ГОСТ Р 12.3.047-98 => Т.5 определение нормальной скорости распространения пламени и термодинамических параметров. Т.6 формулы для расчета...

Т.5 Определение нормальной скорости распространения пламени и термодинамических параметров

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

Входящая в критериальные соотношения (Т.1) и (Т.2) в составе комплекса W нормальная скорость распространения пламени при давлении и температуре, соответствующих началу развития процесса горения, может быть определена экспериментально или взята из научно-технической литературы, прошедшей оценку достоверности приведенных в ней данных. Если данные по нормальной скорости при характерных для технологического процесса давления р и температуре Т отсутствуют, то в ограниченном диапазоне экстраполяции можно воспользоваться для оценки формулой

, (Т6)

где - известное значение нормальной скорости при давлении р₀ и температуре Т₀;

п и т - соответственно барический и температурный показатели.

В диапазоне давлений от 0,04 до 1,00 МПа и температур от 293 до 500 К для стехиометрических смесей метана, пропана, гексана, гептана, ацетона, изопропанола и бензола с воздухом барический показатель с ростом давления и температуры свежей смеси увеличивается и находится в диапазоне от 3,1 до 0,6. При значениях давления и температуры, близких к атмосферным, барический и температурный показатели для горючих паровоздушных смесей могут быть приняты в первом приближении соответственно равными п = -0,5 и т = 2,0.

Т.5.2 Термодинамические параметры Е_i, p_e, g_b определяют термодинамическим расчетом, например на компьютерах по известным методикам.

Коэффициент расширения Е_i равен по определению

,

где и - соответственно температура и молекулярная масса продуктов сгорания горючей смеси.

Молекулярную массу смеси идеальных газов М, кг/моль, определяют по формуле

, (Т.7)

где М_j и n_j - соответственно молекулярная масса и мольная доля j-го компонента смеси.

Коэффициент расширения может быть также определен из приближенного уравнения

. (Т.8)

 

Таблица Т.2 - Результаты расчета значений p_e, g_b, Е_i, и S_u для некоторых стехиометрических газопаровых смесей при начальном давлении 0,1 МПа и температуре 298,15 К

 

Горючее	Формула	jст, % об.	pe	gb	Еi		Sи, м/с
Метан	СН4	9,355	8,71	1,25	7,44	2204	0,305
Пропан	С3Н8	3,964	9,23	1,25	7,90	2245	0,320
н-Гексан	С6Н14	2,126	9,38	1,25	8,03	2252	0,290
н-Гептан	C7H16	1,842	9,40	1,25	8,05	2253	0,295
Ацетон	С3Н6О	4,907	9,28	1,25	7,96	2242	0,315
Изопропанол	С3Н8О	4,386	9,34	1,24	8,00	2220	0,295
Бензол	С6Н6	2,679	9,30	1,25	7,99	2321	0,360

 

В таблице Т.2 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, Н₂О, СО₂, N₂, Ar, С, Н, О, N, CO, CH₄, HCN, О₂, О₃, ОН, NO, NO₂, NН₃, HNO₃. Стехиометрическая концентрация горючего j_ст в воздухе средней влажности определялась по известной формуле

, (Т.9)

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

Для многокомпонентных смесей и смесей, проведение расчетов по которым по тем или иным причинам вызывает трудности, определение максимального относительного давления p_e, а следовательно, и коэффициента расширения Е_i по формуле (Т.8) проводят по соответствующей методике ГОСТ 12.1.044.

 

Т.6 Формулы для расчета безопасной площади разгерметизации оборудования и помещений, в которых обращается горючая пыль

Т.6.1 Расчет безопасной площади разгерметизации низкопрочных замкнутых оболочек, не выдерживающих избыточное давление свыше 10 кПа, производится по формуле

, (Т.10)

где F - безопасная площадь разгерметизации (суммарная площадь легкосбрасываемых покрытий), м²;

С - константа, определяемая по таблице Т.3;

F_s - площадь внутренней поверхности замкнутой оболочки, м²;

Р_{max и} - максимально допустимое избыточное давление взрыва пыли в защищаемом объеме при наличии истечения через сбросные отверстия, кПа.

Уровень взрывопожароопасности пыли зависит от индекса взрывопожароопасности K_st и определяется по таблице Т.4.

 

Таблица Т.3

 

Уровень взрывопожароопасности пыли	С, кПа0,5
1 2 3	0,26 0,30 0,51

 

Таблица Т.4

 

Диапазон значений индекса взрывопожароопасности пыли, МПа · м/с	Уровень взрывопожароопасности пыли
0 < Кst £ 20 20 < Кst £ 30 30 < Кst	1 2 3

 

Удельная масса легкосбрасываемого покрытия, как правило, не должна превышать 4,0 кг/м².

Т.6.2 Расчет безопасной площади разгерметизации высокопрочных замкнутых оболочек, находящихся под давлением, близким к атмосферному, выдерживающих избыточное давление свыше 10 кПа, производится по формуле

,

где a = 0,000571 exp (0,0197 P_s,u);

b = 0,978 exp (-0,001037 P_s,u);

с = -0,687 exp (0,00223 P_s,u);

К_st - индекс взрывопожароопасности пыли, МПа · м/с;

P_s,u - избыточное давление вскрытия сбросного сечения, кПа;

V - объем защищаемой емкости, м³.

Область применения расчета по формуле (Т.11)

L / D < 5;

1 < V < 1000;

10 < Р_{max и} < 200;

5 < К_st < 60;

P_s,u > 5;

Р_{max и} - P_s,u > 5

95 < Р_i < 120,

где L, D - соответственно линейный и поперечный размеры оболочки, м;

P_i - абсолютное начальное давление горючей смеси в аппарате, при котором происходит инициирование горения, кПа.

Удельная масса запорного элемента, как правило, не должна превосходить 12,0 кг/м².

При необходимости установки сбросных каналов их диаметр должен быть не менее диаметра сбросного отверстия при минимальной длине и количестве изгибов. Установка сбросного канала приводит к существенному росту требуемой величины Р_{max и}.

Т.7 Формулы для расчета безопасной площади разгерметизации оборудования и помещений, в которых обращаются гибридные смеси

Для гибридной взрывоопасной смеси (горючего газа с горючей пылью) расчет ведут по более опасной компоненте (обычно газу).

Пример

Данные для расчета

Технологический аппарат объемом 12 м³ рассчитан на максимальное избыточное давление 0,2 МПа (абсолютное давление 0,3 МПа) и предназначен для работы при атмосферном давлении с содержащей ацетон реакционной массой. Аппарат имеет рубашку обогрева (80 °С). Необходимо определить безопасную площадь разгерметизации. Нормальная скорость распространения пламени наиболее опасной стехиометрической ацетоно-воздушной смеси при атмосферном давлении и температуре (298 К) составляет 0,32 м/с. Следовательно, при температуре в аппарате 80 °С (353 К) максимальная нормальная скорость распространения пламени в соответствии с (Т.6)

S_u = 0,32 (353/298)² м · c^-l » 0,45 м/с.

Для стехиометрической ацетоно-воздушной смеси p_e = 9,28; Е_i = 7,96; М_i = 58 · 0,05 + 28 · 0,95 = 29,5 кг/моль. Так как p_m = 0,3/0,1 = 3 превышает значение 2, то для вычисления безопасной площади разгерметизации воспользуемся критериальным соотношением (Т.2). Выражение для комплекса подобия W в соответствии с (Т.3) и определенными значениями и М_i может быть записано в виде

,

где F - площадь разгерметизации, м².

Следовательно, критериальное соотношение (Т.2) относительно F можно записать в виде

м²_.

С увеличением степени негерметичности сосуда объемом около 10 м³ F/V^0,667 от 0,025 до 0,25 значение фактора турбулентности возрастает от 2,5 до 5. Предположим, что c = 2,5 при m = 1. При этом минимальная площадь разгерметизации F = 0,175 м², а значит F/V^0,667 = 0,03. Последнее подтверждает, что значение фактора турбулентности выбрано правильно. Действительно, если бы мы предположили, что c = 5, то получили бы слишком низкое для такой степени турбулентности значение F/V^0,667 = 0,06 (вместо 0,25). Итак, безопасная площадь разгерметизации составляет в данном случае 0,175 м², что равнозначно сбросному отверстию диаметром 0,47 м.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ У

(рекомендуемое)

 

ТРЕБОВАНИЯ К ПРОТИВОПОЖАРНЫМ ПРЕГРАДАМ

 

У.1 К противопожарным преградам относят противопожарные стены, перегородки, перекрытия, зоны, тамбуры-шлюзы, двери, окна, люки, клапаны.

Область применения противопожарных преград установлена в СНиП 2.01.02 части 2 [1].

У.2 Типы противопожарных преград и их минимальные пределы огнестойкости следует принимать по таблице У.1. Противопожарные стены, перегородки, перекрытия, конструкции противопожарных зон и тамбуров-шлюзов, а также заполнение световых проемов в противопожарных преградах должны выполняться из негорючих материалов.

Таблица У.1

 

Противопожарные преграды	Тип противопожарных преград или их элементов	Минимальный предел огнестойкости противопожарных преград или их элементов, ч
Противопожарные стены	1 2	2,50 0,75
Противопожарные перегородки	1 2	0,75 0,25
Противопожарные перекрытия	1 2 3	2,50 1,00 0,75
Противопожарные двери и окна	1 2 3	1,20 0,60 0,25
Противопожарные ворота, люки, клапаны	1 2	1,20 0,60
Тамбуры-шлюзы Элементы тамбуров-шлюзов:
противопожарные перегородки противопожарные перекрытия противопожарные двери	1 3 2	0,75 0,75 0,60
Противопожарные зоны (см. 3.13) Элементы противопожарных зон:	1	-
противопожарные стены, отделяющие зону от помещений пожарных отсеков	2	0,75
противопожарные перегородки внутри зоны	2	0,25
колонны	-	2,50
противопожарные перекрытия	3	0,75
элементы покрытия	-	0,75
наружные стены	-	0,75

 

Допускается в противопожарных дверях и люках первого и второго типов применять древесину, защищенную со всех сторон негорючими материалами толщиной не менее 4 мм или подвергнутую глубокой пропитке антипиренами или другой огнезащитной обработке, обеспечивающей ее соответствие требованиям, предъявляемым к трудногорючим материалам.

Допускается в качестве противопожарных применять перегородки из гипсокартонных листов с каркасом из негорючих материалов, с пределом огнестойкости не менее 1,25 ч для перегородок первого типа и 0,75 ч - для перегородок второго типа. Узлы сопряжения этих перегородок с другими конструкциями должны иметь предел огнестойкости не менее 1,25 и 0,75 ч соответственно.

У.3 Предел огнестойкости противопожарных дверей и ворот следует определять по ГОСТ 30247.2, а противопожарных окон, люков и клапанов по ГОСТ 30247.0 и ГОСТ 30247.1. При этом предельные состояния по огнестойкости для окон характеризуются только обрушением и потерей плотности, а для противопожарных дверей лифтовых шахт - только теплоизолирующей способностью и потерей плотности дверного полотна.

У.4 В противопожарных стенах первого и второго типов следует предусматривать противопожарные двери, ворота, окна и клапаны соответственно первого и второго типов.

В противопожарных перегородках первого типа следует предусматривать противопожарные двери, ворота, окна и клапаны второго типа, а в противопожарных перегородках второго типа - противопожарные двери и окна третьего типа.

В противопожарных перекрытиях первого типа следует применять противопожарные люки и клапаны первого типа, а в противопожарных перекрытиях второго и третьего типов - противопожарные люки и клапаны второго типа.

У.5 Противопожарные стены должны опираться на фундаменты или фундаментные балки, возводиться на всю высоту здания, пересекать все конструкции и этажи.

Противопожарные стены допускается устанавливать непосредственно на конструкции каркаса здания или сооружения, выполненные из негорючих материалов. При этом предел огнестойкости каркаса вместе с его заполнением и узлами креплений должен быть не менее требуемого предела огнестойкости соответствующего типа противопожарной стены.

У.6 Противопожарные стены должны возвышаться над кровлей: не менее чем на 60 см, если хотя бы один из элементов чердачного или бесчердачного покрытия, за исключением кровли, выполнен из горючих материалов; не менее чем на 30 см, если элементы чердачного или бесчердачного покрытия, за исключением кровли, выполнены из трудногорючих материалов.

Противопожарные стены могут не возвышаться над кровлей, если все элементы чердачного или бесчердачного покрытия, за исключением кровли, выполнены из негорючих материалов.

У.7 Противопожарные стены в зданиях с наружными стенами, выполненными с применением горючих или трудногорючих материалов, должны пересекать эти стены и выступать за наружную плоскость стены не менее чем на 30 см.

При устройстве наружных стен из негорючих материалов с ленточным остеклением противопожарные стены должны разделять остекление. При этом допускается, чтобы противопожарная стена не выступала за наружную плоскость стены.

У.8 При разделении здания на пожарные отсеки противопожарной должна быть стена более высокого и более широкого отсека. Допускается в наружной части противопожарной стены размещать окна, двери и ворота с ненормируемыми пределами огнестойкости на расстоянии над кровлей примыкающего отсека не менее 8 м по вертикали и не менее 4 м от стен по горизонтали.

У.9 В противопожарных стенах допускается устраивать вентиляционные и дымовые каналы так, чтобы в местах их размещения предел огнестойкости противопожарной стены с каждой стороны канала был не менее 2,5 ч.

У.10 Противопожарные перегородки в помещениях с подвесными потолками должны разделять пространство над ними.

У.11 При размещении противопожарных стен или противопожарных перегородок в местах примыкания одной части здания к другой под углом необходимо, чтобы расстояние по горизонтали между ближайшими гранями проемов, расположенных в наружных стенах, было не менее 4 м, а участки стен, карнизов и свесов крыш, примыкающие к противопожарной стене или перегородке под углом, на длине не менее 4 м были выполнены из негорючих материалов. При расстоянии между указанными проемами менее 4 м они должны быть заполнены противопожарными дверями или окнами второго типа.

У.12 Противопожарные перекрытия должны примыкать к наружным стенам, выполненным из негорючих материалов, без зазоров. Противопожарные перекрытия в зданиях с наружными стенами, распространяющими огонь, или с остеклением, расположенным в уровне перекрытия, должны пересекать эти стены и остекление.

У.13 Допускается в случаях, предусмотренных в СНиП 2.01.02 части 2 [1], для разделения здания на пожарные отсеки вместо противопожарных стен предусматривать противопожарные зоны первого типа.

Противопожарная зона первого типа выполняется в виде вставки, разделяющей здание по всей ширине (длине) и высоте. Вставка представляет собой часть здания, образованную противопожарными стенами второго типа, которые отделяют вставку от пожарных отсеков. Ширина зоны должна быть не менее 12 м.

У.14 В помещениях, расположенных в пределах противопожарной зоны, не допускается применять или хранить горючие газы, жидкости и материалы, а также предусматривать процессы, связанные с образованием горючих пылей.

Допускается в покрытии противопожарной зоны применять утеплитель из трудногорючих материалов и кровлю из горючих материалов с учетом требований У.6.

В противопожарных стенах зоны допускается устройство проемов при условии их заполнения в соответствии с У.17.

У.15 Конструктивные решения противопожарных зон в сооружениях следует принимать по СНиП 2.09.03 [2].

У.16 Противопожарные стены и зоны должны сохранять свои функции при одностороннем обрушении примыкающих к ним конструкций.

У.17 В противопожарных преградах допускается предусматривать проемы при условии их заполнения противопожарными дверями, окнами, воротами, люками и клапанами или при устройстве в них тамбуров-шлюзов. Общая площадь проемов в противопожарных преградах, за исключением ограждений лифтовых шахт, не должна превышать 25 % их площади. Противопожарные двери и ворота в противопожарных преградах должны иметь уплотнения в притворах и приспособления для самозакрывания. Противопожарные окна должны быть неоткрывающимися.

У.18 Двери тамбуров-шлюзов со стороны помещений, в которых не применяют и не хранят горючие газы, жидкости и материалы, а также отсутствуют процессы, связанные с образованием горючих пылей, допускается выполнять из горючих материалов толщиной не менее 4 см и без пустот. В тамбурах-шлюзах следует предусматривать подпор воздуха в соответствии со СНиП 2.04.05 [3].

У.19 Противопожарные стены, зоны, а также противопожарные перекрытия первого типа не допускается пересекать каналами, шахтами и трубопроводами для транспортирования горючих газо- и пылевоздушных смесей, горючих жидкостей, веществ и материалов.

У.20 В местах пересечения противопожарных стен, противопожарных зон, а также противопожарных перекрытии первого типа каналами, шахтами и трубопроводами (за исключением трубопроводов водоснабжения, канализации, парового и водяного отопления) для транспортирования сред, отличных от указанных в У.19, следует предусматривать автоматические устройства, предотвращающие распространение продуктов горения по каналам, шахтам и трубопроводам при пожаре.

У.21 Ограждающие конструкции лифтовых шахт, помещения машинных отделений лифтов, каналов, шахт и ниш для прокладки коммуникаций должны соответствовать требованиям, предъявляемым к противопожарным перегородкам первого типа и перекрытиям третьего типа.

При невозможности устройства в ограждениях лифтовых шахт противопожарных дверей следует предусматривать тамбуры или холлы с противопожарными перегородками первого типа и перекрытиями третьего типа.