3.3.2.2. Газо- и пылевоздушные горючие смеси

При выполнении программы исследований по раз­работке противовзрывных защитных сооружений предложен ряд методов, позволяющих с удовлетворительной точностью рассчи­тать избыточные давления, действующие на стены помещений или стенки камер в результате взрыва внутри этих негерметич­ных объектов зарядов конденсированных взрывчатых веществ.

давно возникла проблема случайных взрывов горючих газовых и пылевых систем. Проблеме внутренних взрыбов таких систем и влиянию истечения продуктов взрыва или сгорания на избыточные давления внутри различных объектов при взрывах посвящено значительное число работ. Обширные обзоры работ по проблеме внутренних взрывов пылевзвесей выполнены Палмером [4841, Гибсоном и Харрисом [234] и Барткнехтом [67, 68]. Проблеме газовых взрывов внутри помещений посвящены обзоры Гибсона и Харриса [234], Антони [27], Брэдли н Митчесона [91, 92]. По результатам исследований Горного бюро США и работ, прово­дившихся в Великобритании и ФРГ, опубликован справочник [446] по внутренним взрывам в негерметпчных помещениях. В качестве примера исследовании по внутренним взрывам в не­герметичных камерах в химической промышленности США мож­но привести работы [286, 551]. Теоретические исследования, а в некоторых случаях и экспериментальные были проведены в ра­ботах Яо [708], Мунди [414], Сапко и др. [556], Пасмана и др. [487], Бредли и Митчесона [91]. Бейкер, Еспарза п Кулеш обоб­щили некоторые результаты этих работ в обзоре [44].

Проведенные исследования показали, что наиболее важными параметрами внутренних взрывов газовых и пылевых систем являются геометрические факторы (форма и объем камеры, пло­щадь разгрузочных отверстий), теплота сгорания Q₀ газового или распыленного горючего, а также коэффициент соотношения компонентов.

где Кем — постоянная для конкретной газовой или пылевой го­рючей системы. Брэдли и Митчесон показали, что максимальное избыточное давление в сферической негерметичной камере кор релирует с отношением безразмерных комплексов Л/So, где произведение площади разгрузочных отверстий на коэффициент

расхода газа K_p, деленное на полную площадь внутренней по­верхности сферической камеры A_n, a S₀ — отношение скорости газа на фронте пламени U и скорости звука в свежем газе в мо­мент воспламенения:

Примеры сильных разрушений зданий в результате взрывов горючих пылевзвесей описаны Палмером [484]. Аналогичные аварии при внутренних взрывах газовых смесей описаны Мейн- стоуном [390] и Стрелоу и Бейкером [612].

Детальный анализ проблемы промышленных взрывов с по­мощью теории подобия не проводился, однако в уже упоми­навшихся работах [708, 414, 556, 91, 92] попытки подобного ана­лиза предпринимались и получены определяющие уравнения в безразмерных комплексах.

1. При внутренних взрывах пылевзвесей выполняется закон подобия (закон «кубического корня», см. уравнение (3.45) с поправкой на геометрический фактор λ).

2. При моделировании внутренних взрывов пылевых систем необходимо строго контролировать геометрическое подо­бие модельной и крупноразмерной камер.

3. Безразмерное давление Pfpo зависит от безразмерной пло­щади разгрузочного отверстия AfY²-Iⁱ и безразмерной пол­ной энергии взрыва EfpAV.

4. Из анализа размерностей следует, что скорость изменения давления в камере P прямо пропорциональна (aoPo/^'^,s)- Кроме того, P прямо пропорциональна l/λ при одинако­вых атмосферном давлении и скорости звука ао. C этим выводом согласуется предложенный Барткнехтом закон «кубического корня» (3.45).

Максимальное давление, достигающееся внутри какого-либо объекта при внутреннем взрыве на промышленном производстве, можно оценить, зная массу горючего и воздуха и считая объект герметичным. В этом случае горение будет происходить в по­стоянном объеме, так что максимальная величина давления лег­ко определяется по известным для данной ситуации соотноше­ниям. Однако такая оценка будет сильно завышенной. В настоя­щее время наилучшую оценку развивающихся при внутренних взрывах давлений можно получить с помощью корреляционных формул, построенных на основании экспериментальных данных, многие из которых приведены в справочниках NFPA по вну-

тренним взрывам, изданных до 1975 г. Но, к сожалению, эти данные в соответствии со сложившейся практикой представля­лись в виде зависимости от размерного параметра А/Г, так что попытки их использования для непосредственного прогнозиро­вания параметров взрыва в камерах разного размера пока

Рис.

остаются спорными. Так, Антони [27] и Бейкер, Еспарза и Ку­леш [44] указали на физическую неправомерность такой про­цедуры, поскольку определение параметров взрыва в крупной негерметичной камере на основании данных опытов в установ­ках малого размера может привести к тому, что результирую­щая площадь разгрузочных отверстий будет больше полной внутренней поверхности камеры.

В работах Барткнехта [67,68] представлен ряд номограмм Для расчета площади разгрузочного отверстия, необходимой для снижения до определенного уровня максимального давления, развивающегося при взрыве различных горючих газовых и пы­левых систем в негерметичных камерах. Типичные номограммы приведены на рис. 3.18 в виде кривых, соответствующих различ­ным значениям требуемого уровня давления н постоянной Л'_см

в уравнении (3.45). Вид этих кривых согласуется с выводом из работы Бейкера й др. [60], т. е. для каждого класса пылевзве- qefi приведенное максимальное значение давления однозначно зависит от приведенного значения площади разгрузочного отвер­стия. Это подтверждается показанными на рис. 3.19 зависимо­стями, которые получены пересчетом кривых с рис. 3.18 й пред­ставлением их в приведенном виде в широком интервале значений объема камеры V. В результате удачного выбора безраз­мерных величин серия кривых из правой части рис. 3.18 ложится на универсальную для данной пылевзвеси кривую на рис. 3.19, что говорит о правомерности использования приведенной пло­щади разгрузочного отверстия для описания закономерностей внутреннего взрыва и истечения продуктов взрыва (в указан­ных в подписи к рис. 3.19 интервалах значений определяющих параметров).

На рис. 3.20 и 3.21 отражены типичные зависимости давле­ния от времени в герметичных и негерметичных камерах при внутреннем взрыве газовой или пылевой системы. При взрыве газовоздушных смесей сравнительно медленное изменение дав­ления с течением времени в некоторых случаях может нару­шиться в результате перехода горения в детонацию из-за тур­булентных эффектов, возникающих при истечении газа из ка­меры, и из-за конечности времени раскрытия разгрузочного отверстия (в случае распыленных твердых горючих это малове­роятно).

Здесь необходимо предостеречь читателя о том, что расчет такой площади разгрузочного отверстия, чтобы максимальное давление при.внутреннем взрыве в негерметичной камере не превышало определенной величины (на основании результатов исследований Горного бюро США и данных справочников NFPA по внутренним взрывам, в которых данные экспериментов пред­ставлены в виде зависимостей от размерного параметра AfV), может приводить к сильному завышению требуемой площади разгрузочного отверстия. C другой стороны, использование мно­гочисленных экспериментальных данных по максимальным дав­лениям и скоростям повышения давления в установке Хартмана

Рис. 3.23. Зависимость максимального приведенного избыточного давления в камере с открытыми разгрузочными отверстиями при газовом взрыве

от безразмерного параметра истечения [92].

(гл. 1) может давать сильно заниженную оценку определяющих параметров внутреннего взрыва. В настоящее время наиболее приемлемые результаты можно получить лишь при использо­вании графических зависимостей и уравнений, предложенных Барткнехтом и Брэдли и Митчесоном.

Недавно в работе Залоша [714] установлено, что при исте­чении продуктов взрыва из больших камер с размером, харак­терным для производственных помещений, избыточное давление в камере может оказаться существенно выше, чем следует из

расчетов [66, 67, 91, 92] 'Г Это связано с тем, что в процессе истечения продуктов сгорания из больших камер может возни­кать второй пик давления, значительно превышающий макси­мальное избыточное давление, предсказываемое расчетами или регистрируемое в малых камерах. Из экспериментальных запи­сей давления (рис. 3.24 и 3.25) видно, что второй пик давления

Таблица 3.3. Свойства типичных газовоздушных горючих смесей

при нормальных условиях по данным [92]

в камере достигается на фоне очень сильных осцилляций давле­ния, частота которых близка к собственной частоте камеры. Очевидно, эти возмущения, развиваются вследствие неустойчи­вости фронта пламени на заключительной стадии горения в не­герметичной камере. Интересно, что собственные частоты коле­баний в крупных камерах составляют 0,1 ... 1 кГц, что при­мерно соответствует характерному времени прогрева газа в волне горения в перемешанной газовой смеси, а в камерах ма­лого размера, в которых собственная частота колебаний по по-

’> Опыты в крупноразмерных камерах, проведенные Астбури и др. [30— 32], Солбергом и др. [589] ч Эхоффом и др. [Ί9Ι], подтвердили результаты Залоша [714].

рядку величины равна 10 кГц, такого соответствия нет. Таким образом, становится ясно, что в случае крупных камер близость частоты пульсаций давления вследствие неустойчивости горе­ния и собственной частоты камеры может приводить к развитию колебаний разрушительной амплитуды на заключительной ста­дии процесса истечения продуктов из камеры. Следовательно,

Рис. 3.24. Осциллограммы давления в камере с открытыми 2,5 отверстиями для истечения газа. Опыт АР-5, пропано-воздушная смесь [741].

описанные в предыдущих разделах методы оценок параметров взрыва в случае крупных камер не справедливы, так как рас­четное давление в камере может оказаться гораздо ниже экспе­риментального. Эти эффекты в настоящее время находятся в стадии исследования. Недавно появились также некоторые ука­зания на то, что при взрывном горении горючей смеси в негер­метичной камере, начальное давление в которой выше внешнего атмосферного давления, закономерности взрыва и истечения про­дуктов сгорания получаются иными, чем в камере, начальное давление в которой совпадало с атмосферным. Сомасно [709], эту проблему предполагается исследовать совместными уси­лиями Factory Mutual Research и Fenwall Industries в ряде срав­нительно крупномасштабных опытов. Проведение исследований

будет финансироваться консорциумом химических компаний, за­интересованных в решении этой проблемы. Тот факт, что прове­дению этих опытов уделяется столь серьезное внимание, гово­рит о важности проблемы взрывного горения в камерах с на­чальным давлением, превышающим атмосферное.

Рис. 3.25. Осциллограммы давления в камере с 6 открытыми разгрузочными отверстиями [741]. Опыт BE-1, этилено-воздушная смесь.

Еще одна проблема, связанная с внутренними взрывами га­зовых и пылевых систем, заключается в том, что для истечения продуктов из камеры необходимо, вообще говоря, либо снабдить камеру отверстием, либо присоединить к ней короткую трубу,, через которую продукты будут выводиться из производствен­ного помещения. Если же использовать длинную отводящую- трубу, то ускоряющееся распространение пламени по трубе мо­жет привести к значительно более высоким избыточным давле­ниям, чем при взрыве в самой камере. Это объясняется тем, что из камеры в трубу в первую очередь будет истекать горючая смесь. Последующее распространение по ней пламени может стать ускоренным в результате турбулизации потока в трубе.

Таким образом, для организации истечения газов из камеры при внутренних взрывах газовых и пылевых систем нельзя исполь­зовать длинные трубы, поскольку к значительным разрушениям может привести взрыв непосредственно в отводящей трубе.

3.4.