Диффузия и теплопередача в химической кинетике Франк-Каменецкий Д.А. (1014155), страница 55
Текст из файла (страница 55)
Но если сравнить экспериментальные условия этих двух работ, то окажется, что в первом случае критерий поверхностного ускорения удовлетворялся, во втором— нет. Для скорости э распространения турбулентного пламени при поверхностном ускорении Щелкин [181 из геометрических соображений получил соотношение э =и ~/ 1+ В( — ") где  — слабо меняющееся число, которое не может быть больше единицы. В пределе при сильной турбулентности (и))ю) турбулентная скорость пламени должна стремиться к пульсационной скорости, т. е.
 — к единице. При чисто геометрическом ускорении скорость распространения турбулентного пламени никогда не может быть больше суммы нормальной и пульсационной скоростей. Между тем, в эксперименте, если понимать под и пульсационную скорость в отсутствие пламени, ее влияние сказывается 270 сильнее. Так, результаты тщательных измерений Козаченко И9) хорошо описываются эмпирической формулой: и = ж~)+ 3,4( — ") "~, что при умеренной интенсивности турбулентности (и — и~) значительно больше, чем в + и.
Карловиц, Деннистон и Уэльс (20) объясняют быстрый рост скорости горения дополнительной турбулизацией потока самим пламенем. Механизм этой турбулизации связан с термическим расширением газа в зоне пламени*. Расширение создает боковую составляющую скорости, приводящую к дополнительному искривлению фронта. По этой причине коэффициент В в формуле Щелкина может стать порядка корня квадратного из отношения объемов продуктов реакции и исходной смеси. ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА И ПОРОХА Большое значение имеют процессы, в которых все компоненты, участвующие в горении, первоначально находятся в конденсированной (твердой или жидкой) фазе.
Это может быть как химическое соединение, так и механическая смесь. Взрывчатым веществом может быть любое эндотермическое соединение, способное к быстрому распаду. Наибольшее практическое значение имеют органические нитросоединения, содержащие слабо связанный кислород в виде нитрогруппы )т)Оа. Здесь в одной молекуле содержатся одновременно горючее и окислитель. Сюда относятся такие классические взрывчатые вещества, как нитроглицерин, тринитротолуол (тротил), тетранитропентаэритрит (ТЭН), а также основа бездымных коллоидных порохов — нитроклетчатка (пироксилин).
К соединениям со слабо связанным кислородом относятся также органические перекиси и озоннды; многие из них являются сильными взрывчатыми веществами, но практического применения не получили из-за слишком высокой чувствительности, Важную группу взрывчатых веществ представляют зндотермические соединения, не содержащие кислорода — прежде всего азиды свинца, серебра и других металлов.
Здесь источником энергии является не окисление, а прямой распад. К механическим смесям относятся смесевые пороха (например, черный порох) — смеси твердых углесодержащих горючих с твердыми окислителями. Порохами называются взрывчатые вещества метательного действия. Взрывчатые вещества ударного действия подразделяются на инициирующие и вторичные. Вторичные взрывчатые вещества должны обладать низкой чувствительностью, обеспечивающей безопасность при хранении и обращении.
Возбуждение взрыва их производится ударной волной, приходящей из инициирующего взрывчатого вещества, которое должно быть достаточно чувстви- * Критику атил представлений можно найти в монографии Соколина (21). 271 тельным для возбуждения взрыва более слабым первичным воздействием — электрическим разрядом или ударом. Особую группу составляют сверхчувствительные взрывчатые вещества, способные взрываться от ничтожных воздействий.
Типичными примерами являются хлористый азот о[С[и иодистый азот Х7а и азотистоводородная кислота НХю Эти вещества уже при обычных температурах и давлениях находятся, по-видимому, внутри области самовоспламенения, которое задерживается только отсутствием зародышей новой фазы. Испарение и горение конденсированных фаз Прн горении взрывчатых веществ и порохов возможны различные сочетания процессов в конденсированной и газовой фазах.
Простейшим в теоретическом отношении является случай, указанный Беляевым [221 и разработанный далее Зельдовичем [231, когда горение происходит в газовой фазе, а поток тепла, приходящий из зоны пламени, вызывает в конденсированной фазе зндотермические процессы испарения. Это пример квазигетерогенного горения, отличающийся от горения жидкого топлива только отсутствием диффузионных процессов. Важная особенность этого процесса, отмеченная Зельдовичем [231, заключается в тепловой инерции конденсированной фазы, обусловленной ее высокой теплоемкостью.
При изменении давления режим горения в газовой фазе быстро меняется, а толщина зоны прогрева конденсированной фазы не успевает подстраиваться к этим изменениям. В этом может заключаться механизм пульсаций, наблюдающихся при горении конденсированных фаз в замкнутом объеме. Механизм горения в газовой фазе является основным для вторичных взрывчатых веществ. При горении твердых порохов существенную роль играют экзотермические процессы в твердой фазе. Как показал экспериментально Похнл [241, эти процессы приводят к диспергированию твердого вещества и образованию дыма [аэрозоля), на развитой поверхности которого быстро заканчиваются дальнейшие процессы. В работе Марголина [461 получен общий критерий, определяющий, что является ведущей стадией горения: реакция в дымогазовой или в конденсированной фазе пороха.
При повышении начальной температуры ведущая роль переходит к конденсированной фазе, так как скорость ее горения при высоких температурах превышает скорость горения дымо-газовой смеси. При горении в газовой фазе, по теории Зельдовича [231, повышение начальной температуры конденсированной фазы может увеличить скорость горения не более чем в е.= (2,7) раз.
Но переход ведущей роли к конденсированной фазе может резко изменить не только самую скорость горения, но и ее температурный коэффициент. Это явление наблюдали экспериментально Лейпунский и Корот- 272 ков [481, показавшие, что повышение начальной температуры пироксилинового пороха выше 40' С увеличивает температурный коэффициент скорости горения примерно в 7 раз при атмосферном давлении. Повышение давления также приводит к переходу ведущей роли к конденсированной фазе. Для горения взрывчатых веществ большое значение имеет проникновение газовых струй в конденсированную фазу, приводящее к интенсификации процессов переноса и ускорению горения 1251. Переход горения в детонацию связан именно с этими процессами, аналогично возникновению детонации в газах по Щелкнну.
При горении твердых взрывчатых веществ возможен своеобразный механизм увеличения поверхности горения за счет большой площади неровностей и пор. Скорость горения на шероховатой и пористой поверхности всегда больше, чем на гладкой. Этот вопрос разобран качественно Беляевым [25! и количественно Марголиным [47], который указал на роль колебаний давления, облегчающих проникновение горячих газов в поры твердого тела, и рассчитал оптимальную частоту этих колебаний. Очаговое воспламенение При оценке твердых взрывчатых веществ большое значение имеет чувствительность к удару и другим механическим воздействиям.
Она является положительным качеством для ограниченного круга веществ, служащих для изготовления капсюлей-детонаторов и отрицательным — для всех остальных, уменьшая безопасность и затрудняя обращение с ними. Одним из важнейших технических испытаний твердых взрывчатых веществ является проба на копре на чувствительность к удару. Блестящие экспериментальные исследования Боудена и его школы [26, 271 с достоверностью показали, что механизм взрыва от удара и трения связан с повышением температуры локальных очагов воспламенения [«горячих точекэ).
Теория такого очагового воспламенения сложнее других разделов теории горения, так как она должна ответить на два независимых вопроса: 1) От чего зависит температура, развивающаяся в очаге вследствие механического воздействия. 2) Какой должна быть эта температура, чтобы вызвать воспламенение.
Первый вопрос выходит, собственно, за рамки теории горения; он имеет отношение к механике сплошных сред. Боуден и Иоффе [271 рассматривают три механизма образования горячих точек: адиабатическое сжатие газовых пузырьков; трение кристалликов друг об друга или о внешние тела и, наконец, вязкий нагрев при пластическом течении. Детальный расчет тепловыделения прп подобных процессах затруднителен, но во всяком случае для второго механизма можно считать, что разогрев очага ограничиза- 273 ется температурой плавления вещества.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
