Для газовых смесей тротиловый эквивалент взрыва является

УДК 662.25
РАСЧЕТ СМЕСЕВЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
Николай Николаевич Бардачевский
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, кандидат географических наук, доцент кафедры специальных
устройств и технологий, тел. (383) 344-40-58, e-mail: Bardachevskiy@ngs.ru
НВВКУ, 630117, Россия, Новосибирск, ул. Иванова 49, доцент кафедры, тел. (383)332-5045
Евгений Владимирович Проскуряков
НВВКУ, 630117, Россия, г. Новосибирск, ул. Иванова 49, кандидат технических наук,
профессор кафедры, тел. (383)332-50-45, e-mail:saper67@mail.ru
Игорь Александрович Апарин
НВВКУ, 630117, Новосибирск, ул. Иванова 49, курсант, тел. (383) 332-50-45.
В данной работе представлен инженерный расчет состава и энергии взрыва
смесевых взрывчатых веществ (ВВ): метан-воздух и пропан-воздух. Расчетная энергия
взрыва смеси сравнивается с энергией взрыва тротила и определяет тротиловый
эквивалент взрыва.
Ключевые слова: взрывчатые вещества, тротиловый эквивалент, воздух, метан,
пропан.
CALCULATION OF MIXED EXPLOSIVES
Nikolai N. Bardachevsky
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, ul. Plahotnogo, 10, Candidate
of geographical sciences, an assistant professor of special devices and technologies, tel.
(383)344-40-58, e-mail: Bardachevskiy@ngs.ru
NVVKU, 630117, Russia, Novosibirsk, ul. 49 Ivanova, Associate Professor, tel. (383)332-50-45
Evgeny V. Proskuriakov
NVVKU, 630117, Novosibirsk, ul. 49 Ivanov, Ph.D., associate professor, tel. (383)332-50-45,
e-mail: saper67@mail.ru
Igor A. Aparin
NVVKU, 630117, Novosibirsk, ul. Ivanov, 49, student, tel. (383)332-50-45
This paper presents an engineering calculation of the explosion energy and mixed
explosives (HE) methane-air and propane-air. Estimated energy explosion of a mixture
compared to the energy of the explosion of TNT and TNT equivalent defines explosion.
Key words: explosives, TNT equivalent, air, methane, propane.
Для газовых смесей тротиловый эквивалент взрыва является условным:
выполняется энергетическое подобие взрыва, но нет подобия по амплитуде
давления на фронте ударной волны. Взрыв газовых облаков топливно-
воздушной смеси используется в специальных фугасных боеприпасах
(боеприпасах объемного взрыва).
1. Смесь метан-воздух
Постановка задачи: рассмотреть взрыв метана в замкнутом помещении
размером 3 4 3м.Определить количество метана для взаимодействия с
кислородом воздуха. Определить количество выделившейся энергии и
тротиловый эквивалент взрыва.
Справочные данные
Плотность воздуха = 1,3 кг/м3; количество кислорода в воздухе 23 %;
теплота сгорания горючего (метана) qм= 44 Мдж/кг; энергия взрыва
тротилаqт= 4,5 Мдж/кг.
Схема решения задачи
1. Определение количества кислорода в помещении.
2. Определение массового соотношения кислород/метанв реакции
окисления.
3. Определение количества метана для реакции окисления.
4. Определение количества энергии, выделяемой метаном при
окислении.
5. Определение тротилового эквивалента взрыва, т.е. определение массы
тротила, выделяющей рассчитанную в пункте 4 энергию.
Решение задачи
1. V – объѐм помещения; V=3×4×3=36м3.
Мв – масса воздуха в помещении;Мв= ×V=1,3×36=47кг;Мк – масса
кислорода в помещении;Мк=0,23×Мв=47×0,23= 11 кг.
2. Уравнение реакции окисления
CH4+ K1×O2 = K2CO2 + K3 ×H2O
(1)
гдеK1, K2, K3, – неизвестные величины.
Приравниваем количество атомов углерода (С),
кислорода(O) в левой и правой части уравнения:
Баланс углерода С:1 = К2
Баланс водорода H: 4 = 2×К3; К3= 2
Баланс кислорода O:2×К1 = 2×К2 + К3; К1 =К2 + К3/2
Подставим (2) и (3) в (4): К1=2
Значения К1= 2, К2= 1, К3= 2 подставим в уравнение (1):
водорода(H),
(2)
(3)
(4)
(5)
CH4+2×O2=CO2+2×H2O
Относительные
Д.И.Менделеева):
молекулярные
массы
атомов
(H)=1; (С)=12; (O)=16.
Относительные массы молекул:
(СН4)=12+4=16; (О2)=16×2=32.
(6)
(см.
в
таблице
Пусть К – массовое соотношение кислород/метанв реакции окисления.
Из уравнения (6) следует:
2 О2
2 32
К
4; К 4 .
(СН4 )
16
1. Пусть Мг – масса горючего (метана) для реакции окисления
М к 11
2,8 кг; М г 2,8 кг .
К
4
2. Пусть Е – количество энергии, выделяемой метаном при окисле-нии
Мг
Е=qм×Мг=44Мдж/кг×2,8 кг = 123 Мдж.
3. Пусть Мт – масса тротила, выделяющая энергию метана Е= 123 Мдж
Мт×qт=Е; М т
Е
q
т
123 Мдж
4,5 Мдж / кг
27,4 кг
Рис. 1. Смесь метан-воздух:
к – кислород; г – горючее; т – тротил
Вывод: Для сбалансированного взрыва в заданном помещении
необходимо 2,8 кг метана. В этом случае тротиловый эквивалент взрыва (по
выделенной энергии) составит 27,4кг.
На практике возможен неполный взрыв метана из-за расслоенияметана и
воздуха: более легкий метан будет подниматься вверх. Перемешивание
метана с воздухом может осуществляться за счет конвекции при наличии
нагревательных приборов и др.
Особенности смешения метана с воздухом
p
RT
Уравнение идеального газа
.
Еслиp = const, T = const, то
const .
в
м
в
в
в
м
м
м
29
>1
16
ρв>ρм
метан поднимается вверх.
Рис. 2. Особенности смешения метана с воздухом:
м – метан; в – воздух
2. Смесь пропан-воздух
Постановка задачи: рассчитать количество пропана (C3H8) для
детонации в замкнутом помещении размером 3 4 3м. Определить энергию,
выделенную при взрыве и тротиловый эквивалент взрыва.
Справочные данные
Плотность воздуха = 1,3 кг/м3; количество кислорода в воздухе 23%;
теплота сгорания горючего (пропана) qг= 44 Мдж/кг; энергия взрыва тротила
qт= 4,5 Мдж/кг.
Схема решения задачи
1. Определение массы воздуха в помещении.
2. Определение количества кислорода в помещении.
3. Определение массового соотношения кислород/пропан при реакции
окисления.
4. Определение массы пропана, необходимой для реакции с имеющимся
кислородом.
5. Определение энергии, получаемой при окислении пропана.
6. Определение тротилового эквивалента, т.е. определение массы
тротила, выделяющей энергию пропана.
Решение задачи
1. Пусть V – объѐм помещения; V=3×4×3=36м3.
Пусть Мв – масса воздуха в помещении;Мв= ×V=1,3×36=47кг.
2. Пусть Мк – масса кислорода в помещении;Мк=0,23×Мв=47×0,23=11 кг.
3. Уравнение реакции окисления
C3H8+K1×O2=K2CO2+K3× H2O(1)
Приравниваем количество атомов (C,H,O) в левой и правой части
уравнения (1):
Баланс углерода С: 3=K2(2)
Баланс водорода H: 8=K3×2; K3=4 (3)
Баланс кислорода O: 2×K1=2×K2+K3(4)
Подставим (2) и (3) в (4): К1=5 (5)
Выражения (2), (3), (5) подставим в (1):
C3H8+5×O2=3×CO2+4×H2O
Относительные массы атомов приведены в таблице Д.И.Менделеева:
(H)=1; (С)=12; (O)=16.
Относительные массы молекул:
(O2)=16×2=32; (C3H8)=13×3+8=44.
Массовое соотношение окислитель/горючее при окислении:
5 О2
(С3 Н 8 )
К
160
44
3,6 .
4. Пусть Мг – масса горючего (пропана) для реакции с имеющимся
кислородом
Мг
Мк
К
11
3,6
3 кг .
5. Пусть Е – энергия, получаемая при окислении пропана
Е=Мгqг=132Мдж.
6. Пусть Мт – масса тротила, выделяющая заданную энергию Е
Мт× qт=Е; М т
Е
qт
132
4,5
29 кг .
Вывод: При взрыве пропана в заданном помещении может выделиться
132 Мдж, что эквивалентно энергии выделяемой 29 кг тротила.
Рис. 3. Смесь пропан-воздух:
к – кислород; г – горючее; в – воздух
На практике возможно расслоение пропана и воздуха: относительная
масса молекулы пропана (С3H8)=44 превышает соответствующую величину
для воздуха( в=29) и пропан будет находиться в нижней части помещения.
Перемешивание пропана с воздухом возможно из-за конвекции при наличии
нагревательных приборов и др.
рТ
г
в
г
; г
> 1.
Р
г
в
в
в
пропан размещается в нижней части помещения.
Уравнение идеального газа
ρг>ρм
Рис. 4. Особенности смешения пропана с воздухом:
г – горючее; в – воздух
Проведено информационное исследование в части расчета смесевых
взрывчатых веществ. Отработана инженерная методика расчета смесей
метан-воздух и пропан-воздух. Определены также энергия взрыва и
тротиловый эквивалент смесевых ВВ (для газовых смесей тротиловый
эквивалент носит условный характер).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Физика взрыва: [монография : в 2 т.] / [С. Г. Андреев и др.] ; под ред. Л. П.
Орленко // Изд. 3-е испр. – М.: Физматлит, 2004 (ППП Тип.Наука).
2. Горст А. Г. Пороха и взрывчатые вещества. – М.: Машиностроение, 1972. – 208 с.
3. Шидловский А. А. Основы пиротехники. – М.: Машиностроение, 1973. – 280 с.
4. Дубнов Л. В. и др. Промышленные ВВ. – М.: Недра, 1988. – 358 с.
5. Андреев К. К., Беляев А. Ф. Теория взрывчатых веществ. – М.: Оборонгиз, 1960. –
579 с.
6. Сорокин М. В. Взрывчатые вещества, пороха, пиротехнические составы.:
методические рекомендации по химии. – Новосибирск: НВОКУ, 1996. – 48 с.
7. Сорокин М. В. Взрывчатые вещества, пороха, пиротехнические составы //
Сборник научных трудов НВОКУ, вып. 5. – Новосибирск: НВОКУ, 1998. – С. 59-64.
© Н. Н. Бардачевский, Е. В. Проскуряков, И. А. Апарин, 2014