Дефлаграция

Дефлаграция — это процесс дозвукового горения, при котором распространение фронта пламени происходит за счёт теплопередачи (теплопроводности и излучения) от горячих продуктов сгорания к свежей горючей смеси. В отличие от детонации, дефлаграция характеризуется скоростью распространения пламени, значительно меньшей скорости звука в данной среде (обычно от нескольких сантиметров до десятков метров в секунду), и относительно низким избыточным давлением (не превышающим нескольких атмосфер). Дефлаграция является наиболее распространённым типом горения в бытовых, промышленных и природных условиях.

Физическая сущность процесса

Дефлаграция представляет собой медленное (с точки зрения газовой динамики) горение, при котором химическая реакция окисления топлива распространяется в пространстве за счёт нагрева соседних слоёв горючей смеси. Основным механизмом переноса энергии является теплопроводность, а также, в меньшей степени, тепловое излучение. Фронт пламени при дефлаграции представляет собой тонкую зону (толщиной от долей миллиметра до нескольких миллиметров), в которой происходят химические превращения и выделение тепла.

Отличие от детонации

Ключевое различие между дефлаграцией и детонацией заключается в механизме распространения и скорости процесса:

В замкнутых объёмах (например, в трубах или технологических аппаратах) дефлаграция при определённых условиях может переходить в детонацию. Это явление называется переходом дефлаграции в детонацию (ПДД, англ. DDT — Deflagration to Detonation Transition). Ускорение пламени за счёт турбулентности, отражения волн от стенок и сжатия несгоревшей смеси может привести к образованию ударной волны и последующей детонации.

Классификация дефлаграции

Дефлаграцию классифицируют по нескольким признакам:

По агрегатному состоянию горючей смеси

• Гомогенная дефлаграция — горение предварительно перемешанной газовой или паровой смеси (например, смесь метана с воздухом).
• Гетерогенная дефлаграция — горение, при котором топливо и окислитель находятся в разных фазах (например, горение капли жидкого топлива в воздухе или горение твёрдого топлива).

По характеру течения

• Ламинарная дефлаграция — фронт пламени имеет гладкую, устойчивую поверхность; скорость горения определяется молекулярной теплопроводностью и диффузией.
• Турбулентная дефлаграция — фронт пламени искажён турбулентными пульсациями потока, что значительно (в десятки и сотни раз) увеличивает площадь поверхности горения и, соответственно, скорость выгорания смеси. Турбулентная дефлаграция характерна для большинства реальных пожаров и аварийных взрывов.

По условиям протекания

• Свободная дефлаграция — горение в открытом пространстве, где продукты сгорания могут свободно расширяться.
• Дефлаграция в замкнутом объёме — горение внутри резервуара, здания, трубопровода. При этом происходит нарастание давления, что может привести к разрушению конструкции.

Параметры и характеристики

Основными параметрами, описывающими дефлаграцию, являются:

• Нормальная скорость пламени (S_u) — скорость распространения фронта пламени относительно несгоревшей смеси по нормали к поверхности фронта. Зависит от состава смеси, температуры, давления и типа топлива. Для стехиометрических смесей углеводородов с воздухом составляет 0,3–0,5 м/с.
• Максимальное давление взрыва (P_max) — наибольшее давление, развиваемое при сгорании смеси в замкнутом объёме. Для большинства газовоздушных смесей составляет 7–10 атм.
• Скорость нарастания давления (dP/dt) — параметр, характеризующий интенсивность взрыва. Используется при проектировании взрывозащиты.
• Пределы воспламенения — концентрационные диапазоны содержания горючего в смеси с окислителем, в которых возможно распространение пламени (например, для метана в воздухе — от 5 до 15 % по объёму).

Применение и значение

Дефлаграция лежит в основе большинства практических процессов горения:

Энергетика и транспорт

• Двигатели внутреннего сгорания (бензиновые, газовые) — рабочий процесс основан на дефлаграционном сгорании топливовоздушной смеси в цилиндрах. Детонация в двигателе является нежелательным режимом, приводящим к разрушению поршней и клапанов.
• Газовые турбины и камеры сгорания — дефлаграционное горение используется для нагрева рабочего тела.
• Бытовые газовые плиты, водонагреватели, котлы.

Промышленность

• Химическая технология — печи для нагрева, реакторы, установки каталитического крекинга.
• Противопожарная техника — понимание закономерностей дефлаграции необходимо для расчёта огнестойкости конструкций, систем пожаротушения и взрывозащиты (огнепреградители, взрывные клапаны, мембраны).

Военное дело и пиротехника

• Метательные взрывчатые вещества (пороха) — горение пороховых зарядов в стволах орудий и стрелкового оружия является дефлаграцией. Скорость горения регулируется составом пороха и давлением.
• Пиротехнические составы — медленно горящие составы для фейерверков, сигнальных ракет, спичек.

Опасность и меры предосторожности

Дефлаграция в замкнутых объёмах представляет собой серьёзную техногенную опасность. Взрывы газовоздушных смесей в зданиях, шахтах, на химических предприятиях часто являются следствием дефлаграции, которая может перейти в детонацию или вызвать разрушение конструкций за счёт нарастания давления.

Основные меры защиты включают:

• Предотвращение образования горючих смесей (герметизация оборудования, вентиляция, контроль концентрации газов).
• Исключение источников зажигания (искры, горячие поверхности, статическое электричество).
• Пассивная взрывозащита (взрывные клапаны, мембраны, огнепреградители, системы локализации пламени).
• Активные системы (автоматическое газовое или порошковое пожаротушение, взрывоподавление).

Интересные факты

• В невесомости (например, на борту Международной космической станции) дефлаграция протекает иначе: из-за отсутствия конвекции фронт пламени становится сферическим, а скорость горения снижается. Это явление изучается для обеспечения пожарной безопасности космических аппаратов.
• Самой медленной дефлаграцией считается горение некоторых видов твёрдого топлива, например, тлеющего табака (скорость распространения — несколько миллиметров в час). Самой быстрой (на границе перехода в детонацию) — горение ацетиленовоздушных смесей в трубах большого диаметра (скорость может достигать 800–1000 м/с).
• В 2020 году в порту Бейрута (Ливан) произошла серия взрывов, начавшаяся с дефлаграции склада пиротехники, которая затем привела к детонации 2750 тонн аммиачной селитры. Это событие является одним из крупнейших примеров перехода дефлаграции в детонацию в промышленных масштабах.

Источники

• Льюис Б., фон Эльбе Г. «Горение, пламя и взрывы в газах». — М.: Мир, 1968.
• Щетинков Е. С. «Физика горения газов». — М.: Наука, 1965.
• ГОСТ Р 12.3.047-2012 «ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля».
• Glassman I., Yetter R. A. «Combustion». — 4th ed. — Academic Press, 2008.