1、第三章第三章 可可燃混气的爆炸过程燃混气的爆炸过程 本章大纲3可燃混气的爆炸过程3.1可燃混气爆炸的基本知识3.1.1热爆炸理论3.1.1爆炸形态3.1.2燃烧速度3.1.3 理论氧含量与理论混合比3.1.4爆炸界限3.1.5烷烃碳氢化合物的爆炸界限规律3.1.6可燃气体的着火 3.2爆燃3.2.1 爆炸能量3.2.2 密闭空间的爆燃3.2.3敞开空间的爆燃3.2.4半敞开空间的峰值压力计算本章重点n爆炸的形态n燃气的基本性质与爆炸特性的关系n爆炸的能量计算nTNT当量计算n爆炸的峰值压力n敞开空间的爆炸压力计算 3可燃混气的爆炸过程可燃混气的爆炸过程3.1可燃混气爆炸的基本知识可燃混气爆炸的
2、基本知识3.1.1热爆炸理论热爆炸理论 热爆炸理论又称为自燃理论，是关于系统内的化学反应放热与散热之间的关系导致的热自动点火的理论。分析火焰的传播便可以用这一理论来加以研究。假定火焰由2个区域构成，如图。一个区为燃烧区，另一个区为传导区或预热区。火焰传播能维持的基本条件是从燃烧区向内预热的热流能使预热区内的未然气体达到着火温度。即：式中：m进入火焰的未燃气体质量流率，Kg/s；Cp未燃气体的比热，J/KgK；Ti着火温度，K；T0环境温度，K；Tf火焰温度，K；反应区的导热系数，J/ms；反应区厚度，m；) 12 (/ )()(0ifipTTTTCm如果是一维层流燃烧，则有：式中：气体密度，K
3、g/m3；A火焰的横截面积，m2；SL层流火焰传播速度，m/s。由此可以得到：此为根据热爆炸理论得到的关于火焰传播速度的数学表达式。)22( ASAumL)32()()(0TTCTTSipifL3.1.23.1.2爆炸形态爆炸形态 气体的燃烧形态可分为预混燃烧和扩散燃烧。l预混的可燃气体在大气中发火时，因为燃烧气体能自由的膨胀，火焰传播速度（燃烧速度）较慢，几乎不产生压力和爆炸声响，此情况可称为缓燃缓燃。l而当燃烧速度很快时，将可能产生压力波和爆炸声，这种情形称之为爆燃爆燃。l在密闭容器内的可燃混气一旦发火，火焰便在整个容器中迅速传播。使整个容器中充满高压气体，内部压力在短时间内急剧上升，形成
4、爆炸。而当其内部压力超过初压的10倍时，会产生爆轰会产生爆轰。l爆燃和爆轰的本质区别在于，爆燃为亚音速流动，爆轰为超音速流动。以下实验可以说明爆炸的形态变化：l一根装有可燃混合气体的管，一端或者两端敞开。在敞开端点火时就能传播燃烧波，此波保持一定常速度且不加速到爆轰波。这属于正常的火焰传播，也就是燃烧。l假如在密封端点燃可燃混合气体，那么就形成燃烧波，但该燃烧波能加速变成爆轰波。燃烧波加速产生爆轰波的机理如下：l可燃混合气体开始点燃时形成燃烧波，燃气缓燃所产生的燃烧产物的比容为未燃烧气的515倍，而这些已然气相当于一个燃气活塞，通过产生的压缩波，该燃气活塞给予火焰前面未然气一个沿管流向下游的速
5、度。l由于每个前面的压缩波必然能稍稍加热未燃混合气体，因此声速增加，而随后的这些波就追上最初的波，这种预热有进一步使火焰速度增加，于是也就进一步加速了未然混合气体，达到在未燃气中产生紊流的程度。该波足够强，以至于依靠本身的能量就能点燃可燃混合气体，激波后的反应则连续向前传递压缩波，此波能阻止激波 峰的衰减并得到稳定的爆轰波。l爆轰波中的火焰状态与提供所需维持能量的其他火焰状态没有什么不同。主要区别是爆轰波的波峰通过压缩（不通过热-热、热-质扩散）引起化学反应，并且本身能自动维持下去。另外的非本质差别就是，这种火焰能在高度压缩并已预混的气体中燃烧，而且燃烧极快。l激波能直接引起爆轰的开始，而其他
6、点火源（开式火源、正常火花等）就不能引起爆轰。在用其他点火源起爆时，最初传播的火焰受链载体的缓慢扩散或热传导的控制，而且仅在上述状态下会发生爆轰。另外，当一个平面激波穿过一些可爆的新鲜气层时，由于压缩作用，它就连续不断的引起化学反应，而在该激波后面的火焰区就像前面一样紧接着持续下去。l扩散燃烧是可燃气体流入大气后，在可燃气体与助燃气体的接触面上所发生的燃烧。可燃气从高压容器及其装置中泄漏喷出后产生的燃烧就是这种情况。其燃烧受可燃气体与空气或O2之间的混合扩散速度支配。混合扩散速度越大，或气体的紊流越强烈，速度也就越快。3.1.33.1.3燃烧速度燃烧速度n 燃烧速度指火焰垂直于燃烧焰面向未燃气
7、体方向的传播速度。在一定条件下，燃烧速度对于某种可燃气体是一定值。n 燃烧速度与可见的火焰速度。可见火焰速度是未燃气体的流动速度与燃烧速度的和。已燃烧的气体因高温而使其体积膨胀，故可见的火焰速度大都是呈加速状态的。同时，因未燃气体的流动速度是变化的，所以可见火焰速度不是定值。若在管道或风洞中，可见的火焰速度则很大，其值在每秒数米到每秒数百米之间，当火焰进一步加速而转为爆轰时，速度可高达火焰进一步加速而转为爆轰时，速度可高达1800-2000m/s。 表表3-1 各种可燃气体与空气（氧气）混合物的最大燃烧速度各种可燃气体与空气（氧气）混合物的最大燃烧速度燃气种类燃烧速度cm/s混合比%燃气种类燃
8、烧速度cm/s混合比%甲烷-空气338996氢-空气270430乙烷-空气401628乙炔-空气163102丙烷-空气390454苯-空气407334丁烷-空气379352二硫化碳-空气570265戊烷-空气385292甲醇-空气550123己烷-空气385251甲烷-氧气330330乙烯-空气386226丙烷-氧气360151一氧化碳-空气450510一氧化碳-氧气108770丙烯-空气68374氢-氧气8907003.1.4 理论氧含量与理论混合比理论氧含量与理论混合比l 理论氧含量指可燃气体完全燃烧所必需的氧气量。l 所谓完全燃烧，则是指可燃气体在燃烧完成时，分子中的碳完全生成二氧化碳，
9、氢则完全生成水。l即：2mol的H2完全燃烧则需要1mol的O2，若按质量计算，为1kg的H2需要7.94kg的O2.当助燃气体为空气时，由于空气中的氧为21%，其余为氮和稀有气体；那么1kg的H2完全燃烧则需要34.22kg的空气。HFOHmnCOOmnFOHCmn222 2)42(l 可燃气体在空气中完全燃烧时的燃气与空气之比，通常用常温、常压下空气中的可燃气体的体积分数表示，称为理论混合比或化学当量比，或完全燃烧组分。l可燃气体的分子式用CnHmOFk来表示，燃烧反应方程式可表示为： 式中：n、m、分别为可燃气体中的碳、氢、氧及卤族元素的原子数。于是，理论混合比Cst可按下式计算： (%
10、)42773. 41100kmnCst(3.4)3.1.5爆炸界限爆炸界限l 当空气中可燃气体的浓度比理论混合比低时，生成物虽然相同，但燃烧速度变慢，直至某一浓度以下火焰便不再传播。若可燃气体的浓度比理论混合比高，可燃组分则不能完全氧化而产生不完全燃烧，生成一氧化碳（CO），此时燃烧速度亦会减慢，直至在高于某一浓度时不能传播。像这样火焰不再传播的浓度界限，称之为爆炸极限或燃烧极限。 l 爆炸界限受到混合气体的温度、压力影响，不同的燃气种类具有不同的爆炸界限。一般常温、常压下不同可燃气体的爆炸界限可通过一定的方法测量出来 表表3-2 3-2 可燃气和可燃蒸汽的爆炸极限可燃气和可燃蒸汽的爆炸极限
11、（体积（体积% %） 燃气种类乙烷乙烯一氧化碳甲烷甲醇戊烷丙烷爆炸下限3.52.712.54.66.41.42.4爆炸上限15.1347414.2377.88.5燃气种类丙烯丁烷焦炉煤气发生炉煤气高炉煤气氢甲苯爆炸下限2.01.555.620.735.04.0 1.2爆炸上限11.18.530.474.074.076 7.0l对烷烃化合物的大量测试表明，其爆炸界限具有一定的规律性。表3.3为烷烃系列碳氢化合物的爆炸界限测试结果。l由表3.3可看出，烷烃化合物的爆炸界限。若用标准状态下每L空气中所含燃气的质量表示则除外，烷烃化合物的爆炸下限均在4550之间。l混合气体的爆炸下限可以通过一定的方法
12、计算，而上限的计算结果与实际情况偏差较大，但可作为判断其趋势的依据。实际上许多爆炸事故都不是在爆炸上限时发生的。l此外还发现如下规律：3.1.63.1.6烷烃碳氢化合物的爆炸界限规律烷烃碳氢化合物的爆炸界限规律 1 1）爆炸下限与燃烧热）爆炸下限与燃烧热 从表3.3的测试结果不仅可以看出，烷烃化合物的爆炸界限，而且爆炸下限的体积分数与燃气低热值的乘积也近似为一常数： L QL =const=K式中：L燃气的爆炸下限体积分数，% ; QL燃气的低热值，Kcal/mol ; 除甲烷外，K的值均在1000-1200之间。（3.5）(2)(2)爆炸界限与理论空气比爆炸界限与理论空气比 烷烃系列化合物的
13、爆炸下限L与理论混合比的Cst之比近似为一常数。 爆炸上限不遵循此规律，但Spakowski发现，爆炸上、下限之间存在如下关系：在发生冷焰的条件下，上述关系部适合，但可导出下式： CstL55.0LU5.6CstU8.425（3.6）（3.7）（3.8）表表3.3 烷烃化合物的爆炸界限烷烃化合物的爆炸界限3.1.7 3.1.7 可燃气体的着火可燃气体的着火n任何可燃混合气体即使在爆炸范围内，如果没有点火源，它也是不能产生爆炸的。可燃混合气体的着火需要一定的条件。1）着火温度）着火温度n热力学着火温度可以通过简单的同心管法测定。如图3.2。A是用SiO2制作的电加热器，内径12cm,长65cm，
14、支撑在钢管容器D中，上盖F上有热电偶H和气体出口M，J为玻璃孔，以便通过镜片观察内部情况。下盖F上有可燃气体入口K和空气入口L，从K进入的气体在硅管G中加热，从容器的中心部分喷出。硅管的内径为2mm,外径为4mm,其上端位于容器的中心位置，该容器在整个大气压下能正常工作。2）实际的测定方法）实际的测定方法1. 边使气体流入，边将温度上升到能产生火焰为止的方法；2. 在容器内温度达到某一定值后，使气体流入并测定其达到着火点所需时间的方法。l 在方法2中把着火0.5s所测定的着火温度称为瞬时着火温度。表3.4是利用这种方法测定的可燃气体在O2和空气中的着火温度值。l 由于着火温度随散热条件的不同而
15、改变，故表3.4中所侧得的数据并不能代表一些实际点火情况下的着火温度。l 例如，甲烷与空气在理论混合比时的气体自然着火温度为540，但当加热面比较小时，如在大气中加热气体管道使其着火时，温度必须在750以上，而用高温气体喷射使其着火时，则需要1000左右的温度。气体名称气体名称在氧气中在氧气中在空气中在空气中着火温度着火温度着火温度着火温度着火温度着火温度着火温度着火温度H2625585630585CO687 680650693 683651CH4664556-700722650-750C2H6628520-630650520-630C3H8-490-570-C5H12355-600-C2H4
16、604510627513C3H6586-618-C2H2-428435429C6H6685-710-CS2132-156-H2S-227-364表表3-4 各种气体的着火温度各种气体的着火温度n导致可燃混合气体点燃的点火花，常见的有静电、压电陶瓷、电脉冲以及电气机械造成的火花。通常电脉冲、压电陶瓷被用于需要点燃的场合，而静电以及电气机械造成的火花引起的点燃大多出现在不需要点燃的非常场合，爆炸的发生经常是由这类火花造成的。n电火花之所以能点燃可燃混合气体，是因为两极间的可燃混合气体得到了点火花的能量而使其产生化学反应的结果。由此存在着点火所必须的能量界限，该能量称之为最小点火能。n最小点火能的大
17、小随可燃混合气体的种类、组成、压力以及温度到呢个因素变化而变化。图3.3和表3.5表示的是一些主要的可燃混合气体在常温常压下的最小点火能。3.1.8 3.1.8 点火能量点火能量图图3-33-3可燃气体浓度与最小点火能的关系可燃气体浓度与最小点火能的关系 级别气体种类燃气/空气 体积%最小点火能 毫焦耳10-5J级氢气2950019乙炔7730019乙烯625009610-4J级丙炔47901521，3-丁二烯3670170甲烷8500280丙烯4440282乙烷6000310丙烷4020310正丁烷3420380苯271055氨218007710-3J级异辛烷165135表表3-5 3-5
18、几种可燃混气的最小点火能几种可燃混气的最小点火能 最小点火能可通过如下的测定原理进行测定，如图3.4。图中A为可变蓄电池，B为装有爆炸性气体的容器，M为电压表，G为火花间隙。A的容量为C，当以高压电流向A充电，其电压值达到G间气体的绝缘破坏电压V1时，则在G间引起放电，若设放电的总量为E，点火的放电终结后A的电压为V2,那么：式中：C-电容，F V-电压，V E-能量，J)(2121VVCEl在测定时，使A的容量连续变化，依次递减或递增，便可找到引起B点着火的临界值，此时的E值便是最小点火能。l图3.5是最小点火能的测试装置。3.1.9 3.1.9 绝热压缩引起的点火绝热压缩引起的点火当气体被
19、压缩时，热损失小，温度上升，而成为绝热压缩。绝热压缩时其温度变化按下式计算：以空气为例，当初始条件为：T1=15，p1=0.1Mpa时，根据计算可以得到当空气压力分别为5，10，15，20Mpa时，其绝热压缩后温度分别为880，1073，1205，1308K.11212)(PPTT3.2 爆燃爆燃l 可燃混气爆炸后产生的影响因爆炸的形态和爆炸所处的环境条件不同而不同。不同的环境条件导致爆炸所放出的能量亦不一样。爆炸时伴随而来的冲击波、噪音、火灾等现象，都会造成物体的破坏，碎片飞散及烧灼等有害影响。l 从不同环境的区别可以把爆炸分为密闭空间的爆炸和敞开空间的爆炸。其爆炸的不同形态可分为爆燃、爆轰
20、和破裂。爆燃、爆轰和破裂。3.2.1 爆炸能量爆炸能量l 气体爆炸的能量指可燃气体或蒸汽（本书指可燃气体）与氧气反应产生的化学热以及被压缩气体因膨胀而放出的物理能等。即通常所指的化学能量和物理能量。 l 通常将通常将1000K1000Kcal/Kg cal/Kg 或或41804180KJ/KgKJ/Kg作为作为T.N.TT.N.T当当量。由于引用的热力学参数有所不同，量。由于引用的热力学参数有所不同，T.N.TT.N.T当量的取值有的为当量的取值有的为1155K1155Kcal/Kg,cal/Kg,也有的取为也有的取为11201120Kcal/KgKcal/Kg。T.N.TT.N.T缓慢燃烧时
21、的发热量为缓慢燃烧时的发热量为38003800Kcal/KgKcal/Kg, ,可见可见T.N.TT.N.T在爆炸时只有在爆炸时只有1/31/3的能的能量被使用。量被使用。 1) 化学能量化学能量化学反应产生的爆炸效应，按照Helmholz或吉布斯Gibbs自由能变化关系予以定量。其关系如下：(3.11）上述计算所需的参数可以从化学手册中查到。现以T.N.T的分解为例，求上述方程的解，T.N.T爆炸物质的热力学性质参数列入表3.6.中，(3.12)表表3.6 热力学性质参数热力学性质参数又根据式（3.12）得到个物质的熵为：这就是T.N.T爆炸时所释放出来的能量。通常将4180kj/kg作为T
22、.N.T当量。由于引用的热力学参数有所不同，T.N.T当量的取值有的为4828kj/kg，也有的取为4682kj/kg.T.N.T缓慢燃烧时的发热量为15884kj/g,可见T.N.T在爆炸时约有1/41/3的发热量用来对外做功，产生爆炸效应。)/(4535)/(8 .50883005. 02982 .76563 ()/(05.830)/()15.27118 .21725. 191.2015 . 107.1995 . 148.2271 (KgKjmolKJSTEAkmolJkmoljSSpS）得：由式由此计算出：气体的爆炸能量人们常用T.N.T当量来估算，计算方法如下：式中：WTNT爆炸的T.
23、N.T当量，即燃料爆炸相当于T.N.T的质量，kg；QTNTT.N.T当量，KJ/Kg；有效系数；Wf燃料的总量，Kg。有效系数的大小与燃料的种类有关，一般取值在0.020.05,表3.7是一些可燃气体的T.N.T单量换算。fTNTlTNTWQQW(3.13)表表3.73.7一些可燃气体的一些可燃气体的T.N.TT.N.T当量换算当量换算 可燃气体分子式热值Ql(MJ/Kg)Ql/QTNT可燃气体分子式热值Ql(MJ/Kg)Ql/QTNT甲烷CH450.0011.95异丁烷C4H1045.6010.90乙烷C2H647.4011.34乙烯C2H447.2011.26丙烷C3H846.4011.
24、07丙烯C3H645.8010.94正丁烷C4H1045.8010.93氢H2120.028.65 因破裂而产生的爆炸效应主要是气体膨胀所做的主要是气体膨胀所做的功功，也就是指的物理能量。爆炸过程可以认为是一个等温过程，故所做的功可由下式计算：式中：W气体爆炸的物理能量 ， KJ ； P气体的压力， Pa ； V气体的比容， m3/Kg ； P1、P2气体始、末状态的压力 ，Pa； T1气体初始状态的温度，K。2 2）物理能量）物理能量12121lnPPRTSTPdVW（3.14）3.2.2 密闭空间的爆燃密闭空间的爆燃n1 1）爆燃的特性值）爆燃的特性值 爆燃是爆炸的一种。爆速高于正常燃烧速
25、度而又低于音速的爆炸现象，称为爆燃。爆燃的速度在0.310m/s.理想气体状态下的音速可按下式计算： )173()163(133121221111221max2PVtSukPPTMTMPTnTnPP134112221122TnTnTnTnk p1、p2爆炸起、止状态的压力Mpa； n1、n2爆炸起、止可燃混气的物质的量T1、T2爆炸起、止状态的温度，K；Su燃烧速度；m/s；V净容积，m3；M1、M2爆炸起、止状态的可燃混气分子量；P2max峰值压力，MPa; t爆炸进行的时间，ms;假定密闭的空间为球形，爆炸时火焰从中心开始传播，同时空间内的压力急剧上升，其可能达到的峰值压力和瞬时压力可用下
26、式求得：其中k为系数，由右式可算出：l（dP2/dt）max称为最大爆炸压力上升速度最大爆炸压力上升速度，亦是爆燃的特性值。它定义为爆炸的压力-时间曲线上升段拐点上的斜率。l根据上式可以看出爆炸的压力上升速度与时间有关，而且是没有拐点的，所以，通常的最大爆炸压力上升速度是实际测试的结果。l峰值压力是爆燃的特性值之一。峰值压力是爆燃的特性值之一。根据式3.17可求得爆炸过程中爆炸压力的瞬时值，可见在爆炸后的不同时刻，爆炸压力不同，对3.17式求导，得：23123/tVSuKPdtdP（3.18） 下面以甲烷的爆燃为例进行压力计算。已知V为0.009m，空气中的（CH4）为9.5%，Su为0.35
27、m/s，因反应前后物质的量不发生变化，则可将CH4爆燃前后的状态参数当做：p1=0.1033Mpa, T1=298K,T2=2300K,=1.29。由式3.16得：)(10064. 1009. 0)1000/35. 0(1298230029823001033. 029. 1343633212MPattPP)(797.029823001033.0max2MPaP若将t值代入式3.17中，将计算结果绘于图3.6中。对于烷烃系列的碳氢化合物，爆炸达到最大上升压力（峰值压力）的最小时间tmin大致呈现如下规律：（3.19） 2）爆炸特性的影响因素）爆炸特性的影响因素l常见燃气爆燃升压的峰值压力为0.7
28、0.8Mpa，一般可视为不变。但爆燃的另一特性值，即压力上升的速度则各不相同。由于压力上升速度的定义为爆炸压力-时间曲线上升段拐点上的斜率，等于压力差与时间差的商，它是衡量爆炸强度的标准，亦可认为它是爆炸强度的特性值。l压力的上升速度与许多因素有关。如果在容器的中心点燃可燃混合气体，则压力的上升速度为最大，如把点燃的位置移到容器的边缘，那么爆炸的火焰很快与温度较低的容器壁接触，燃烧速度降低，减少压力的上升速度，爆炸压力也会有所下降。l在较大的密闭容器（V1L）中心点燃位置上，以较大的浓度范围进行测试，可得到可燃混合气体的最佳爆炸特性值，如图3.7。l最大爆炸特性值处于可燃混合气体化学计量比的组
29、分范围内，当浓度向爆炸上、下限方向变化时，爆炸的特性值降低。l容器的容积对燃气的爆炸特性有显著影响。在大学不一的容器中，丙烷爆炸所产生的最终压力虽然是相同的，但达到最大压力说需要的时间明显不同。在20m容器中，反应的全过程要比小容器里的反应全过程多进行0.5s。l可燃混合气体爆炸的最大压力上升速度与容器容积的关系由式3.20表示：l该式称为三次方定律。该式在容器为圆筒形、长于直径之比不大于2：1、容积不小于1m的条件下成立。l在下列条件下：可燃气体的最佳混合气体浓度相同；容积的形状相同；可燃混合气体的流速相同；点火源相同，KG值可视为一个特定的物理常数，表3.8是几种典型的燃气-空气混合物在火
30、花点燃时的KG值。l因为反应过程与压力有关，所以爆炸强度的特性值也受初始压力p1的影响。初始压力超过常压时，将使最大爆炸压力、最大压力上升速度以及KG值均成比例加大。l压力降低到常压以下时，特征值将相应地减少，直到爆炸不再传播为止。这种情况发生在一定的极限压力范围内，对丙烷-空气混合物来说，这个值约为几百帕，此值对甲烷、丁烷、正戊烷和氢气都是合适的。值得注意的是，在初始压力很小时，爆炸特征值与使用的点燃能量无关。l爆炸出现最大特性值时的浓度实际上不受初始压力的影响。在点燃丙烷-空气的混合气体时，如果提高初始压力至0.2Mpa以上，C3H8的体积分数（CH4）为4.5%5.5%时，爆炸特征值出现
31、不规则性，爆炸过程比预料的更为猛烈。l这就是说，在上述浓度范围内（略高于化学计量比），燃烧热很高，足以使爆炸速度经一定的加速路程后，上升到音速。燃烧烟气膨胀阻塞会引起压力上升。因此，在爆燃的初始阶段，爆燃的范围要比爆炸的范围窄很多。l如果加大点燃C3H8-空气混合物的能量，可以看到上述情况十分相似。若点燃能量为100J，可以在比较大的浓度范围内（3.5%5.5%）观察到极高的燃烧速度。这种现象在压力低于大气压时也存在。l图3.8说明了初始压力和点燃能量对爆炸特性的影响。l最大爆炸压力基本与初始压力呈直线关系，与使用的点燃能量无关。然而，超过燃烧速度的起点是以曲线的“拐点”表示的，点燃能量对曲线
32、拐点的位置有影响。点燃能量对C3H8-空气混合物的爆炸强度的影响比初始压力对它的影响大，最大爆炸压力与初始压力之间实际上是成正比的。l实践证明上述结果对于较大的容器也是适用的。迄今为止的观察都是与长筒形状的容器有关的。这种容器的直径与高度之比为1：11：5.在一个长形密闭容器的中心位置点燃，那么在燃烧过程的开始阶段，爆炸火焰呈球形传播，然后爆炸火焰很快沿轴向向容器内部移到，在这里将接触到预先压缩的可燃混合物，引起爆炸强度的上升，于是，爆炸过程出现震荡叠加。l图3.9比较了在一个1L球形容器和一个54L筒形容器（高度：直径=1：6）测到的CH4爆炸特性值。l在常温常压下，封闭的筒形容器中，由于热
33、损失较大，虽然容器中的预料的爆炸压力不会大于0.7Mpa，当随着初始压力的提高，燃烧过程发生了变化，观察到的爆炸压力的提高要比在球形容器中剧烈得多。当初始压力约为2Mpa时，筒形容器的爆炸压力几乎比球形容器的爆炸压力高出1倍。图3.10是容积为1m3的球形容器爆炸升压测试装置示意图l最大压力上升速度也是如此。根据三次方定律，尽管较大容器里的可燃混合气体爆炸压力上升速度值是比较小的，但在54L筒形容器里的压力上升速度仍然比球形容器快1倍多（不管初始压力是多少）。因此，容器的形状是安全技术必须考虑的问题。l上述关于爆燃特性值的论述都是以可燃混合气体静止状态下的点燃为条件的，但在工程实践中，可燃混合
34、气体通常是运动的，甚至是紊流状态的。此时，爆燃的特性会发生较大的变化。l图3.11.表示的是紊流对CH4爆炸特性的影响情况。当火焰呈球形传播，且在紊流的燃烧条件下，未燃的可燃混合气体很快与火焰接触，紊流使CH4的爆炸压力上升速度大于提高了9倍，是最大爆炸压力上升了约20%，爆炸的范围也扩大了一些，火焰不再呈球状，它的前部变得不规则了。l紊流使可燃混合气体的燃烧爆炸特性值的升高百分率随燃气的KG值的倒数呈线性变化。燃烧速度较慢的燃气（如CH4）的爆炸过程受到紊流的影响程度要比燃烧速度较大的燃气（如H2）大。l前述的有关可燃混合气体的爆炸特性值的描述是以空气为氧化剂的情况。当氧化剂为O2时，爆炸特
35、性值将如何变化？首先，以O2代替空气后，可燃混合气体的爆炸范围要受到影响。因为尽管在燃气-空气的混合气体的爆炸下限时，过剩的O2没有参与燃烧，热量是平衡的，且由于O2和N2的热特性几乎相同，从而基本上不影响爆炸下限。但若燃气-空气的混合气体处于爆炸的上限时， O2是不足的，此时用O2代替空气中的N2能使爆炸上限向可燃混合气体浓度较高的方向移动。 其次，由于氧化剂是O2，燃烧速度提高，氧气-燃气不仅产生较大的爆炸力，而且反应速度大大提高，导致最大瞬间压力急剧上升。 CH4，H2分别与空气和O2混合时的爆炸特性值，见表3.9l 与在空气中的爆炸过程相反，2种燃气分别与O2混合时，如KG值所表示的那
36、样，他们的爆炸强度几乎相等。 CH4的最大爆炸压力上升尤其明显，上升了2倍以上。3.2.3敞开空间的爆燃敞开空间的爆燃l 在敞开空间，可燃混气爆炸时，燃烧波（爆轰波）的传播影响较小，但必须考虑由于火焰扩散在更广泛范围内的燃烧影响。l 它不会像在密闭空间的爆燃那样，产生很高的压 力 ， 但 它 会 燃 烧 而 产 生 火 焰 球 。 按Frank.T.Boturtha的计算，燃烧产生的火焰球的直径大小为：式中：Df火焰球的直径，m; Wf燃烧量，燃料与理论氧含量的和，Kg.32. 086. 3ffWD（3.21） l 对于有泄压面积的密闭空间，这里称之为半敞开空间，其发生的爆燃所产生的峰值压力大
37、小，在不同的条件下，计算的方法有很大的不同。l1Rasbash公式l2Dragosavic公式l3. Simmonds 和Cabbage公式 3.2.43.2.4半敞开空间的峰值压力计算半敞开空间的峰值压力计算 1）Rasbash公式式中：P2max峰值压力，kpa; P0泄压时的压力，kpa ; K泄压比； Ac房间内的最小正截面积，m2; Av泄压总面积，m2.该式使用于正常燃烧速度下的爆炸，没有考虑紊流的影响，并且应满足如下的条件:K =1- 5；房间的最大、最小尺寸比3；泄压构件面密度24Kg/m2；P07KPa。)223(/5 . 3100max2VCAAKKPP 2）Dragosavic公式 实验是在20m3 的空间中做出的，不适用于大体积空间中的爆炸压力估计和泄压计算。 )/)183(3/04. 05 . 03020max2mPPP泄压面积（房间体积泄压系数；式中： 3）Simmonds 和Cabbage公式 出现不稳定燃烧时，燃烧速度取正常燃烧速度的2倍。 )/()193()/() 4 . 03 . 0(3203/ 1max2stfuSftVinibKPSuVP燃气的燃烧速度（燃气爆炸的空间体积式中：本章完
