4), для електроіскрового випромінювача - UC 2/2, де С - ємність, U - напруга. Енергію хімічних вибухових речовин найчастіше задають теплотою вибуху в кілоджоуль на кілограм. Природно, що порівняння джерел припускає переклад енергії з одних одиниць в інші (калорій в джоулі та ін.).

У зв'язку з розглядом вибуху торкнемося процесу, певною мірою протилежного йому, - імплюзіона, який починають застосовувати в техніці. При вибуху заряду ВР рівень енергії дозволяє газам завдяки розширенню робити роботу над зовнішнім середовищем. При імплюзіоне речовина середовища, що оточує джерело, має більш високим тиском, ніж у самому джерелі, і при знятті розділяє перепони отримує можливість спрямовуватися усередину джерела. Такий процес може стати причиною хвильових збурень. Найпростіший приклад імплюзіона - колба електричної лампочки (вона вакуумована), що розбивається на повітрі. Чим вище тиск середовища, тим більше енергії може виділитися при схлопуванні порожнини. У глибоких свердловинах вона стає значною навіть у малих порожнин. Аналогічне явище спостерігається при підводному вибуху, коли відбувається схлопування перерасшірівшіхся продуктів вибуху під дією гідростатичного тиску. У сейсміці це реєструється як другий удар вибуху, виробленого у водоймі, при достатній глибині розташування заряду в ньому.

Хімічний вибух - самораспространяющемуся хімічне перетворення речовини, що протікає з великою швидкістю, виділенням тепла та утворенням газів, стислих до високого тиску. Детонація - окремий випадок вибуху, здійснюваного з постійною, максимальної для даної речовини швидкістю.

Перш за все потрібно оцінити енергію (кількість тепла), що виділяється при вибуху. Реакції бувають двох типів - з виділенням тепла (екзотермічні) і з поглинанням (ендотермічні). Теплоти утворення молекул - з'єднань з атомів (теплота освіти останніх дорівнює нулю) - можуть бути як негативні (на їхню освіту з елементів потрібно додатково витрачати енергію), так і позитивні. Виділення тепла у ВВ зазвичай викликається реакцією між горючими складовими і окислювачем (киснем), що входять до його складу. Якщо ВВ - індивідуальна хімічна сполука, то ними будуть різні групи в молекулі, якщо сумішеве - то різні речовини, що входять до складу суміші. Їх співвідношення визначає кисневий баланс речовини. Коли кисню недостатньо для повного окислення горючої складової ВВ - баланс негативний. У речовин з позитивним кисневим балансом частина кисню при вибуху залишається невикористаною і непродуктивно втрачається. Властивості сумішевих вибухових речовин можна міняти шляхом підбору відповідних окислювачів і горючих.

Кисневий баланс визначається як недолік або надлишок (у грамах) кисню, необхідного для окислення або залишається при окисленні 100 г вибухової речовини. Для тетранітрометапа C (ΝO2) 4 він дорівнює +49, аміачної селітри ΝH4ΝΟ3 - +20, тротилу С7Н5N3O6 - -74, гексогену (СH2N2) 3 - -21,6. Максимальний негативний кисневий баланс, за визначенням, - у водню (-794), максимальний позитивний - у кисню (+100).

Прикладом ВВ, що має негативний кисневий баланс, може служити тротил - поширене бризантна вибухова речовина. Хімічна назва його - тринітротолуол, зустрічаються назви тол, ТНТ. Як видно з структурної формули, горючі складові - атоми водню і вуглецю і окислювач - кисень, що входить до складу нітрогрупи (NO2), в молекулі тротилу ще не пов'язані між собою:

Виходячи з формули речовини, можна вказати, за яким напрямком піде в ньому реакція, які продукти можуть утворитися при цьому. Для тротилу реакція вибухової розкладання має наступний вигляд:

(4.26)

Склад продуктів залежить від умови вибуху і їх кінцевого стану (ступеня розширення). У багатьох вибухових систем першими реалізуються ті реакції, які характеризуються максимальним виділенням енергії. Так, в речовині, що має формулу виду СаН4МcОd, при порівняно невеликій нестачі кисню [d <(2 а + b / 2)] в першу чергу відбувається реакція водню з киснем, як найбільш вигідна, оскільки при утворенні Н2O на одиницю кисню виділяється 255 кДж , а при утворенні СO2 - 187 кДж (теплота освіти СО2 - 379 кДж / моль).

Підхід до розрахунку теплоти перетворення ВВ, при якому записуються ті з можливих продуктів реакції, утворення яких забезпечує її максимальний тепловий ефект, називають принципом максимальної роботи. Розрахунок певною мірою ідеалізує процес і дає найбільшу точність для систем з позитивним або зі слабконегативним кисневим балансом. Насправді склад продуктів вибуху (ПВ) зазвичай не відповідає такому розрахунку. Останнє обумовлено тим, що в ПВ деякий час після вибуху триває взаємодія і встановлюється рівновага між продуктами реакцій, що йдуть як з позитивними, так і з негативними тепловими ефектами. Прикладом останніх служать реакції

або

Для наближених розрахунків систем з негативним кисневим балансом можна скористатися методом Лешательє, заснованим на принципі максимального обсягу, причому якщо обсяги однакові, то пріоритет має реакція з великим виділенням тепла. Метод найбільш справедливий для визначення кінцевого стану продуктів вибуху. Переважною реакцією вважається окислення вуглецю до СО. Якщо кисень недорасходован, то він рівною мірою витрачається на доокисление СО і Н2. Реакція розкладання гексогену в цьому випадку записується так:

(4.27)

Більш точний розрахунок складів продуктів вибуху виконується з урахуванням кінетики та умов протікання реакцій. Точність цих обчислень не завжди достатня через відсутність достовірних відомостей про стан речовини при високих температурах і тиску. Дані про теплоту і про склад продуктів вибуху отримують і експериментально, для чого розроблені й успішно застосовуються спеціальні методи дослідження вибуху.

Як уже зазначалося, енергію вибуху характеризують теплотою вибухового перетворення ВВ. Знаючи теплоту утворення вихідних речовин і продуктів вибуху і користуючись законом Гесса (тепловий ефект процесу залежить не від шляху перетворення, а від початкового і кінцевого станів речовин), можна розрахувати теплоту і ряд інших параметрів вибуху. Такі розрахунки можуть зустрітися і в практиці роботи інженера-геофізика, оскільки сумішеві ВВ і пороху застосовуються і будуть застосовуватися в збільшуються кількостях.

Виконаємо розрахунок дешевої вибухової суміші типу ігданіта з гранульованої аміачної селітри з рідким пальним. Для простоти розрахунку замість використовуваних нафтопродуктів - солярового масла або гасу, що є сумішшю речовин, - візьмемо бензол (C6H6). Розглянемо випадок, коли вибухова суміш задається вказівкою компонентів і кисневого балансу. Нехай дано, що суміш з бензолу та аміачної селітри повинна мати кисневий баланс -10, інакше у неї для повного окислення 100 г суміші буде не вистачати 10 г кисню. Для початку визначимо, який склад повинна мати суміш, щоб задовольнити завданням.

З метою спрощення рішення представимо, що наше ВВ як би складається з двох частин - одного з компонентів (у розглянутому випадку - пального, оскільки баланс негативний), взятого в кількості, що забезпечує потрібний баланс, і суміші заданих речовин нульового кисневого балансу (останню іноді називають стехиометрической). Якщо до розрахунковим кількості пального додати такої суміші, довівши загальну вагу до 100 г, отримаємо склад із заданим кисневим балансом.

Послідовно проведемо обчислення.

На окислення молекули бензолу (його молекулярна вага - 78)

буде потрібно 15 атомів кисню. Відповідно кількість бензолу x 1, на окислення якого потрібно 10 г кисню, отримаємо з пропорції "бензол - потрібно кисню":

Додавши до цієї кількості (100 - х 1) г суміші нульового кисневого балансу, отримаємо суміш заданого складу.

Перейдемо до обчислення вмісту компонентів у 96,75 г стехиометрической суміші. Визначимо надлишок кисню в окислювачі. Селітра, розкладаючись, виділяє кисень:

причому 80 г окислювача (молекулярна вага аміачної селітри 80) виділить 16 г кисню. Реакція між бензолом і аміачною селітрою в суміші нульового кисневого балансу запишеться у вигляді

Тоді отримуємо пропорцію:

Отже, в 96,75 г суміші входитимуть 5,85 г бензолу і 90,85 г аміачної селітри. Таким чином, остаточний склад суміші з заданим кисневим балансом і склад продуктів вибуху, розрахований за принципом максимальної роботи, будуть:

(4.28)

Не вдаючись до розрахунку, можна було відразу записати вміст у продуктах вибуху вільного вуглецю, оскільки саме його наявність і визначатиме негативний кисневий баланс суміші. Оскільки для повного окислення 12 г вуглецю потрібно 32 г кисню, 10 г кисню зможуть окислити г вуглецю, або часткою благаючи вуглецю. Ці міркування добре використовувати для перевірки правильності зроблених обчислень.

Приготувати подібну суміш вельми просто: потрібну кількість селітри треба змішати з бензолом. Маючи вихідні компоненти і знаючи склад продуктів вибуху, легко розрахувати теплоту вибуху системи. Теплоту утворення вихідних компонентів і продуктів вибуху знаходять у відповідних довідниках. Так, для 1 благаючи бензолу вона становить (в кДж / моль) -39,1, аміачної селітри - +410,8, СO2 - +444,2, Н2O - +271,7.

Тепловий ефект вибуху Q x заряду в задачі можна визначити з рівняння

(4.29)

Він складе 374 кДж / 100 г суміші, або 3740 кДж / кг.

Обсяг утворюються газоподібних продуктів (у літрах) можна розрахувати по рівнянню реакції шляхом перемноження числа молей газу на 22,4 (обсяг граммолекули). Природно, що при цьому слід враховувати, в якому стані знаходиться речовина. Так, вуглець (температура сублімації вище 3 700 ° С при нормальному атмосферному тиску) не дасть газової фази, вода, природно, буде парою. Обсяг продуктів вибуху, віднесений до нормальних атмосферних умов, називають наведеним об'ємом. У задачі, розглянутої вище, він складе близько 800 л / кг.

Якщо відомі теплота і склад продуктів вибуху, то їх температура Т вз може бути визначена зі співвідношення Т вз = = Q / C vcр, де З v cp - середня теплоємність продуктів вибуху (при постійному обсязі) для інтервалу Τ 0 вз. Істотно відзначити, що теплоємність є функцією температури.

Останнє вносить деякі (чисто технічні) ускладнення в розрахунок, оскільки вид залежності відомий. Однак простіше скористатися готовими даними по Тепломісткість газів при різних температурах (табл. 4.1).

Таблиця 4.1

Зміна теплосодержания (внутрішня енергія) деяких газів (кДж / моль)

Температура, К

Н2

O2

N2

СО

CO2

H2O

С (графіт)

300

0,045

0,045

0,045

0,045

0,062

0,054

0,0188

600

1,542

1,646

1,562

1,573

2,534

1,958

0,962

1000

3,591

4,069

3,771

3,826

6,639

4,889

2,839

1 400

5,752

6,682

6,199

6,295

11,233

8,239

5,006

1 800

8,081

9,407

8,762

8,889

16,087

11,955

+2200

10,555

12,233

11,407

11,560

21,092

15,949

-

2600

13,145

15,124

14,105

14,278

26,202

20,128

-

3000

15,829

18,112

16,839

17,029

31,382

24,466

14,894

+3600

19,987

22,725

20,993

21,199

39,294

31,114

-

+4000

22,828

25,874

23,783

24,003

44,615

35,679

21,364

4600

27,173

30,697

28,007

28,234

52,687

42,537

-

5000

30,118

33,943

30,840

30,971

58,118

70,57

Задавшись температурою і знаючи склад продуктів вибуху, можна знайти їх теплосодержание і зіставити його з теплотою вибуху. Порівняння дозволить визначити характер помилки, зробленої при виборі температури. Повторюючи операцію, але вже з іншою (скоригованої) температурою, можна методом наближень знайти температуру вибуху.

Слід зауважити, що енергія, що виділяється при вибуху, порівняно невелика: найбільш потужні ВВ мають теплоту вибуху 6500-6700 кДж / кг. При вибуху 1 кг тротилу на повітрі виділяється приблизно 4 000 кДж тепла, при згорянні 1 кг солярового олії - близько 44000 кДж. Але теплота згоряння 1 кг суміші солярового масла з киснем складе вже тільки 10000 кДж, а 1 кг суміші солярового масла та повітря - 2670 кДж. Неодноразово підкреслювалося, що крім виділення енергії вибух характеризується утворенням продуктів, що знаходяться в газоподібному стані при тих температурах, які досягаються при вибуху.

Хоча теплота реакції терміту

приблизно в 2,3 рази вище теплоти вибухового розкладання тротилу, його горіння протікає спокійно; утворюються продукти, навіть при тих температурах, до яких вони розігріваються, залишаються рідкими. Але варто тільки підмочити терміт, як картина змінюється: тепло перетворює воду на пару, і горіння супроводжується вибухового процесами. У вибухової речовини в обсязі, займаному зарядом, при вибуху відразу утворюються стислі до величезного тиску гази - продукти реакції, забезпечуючи реалізацію виділилася енергії у формі роботи, що здійснюється розширюються газами.

Створюючи вибухова речовина, ми, природно, зацікавлені в тому, щоб при сто вибуху виділялося більше енергії і утворювалися стиснуті гази, здатні реалізувати енергію потрібним чином. Іноді ці вимоги вступають у протиріччя. Так, енергію вибухової розкладання можна збільшити за рахунок підбору відповідних горючих, зокрема введення до складу ВВ металів, наприклад алюмінію (теплота освіти А12О3 - +1599 кДж / моль). Продукти окислення алюмінію - тверді речовини. Добавка (до певної межі) алюмінію до складу деяких вибухових сумішей здатна підвищувати працездатність останніх. Існують вибухові речовини з підвищеною теплотою вибуху, що містять у своєму складі метали. Як уже зазначалося, склад продуктів вибуху залежить не тільки від вибухової речовини, а й від умов вибуху: способу ініціювання, розмірів і конструкції заряду і оболонки, умов середовища, в якій проводиться вибух. Якщо вихідні продукти залишаються постійними, а склад продуктів вибуху змінюється, то буде змінюватися і тепловий ефект вибуху, тому для деяких ВВ приводяться різні значення теплот вибуху в залежності від умов, в яких він здійснюється. Як приклад в табл. 4.2 наведено (за даними Р. Шмідта) склад продуктів вибуху тротилу (щільність 1,52) при збудженні вибуху заряду слабким і сильним ініціаторами.

Щоб перетворення ВВ внаслідок почалася швидкої хімічної реакції пройшло по всьому заряду, процес повинен бути самораспространяющемуся. Для цього хімічна реакція повинна володіти відповідними кінетичними характеристиками, а виділення енергії - компенсувати неминучі втрати. Швидкість реакції, здатність до самопоширення, екзотермічність, газоутворення тісно взаємопов'язані і впливають один на одного і на межі здійснення вибухового процесу.

Таблиця 4.2

Склад продуктів вибуху тротилу

Ініціатор

Зміст, моль / кг

З

CO2

СО

H2O

Н

CH4

СmHn

N2

HCN

С2N2

Слабкий

6,6

1,78

18,63

4,25

5,34

0,1

0,9

4,74

1,1

1,2

Сильний

15

5,3

8,79

7,05

1,69

0,03

0,05

5,2

1,4

0,1

У табл. 4.3 наведені характеристики ряду вибухових речовин і порохів, використовуваних промисловістю.

Таблиця 4.3

Вибухові характеристики деяких вибухових речовин

Найменування ВВ

Теплота вибуху. кДж / кг

Швидкість

детонації.

м / с

Наведений обсяг продуктів вибуху, л / кг

Димний порох

2500

280

Бездимні пороху

2500-5300

-

750-970

Тротил (r = 1,61 г / см3)

3800-4200

7000

750-870

Амоній № 6 (r = 1,15 г / см3)

+4100

4500

900

Гексоген (r = 1.65 г / см3)

+5800

8400

890-950

Нітрогліцерин

+6100

8000

690

ВР під час вибуху виділяє енергію за рахунок того, що невеликий обсяг твердого або рідкого ВВ перетворюється на величезний об'єм газів, нагрітих до температури тисяч градусів. Для різних типів ВР обсяг виділяються газів на 1 кг ВВ, що має початковий обсяг не більше 0,8-1 л, складає величину від 300 до 1000 л і більше. Утворилися при вибуху гарячі газоподібні продукти розпаду ВВ починають розширюватися, виробляючи механічну роботу. Таким чином, ВВ мають запас прихованої хімічної енергії, освобождающийся при вибуху. Однак прихованої енергією володіють не тільки ВВ, а, наприклад, бензин, вугілля, дрова та інші горючі речовини. Ця енергія горючих речовин може виділятися при горінні. Чому ж для цілей руйнування і метання застосовуються ВВ і пороху, а не, наприклад, бензин? Відомо, що в 1 кг бензину енергії міститься в 10 разів більше, ніж в 1 кг тротилу, і в 12 разів більше, ніж в бездимному піроксилінового поросі. Але заряд ВВ і заряд пороху з величезною швидкістю перетворюються в гази, а бензин або будь-яке паливо не може горіти без достатньої кількості повітря або вільного кисню. Для згоряння 1 кг бензину потрібно стільки кисню, скільки його міститься в 15,5 кг повітря. Тому теплоту горіння (енергію) палива потрібно розраховувати на 1 кг його суміші з необхідним для його повного згоряння киснем. При такому розрахунку різниця в енергії згоряння суміші бензину з киснем і енергії вибуху заряду ВР того ж кількості менше, ніж наведено вище, однак і в цьому випадку кількість виділяється при згорянні бензину енергії більше: бездимний порох - 2860 кДж / кг, тротил - 4100 кДж / кг, суміш бензину з киснем - 11000 кДж / кг. Отже, не величина енергії, укладена в ВВ і порохах, є основною причиною їх застосування для цілей руйнування і метання. Основна причина полягає не у величині енергії, а в дуже швидкому її виділенні. Якщо згорання 1 кг бензину в автомобільному двигуні відбувається (в залежності від потужності двигуна і його навантаження) за 10- 60 хв, то 1 кг пороху згорає в зарядній камері артилерійського знаряддя за кілька тисячних часток секунди, а вибух 1 кг тротилу триває всього лише 30 -40 стотисячний часток секунди. Енергія при вибуху виділяється в десятки мільйонів разів швидше, ніж при згорянні палив. Цим і пояснюється колосальна потужність вибуху. Однак потужність вибуху правильніше обчислювати не по часу детонації всього заряду, а але часу перевищення продуктами вибуху рівня нормального атмосферного тиску, досягнення такого рівня за результатами швидкісних зйомок вибухового процесу виникає протягом декількох мілісекунд. У цьому випадку потужність 1 кг тротилу виражається величиною більше 1 МВт. Але і ця потужність в реальних умовах не може бути реалізована повністю через короткочасність її дії, інерції мас переміщуваного або руйнується матеріалу, на які вона діє, а також втрат на нагрівання навколишнього середовища, на зайве здрібнення і розкидання її, на залишкове тепло в продуктах вибуху після їх остаточного розширення і на неминучі хімічні втрати. У підсумку корисна механічна робота часто не перевищує 1-2%, а при вибухах у твердій середовищі - 8-9% енергії, що міститься в ВВ. Однак величезна кількість потенційної енергії, що міститься в ВВ і порохах, робить їх незамінними, незважаючи на неповне се використання при вибуху. Велика потужність характерна для ВВ і у випадку застосування їх для цілей метання снарядів. Потужність порохового заряду артилерійського пострілу великого калібру становить 10 МВт.

 
<<   ЗМІСТ   >>