ГОСТ 12.1.004-91 => 4. зависимость фактора турбулизации от условий развития взрыва. Таблица 18. Эмпирические коэффициенты для расчета...

4. ЗАВИСИМОСТЬ ФАКТОРА ТУРБУЛИЗАЦИИ ОТ УСЛОВИЙ РАЗВИТИЯ ВЗРЫВА

 

4.1. Зависимость фактора турбулизации от условий развития горения может быть представлена формулой

(161)

в которой эмпирические коэффициенты a₁, a₂, a₃, a₄ определяют по табл. 18.

 

Таблица 18

 

Эмпирические коэффициенты для расчета фактора турбулизации*

 

Условия развития горения**	эмпирические коэффициенты
	a1	a2	a3	a4
Объем сосуда V до 10 м3; степень негерметичности F/V2/3 до 0,25	0,15	4	1	0
Объем сосуда V до 200 м3,:
начально открытые сбросные сечения	0	0	2	0
начально закрытые сбросные сечения	0	0	8	0
Объем сосуда V до 200м3, :
начально открытые сбросные сечения	0	0	0,8	1,2
начально закрытые сбросные сечения	0	0	2	6
Объем сосуда V до 10 м3; степень негерметичности F/V2/3 до 0,04; наличие сбросного трубопровода, :
без орошения истекающих газов	0	0	4	0
с орошением истекающих газов	0,15	4	1	0

_______

* Для отсутствующих в таблице условий развития горения, например для оборудования объемом более 200 м³, значение фактора турбулизации определяют экспериментально.

** Если в условиях развития горения значение какого-либо параметра не оговорено, то оно может быть любым в допустимом диапазоне.

 

4.2. Влияние объема аппарата

Для полых аппаратов объемом менее 1 м³ значение фактора турбулизации c =1¸2.

С ростом объема аппарата значение фактора турбулизации увеличивается и для полых аппаратов объемом около 10 м³ c=2,5¸5 в зависимости от степени негерметичности (отношение F/V^2/3) аппарата.

Для сосудов объемом до 200 м³ различной формы с незначительными встроенными внутрь элементами значение фактора турбулизации не превышает c=8.

4.3. Влияние формы аппарата

Для технологического оборудования с отношением длины к диаметру до 5:1 можно считать, что форма аппарата не влияет на значение фактора турбулизации, так как увеличение поверхности пламени из-за его вытягивания по форме аппарата компенсируется уменьшением поверхности в результате более раннего касания пламенем стенок сосуда.

4.4. Влияние начальной герметизации аппарата

Для полых аппаратов объемом до 200 м³ с начально открытыми сбросными сечениями, например люками, значение фактора турбулизации не превышает c=2, для аппаратов с начально закрытыми сбросными сечениями (мембраны, разгерметизаторы и т. д.) не превышает c=8.

4.5. Влияние степени негерметичности аппарата F/V^2/3

Увеличение степени негерметичности F/V^2/3 в 10 раз (от 0,025 до 0,25), что равнозначно увеличению площади разгерметизации в 10 раз для одного и того же аппарата, приводит к возрастанию фактора турбулизации в 2 раза (для аппаратов объемом около 10 м³ с c=2,5 до c=5).

4.6. Влияние максимально допустимого давления взрыва в аппарате (коррелирует с влиянием давления разгерметизации)

При увеличении относительного максимально допустимого давления взрыва внутри оборудования (прочности оборудования) в диапазоне 1<p_m£2 значение фактора турбулизации не изменяется. С ростом относительного максимально допустимого давления взрыва выше p_m>2 (до p_m=p_e) для начально открытых сбросных сечений значение фактора турбулизации снижается с 2 до 0,8, для начально закрытых - с 8 до 2. Этот результат согласуется с физическими представлениями о том, что при большем значении давления взрыва, которое выдерживает аппарат, меньше площадь сбросного сечения, а следовательно, фронт пламени подвергается меньшему возмущающему воздействию.

4.7. Влияние условий истечения

Если истечение горючей смеси и продуктов сгорания осуществляется через сбросный трубопровод, расположенный за разгерметизирующим элементом и имеющий диаметр, приблизительно равный диаметру сбросного отверстия, то значение фактора турбулизации вне зависимости от объема сосуда (до 15 м³) принимают c=4 (для сосудов со степенью негерметичности F/V^2/3 около 0,015¸0,035, когда оснащение сосудов сбросным трубопроводом оправдано по соображениям разумного соотношения характерных размеров сосуда и трубопровода) при условии p_m<2.

При оснащении системы разгерметизации оросителем или другим аналогичным устройством, установленным в трубопроводе непосредственно за разгерметизатором для подачи хладагента в истекающую из аппарата смесь, значение фактора турбулизации принимают таким же, как при истечении непосредственно из аппарата в атмосферу. Эффект интенсификации горения в сосуде при cбpoce газов через трубопровод исчезает при увеличении давления разгерметизации до 0,2 МПа при начальном давлении 0,1 МПа.

4.8. Влияние условий разгерметизации

“Мгновенное” вскрытие сбросного сечения повышает вероятность возникновения вибрационного горения внутри аппарата. Амплитуда в акустической волне вибрационного горения может достигать значений ±0,1 МПа. Перемешивание смеси, например вентилятором, в процессе развития взрыва приводит к уменьшению амплитуды колебаний давления.

Плавное вскрытие сбросного отверстия, например с помощью малоинерционных крышек, снижает значение фактора турбулизации. В тех случаях, когда время срабатывания разгерметизирующего устройства соизмеримо с временем горения смеси в сосуде, при определении безопасной площади разгерметизации необходимо учитывать динамику вскрытия сбросного отверстия.

4.9. Влияние препятствий и турбулизаторов

Вопрос о влиянии различных препятствий на пути распространения пламени и турбулентности в смеси перед фронтом пламени является одним из определяющих в выборе значения фактора турбулизации. Наиболее правильным методом определения значения фактора турбулизации при наличии внутри аппарата сложных препятствий и турбулизованной смеси можно считать метод, основанный на сравнении расчетной и экспериментальной динамики (зависимость давление - время) взрыва.

Ускорение пламени на специальных препятствиях достигает значений c»15 и более уже в сосудах объемом около 10 м³.

Для углеводородовоздушных смесей турбулентное распространение пламени с автономной генерацией турбулентности внутри зоны горения характеризуется максимальным значением фактора турбулизации c=3¸4.

При искусственно создаваемой изотропной турбулентности максимальное значение фактора турбулизации при точечном зажигании не превышает c=4¸6. Дальнейшее увеличение степени изотропной турбулентности приводит к гашению пламени.

Для сосудов со встроенными и подвижными элементами, влияние которых на значение фактора турбулизации не может быть в настоящее время оценено, например с использованием литературных данных или экспертным методом, выбор фактора турбулизации должен быть ограничен снизу значением c=8.

4.10. Коэффициент расхода m

Коэффициент расхода m является эмпирическим коэффициентом, учитывающим влияние реальных условий истечения на величину расхода газа, определенную по известным теоретическим модельным соотношениям.

Для предохранительных мембран и разгерметизирующих устройств с непосредственным сбросом продукта взрыва в атмосферу, как правило, m=0,6¸1. При наличии сбросных трубопроводов m=0,4¸1 (включая случай с подачей хладагента в трубопровод непосредственно за мембраной).

Значение коэффициента расхода возрастает в указанном диапазоне с увеличением скорости истечения и температуры истекающего газа, с ростом фактора турбулизации.

Произведение коэффициента расхода на площадь разгерметизации mF представляет собой эффективную площадь разгерметизации.

4.11. Аналог принципа Ле Шателье-Брауна

Согласно критериальному соотношению (158) относительное избыточное давление взрыва

~

Теоретические и экспериментальные исследования процесса сгорания газа в негерметичном сосуде позволили установить аналог принципа Ле Шателье-Брауна: газодинамика горения газа в негерметичном сосуде реагирует на внешнее изменение условий протекания процесса в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Так, увеличение с целью снизить давление взрыва площади разгерметизации F в 10 раз в сосуде объемом порядка 10 м³ сопровождается увеличением фактора турбулизации c в 2 раза. Физическое объяснение наблюдаемого явления достаточно простое: с увеличением площади разгерметизации возрастает возмущающее воздействие на фронт пламени.

Избыточное давление взрыва коррелирует согласно критериальному соотношению (162) с отношением (c/m)², а не просто c. Уменьшение размера ячейки турбулизирующей решетки, приводящее к возрастанию фактора турбулизации в 1,75 раза (с 8 до 14), сопровождается существенно меньшим увеличением отношения c/m - лишь в 1,11 раза. Сказанное необходимо учитывать при значениях фактора турбулизации c³5.

 

5.    ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

 

5.1. Нормальная скорость характеризует реакционную способность горючих газовых смесей при фронтальных режимах горения. Наиболее перспективным является экспериментально-расчетный метод оптимизации, позволяющий oпpедeлять нормальную скорость в бомбе постоянного объема в широком диапазоне температур и давлений. Метод изложен в ГОСТ 12.1.044.

Входящее в критериальные соотношения (158) и (159) в составе комплекса W значение нормальной скорости распространения пламени S_ui при давлении и температуре, соответствующих началу развития взрыва, может быть определено экспериментально на аттестованном оборудовании или взято из научно-технической литературы, прошедшей оценку достоверности приведенных в ней данных. Если данные о нормальной скорости при характерных для технологического процесса давлении Р и температуре Т отсутствуют, то в ограниченном диапазоне экстраполяции можно воспользоваться для оценки формулой

(163)

где S_uo - известное значение нормальной скорости при давлении Р₀ и температуре Т₀;

n и m- соответственно барический и температурный показатели.

В диапазоне давлений 0,04¸1,00 МПа и температур 293¸500 К для стехиометрических смесей метана, пропана, гексана, гептана, ацетона, изопропанола и бензола с воздухом значение барического показателя с ростом давления и температуры свежей смеси увеличивается и лежит в интервале - 0,5¸0,2, а значение температурного показателя уменьшается и находится в диапазоне 3,1¸0,6. При значениях давления и температуры, близких к атмосферным, значения барического и температурного показателя для горючих газопаровоздушных смесей могут быть приняты в первом приближении соответственно п = -0,5 и m = 2,0.

5.2. Термодинамические параметры Е_i, p_e, g_b определяют путем термодинамического расчета, например на компьютерах, по известным методикам.

Значение коэффициента расширения по определению

где T_bi и M_bi - соответственно температура и молекулярная масса продуктов сгорания горючей смеси при начальных давлении и температуре. Молекулярную массу смеси идеальных газов определяют по формуле

(164)

где M_j и n_j- соответственно молекулярная масса и молярная доля j-го компонента смеси.

Значения коэффициента расширения могут быть также определены из приближенного уравнения

(165)

В табл. 19 приведены рассчитанные на компьютере значения термодинамических параметров для некоторых стехиометрических газопаровых смесей в предположении, что продукты сгорания состоят из следующих 19 компонентов в газовой фазе: Н₂, Н₂O, CO₂, N_2, Аr, С, Н, О, N, CO, СН₄, HCN, O₂, O₃, ОН, NO, NO₂, NH₃, HNO₃. Стехиометрическую концентрацию горючего j_cт в воздухе средней влажности определяли по известной формуле

(166)

где b - стехиометрический коэффициент, равный количеству молекул кислорода, необходимых для сгорания молекулы горючего.

 

Таблица 19

 

Результаты расчета значений p_е, g_b, E_i, Т_bi и экспериментальные значения нормальной скорости S_u для некоторых стехиометрических газопаровых смесей при начальном давлении 0,1 МПа и температуре 298,15 К

 

Горючее	Формула	jст, % об.	pе	gb	Ei	Тbi	Si, м×с-1
Метан	СН4	9,355	8,71	1,25	7,44	2204	0,305
Пропан	C3H8	3,964	9,23	1,25	7,90	2245	0,32
н-Гексан	С6Н14	2,126	9,38	1,25	8,03	2252	0,29
н-Гептан	С7Н16	1,842	9,40	1,25	8,05	2253	0,295
Ацетон	C3H6O	4,907	9,28	1,25	7,96	2242	0,315
Изопропанол	C3H8O	4,386	9,34	1,24	8,00	2220	0,295
Бензол	C6H6	2,679	9,30	1,25	7,99	2321	0,36

 

Для многокомпонентных смесей и смесей, проведение расчетов по которым по тем или иным причинам вызывает трудности, определение максимального относительного давления взрыва p_е, а следовательно, и коэффициента расширения E_i по формуле (165) проводят по соответствующей методике ГОСТ 12.1.044.