Энергетика взрывов.

10.1. Безопасность топливо – энергетических процессов.

Безопасность предполагает защиту от ожидаемого взрыва, от неожиданного взрыва и от взрыва нерасчетной избыточной мощности. Поскольку правила безопасности регламентированы, не будем на них останавливаться. Обратим внимание на то, что было неизвестно, но становится очевидным с появлением теории горения в соответствии с новой гиперчастотной физикой /2/. Из нее следует, что взрыв как быстрое горение может произойти, если будут созданы условия для ФПВР, то есть наличие плазмы и электронов – генераторов энергии, а это не всегда очевидно, особенно для людей не знакомых с указанной теорией и механизмом горения. В существующей традиционной литературе по физике взрыва авторы старательно обходят механизм взрыва, так как в рамках классической физики он не находит объяснения, кроме как с помощью эмпирических данных (теплотворная способность топлива...) и зависимостей.

К чему это незнание приводит? Пример: на космодроме Плесецк при подготовке к старту произошел взрыв ракеты с человеческими жертвами. Комиссия официально решила, что взрыв – следствие неправильных действий и упущений эксплуатационников, которые все погибли, а материальная часть сгорела. Однако, в результате журналистского расследования, которое показали по телевидению, центр взрыва находился в зоне расположения фильтров на трубопроводе перекиси водорода. Оказалось, что оловянистый припой, которым по конструкторской технической документации должны паять фильтры, заменили свинцовым. Официальный рабочий чертеж замены припоя подписал главный конструктор лично. Откуда ему знать, к чему приведет эта, вроде бы невинная, замена? Однако, как мы уже знаем из первой книги 111 по описанию работы кислотных аккумуляторов, свинец является катализатором разложения перекиси водорода на атомы и свободные электроны, составляющие «холодную» плазму в электролите. Наличие плазмы и электронов приводит к расщеплению кислорода и быстрому накоплению и высвобождению электрино в виде взрыва при отсутствии их организованного стока. Так, что этот взрыв неожиданный и причиной его явилось незнание истинного механизма процесса энерговыделения.

Однако и запланированные взрывы иногда приносят опасные неожиданности.

Задолго до настоящего времени были известны случаи, когда энергия взрыва превосходила расчетную или теоретически возможную. В первую очередь это относится к взрывам запыленного воздушного пространства, а также – облака какой-либо другой объемно-детонирующей смеси (ОДС). Поскольку кроме воздуха и горючих веществ в облаке ничего нет, то помимо взрывного взаимодействия горючего вещества с кислородом воздуха, причина избыточной энергии может быть только во взрыве оставшейся части воздуха – азота. Однако, установить это путем непосредственных измерений на открытом пространстве не представляется возможным, в основном, ввиду кратковременности процесса, а также – быстрого смешивания продуктов взрыва с окружающим атмосферным воздухом. Так, по действующей теории взрыва как процесса быстрого горения давление в облаке взрыва ОДС не может превышать ~2,0 МПа. В то же время, уже сейчас величина такого давления доходит до 40 МПа. То есть, и теория и физическая сущность взрыва требуют своего объяснения на основе современной физики.

В конце XX века стало известно об аналогичных процессах с избыточной энергией в автомобильных двигателях внутреннего сгорания, кавитационных теплогенераторах, ракетных двигателях и некоторых других устройствах и энергоустановках /1/. В двигателе взрыв топливовоздушной смеси происходит в ограниченном закрытом пространстве – цилиндре, а продукты взрыва отводятся через выхлопной коллектор. В этих условиях можно сделать анализ выхлопного газа и определить его состав. Оказалось, что действительно содержание азота в выхлопном газе меньше, чем его было в поступающем на горение воздухе, а содержание водяного пара на выхлопе двигателя соответственно увеличивается. Это установлено не только инструментальными измерениями. Но и, в первую очередь, – визуально. Расчет показывает, что при полном «выгорании» азота выхлоп состоит на 80...90% из водяного пара, на 5...7% из кислорода и – остальное – мелкодисперсный углерод. Как видно, азот трансформируется в соседние по таблице Менделеева элементы – углерод и кислород (что известно), а также – водород. Химией также установлено, что водород «выхватывает» кислород, образуя с ним воду.

Такую реакцию превращения азота в воду иначе как атомной не назовешь.

После превращения молекул азота в атомы водорода, углерода и кислорода происходит их частичный распад на элементарные частицы с сохранением химических свойств и рекомбинацией атомов в продукты реакции, включая, в основном, воду. При этом выделяется избыточная по отношению к теплотворной способности органического топлива энергия за счет перехода части кинетической энергии разлета элементарных частиц в тепловую при столкновениях с окружающими их молекулами и атомами веществ, в зоне взрыва.

Целью настоящей работы является исследование возможного механизма взрывов и расчетных зависимостей для определения параметров, а также – условий участия во взрыве азота атмосферного воздуха, увеличивающего мощность взрыва; установление значений повышенных параметров «азотных» взрывов для соответствующей защиты от них зданий и сооружений, установок и людей.

Вот как рассматривает классическая теория (А.А. Хвостов) горение и взрыв, например, природного газа (метан) при аварийной утечке сжиженного природного газа (СПГ).

Нормальное горение.Нормальное горение осуществляется обычно с малыми скоростями (менее 1 м/с) и не представляет существенной опасности по механическому действию (волны сжатия малой амплитуды). Поэтому при аварийной ситуации, связанной с утечкой СПГ и сопровождающейся воспламенением горюче-воздушной смеси (ГВС), возникают вопросы только пожаробезопасности.

Дефлаграционное горение. Дефлаграционное горение характеризуется большими скоростями (70 – 250 м/с), чем нормальное горение. Данное горение рассматривается большинством специалистов как наиболее вероятная аварийная ситуация при утечке и воспламенении СПГ. Обычно, в расчетных формулах при определении избыточного давления
DР~ рW² (где р – плотность исходной смеси, W – скорость распространения пламени). Например, для скорости W=150 м/с избыточное давление в волне сжатия составит величину DР~28 кПа. Реализация сценария аварии, сопровождающейся дефлаграционным горением, может, приводить к разрушению зданий и гибели людей. При этом наиболее опасные последствия могут реализоваться при переходе дефлаграции в детонацию.

Взрывное горение. Взрывное горение – промежуточное взрывное превращение между дефлаграцией и детонацией (реализуется при скоростях горения от 250 до 1500 м/с). Взрывное горение сопровождается механическими нагрузками в воздушной ударной волне (ВУВ) с DР~100 кПа и более, что представляет существенную опасность, как для строений, так и для людей.

Детонация. Детонационный режим взрывного превращения ГВС характеризуется постоянной скоростью распространения детонационной волны (1800 – 2200м/с) и значительными механическими нагрузками. Для метана, который представляет основной компонент СПГ параметры взрыва стехиометрической смеси с воздухом следующие:

Температура взрыва – 2045° С

Скорость детонации – 1764 м/с

Избыточное давление на фронте детонационной волны – 15,9 кгс/см².

В таблице 10.1. представлены расчетные данные по расстояниям К на которых давление в ВУВ будет составлять DР = 1 кгс/см² и DР = 0,2 кгс/см² при реализации детонационного режима взрывного превращения ГВС на основе СПГ для различных масс горючего в аварийном облаке.

Таблица 10.1.

Примечание. Избыточное давление в ВУВ DР = 1 кгс/см² приводит к сильному разрушению зданий всех типов, а также гибели людей; DР=0,2кгс/см² легкие повреждения зданий и автотранспорта.

Переход горения в детонацию.Наиболее просто переход горения в детонацию осуществляется в каналах (обычно это расстояние составляет от 6 до 60 калибров канала), а также в замкнутых объемах. Однако, возможен переход горения в детонацию и в свободном пространстве при наличии стесненных обстоятельств на объекте и сильной турбулентности потока ГВС, что подтверждает Уфимская авария 1989 года, когда произошел взрыв природного нефтяного газа (ПНГ) при встрече двух поездов.

Возбуждение горения и детонации.Температура самовоспламенения для стехиометрической смеси СПГ с воздухом при атмосферном давлении составляет –650°С. Для возбуждения горения указанной ГВС достаточна мощность искры порядка нескольких мДж. Для возбуждения детонации в смеси метана с воздухом достаточно заряда тротила весом 1,5 до 1000 г. При этом следует отметить, что увеличение процентного содержания кислорода в ГВС ведет к уменьшению энергии возбуждения горения или детонации.