3.4. Взрыв газовоздушной, пылевоздушной смесей и аэрозоля в помещении.

В основе вычислений давления при взрыве газовоздушной смеси в замкнутом объеме лежит уравнение состояния

P=NRT , (3.36),

где Р – давление взрыва, /Па/атм; М – масса взрывчатого вещества, кг;V – объем , м³;

Т – температура взрыва, К^о;N – число молей газообразных продуктов, образующихся при взрыве 1кг взрывчатого вещества;R – газовая постоянная (R=8.31 Дж/моль*град=1,986 кал/моль^.град=0,082 (литр^.атм)/(моль^.град)).

На базе уравнения (3.36) получено соотношение

Р=Р_{о ,} (3.37)

где Р_о, Р – начальное давление газовоздушной смеси и давление

При взрыве, атм (1 атм=101,3кПа);Т_о,Т – начальная температура смеси и температура взрыва; N_o, N – число молей смеси и число молей продуктов взрыва соответственно.

Максимальное давление взрыва, как отмечалось неоднократно, имеет место при стехиометрической концентрации примеси , определяемой по соотношению (3.25). При изменении концентрации примем _п в диапазоне от НКП до ВКП давление взрыва при _п<_п.ст и _п>_п.стх меньше чем при _п=_п.стх (на практике максимальное давление взрыва имеет место при концентрации несколько превышающей стехиометрическую). Для определения давления по формулам (3.36),(3.37) необходимо знать реакцию взрывчатого превращения ГВС и температуру взрыва.

При взрыве ГВС содержащей газы вида C_aH_b , реакция взрывчатого превращения имеет вид (3.24).

Температура взрыва вычисляется по соотношению

Q_v=C_vT , (3.38),

где Qv – теплота взрыва; согласно соотношению (3.30) за величину Q_v можно принимать теплоту взрыва горючей примеси.

Величина C_v= – средняя теплоемкость продуктов взрыва при изменении температуры от начальной T₀ до температуры взрыва T; n_i – число молей i-ого продукта взрыва; C_vi – его теплоемкость.

Принято величину средней теплоемкости C_v представлять в виде C_v=a+bt+cf².

В приближенных расчетах ограничиваются зависимостью C_v=a+bt, которая для продуктов взрыва(3.24) может быть представлена следующим образом [8,9]

Для N2	Cv=4.96+0.0006t	При 0<t<3000oC
Для H20	Cv=5.96+0.00135t	При 0<t<3000oC
Для CO2	Cv=6.7+0.0035t	При 0<t<1000oC
	Cv=9.4+0.0008t	При 1000<t<3000oC

Допуская определенную погрешность, можно заменить два выражения теплоемкости углекислого газа соотношением вида

C_v=9+0.00093t при 0<t<3000^oC (3.39).

При взрыве в производственных и жилых помещениях давление P ослабляется вследствие наличия оконных и дверных проемов и неполного участия горючей смеси во взрыве.

Избыточное давление взрыва стехиометрической смеси в таких помещениях определяется по формуле [55,56]

P=(P_m-P₀) (3.40).

В этой формуле P_m-минимальное давление взрыва стехиометрической газо-воздушной смеси в замкнутом объеме, кПа, определяемое по соотношениям (3.36) или (3.37); P₀-начальное давление смеси, кПа; М-масса горючего газа или паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, вышедших в результате аварии в помещение, кг; V₀-свободный объем помещения, м³; _п.стх – стехиометрическая концентрация горючей примеси, кг/м³; - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения ( в расчетах оценочного характера принимают );  - коэффициент участия горючего вещества во взрыве.

Принимают =0.5 для горючих газов и =0.3 для паров

легковоспламеняющихся и горючих жидкостей; V₀- объем помещения за вычетом объема технологического оборудования.

В более общем случае значений концентрации горючей примеси НКП<<ВКП для оценки давления P допускается использовать формулу, применяемую в расчетах давления взрыва пылевоздушных смесей [56]

(3.41).

В этой формуле P- избыточное давление взрыва, кПа; P₀,₀,T₀ – давление в кПа, плотность в кг/м³ и температура воздуха в помещении в ^oК до взрыва соответственно; C_p – удельная теплоемкость воздуха (С_P1.01 кДж/кг*град); V­₀- свободный объем помещения, м³; M,Q_V – масса в кг и теплота взрыва в кДж/кг горючей пыли; коэффициент 0.5; 3.

Значения теплоты взрыва пыли Q_V приведены в табл.3.6

Таблица 3.6

Горючее вещество	Теплота взрыва QV,MДж/кг
Антрацитовая пыль	(32-36)*103
Пыль древесная сосновая	15.4*103
Пыль древесная еловая	20.4*103
Пыль торфяная	10.5*103
Пыль мучная	16.8*103

Для пылей определяют величину НКП. Значение НКП при диаметре частиц менее 100 мкм находят по соотношению

НКП=800/Q_V, (3.42),

где НКП – нижний концентрационный предел, кг/м³; Q_V – теплота взрыва пыли, кДж/кг.

Применительно к взрыву ГВС в формуле (3.42) под величинами M,Q_V – подразумевают массу в кг и теплоту взрыва горючего газа или паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей в кДж/кг соответственно; коэффициенты и  имеют те же значения, что и в формуле (3.40)

При взрыве аэрозолей давление P так же рассчитывается по формуле (3.41), где под величинами М,Q_V понимают массу в кг и теплоту взрыва в кДж/кг горючего вещества в составе аэрозоля; величины P₀,₀,T₀,V₀,C_p сохраняют предыдущие значения; коэффициенты =0.3,=3. Значения Q_V в важных частных случаях образования аэрозолей таким топливом как бензин, керосин, мазут, нефть составляют 42; 44; 39.8; 42 МДж/кг соответственно.

По формулам 3.36-3.41 определяется давление дефлаграционного взрыва, наблюдающегося, как правило, при образовании взрывоопасных смесей в помещении. При детонации ГВС (такой случай исключить полностью нельзя) давление во фронте детонационной волны находится по формуле 3.5. В результате взаимодействия этой волны с оградительными конструкциями давление в замкнутом объеме может достигать до 10 МПа [6,56].

При взрыве ГВС, ПВС и аэрозоля в помещении, если давление P>(30…50) кПа, здание, как правило, будет разрушено (полностью или частично). При разрушении здания в окружающем воздушном пространстве формируется воздушная ударная волна; имеют место так же тепловое излучение взрыва и разлет осколков, образующихся при разрушении здания.

В приближенных расчетах принимают EE_у.в.+E_оск+E_т, где E=MQ_V – энергия взрыва в помещении, E_у.в.=₁E – энергия, идущая на образование ударной волны, E_оск=₂E – энергия расходуемая на тепловое излучение, E_т=₃E – кинетическая энергия осколков, при этом ₁+₂+₃<1. Условие (<1) в последнем соотношении связано с тем обстоятельством, что часть энергии взрыва в помещении расходуется на разрушение конструкция здания.

Существуют определенные трудности (и различия) в оценке коэффициентов ₁,₂,₃ [6,12] Ниже используются рекомендации [56], согласно которым при взрыве ГВС в помещении значения ₁=0.6,₂=0,₃=0.4; при взрыве ПВС ₁=0.7,₂=0,₃=0.3.

Расчет давления во фронте ударной волны за пределами здания проводится по формулам 3.10,3.20, последнюю из которых в данном случае записывают в виде

, (3.43),

где величины G,M,Q_V,Q_V.тр имеют прежний смысл, коэффициент =0.5 в случае взрыва горючих газов, пылей и =0.3 при взрыве аэрозолей; коэффициент ₁ определен выше (при взрыве аэрозолей допустимо принимать 0.7)

Способы расчета дальности разлета осколков и теплового излучения в случаях, когда они являются определяющими поражающими факторами взрыва или горения, рассматриваются в последующих разделах.

3.5. Взрыв емкости, содержащей газ под давлением.

Взрыв емкости, находящейся под внутренним давлением газа, относится к группе физических взрывов, обусловленных различными физическими процессами.

В емкостях могут находиться инертные газы под давлением, сжатые или сжиженные углеводородные газы, перегретые водяные пары и др.

Процессы, сопровождающие такие взрывы, относятся к адиабатическим. Как известно, адиабатическим изменением состояния системы называется такое изменение, которое протекает без обмена теплом между системой и окружающей средой.

Для оценки параметров рассматриваемого взрыва используется энергетический подход.

При взрыве металлической емкости, содержащей газ под давлением, образуются осколки, поражающее действие которых зачастую бывает определяющим, а также формируются воздушная ударная волна и имеет место тепловое излучение. При этом, как и в случае взрыва ГВС, ПВС в помещении, имеет место соотношение Е = Е_ув +Е_оск + Е_т.

При взрыве емкости под внутренним давлением Р инертного газа с плотностью  энергия взрыва представляется через работу адиабатического расширения газа в виде [13]

Е = (3.44),

где Е - энергия взрыва, Дж; Р_г - давление газа в емкости, Па; Р_о - атмосферное давление, Па;V - объем емкости, м³; - показатель адиабаты газа.

Значения показателя адиабаты для некоторых газов приведены в табл. 3.7.

Таблица 3.7