Расчет параметров взрывозащитных устройств Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ

Кочетов Олег Савельевич, Московский государственный университет приборостроения и информатики,

Ходакова Татьяна Дмитриевна, Московская финансовая Юридическая академия,

Стареева Мария Олеговна, Российская государственная библиотека, г. Москва

E-mail: o_kochetov@mail.ru

Аннотация. В работе рассмотрена методика расчета взрывных нагрузок на Q технологическое оборудование, здания и сооружения при воздействии внешних и внутренних аварийных, взрывоопасных факторов. Приводятся конструкции разработанных средств для обеспечения взрывопожаробезопасной работы оборудования в технологических цепочках современного производства. Исследованы параметры предложенных конструкций взрывозащитного устройства.

Ключевые слова: взрывные нагрузки, технологическое оборудование, здания и сооружения, взрывозащитное устройство, сбросное отверстие, скорость распространения пламени.

Физические аспекты развития взрывной аварии и математические модели, адекватно описывающие динамику формирования взрывной нагрузки, рассмотрены в работах [1-5]. Аварийные взрывы внутри зданий и помещений характеризуются не детонационным, а дефлаграционным типом взрывного превращения (рис.1). 11

11 2

а

Рис. 1 Зависимости скорости нормального горения от концентрации

горючего в смеси

Максимальное значение скорости нормального горения ин наблюдается при определенном процентном содержании горючего газа в смеси, а скорость распространения пламени существенно меньше скорости звука, при дефлаграционном взрыве реализуется принцип квазистатичности избыточного давления, который заключается в независимости взрывной нагрузки от пространственной координаты.

При расчете требуемой площади проходного сечения 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 [4,5]

G = Fur(e - 1), (1)

где F - поверхность фронта пламени; u - нормальная скорость распространения фронта пламени; r - плотность удаляемого газа; e - степень расширения газов при сгорании.

Величины F, r и e в процессе сгорания и изменения давления также изменяются, но зададимся значением этих величин для наиболее опасного случая, отмечая эти ве-личины индексом m,

Gm = Fmurm(em- 1). (2)

Предельное значение плотности газа можно выразить формулой:

rm = r0(Pm/Po)1'8, (3) 11

11 3

где Р - абсолютное значение давления в защищаемом объеме; g =CP/CV -показатель адиабаты; CP и CV - средние теплоемкости газов соответственно при постоянном давлении и постоянном объеме; индекс «о» обозначает начальные значения параметров.

При определении rm принято, что через сбросное отверстие истекает холодный горючий газ, а не продукты сгорания. Площадь сбросного отверстия должна быть рассчитана таким образом, чтобы при самых неблагоприятных условиях давление в защищаемом объеме не превысило наперед заданной величины Pm.

Степень расширения газов при сгорании изменяется в зависимости от их температуры. При адиабатическом сжатии горючего газа в процессе развития взрыва величину em можно выразить в зависимости от давления в соответствии с уравнением:

em = 1 + (e,,-1)(Pm /Fo)(1"g)/g (4)

Для эффективной взрывозащиты любого объекта, обусловленной сбросом давления взрыва, необходимо, чтобы предохранительное устройство могло обеспечить расход газов не менее

Gm = Fmur„(e0 - 1)(Pm /Fo)(2"g)/g. (5)

Из газодинамики известно, что массовый расход газа под давлением Pm через отверстие может быть выражен следующим образом:

- при докритическом режиме истечения, когда b > (2/(g +1)g/(g-1).

Gm = aSPm

2M У (j32ly _p(y+x)/y^

RT y-1

(6)

- при надкритическом режиме, когда b £ (2/(g +1)

g/(g-1))

G

m

aSPm

( 2 ^(/+1)/(/-1)

RT] \У +1J

(7)

где a - коэффициент истечения сбросного отверстия; S - площадь проходного сечения сбросного отверстия; b = P0/Pm - максимальный относительный перепад давлений на сбросном отверстии; P0 - абсолютное 11

11 4

а

давление в пространстве, в которое происходит истечение газов (если сброс газов осуществляется в атмосферу, то P0=O,1 МПа); М - молекулярная масса газа; Т - абсолютная температура сбрасываемого газа; R - универсальная газовая постоянная.

Величина Pm, 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 расхода Gm.

Сопоставляя правые части формул (5), (6) и (7), можно получить соотношения для площади проходного сечения устройств сброса давления взрыва:

- для случая докритических режимов истечения, когда b > (2/(g +1)g/(g-1)

о

S >

Fmupp (sp - l\Pm /P„ Y~r)/r

f Л f

(2M у \ R2 y _ #о+1)// )

aPm\ 1RT у-1}

(8)

Q

- для случая надкритических режимов истечения, когда b £ (2/(g +1)

g/(g-i))

S >

F„uPq (е„ - 1XP, / Pp )'2~7>'7

аРтЛ [М ( 2 Г1”^

КГ+1j

(9)

где Fm - максимальная поверхность фронта пламени Fm = cF„m ;

F m - максимальная поверхность пламени, найденная геометрически в предположении, в первом приближении, что от точки поджога пламя распространяется во все стороны с одинаковой скоростью и поэтому имеет сферическую форму; c - коэффициент искривления фронта пламени.

Для сосудов цилиндрической формы с отношением длины к диаметру больше единицы величина Fm равна поверхности сферы, вписанной в цилиндрическую часть сосуда.

Производственные помещения чаще всего имеют форму прямоугольного параллелепипеда. Если размеры такого помещения обозначить А, В и С, причем А£В£С, то в случае инициирования горения в геометрическом центре объема максимальную поверхность фронта пламени можно выразить [3] 11

11 5

а

I о

Щ SCIENCE TIME 1

F0m = 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

T = To(Pm /Ро)(8-11'8.

Степень расширения газов e 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 давления при взрыве в замкнутом объеме

n=1+g(e-1),

так как она входит в перечень так называемых стандартных параметров пожаровзрывоопасности веществ, определяется экспериментально и содержится в справочной литературе [1]. С учетом того, что связь между n и е0 устанавливается зависимостью

ео - 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 >

хКи(у - О

ау

Гр \

т

р

\Г0 у

3 ( г-1

2 ^ у

1

2RT0

M

(

7

{у-^

V 2

/+1 ^

Рг-Р

(11)

11 6

а

для надкритического режима истечения

%Fy (v-1)

S >

ay

(P ) Гг J rRT0 ( 2 ^

v P у i M + 1У

(12)

Полученные расчетные формулы можно использовать как в расчете взрывных клапанов и мембран для взрывозащиты технологического оборудования, так и в расчете легкосбрасываемой кровли и вышибных проемов для взрывозащиты зданий.

Причем, в оборудовании могут реализоваться оба режима истечения газов в зависимости от его прочности (давление Рт) и места сброса газов (давление P0), а при взрывозащите зданий практически всегда допустим только докритический режим истечения, и поэтому для зданий следует пользоваться формулой (11).

На ПЭВМ в компьютерной среде «Excel» были установлены зависимости для определения диаметра сбросного отверстия взрывного клапана для защиты цилиндрического сосуда диаметром D =1,8 м и высотой Н = 4 м от взрыва паров ацетона, а также выявлена закономерность изменения диаметра сбросного отверстия от скорости распространения пламени.

Зависимость диаметра сбросного отверстия от диаметра сосуда y = 0,2313x - 0,0009

5 5

к °,7 ' S н

о ш

О 0,5 о |_

I 0,4 - о о

ю 0,3 о S- 02 -

й 0,2 5

а0,1 ■ 0 -

0, 5 1, Диам 52 етр сосу 2, гда, м 5 3

Рис. 2 Зависимость диаметра сбросного отверстия от диаметра защищаемого сосуда 11

11 7

а

При анализе полученных результатов были выявлены следующие закономерности: а) зависимость диаметра сбросного отверстия от диаметра защищаемого сосуда d = 0,2313D-0,0009,

б) зависимость изменения диаметра сбросного отверстия от скорости распространения пламени d = 0,636u0,5017 .

Литература:

1. Комаров А.А. Прогнозирование нагрузок от аварийных дефлаграционных взрывов и оценка их воздействия на здания и сооружения. МГСУ, 2001 г.

2. Кочетов О.С. Методика расчета требуемой площади сбросного отверстия взрывозащитного устройства. Журнал «Пожаровзрывобезопасность», № 6, 2009, стр.41-47.

3. Кочетов О.С. Расчет взрывозащитных устройств. Журнал «Безопасность труда в промышленности», № 4, 2010, стр.43-49.

4. Баранов Е.Ф., Кочетов О.С. Расчет взрывозащитных устройств для объектов водного транспорта // Речной транспорт (CCI век). № 3, - 2010. С.66-71.

° 5. Кочетов О.С. Расчет конструкций взрывозащитных устройств. Интернет -журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb). Выпуск № 3 (49), 2013 г.

6. Кочетов О.С., Стареева М.О. Противовзрывная панель //Патент РФ на изобретение № 2458212.Опубликовано 10.08.2012.Бюллетень изобретений №22.

7. Сошенко М.В., Шмырев В.И., Стареева М.О., Кочетов О.С. Устройство для защиты зданий и сооружений с помощью разрушающихся элементов конструкций // Патент РФ на изобретение № 2458213. Опубликовано 10.08.2012. Бюллетень изобретений № 22.

8. Кочетов О.С., Стареева М.О. Способ подбора размера отверстия для легкосбрасываемого элемента конструкции и его массы, предназначенного для защиты зданий и сооружений от взрывов // Патент РФ на изобретение № 2459050. Опубликовано 20.08.2012.Бюллетень изобретений № 23.

9. Сошенко М.В., Шмырев В.И., Стареева М.О., Кочетов О.С. Способ взрывозащиты производственных зданий // Патент РФ на изобретение № 2471936. Опубликовано 10.01.2013. Бюллетень изобретений № 1.

10. Кочетов О.С., Стареева М.О., Стареева М.М. Взрывозащитный клапан для технологического оборудования // Патент РФ на изобретение № 2495313. Опубликовано 10.10.2013. Бюллетень изобретений № 28.

11. Кочетов О.С. Способ определения эффективности взрывозащиты и устройство для его осуществления // Патент РФ на изобретение № 2488074. Опубликовано 20.07.13. Бюллетень изобретений № 20. 11

11 8

а