二氧化碳爆破的威力取决于哪些方面?

日期: 2018-03-03
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现市场上的二氧化碳爆破设备种类、规格型号繁多,使用者不甚了解,如何判断选用合适的设备,可从如下几个方面考虑:

二氧化碳裂岩设备的爆破力主要由裂岩管内充装的液态二氧化碳质量初始加载压力发热管提供的热量以及释能片的压力阈值(剪切强度)有关。


二氧化碳的性质解析

二氧化碳是空气中常见的化合物,常温下是一种无色、无味、五毒和不助燃的气体。二氧化碳能以固、液、气3相存在,(见图1 )。液态二氧化碳是无色、无味透明液体,在20℃时,将二氧化碳加压到5.6mpa(密度为0.770kg/)即可变成无色液体,通常压缩贮存于钢瓶中。液态二氧化碳在受高温激发后,在极短的时间内从液态到气态呈现600-1000倍的体积骤增(相当于1个标准大气压下的体积),二氧化碳爆破技术就是利用二氧化碳这一瞬间相变产生大量的气体的特点研制的。

二氧化碳爆破的威力取决于哪些方面?

1二氧化碳固、液、气三相状态

二氧化碳液气相变过程分析(在裂岩管内)

    二氧化碳在裂岩管内由液态相变为气体是能量释放的一个独特的物理过程,是由裂岩管内的液态二氧化碳吸热气化发生物理变化,与普通储罐内的液化可燃物因化学反应瞬速释放热量且使储罐内温度与压力上升而引发的热爆炸具有本质的区别。

 

裂岩管内二氧化碳状态变化分析

     首先查得1公斤的二氧化碳,其气化所需热量为578kJ/Kg,即1kg的液态二氧化碳气化时需要578kJ热量。开启触发器,启动发热管释放热量,其裂岩管内的二氧化碳会发生以下2个过程的变化:液态二氧化碳吸收热量Q1,状态变为气态,压力开始上升,而温度仍保持初始温度T1;‚气态二氧化碳继续吸收热量Q2,二氧化碳气体分子热运动进一步加剧,导裂岩岩管内的压力急剧上升。此时只要发热管能提供足够的热量,裂岩管内的气体压力在极短的时间内可以大幅上升,直到达到释能片的压力阈值P释能片,才能将释能片冲破到达岩孔内。其发生的物理过程如图所示:

二氧化碳爆破的威力取决于哪些方面?


      在高温、高压环境下,分子热运动加剧,液体分子具有较高的能量,液相与气相差不较小,因此液态二氧化碳气化所需热随温度、压力的升高而减小,即需要的Q1变小,所以发热管提供的热量就会更多的部分提供到过程2中,使得气体升温、压力升高速度更快。

 

裂岩管内的压力变化分析

     对于裂岩管来说,相当于一个柱形密闭容器,其管内的压力形成、释放过程与球形、方形的容器内的液化气体爆炸、泄能过程不同。

     裂岩管内压力变化过程如图

二氧化碳爆破的威力取决于哪些方面?

CO2裂岩管内压力变化过程如图

     初始阶段:裂岩管内保持一定的加载压力P1,P1高于液态二氧化碳的临界压力7.38MPa,(临界温度31.2℃),以此保证常温下裂岩管内的二氧化碳状态为液态。

        0~t1阶段:裂岩管内的发热剂启动,释放大量的热量,液态的二氧化碳吸热气化,体积急剧膨胀,在等容的环境中,液态二氧化碳的大量气化导裂岩岩管内压力也急剧上升,并且随着管内的热量的传播,气化过程也在加速进行,压力升高速度越来越快。

        t1-t2阶段:在t1时刻,裂岩管内的压力达到定压释能片的释能阈值(释能片的剪切强度)P释能片,导致释能片被瞬间破坏,随后裂岩管内的气体高速冲出,形成高速、高压气流,裂岩管内的压力随着二氧化碳气体释放而逐渐减小

 

定压释能片(也称爆破片)对释能压力的影响

     二氧化碳裂岩管相当于一个密闭的容器,发热管为一定量的液态二氧化碳提供热量,可以使其气化并导裂岩岩管内压力升高,根据气体状态方程pV=nRT,压力升高的程度受到气体温度的影响。

 

裂岩器释能能量的近似计算

     二氧化碳爆破设备在释放气体时以三种形式向外释放:释放的高能气体的冲击能;‚释能片的破裂能量;ƒ裂岩管残余变形能量。后两者消耗的能量只占释能总能量的3%~15%,大部分能量是以高能气体的形式释放到岩孔内。

 

     二氧化碳爆破设备释放能量的大小可以通过理论计算进行量化。目前,对于压缩气体容器物理爆破强度的计算有TNT当量模型、计算流体力学CFD方法和AICHE模型,其中TNT当量模型计算过程比较简单,不用进行复杂的建模过程,是工程上常用的强度计算方法。

 

     裂岩管内的二氧化碳大部分为液体,也有极少部分的气体。当启动发热管装置,液体开始蒸发对外做功,同时伴有气体的急剧膨胀做功。由于裂岩管内的二氧化碳质量占裂岩管内的流体质量的绝大部分,因此液体蒸发气化做功的能量是裂岩器释放能量的主体。裂岩器释放能量

二氧化碳爆破的威力取决于哪些方面?

P——裂岩器释放压力,按照释能片的材料剪切强度极限值算;

V——裂岩管容积;

P0——裂岩管外大气压力;

K——二氧化碳绝热指数,K=1.295

 

总结:二氧化碳爆破释能片(爆破片)会将裂岩管内压力在尚未达到裂岩管合金钢材极限压力之前释放,以达到安全可控的目的,所以释能压力是由释能片材料的剪切强度有关,也就是释能片的厚度有关。不管裂岩管的直径、长度、充装二氧化碳充装量是多少,二氧化碳爆破设备的爆破威力最后由释能片(爆破片)体现。

    选用合适厚度的释能片才能发挥好裂岩器的作用,释能片太薄,,则裂岩管内尚未积聚较高压力就开始释放,释能片太厚导致不能被瞬间冲破,起不到释放裂岩效果。









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