Расчет избыточного давления взрыва

Избыточное давление взрыва для индивидуальных горючих веществ, состоящих из атомов С, Н, О, N, Cl, Br, I, F, определяется по формуле:

, (11.4)

где P_max - максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, определяемое по справочным данным [3]; при их отсутствии принимается равным 900 кПа; Р₀ - начальное давление, принимаемое равным 101 кПа; т - масса горючего газа, паров ЛВЖ или горючих жидкостей, вышедших при расчете в помещение, кг; Z - коэффициент участия горючего во взрыве, принимаемый равным 1 для водорода, 0,5 -для других горючих газов, 0,3 - для ЛВЖ и горючих жидкостей, 0,5 - для горючих пылей; V_cв - свободный объем помещения, м, принимаемый равным 80 % объема помещения; ρ_г - плотность газа или пара при расчетной температуре, кг/м³; С_ст - стехиометрическая концентрация горючего, % об., вычисляемая по формуле:

, (11.5)

где - стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания (п_С, п_Н, п₀, п_х- число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего); К_н - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения, принимаемый равным 3.

Расчет избыточного давления взрыва (кПа) для остальных горючих веществ и для их смесей может быть выполнен по формуле:

, (11.6)

где Н_т - теплота сгорания, кДж/кг; ρ_в - плотность воздуха до взрыва при температуре Т; С_р - теплоемкость воздуха, принимается равной 1,01кДж/(кг·К); Т₀ - начальная температура воздуха, К.

Если в помещении ведется работа с использованием горючих газов, то производится расчет избыточного давления по формуле (11.4) или (11.6), причем масса (кг) поступившего в помещение при расчетной аварии газа определяется по формуле:

т = (V_а + V_т) ρ_г, (11.7)

где V_а - объем газа, вышедшего из аппарата, м³; V_т - объем газа, вышедшего из трубопроводов, м³.

При этом:

V_а = 0,01Р₁V, (11.8)

где Р₁ - давление в аппарате, кПа; V- объем аппарата, м³;

V_т = V_1т + V_2т, (11.9)

где V_1т - объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м³:

V_1т = qt, (11.10)

где q - расход газа в трубопроводе, м³/с; t - время отключения трубопровода;

V_2т - объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м³:

V_2т = 0,01πР₂ r²L, (11.11)

где Р₂ - давление в трубопроводе, кПа; r - внутренний диаметр трубопровода, м;

L - длина трубопровода от аварийного аппарата до вентиля или задвижки, м.

Время отключения трубопровода t принимается равным 120 с, если имеется система автоматического отключения, и равным 300 с при ручном отключении.

При проведении работ с ЛВЖ и горючими жидкостями избыточное давление взрыва в помещении также определяется по формуле (11.4) или (11.6). Масса (кг) паров жидкости, поступивших в помещение при наличии нескольких источников испарения (поверхность разлитой жидкости, поверхность со свеженанесенным составом при окраске, промывке или покрытии, поверхность открытых емкостей), определяется по формуле:

т = т_р + т_от + т_с , (11.12)

где т_р - масса паров, поступивших с поверхности разлива, кг; т_от - масса паров, поступивших с открытых поверхностей, кг; т_с - масса паров, поступивших с поверхностей, на которые нанесен применяемый состав, кг.

При этом каждое из слагаемых в формуле (11.12) определяется по формуле:

m = WF_jt, (11.13)

где W — интенсивность испарения, кг/(с·м²); F_j - площадь испарения, м²; t - время испарения, с.

Интенсивность испарения W, кг/(с·м²) определяется по справочным или экспериментальным данным. Для ЛВЖ при комнатной температуре расчет производится по формуле:

, (11.14)

где η - коэффициент, принимаемый по табл. 11.4 в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения; Р_н - давление насыщенного пара жидкости при расчетной температуре, кПа, определяемое по уравнению Антуана; М - молекулярная масса, г/моль.

Таблица 11.4

Значения коэффициентов для расчета интенсивности испарения ЛВЖ

Скорость воздушного потока в помещении, м/с	Значение коэффициента η при температуре t, °С, в помещении
	10	15	20	30	35
0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0
0,1	3,0	2,6	2,4	1,8	1,6
0,2	4,6	3,8	3,5	2,4	2,3
0,5	6,6	5,7	5,4	3,6	3,2
1,0	10,0	8,7	7,7	5,6	4,6

Площадь испарения F в случае пролива ЛВЖ и горючих жидкостей определяется исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов, содержащих по массе 70 % и менее растворителей, разливается по площади 0,5 м², а остальных жидкостей - на 1 м² пола помещения.

Длительность испарения жидкости t принимается равной времени полного испарения, но не более 3600 с.

Как правило, количество дисперсных горючих материалов, которые имеются в лаборатории и могут перейти в ее объем с образованием взрывоопасных аэровзвесей при авариях, недостаточно для развития избыточного давления более 5 кПа. Чтобы убедиться в этом, достаточно произвести обратный расчет по уравнению (9.5), решив его относительно m - массы материала, участвующего во взрыве, и сопоставив полученное значение этой массы, необходимое для создания избыточного давления в 5 кПа, с реальным количеством материала, который может принять участие во взрыве. Если первая величина заведомо больше второй, то помещение относят к категории В.

Расчет избыточного давления (кг) при взрыве горючих порошков и пылей производится по формуле:

, (11.15)

где Н_т - теплота сгорания материала, Дж/кг; ρ_в - плотность воздуха до взрыва, кг/м³, при начальной температуре Т₀ ; С_р - теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К) (допускается принимать равной 1,01 кДж/(кг·К); Z - коэффициент участия взвешенной горючей пыли во взрыве, следует принимать равным 1 для порошков металлов и сплавов (в том числе и порошков кремния, употребляемого в полупроводниковом производстве); К_н следует принимать равным 3, если рассчитывается избыточное давление в большом помещении (например, здании мастерской или цеха, имеющем большую площадь проемов), и равным 2, если расчет ведется для относительно небольшого помещения (камеры вентиляционных установок, помещение для установки фильтров или циклонов и т.п.); m - расчетная масса взвешенной в объеме помещения пыли при аварийной ситуации, кг, определяемая по формуле:

т = т_вз + т_ав , (11.16)

где т_вз - расчетная масса взвихрившейся пыли, кг:

т_вз = К_вз т_п , (11.17)

где К_вз - доля отложившейся в помещении пыли, способной перейти во взвешенное состояние в результате аварийной ситуации (при отсутствии экспериментальных сведений, допускается принимать К_вз = 0,9), т_п - масса отложившейся в помещении пыли к моменту аварии, кг; т_ав - расчетная масса пыли, поступившей в помещение в результате аварийной ситуации, кг:

т_ав = (т_ап + qτ)К_п , (11.18)

где т_ап - масса горючей пыли, выбрасываемой в помещение из аппарата, кг; q - количество пылевидных веществ, поступающих в аварийный аппарат по трубопроводам до момента их отключения, кг/с; τ - время отключения, равное 120 с при автоматическом отключении и 300 с при отключении вручную; К_п - коэффициент пыления, представляющий отношение массы взвешенной в воздухе пыли ко всей массе пыли, поступившей из аппарата в помещение (при отсутствии экспериментальных сведений о величине К_п допускается принимать для пылей с дисперсностью не менее 350 мкм К_п = 0,5, для пылей с дисперсностью менее 350 мкм К_п = 1,0); т_п - масса отложившейся в помещении пыли к моменту аварии, кг:

т_п = К_г (т₁ + т₂) / К_у, (11.19)

т_i = М_i (1 - α) β_i , (11.20)

где т_i (i = 1,2) - масса пыли, оседающей на различных поверхностях в помещении за межуборочный период; т₁ - масса пыли, оседающей на труднодоступных для уборки поверхностях помещения в период между генеральными уборками, кг; т₂ - масса пыли, оседающей на доступных для уборки поверхностях в помещении за период времени между текущими уборками, кг; М₁ - масса пыли, выделяющейся в объем помещения за период времени между генеральными уборками, кг; М₂ - масса пыли, выделяющейся в объем помещения за период времени между текущими уборками, кг; β₁, β₂ - доли выделяющейся в объем помещения пыли, оседающей соответственно на труднодоступных и доступных для уборки поверхностях помещения (β₁ + β₂ = 1; допускается принимать β₁ = 1, β₂ = 0); К_у - коэффициент эффективности пылеуборки (принимается при сухой пылеуборке равным 0,6); К_г -доля горючей пыли в общей массе отложений пыли.