Общие сведения о взрывчатых топливно-воздушных смесях

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева

Машиностроительный факультет

Кафедра «Газовая динамика»

Рассмотрено на заседании кафедры

протокол № 1 от “30” августа 2010 г.

Зав. кафедрой __________________ а.н. чУКОВ

Лабораторная работа №6

МЕТОДИКА УСТАНОВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИСТОЧНИКА ВЗРЫВА ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ПО РАЗРУШЕНИЯМ ОКРУЖАЮЩЕЙ ОБСТАНОВКИ, ТИПОВЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ПОВРЕЖДЕНИЯМ БИООБЪЕКТОВ НА МЕСТЕ ПРОИСШЕСТВИЯ

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ЗАНЯТИЯ

Целью данного занятия является изучение параметров взрыва топливно-воздушных смесей и их воздействие на окружающую среду.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВА ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

Общие сведения о взрывчатых топливно-воздушных смесях

Топливно-воздушными смесями (ТВС) называются смеси с воздухом горючих газов или паров топлива, а также аэровзвеса мелких жидких капель или твердых частиц горючих материалов. В первом случае ТВС по составу являются газовыми, во втором -гетерогенными.

Как показывает практика расследования и раскрытия преступлений по фактам взрывов ТВС, в подавляющем большинстве случаев горючим компонентом в смесях являются либо широко применяемые в быту и народном хозяйстве газы (метан, этан, пропан, изобутан, бутан, ацетилен, природный газ), либо пары легколетучих горючих жидкостей (бензин, керосин, ацетон и т.п.). Молекулы перечисленных веществ состоят из атомов углерода и водорода, то есть это углеводородные горючие. Исключение составляет лишь ацетон, в молекуле которого, помимо углерода и водорода, содержится около 28% (по массе) атомов кислорода.

Известно, что газовые ТВС могут воспламеняться и устойчиво гореть при определенных условиях. В теории горения существуют так называемые нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения (соответственно НКПВ и ВКПВ). При концентрации горючего газа или паров в смеси с воздухом ниже НКПВ или выше ВКПВ воспламенения с последующим развитием горения не происходит. Таким образом, одним из условий возникновения химической реакции горючего является его перемешивание с воздухом в определенном соотношении, что определяется процессами истечения горючего газа или испарения жидкого топлива с последующим проникновением молекул горючего газа или паров в воздушную среду вследствие диффузии. Произвести временные расчеты указанных процессов при проведении экспертиз по фактам взрывов ТВС, как правило, невозможно из-за отсутствия многих исходных параметров и в первую очередь - данных об условиях истечения газа или испарения горючей жидкости.

Другим условием возникновения горения ТВС является наличие источника воспламенения в объеме реакционноспособной среды. Таким источником для газовой углеводородо-воздушной смеси может быть открытое пламя, электрическая искра, нить накаливания или любой другой высоконагретый предмет (до температуры порядка 400°С и выше), сигарета, тлеющая в момент курения, и т.п. Следует отметить, что энергии искры, возникающей на контактах электрического звонка, выключателя освещения,.реле времени холодильника и некоторых других электробытовых устройств в момент их включения или выключения, как правило, достаточно для воспламенения подготовленной газовой ТВС. Это объясняется тем, что минимальное значение энергии воспламенения рассматриваемых смесей составляет всего 0, 3 мДж.

Воспламенение ТВС в локальной области приводит к развитию процесса горения; начальная скорость его распространения не превышает 0, 3-0, 4 м/с. При этом температура газов в области фронта горения может принимать значения, близкие к 2000°С. Сгорание относительно небольшого объема ТВС (до нескольких кубических метров) в свободном воздушном пространстве способно оказать лишь некоторое термическое воздействие на объекты, расположенные в непосредственной близости, а волны сжатия, возникающие при этом, сравнимы с порывом ветра.

Картина меняется при воспламенении ТВС внутри замкнутого объема жилых и хозяйственных помещений, гаражей и т.п. Это связано не только с увеличением объема смеси (и, следовательно, суммарной энергии, выделяющейся при горении), но и с изменением физико-химических процессов, происходящих в ТВС при указанных условиях. В результате химического превращения при горении объем нагретых продуктов реакции в несколько раз превышает объем исходной газовой смеси, что является причиной образования волн сжатия, распространяющихся со скоростью звука (более чем 300 м/с). Волны сжатия отражаются от поверхностей, ограничивающих объем ТВС, что в свою очередь вызывает повышение давления всей газовой среды. Из теории кинетики химических реакций известно, что увеличение давления приводит к интенсивному ускорению распространения фронта горения, скорость которого для углеводородо-воздушных смесей может достигать значения десятков и даже сотен метров в секунду. При этом вся реакционноспособная смесь срабатывает с эффектом взрыва независимо от объема ТВС и реализуется другая форма химического превращения, а именно так называемая дефлаграция, или взрывное горение с образованием сильных волн сжатия, а в некоторых случаях - ударных волн с избыточным давлением на фронте до нескольких атмосфер.

Повышение давления при взрыве внутри сооружения приводит к разрушению отдельных элементов строительных конструкций, а именно оконных стекол, стен, потолка, вызывает перемещения и повреждения предметов, расположенных в помещении, и может вызывать телесные повреждения разной степени тяжести у человека. Чем прочнее оболочка замкнутого объема ТВС, тем больше давление, возникающее при ее взрыве. Например, давление газа в несколько атмосфер (несколько сотен кПа) может развиваться при взрывах ТВС внутри прочных гаражей, в вентиляционных коробах и других объемах, не имеющих легко разрушаемых оконных стекол.

Следует отметить, что любые здания не являются очень прочными сооружениями и повреждаются или разрушаются при довольно низком избыточном давлении (от 7 до 70 кПа). Временная потеря слуха у человека, часто наблюдаемая при таких взрывах, наступает при избыточном давлении около 1, 5 кПа. При разрушении строительных конструкций, в первую очередь остекления окон, происходит существенное падение давления газа во внутреннем объеме. Поэтому избыточное давление в несколько атмосфер (200 кПа и выше) маловероятно при взрыве ТВС внутри жилых домов, хозяйственных построек и подобных сооружений, имеющих оконные проемы. Однако указанное давление газа может иметь место в локальных областях объема помещения, являясь результатом так называемой игры волн сжатия, возникающей при их отражении от пола, потолка, стен и последующей интерференции.

Описанный процесс развития горения в замкнутом объеме объясняет некоторые экспериментально установленные явления, имеющие большое значение для производства экспертиз по фактам взрывов в помещениях с несколькими комнатами, соединенными между собой дверными проемами. При наличии ТВС во всем объеме сооружения наибольшие параметры взрыва и, следовательно, разрушения элементов строительных конструкций наблюдаются в комнате, наиболее удаленной от места воспламенения смеси. Наряду с этим относительно низкие на начальной стадии скорости распространения фронта горения вызывают более продолжительное термическое воздействие на окружающие объекты в комнате, где находился источник воспламенения газовой смеси.

Дефлаграционное горение может развиться при воспламенении ТВС в свободном (не замкнутом) объеме, однако при этом линейные размеры топливно-воздушного облака должны составлять не менее нескольких десятков и даже сотен метров, а объем - десятки-сотни тысяч кубических метров. Такие взрывы приводят к большому материальному ущербу, многочисленным жертвам и в практике расследования преступлений встречаются достаточно редко.

Другой формой взрывчатого превращения ТВС является детонация. Основным отличительным условием возникновения этого процесса является наличие источника, способного генерировать ударную волну с определенными параметрами в подготовленной смеси для возбуждения в ней химической реакции в виде детонации. Таким источником может быть взрыв заряда конденсированного ВВ, мощный искровой разряд и некоторые другие. При этом минимальная энергия источника возбуждения детонации во много раз превышает минимальную энергию, необходимую для возникновения горения в углеводородо-воздушных смесях. Например, значение минимальной массы заряда тротила, взрыв которого способен вызвать самораспространяющуюся детонацию в топливно-воздушных смесях, находится в диапазоне от сотен граммов до нескольких килограммов. Указанные особенности объясняют тот факт, что взрывы ТВС в форме детонации редко встречаются в практике расследований, проводимых сотрудниками правоохранительных органов.

Значения параметров на фронте детонационной волны в ТВС значительно превышают параметры фронта горения. Так, скорость распространения детонации в смесях на основе углеводородов составляет 1500-1800 м/с, давление - 15-20 атм, а массовая скорость газового потока, направленного в сторону движения волны, - 600-800 м/с. Детонационная волна с указанными параметрами приводит к последующему распространению воздушной ударной волны вне облака ТВС. Этим обусловлено большое поражающее фугасное действие таких взрывов не только внутри объема смеси, но и на существенных расстояниях за ее пределами. Именно эти особенности явились причиной разработки и принятия на вооружение армиями многих стран высокоэффективных боеприпасов на основе топливно-воздушных детонирующих смесей.

Независимо от формы превращения наибольшая энергия химической реакции выделяется при таком соотношении горючего и окислителя, когда все атомы углерода и водорода способны полностью окислиться до СО₂ и Н₂О, при этом кислорода в смеси не остается. Такие ТВС называются стехиометрическими.

Условная формула воздуха, представленного в виде смеси кислорода и азота в объемном соотношении 21: 79 с молярной массой = 29, имеет вид O_{0, 43} N_{1, 58}. Тогда химическую реакцию превращения стехиометрической газообразной смеси углеводородов с воздухом можно записать в виде

(1)

где a и b - соответственно число атомов углерода и водорода в молекуле горючего либо в условной химической формуле смеси углеводородов; d = (2 а + 0, 5 b)/0, 43 - коэффициент.

Согласно (1) относительная массовая концентрация углеводородного горючего в стехиометрической газовой смеси с воздухом равна

, (2)

где - молярная масса углеводородного горючего либо смеси углеводородов.

Объемная концентрация горючего в ТВС связана с массовой соотношением

. (3)

Например, для смеси пропана (С₃Н₈) с воздухом согласно формулам (1-3) будем иметь:

Таким образом, стехиометрические концентрации пропана составляют 6, 12% по массе и 4, 12% по объему.

Расчетные величины некоторых горючих газов и паров представлены в табл. 1. Формулы (1-3) могут быть использованы для проведения расчетов для любых других углеводородных горючих или их смесей.

Таблица 1 Свойства некоторых горючих и их смесей

Горючее	, г/ моль	, %	, %	, %	, ккал/кг
Метан, СН4		5, 60	5, 0	15, 0	11, 94
Этан, С2Н6		5, 97	2, 9	15, 0	11, 36
Пропан, С3Н8		6, 12	2, 1	9, 50	11, 09
Бутан, С4Н10		6, 20	1, 9	9, 1	10, 94
Ацетилен, С2Н2		7, 16	2, 0	81, 0	11, 53
Бензин, С7, 17Н14, 0		6, 50	0, 79	5, 16	10, 37
Ацетон, С3Н6O		9, 71	2, 2	13, 0	7, 37,

Если горючее представляет собой смесь нескольких газов, необходимо в первую очередь определить его условную химическую формулу, то есть рассчитать коэффициенты а и , входящие в выражение (1) по соотношениям:

; , (4)

где N - количество компонентов в смеси; а_i, b_i - соответственно число атомов углерода и водорода в молекуле i -го компонента; α _i -мольная концентрация i -го компонента в смеси горючего.

Как правило, массовые концентрации отдельных компонентов в исходной горючей смеси известны. Определить мольные концентрации, необходимые для расчета коэффициентов а и b, можно по выражению

(5)

где и - соответственно молярная масса и массовая концентрация i -го горючего компонента.

Следует отметить, что сумма мольных (так же, как и массовых) концентраций компонентов смеси всегда равна 1.

В качестве примера приведем расчеты по формулам (4, 5) для горючей смеси, состоящей из 30% метана (СН₄) и 70% бутана (С₄Н₁₀), при этом N = 2.

Для метана:

Для бутана:

;

;

;

.

Таким образом, условная химическая формула рассматриваемой смеси углеводородов - С_{2, 18}Н_{6, 35}. Его средняя молярная масса составляет = 12 · 2, 18 + 6, 35 = 32, 51.

Теперь по формулам (1-3) можно рассчитать величины массовых и объемных стехиометрических соотношений смеси данного горючего с воздухом, аналогично тому, как это было сделано для пропана.

Массовая стехиометрическая концентрация горючего является важным параметром смеси при исследовании взрывов ТВС в замкнутом объеме, так как она позволяет произвести оценочные расчеты массы горючего, вступившего в химическую реакцию с воздухом. Так, зная объем помещения, в котором произошел взрыв V, м³, массу горючего М_г, кг, можно определить по формуле

(6)

где - плотность газовой смеси, кг/м³, которую в первом приближении можно принять равной плотности воздуха при нормальном давлении и температуре t = 20°С ( = 1, 2 кг/м³); -относительная массовая концентрация углеводородного горючего в стехиометрической газовой смеси.

При температуре газа, существенно отличающейся от 20°С, плотность смеси можно пересчитать по формуле

(7)

Концентрационные пределы воспламенения или взрываемости смеси определяются экспериментально. Их значения для смесей на основе некоторых горючих представлены в табл. 1, где соответствует нижнему, а - верхнему пределу по объему. Однако, как правило, нижний концентрационный предел взрываемости типичных газообразных углеводородо-воздушных смесей или смесей паров жидких углеводородов с воздухом составляет примерно 55% стехиометрической концентрации топлива по объему, а верхний - примерно 330% стехиометрической концентрации горючего в объеме ТВС. Эти значения следует принимать при исследовании взрывов топливно-воздушных смесей на основе горючих, данные по пределам взрываемости которых отсутствуют, в частности когда горючее представляет собой многокомпонентную смесь. При необходимости объемные концентрации горючего в смеси можно пересчитать на массовые концентрации из соотношения (3).

(8)

При истечении газообразного или испарении жидкого топлива в воздух образуется ТВС с неравномерной концентрацией горючего по объему. Как отмечалось выше, произвести расчеты этих концентраций в подавляющем большинстве случаев невозможно из-за ряда объективных причин. Однако некоторые закономерности процесса горения бедных (с концентрацией горючего ниже стехиометрической) и богатых (с концентрацией горючего выше стехиометрической) смесей можно выделить.

Для бедных углеводородных смесей характерно полное сгорание горючего до СО₂ и Н₂О и остаток кислорода воздуха.

В богатых смесях углеводородное горючее полностью не сгорает из-за отсутствия достаточного количества кислорода воздуха. Это приводит к тому, что в продуктах горения богатых смесей присутствуют не вступившие в химическую реакцию с кислородом воздуха горючие элементы, в частности атомы углерода.

На месте взрыва ТВС внутри помещения можно наблюдать характерный налет сажи на поверхностях отдельных элементов строительных конструкций (стены, потолочные перекрытия или пол), который является признаком, того, что в этом объеме произошел взрыв богатой топливно-воздушной смеси. В местах истечения горючего газа и в непосредственной близости от поверхностей испарения жидкого топлива всегда присутствует ТВС с концентрацией горючего, превышающей стехиометрическое соотношение.

На процесс формирования облака топливно-воздушной смеси влияет соотношение молярных масс горючего и воздуха. Когда молярная масса горючего превышает молярную массу воздуха ( > 29), горючий газ при истечении опускается, заполняя нижнюю часть объема помещения. Одновременно газообразное топливо будет диффундировать в воздух, создавая при этом взрывоопасную концентрацию в определенных объемах ТВС. Область взрывоопасной концентрации будет перемещаться по объему в направлении от источника истечения и снизу вверх. Аналогичная картина будет наблюдаться при испарении жидкого горючего, так как его пары, как правило, в несколько раз тяжелее воздуха.

Соответственно, при образовании ТВС на основе газообразного горючего с < 29 газ после истечения поднимается, а область взрывоопасной концентрации смеси перемещается по объему в направлении от источника и сверху вниз.

Указанные процессы формирования ТВС приводят к тому, что после взрыва в помещении из-за избытка горючего для смесей с > 29 налет сажи может наблюдаться на полу и нижних частях стен, а при < 29 - на потолке и верхних частях стен.

Смесь горючего с воздухом будет создаваться вплоть до момента ее воспламенения, то есть до тех пор, пока в области взрывоопасной концентрации (близкой к стехиометрической) не окажется один из возможных источников воспламенения. При последующем взрыве из-за неравномерной концентрации горючего по объему ТВС в химическую реакцию с воздухом вступает лишь часть углеводородов.

Взрыв в помещении приводит к разрушению отдельных элементов строительных конструкций, в первую очередь окон и дверей, через проемы которых сжатые продукты горения и не прореагировавшая часть горючего вырываются наружу. Высокая температура указанных газов и доступ к новой порции кислорода воздуха создают условия для воспламенения и догорания горючего вне помещения. Именно этим объясняется тот факт, что взрывы ТВС в зданиях часто сопровождаются сильными форсами пламени из оконных и дверных проемов.

При взрыве ТВС возникает относительно небольшое избыточное давление газов внутри замкнутого объема, не способное вызвать бризантное (дробящее) действие на окружающие предметы. Однако время этого воздействия на отдельные элементы строительных конструкций в несколько тысяч раз превышает время действия ударной волны в непосредственной близости от заряда конденсированного взрывчатого вещества и определяется сотнями миллисекунд. Указанные обстоятельства, а также избыточное давление по всей площади строительного элемента помещения приводят к тому, что при взрыве ТВС могут разрушаться внутренние перегородки и потолочные перекрытия, выноситься из своих коробок оконные рамы и двери, трескаться и даже существенно перемещаться наружные стены и т.д. Взрыв хорошо подготовленной ТВС в однокомнатной квартире по энергии и разрушениям здания эквивалентен взрыву заряда тротила массой 20 кг, расположенного и геометрическом центре помещения.

Тротиловый эквивалент взрыва ТВС может быть определен по воздействию ударной волны на отдельные объекты на достаточно больших расстояниях от места взрыва. Это воздействие может проявляться в виде повреждений элементов строительных конструкций соседних зданий и, в частности, в виде полного или частичного разрушения остекления окон. При этом тротиловый эквивалент взрыва можно определить по методике, а его численное значение позволяет оценить массу горючего в исходной смеси с воздухом.

Теплота сгорания Q_r рассматриваемых горючих более чем в 10 раз превышает теплоту взрыва тротила и для углеводородов составляет 10 000-12 000 ккал/кг (табл. 1). Однако, учитывая особенности формирования и распространения ударных волн в воздухе при взрывах зарядов конденсированного ВВ и ТВС, масса горючего Мг при детонации стехиометрической смеси может быть определена по соотношению

(9)

где М_ТНТ - тротиловый эквивалент взрыва.

Следует отметить, что при скоростях горения 400-500 м/с действие ударной волны на больших расстояниях при детонации и дефлаграции ТВС будет одинаковым.

Зависимость (9) позволяет оценить минимальную массу взорвавшегося горючего, так как, во-первых, в объеме смеси всегда имеются области с концентрацией топлива, выходящей за пределы взрываемости, и, во-вторых, реакция взрывного превращения после воспламенения смеси протекает, как правило, не в детонационном, а в дефлаграционном режиме, при котором параметры воздушной ударной волны могут существенно снижаться. Опыт показывает, что для оценки разрушений при случайных взрывах неограниченных облаков ТВС тротиловый эквивалент в грубом приближении можно принять равным 2-10% от энергии, определенной по теплоте сгорания всего истекшего или испарившегося горючего. Для замкнутых объемов помещений, учитывая увеличение параметров волн сжатия за счет их интерференции и дифракции, а

также возможное догорание горючего после взрыва, можно принять верхнее из указанных значений, а именно 10%. В этом случае оценку массы истекшего горючего при взрывах ТВС в зданиях можно произвести по зависимости .