Почему взрывается кислородный баллон?

[sergey zhukov]

GraNiNi
Это решение для двух твердых полуплоскостей из вещества с разной теплоемкостью и теплопроводностью. Да, так и будет, примерно восемь градусов. Я тоже посчитал.

Это, конечно, расчет идеализированный. Почти наверняка чистая ровная поверхность металла не загорится сама по себе в кислороде, даже при таких условиях. Если бы все кислородные баллоны по всей своей внутренней поверхности были гладкими и чистыми, никаких полимерных деталей, ржавчины и загрязнений, одна только ровная стальныя поверхность, то они бы не загорались. На этой поверхности должны быть какие-то загрязнения, которые сначала загорятся сами, а затем подожгут металл. Например, ворсинка масляной ветоши. Или должны сначала загореться не металлические детали вентиля.

Короче, нельзя считать, что толстостенный металл загорается сам по себе. Нужен посредник.

[GraNiNi]

sergey zhukov в сообщении #1557139 писал(а):

...какие-то загрязнения, которые сначала загорятся сами

Выше я уже отмечал, что остался открытым вопрос, может ли масло самовоспламениться при давлении кислорода в 150 атм и комнатной температуре.
Решил подойти к этому вопросу с химической стороны.

Считается, что скорость реакции окисления, в газовой фазе, пропорциональна парциальному давлению кислорода.
Если в воздухе парциальное давление кислорода примерно 1/5 атм, то при 150 атм оно будет в 750 раз больше, значит и скорость реакции окисления должна пропорционально возрасти.

С другой стороны, из химической кинетики известно, что при повышении температуры реагирующих веществ на каждые 10 градусов, скорость реакции возрастает, в среднем, в 2 раза.
Откуда, из уравнения: $2^\frac{t}{10}=750$
найдем, что $t = 95.5$ градусов, или округлим до 100 градусов.
Это такое повышение температуры, при котором скорость реакции окисления тоже возрастет в 750 раз.

В итоге получим, что скорость окисления масла при давлении в 150 атм в чистом кислороде, при 20 градусах, будет такой же, как если бы мы его нагрели до 120 градусов, на воздухе. Но этой температуры недостаточно для самовоспламенения масла, для чего нужно намного больше (250-350 градусов).

[upgrade]

Масло попадает в штуцер, вентиль закрывают, в штуцере 150 Атм. Затем штуцер открывают, давление резко падает, масло вскипает - в штуцере смесь паров масла и кислорода...(или в присоединенном к штуцеру переходнику)...

[sergey zhukov]

GraNiNi
Тем не менее, несмотря на доказанную невозможность, вентили кислородных баллонов иногда загораются. И никто их специально не поджигает. Это просто факт, многократно проверенный на практике. В чем же там дело?

[GraNiNi]

sergey zhukov в сообщении #1557216 писал(а):

вентили кислородных баллонов иногда загораются. И никто их специально не поджигает. Это просто факт, многократно проверенный на практике. В чем же там дело?

Вообще-то в эксплуатации ежедневно находятся тысячи кислородных баллонов по всей стране, а аварийные ситуации возникают достаточно редко - единичные случаи в год. Здесь, вероятно, имеет место комплексное стечение обстоятельств, где не последнюю роль играют различные условия эксплуатации и воздействия на баллон и запорную аппаратуру (вентиль) на протяжении всей своей истории.
Накопленные дефекты могли когда-то проявиться, ну а прямые нарушения ТБ все это только усугубляют.

Чисто химически, в статических условиях, контакт кислорода с горючими веществами (маслом) к воспламенению не приводит, кроме случаев каталитического окисления.
Проблемы возникают, когда добавляется динамический фактор - резкое изменение скорости потока (открытие вентиля), попадание в поток абразивных частиц или капель масла, а также все виды трения, приводящие к локальному перегреву поверхностей трения или возможному искрообразованию.

Впрочем, все это уже известно:
"Загорания вентилей кислородных баллонов чаще всего происходили в момент их закрытия или при подтяжке под давлением сальниковой гайки для устранения появившейся утечки, а также при использовании вместо фибровых прокладок других материалов (кожа, плохо обезжиренный паронит; в запорном клапане—эбонит и резина). В ряде случаев загорание вентилей баллонов происходило вследствие наматывания пеньки между маховичком и сальниковой гайкой для устранения утечки."

[sergey_g]

Вероятно в вентиле как в камере диз. двигателя, при его открывании под давлением истекающего кислорода происходит взрывное воспламенение паров масла с последующими разрушениями.

[upgrade]

Кислород под давлением 150 атм будет растворяться в масле.

[GraNiNi]

sergey_g в сообщении #1557368 писал(а):

Вероятно в вентиле как в камере диз. двигателя, при его открывании под давлением истекающего кислорода происходит взрывное воспламенение паров масла с последующими разрушениями.

Это не дизель.
В дизеле температура кислорода (воздуха) после сжатия превышает 700°С, поэтому впрыскиваемое топливо и воспламеняется.

В баллоне и в вентиле кислород уже сжат а его температура равна температуре окружающего воздуха, поэтому он неспособен воспламенить масло, которого там:
- ничтожно мало,
- оно находится в виде тонкой пленки на металлических деталях.

Причины возможного воспламенения упомянуты выше.

upgrade в сообщении #1557376 писал(а):

Кислород под давлением 150 атм будет растворяться в масле.

Кислород (и другие газы тоже) растворяется в масле при любом давлении.

[upgrade]

GraNiNi в сообщении #1557391 писал(а):

Кислород (и другие газы тоже) растворяется в масле при любом давлении.

Под давлением будет растворено больше кислорода, сейчас уже ссылку не найду, видел значение - в 11 раз.

[GraNiNi]

upgrade в сообщении #1557599 писал(а):

Под давлением будет растворено больше кислорода,

Закон Генри.

[sergey zhukov]

Вот моделирование поведения воздуха в замкнутой с двух сторон трубе длиной 0,8 метра. Начальные условия такие - левая половина трубы занята покоящимся воздухом под давлением 100 Атм, левая - с давлением 1 Атм. Начальная температура - 15С:





На анимации показана эволюция поля температуры примерно за первые 0,02 сек.

На графиках показано поведение во времени температуры и давления газа у правого торца трубы. Интересно, что давление по всей трубе быстро выравнивается, а температура - нет. В пике она достигает 900К и потом медленно падает за счет теплопроводности. Повторяющиеся колебания - это многократное отражение волны от стенок трубы (чтобы ослабить волну, труба наполнена "песчинками", демпфирующими колебания).

Ясно, что полная внутренняя энергия газа в трубе в начале и в конце процесса одинаковая. Но это не значит, что температура будет одинаково однородно распределена по пространству в обоих случаях. В конце процесса (когда давление можно считать установившимся) большая часть воздуха слева будет охлаждена, а меньшая часть справа - нагрета.

[GraNiNi]

sergey zhukov в сообщении #1558215 писал(а):

давление по всей трубе быстро выравнивается, а температура - нет

Температура за 0.1 с падает с 900 К до 500 К - почти в 2 раза, казалось бы и давление тоже должно следовать за температурой - уменьшиться в 2 раза.

[sergey zhukov]

GraNiNi
Так на этих кривых нарисованы параметры газа в малой расчетной ячейке $dxdydz$ (которая выбрана рядом с правым торцом трубы), причем масса газа в этой ячейке переменная, а не постоянная (т.к. плотность газа в ней меняется, есть поток газа через ее мысленные стенки). С чего бы давлению и температуре в этой ячейке подчиняться уравнению $\frac{P}{T}=\operatorname{const}$? Это только для постоянной массы газа справедливо.

[sergey_g]

Хорошо видны полости, под уплотнителем, куда может попасть масло.