CC BY
35
SCIENCE TIME
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЕМОВ ДЛЯ ВЗРЫВОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ
Р;У 1
Кочетов Олег Савельевич, Московский государственный университет приборостроения и информатики, г. Москва
E-mail: o_kochetov@mail.ru
Аннотация. В работе рассмотрена методика расчета размеров сбросных отверстий и проемов в зависимости от взрывных нагрузок на технологическое оборудование, здания и сооружения при воздействии внешних и внутренних аварийных, взрывоопасных факторов.
Ключевые слова: взрывные нагрузки, технологическое оборудование, здания и сооружения, взрывозащитное устройство, сбросное отверстие, проем, скорость распространения пламени.
При расчете требуемой площади проходного сечения проема взрывозащитного устройства для сброса давления взрыва необходимо выполнить следующее условие: повышение давления в защищаемом объеме при горении среды должно быть полностью компенсировано снижением давления вследствие истечения газов через сбросное отверстие, для этого необходимо удалять в единицу времени из объема количество газов, определяемое формулой
где Б - поверхность фронта пламени; и - нормальная скорость распространения фронта пламени; г - плотность удаляемого газа; е - степень расширения газов при сгорании.
Величины Б, г и е в процессе сгорания и изменения давления также изменяются, но зададимся значением этих величин для наиболее опасного случая, отмечая эти величины индексом т:
[1, 2, 5, 6]:
G = Fur(e - 1), (1)
Gm = Fmurm(em- 1) (2)
SCIENCE TIME
Предельное значение плотности газа можно выразить формулой:
Гт = Го(Рт/РоУЧ (3)
где Р - абсолютное значение давления в защищаемом объеме; § =СР/Су -показатель адиабаты; СР и Су - средние теплоемкости газов соответственно при постоянном давлении и постоянном объеме; индекс «о».
При адиабатическом сжатии го-рючего газа в процессе развития взрыва величину ет можно выразить в зависимости от давления в соответствии с уравнением:
ет = 1 + (ео-1)(Рт /Ро)(1-^ (4)
На рис.1 представлена общая схема взрывозащитного производственного здания, состоящего из, расположенного на слое грунта, фундамента, на котором установлено взрывоопасное и пожароопасное оборудование [4, 5].
Рис. 1 Общая схема взрывозащитного производственного здания
Рис. 2 Схема предохранительной разрушающейся конструкции
ограждения зданий
Разрушающаяся часть выполнена в виде двух коаксиально расположенных ниш (углублений в стене здания), одна из которых, внешняя образована плоскостями 1, 2, 3, 4 правильной четырехугольной усеченной пирамидой с прямоугольным основанием, а другая - внутренняя представляет собой две наклонные поверхности 5 и 6, соединенные ребром 7, с образованием паза, при этом толщина стены от ребра 7 до внешней поверхности ограждения 8 здания должна быть не менее ё = 20 мм [5, 6].
Для эффективной взрывозащиты любого объекта, обусловленной сбросом давления взрыва, необходимо, чтобы предохранительное устройство могло обеспечить расход газов не менее:
От = Етиго(ео - 1)(Рт /Ро)(2"^ (5)
Из газодинамики известно, что массовый расход газа под давлением Р через отверстие может быть выражен следующим образом:
при докритическом режиме истечения, когда Ь > (2/(§ +1)§/(ё-1);
От = аБРт
1
2М Г (021У п(У+1)/у\
Г_ [рг, г_^(г+1)/г) (6)
ЯТ у
при надкритическом режиме, когда Ь < (2/^ +1)^-1).);
ЯТ\
2 л(г+1)/(г-1)
7 +1
(7)
где а - коэффициент истечения сбросного отверстия;
Б - площадь проходного сечения сбросного отверстия;
Ь = Р'/Рт - максимальный относительный перепад давлений на сбросном отверстии;
Р' - абсолютное давление в пространстве, в которое происходит истечение газов (если сброс газов осуществляется в атмосферу, то Р'=0,1 МПа);
М - молекулярная масса газа;
Т - абсолютная температура сбрасываемого газа;
Я - универсальная газовая постоянная.
Величина Рт, как уже отмечалось, определяется прочностью защищаемого объекта и представляет собой максимальное давление, которое может быть допущено из условия прочности объекта. Введением этой величины в формулы (6) и (7) по существу и выражается условие максимума массового рас-хода От.
Сопоставляя правые части формул (5), (6) и (7), можно получить соотношения для площади проходного сечения устройств сброса давления взрыва:
SCIENCE TIME
- для случая докритических режимов истечения, когда Ь > (2/(§ +1)
g/(g-i).
S > {s0 -\\Pm / Po >
aPm
1
2M у
RT у
(p2/У _p(y+l)/y^
(8)
- для случая надкритических режимов истечения, когда Ь < (2/(§ +1)ё/(§-1).);
(9)
S > FmUPo(£o - №m /PoГ"7
aPm
M
RT
с 2
y +1
m 5
где Бт - максимальная поверхность фронта пламени Бт = сБ
о
Б т - максимальная поверхность пламени, найденная геометрически в предположении, в первом приближении, что от точки поджога пламя ф распространяется во все стороны с одинаковой скоростью и поэтому имеет ф сферическую форму;
е - коэффициент искривления фронта пламени.
Производственные помещения чаще всего имеют форму прямоугольного параллелепипеда. Если размеры такого помещения обозначить А, В и С, причем А<В<С, то в геометрическом центре объема максимальную поверхность фронта пламени можно выразить [7, 8]:
Б0т = рАВ,
т. е. она не зависит от размера С и определяется только площадью поперечного сечения здания.
Наиболее неблагоприятный случай реализуется, когда через сбросное отверстие истекают не продукты сгорания, а холодные газы. Из этого следует, что температуру истекающих газов в формулах (8) и (9) можно выразить:
Т = То(Рт /Ро)(§-1)/§.
Степень расширения газов е при сгорании по существу представляет собой отношение температуры продуктов сгорания к температуре горючей смеси, и поэтому ее легко вычислить по тепловому эффекту химической реакции горения. Для практических инженерных расчетов значительно более удобно пользоваться не величиной е, а функционально связанной с ней степенью повышения
SCIENCE TIME
давления при взрыве в замкнутом объеме;
n=1+g(e-1),
т.к. она входит в перечень так называемых стандартных параметров пожаровзрывоопасности веществ, опреде-ляется экспериментально и содержится в справочной литературе [3]. С учетом того, что связь между п и е0 устанавливается зависимостью:
eo - 1= (n-1)/g
(10)
Тогда расчетные формулы для определения площади сбросных отверстий в окончательном виде можно записать следующим образом: для докритического режима истечения:
S >
xF0u (У-1)
ау
ГР Л
_т
Р
\г о У
31 у-1
2 ^ 7
1
2 RT
M
У
2
у-1
г+1 Л
для надкритического режима истечения:
хру (у -1)
S >
31 У-1
ау
Р
_т
Р
\1 о у
21 у
yRTo M
с 2 Vr+1)/(r-1)
7 +1
(11)
(12)
Полученные расчетные формулы можно использовать как в расчете взрывных клапанов и мембран для взрывозащиты технологического оборудования, так и в расчете легко сбрасываемой кровли и вышибных (взрывозащитных) проемов для взрывозащиты зданий.
Литература:
1. Комаров А. А. Прогнозирование нагрузок от аварийных дефлаграционных взрывов и оценка их воздействия на здания и сооружения. МГСУ, 2001 г
2. Методика оценки последствий аварий на пожаровзрывоопасных объектах/ Бодриков О.В., Елохин А. Н., Рязанцев Б.В. - М.: МЧС России, 1994.
3. Методика расчета нагрузок на здания и сооружения при воздействии внешних аварийных дефлаграционных взрывов. Мишуев А. В., Хуснутдинов Д. 3. -М.: МИСИ, НТЦ «Взрывоустойчивость», 2004. - 65 с.
«
SCIENCE TIME
4. Кочетов О.С. Методика расчета требуемой площади сбросного отверстия взрывозащитного устройства. Журнал «Пожаровзрывобезопасность», № 6, 2009, стр.41-47.
5. Гетия С.И., Кочетов О.С. Эффективность взрывозащитных устройств в технологических процессах. М.: МГУПИ, «Вестник МГУПИ», серия «Машиностроение», № 24, 2009. С.92-104.
6. Кочетов О.С. Расчет взрывозащитных устройств. Журнал «Безопасность труда в промышленности», № 4, 2010, стр.43-49.
7. Баранов Е.Ф., Кочетов О.С.Расчет взрывозащитных устройств для объектов водного транспорта /Речной транспорт (CCI век). № 3, - 2010. С.66-71.
8. Кочетов О.С. Расчет конструкций взрывозащитных устройств. Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" Выпуск № 3 (49), 2013 г
9. Кочетов О.С., Новиков В.К., Баранов Е.Ф., Маслов И.В. Повышение взрывобезопасности на объектах водного транспорта// Речной транспорт (CCI век). № 2, - 2014. С. 40-43.
10.Кочетов О.С.Теоретические исследования развития взрыва в замкнутых и полузамкнутых объемах// Научные аспекты глобализационных процессов:сборник статей Международной научно-практической конференции (23 сентября 2014 г.,г.Уфа).-Уфа:РИО МЦИИ ОМЕГА САЙНС, 2014.-100с.С. 713.
11. Кочетов О.С. Методика стендовых испытаний взрывозащитных мембран// Техника и технологии: Пути инновационного развития [Текст]: Сборник научных трудов 4-ой Международной научно-практической конференции (30 июня 2014 г.)/ редкол.:Горохов А.А. (отв.Ред.);Юго-Зап.гос.ун-т.Курск, 2014.-271с., С. 166-173.
12. Кочетов О.С. Исследование эффективности взрывозащитных устройств// Современное общество, образование и наука: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 июня 2014 г.: в 9 частях. Часть 5. Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014. 164с. С. 78-80.
13. Кочетов О.С. Способ взрывозащиты производственных зданий// Современное общество, образование и наука: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 июня 2014 г.: в 9 частях. Часть 5. Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014. 164с. С. 80-82.
14. Кочетов О.С. Расчет взрывозащитных устройств // Science Time. - 2014. — № 10 (10)—C. 218-228.
15. Кочетов О.С., Ходакова Т.Д., Стареева М.О. Расчет параметров взрывозащитных устройств // Science Time. - 2015.—№ 2 (14). - C. 112-119.
