книги / Химическая физика энергонасыщенных материалов

времени от начала нагрева до момента вспышки ВВ называется вре­ менем задержки вспышки или периодом индукции. Химическое превращение может протекать со скоростями, сопровождающимися звуковым и световым эффектами.

Температура вспышки не является строго постоянной для каж­ дого вещества, а зависит от ряда причин, в первую очередь от усло­ вий, определяющих соотношение между теплоприходом и теплоот­ водом. Она зависит:

а) от температуры источника тепла, следовательно, от темпера­ туры испытуемого ЭКМ (чем меньше эта температура, тем ниже температура вспышки);

б) от величины навески; при уменьшении величины навески увеличивается температура вспышки, а, начиная с некоторой навес­ ки, разложение вещества произойдет без вспышки (теплоприход пропорционален объему, а теплоотвод - поверхности).

Чтобы получить сравнимые результаты, температуру вспышки или самовоспламенения (т.е. воспламенение без поджигания) опре­ деляют в строго определенных условиях.

Опытное определение температуры вспышки. В специаль­ ной железной бане 1 (рис. 17) расплавляют легкоплавкий металли­ ческий сплав.

2 3 4

Рис. 17. Прибор для определения температуры вспышки:

1 - баня; 2 - термометр или термопара; 3 - гильза;

4 - навеска ЭКМ; 5 - электросекундомер

По достижении заданной температуры, близкой к ожидаемой температуре вспышки, в баню погружают стеклянную или металли­ ческую пробирку 3 с навеской массой 0,1 г пороха или 0,05 г иссле­ дуемого ЭКМ. Отмечают продолжительность выдержки до момента вспышки при этой температуре. Повторными опытами определяют с точностью до 5 °С минимальную температуру, ниже которой при выдержке в 5 с или 300 с вспышки не наблюдается. Температуры вспышки важнейших ЭКМ приведены в табл. 7.

ЭКМ по чувствительности к тепловому импульсу можно распо­ ложить в ряд: ПП > БП > СТРТ > ДРП > ВВ.

Температура вспышки не характеризует воспламеняемость ЭКМ, а лишь температурную устойчивость ЭКМ к нагреву и отно­ сительную химическую стойкость вещества, если речь идет о веще­ ствах одной природы.

Время появления вспышки зависит от природы ЭКМ, темпера­ туры окружающей среды и от различных факторов, определяющих тепловой обмен между ЭКМ и окружающей средой. Последний факт отражается в зависимости от температуры вспышки от скорости на­ гревания (температура вспышки возрастает с увеличением скорости

нагревания) и от количества ЭКМ (температура вспышки возрастает

суменьшением количества ЭКМ).

Впроизводстве зарядов РДТТ чувствительность к тепловому воздействию без пламени оценивают путем расчета критических па­ раметров теплового воспламенения зарядов. Критическими пара­ метрами называют наименьшую температуру заряда 7^, при кото­ рой возможно его тепловое самовоспламенение, и время до воспла­ менения Th1>.

Вкачестве математической модели процесса теплового само­ воспламенения используют уравнение теплового баланса:

9 *7вх <7и

где g - количество тепла, накапливающееся в локальной области ис-

д Т

следуемой системы, q =рс(Т)-^~; qtx - количество тепла, образую­

щееся в данной локальной области системы за счет экзотермических

реакций разложения, qtx = Q— ; qncx - дивергенция (расходимость) dt

вектора потока тепла, обусловленная взаимодействием данной ло­ кальной области с окружающими локальными областями системы и окружающей средой, qHCX= divÀgradT.

Поскольку заряды, как правило, имеют форму цилиндра, урав­ нение теплопроводности для одномерного потока тепла в заряде удобно представить в цилиндрических координатах как

dt

Математическая модель процесса теплового самовоспламене­ ния (системообразующее отношение) представляет собой диффе­ ренциальное уравнение в частных производных второго порядка па­ раболического типа, где Q - тепловой эффект термического разло­ жения; ц - глубина термического разложения (0 < TJ < 1); dr\/dt - скорость реакции термического разложения; с(Т) - теплоемкость; Х(Т) - коэффициент теплопроводности; р - плотность топлива.

Любое ю дифференциальных уравнений переноса, которое мы используем в качестве модели, является математической моделью целого класса явлений, т.е. оно в математической форме отражает всю совокупность явлений, характеризуемых одинаковым механиз­ мом процессов. Чтобы получить из множества возможных решений данного уравнения одно частное решение, надо знать все конкрет­ ные особенности данного явления.

1. Любая рассматриваемая система имеет определенные разме­ ры и форму, поэтому в условия однозначности обязательно должны входить геометрические свойства системы (параметр формы, раз­ меры).

2. Тела, составляющие данную систему, обладают определен­ ными физическими свойствами. Поэтому для определения данного явления необходимо задать все физические свойства тел, сущест­ венные для данного процесса: Q, r|, dx\!dt, с(Т), ЦТ), р. Определение теплофизических характеристик (теплоемкости с(7), коэффициент теплопроводности À(7)) исследуемого пороха или ТРТ проводят на образцах материалов методом нестационарного теплового потока. Величины Q и dr\/dt определяют при помощи дифференциального калориметра. По результатам этих исследований кинетические па­ раметры термического разложения представляют в виде уравнения

~ - = ке яг(1-Т1)"01о+Л)'". dt

где к - константа; Е - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная.

3.Условия однозначности должны включать в себя временные условия, характеризующие состояние системы в исходный (началь­ ный) момент времени. Для начального момента мы должны иметь полную картину распределения переменных по всему объему систе­ мы Т(г,0) = Т(г).

4.Изучаемая система всегда в какой-то мере взаимодействует

сокружающей средой. Очень часто это взаимодействие и является

причиной возникновения исследуемого процесса в системе. Очевид­ но, для того чтобы охарактеризовать полностью конкретное явление, необходимо еще знать условия на границах системы.

Условия на границе могут быть четырех видов родов. Граничные условия первого рода соответствуют случаю, когда

температура поверхности тела равна температуре окружающей сре­ ды. В этом случае при решении задачи необходимо задать значение температуры на внешней границе R„ исследуемого тела T(RB, t).

В граничных условиях второго рода задается плотность потока тепла через границу как функция времени qs(t), в частном случае qs= const.

Граничные условия третьего рода заключаются в задании зако­

на теплообмена Я,— = а(Гср - 7 ^ ) между поверхностью тела с тем­

пературой Ггр и окружающей средой с температурой 7^.

Граничные условия четвертого рода характеризуют теплообмен между двумя средами. Он соответствует теплообмену соприкасаю­

щихся поверхностей одинаковы Т{=Тг .

Совокупность начальных и граничных условий составляет краевые условия: начальное условие называется временным крае­ вым условием, а граничное условие - пространственным краевым условием.

Таким образом, система дифференциальных уравнений теплопереноса в совокупности с перечисленными условиями однозначно­ сти определяет единичное явление, т.е. являются математической моделью конкретного теплового процесса.

Решение модели позволяет получить полную картину распре­ деления температуры в теле или системе тел, проследить изменение температурных профилей во времени и на этой основе дать деталь­ ный анализ кинетики и динамики процесса развития теплового взрыва.

В настоящее время разработано большое количество приклад­ ных программ, позволяющих производить расчет распределения температуры в заряде или любом другом теле для различных усло­ вий его производства, хранения и эксплуатации.

На рис. 18 приведены результаты расчета критических параметров теплового взрыва в цилиндрическом заряде диаметром 100 мм из пороха АПЦ-235: р = 1620 кг/м3; X = 0,32 Вт/(м-°С);

с = 1,64 Дж/(кг-°С); Q = 5099 кДж/кг; (</г|/Л = 0,35-10'V 13890/*r x х (1—TI)(0, 05 + Г|).

г, °с л, %

Рис. 18. Изменение температуры Т и степени разложения топлива т| в центре цилиндрического бесканапьного заряда диаметром 100 мм

Из анализа полученных результатов видно, что критическими параметрами теплового взрыва в данной задаче являются 7^ = 88 °С, индукционный период т = 418 ч, за это время разлагается 46,53 % топлива. При температуре на поверхности заряда ниже критической температура в центральной части заряда по мере разложения основ­ ной массы топлива незначительно возрастает, а затем убывает. Тем­ пература при этом не достигает температуры воспламенения, хотя происходит разложение значительной части топлива. Это так назы­ ваемый вырожденный тепловой взрыв.

При температуре выше критической (всего на 1.. .2 °С) уже при незначительном уровне разложения (до 35 %) происходит интенсив­ ный разогрев внутренних слоев пороха выше температуры воспла­ менения, что приводит к тепловому взрыву. Из полученных данных также видно, что небольшое увеличение температуры поверхности приводит к резкому снижению времени до теплового самовоспламе­ нения.

5.3. Чувствительность ЭКМ к электрическому импульсу

Чувствительность ЭКМ к электрическому импульсу - важней­ шая характеристика, поскольку большинство взрывчатых веществ являются диэлектриками и обладают способностью к электризации. Главная опасность состоит в том, что накопленный статический за­ ряд на стенках оборудования или ЭКМ может превысить электриче­ скую прочность окружающей среды, а электрический разряд при этом может вызвать воспламенение или детонацию ВВ.

В момент пробоя в разрядном промежутке образуется тонкий токопроводящий канал холодной плазмы с плотностью тока 104... 105 А/см2. За время 0,1... 1,0 мкс воздух нагревается до темпе­ ратуры 10 000 К, что является причиной образования ударной вол­ ны. Если ЭКМ оказывается по каким-либо причинам в разрядном промежутке, то он может воспламениться или детонировать.

На практике возможны три источника статического электри­ чества:

1 ) разряды с заряженных диэлектрических материалов - могут представлять опасность для сред с минимальной энергией зажигания менее4...5 мДж;

2 ) разряд с тела человека опасен для сред с минимальной энер­ гией зажигания менее 50 мДж;

3) разряд с незаземленных электропроводных элементов обору­ дования в принципе представляет опасность для сред с любой ми­ нимальной энергией зажигания.

Энергия разряда W рассчитывается по формуле

W = С и г!2,

где С - электрическая емкость конденсаторной батареи, Ф; U - электрический потенциал пробоя, регистрируемый киловольтмет­ ром, В. Значения МЭЗ для различных ЭКМ, а также для других ма­ териалов, используемых в производстве, представлены в табл. 8 .

Таблица 8

Примеры МЭЗ горючих сред, встречающихся в производстве ЭКМ

Разряд статического электричества может стать источником воспламенения при соблюдении следующих четырех условий:

1 ) существование источника электрических зарядов;

2 ) накопление зарядов на контактирующих поверхностях; заря­ ды создают электрическое поле с напряженностью, достаточной для возникновения электрического разряда;

3)энергия разрядов должна быть достаточной для воспламене­ ния горючей смеси;

4)горючая смесь должна иметь концентрацию, при которой возможно ее воспламенение.

Отсутствие хотя бы одного из указанных условий делает не­ возможным возникновение взрыва или пожара из-за разряда стати­ ческого электричества.

5.4. Детонация через влияние

При детонации нескольких зарядов ЭКМ второй заряд может взорваться не только при его расположении впритык к первому, но и тогда, когда он находится от него на некотором расстоянии. Такая передача детонации называется детонацией через влияние; первый заряд называют активным зарядом, а расположенный на некотором расстоянии от первого - пассивным.

Расстояние, на которое передается детонация, зависит от ряда факторов. Рассмотрим основные.

1. Бризангность, величина, расположение и форма активного заряда. ТЭН и гексоген передают детонацию на большее расстояние, чем менее бризантные - тротил или пикриновая кислота. Плотно спрессованное взрывчатое вещество передает детонацию дальше, чем то же вещество, но менее плотное. В направлении распростра­ нения детонации действие больше, чем в обратном или боковом. Дальность передачи детонации растет с увеличением веса активного заряда. Оценкой данного фактора может служить минимальный инициирующий импульс - минимальное количество стандартного ЭКМ, при подрыве которого может быть возбуждена детонация ис­ следуемого ЭКМ.

2 . Чувствительность к детонации и плотность пассивного заря­ да. Вещества, более чувствительные к детонации, детонируют при большем расстоянии от активного заряда, чем менее чувствитель­ ные. Так как при увеличении плотности чувствительность к детона­ ции, как правило, уменьшается, то при увеличении плотности пас­ сивного заряда дальность передачи детонации через влияние также уменьшается. Вообще все факторы, изменяющие чувствительность пассивного заряда к детонации, изменяют дальность передачи дето­ нации через влияние. Таким образом, оценкой данного фактора мо­