Взрывы газопаровоздушных и пылевоздушных смесей

Взрывы ГПВС и ПВС образуют класс объёмных взрывов. Взрывы ГПВС могут происходить как в помещениях, так и в открытом (неограниченном) пространстве. Взрывы ПВС происходят в замкнутых объёмах (помещениях). Подобные взрывы происходят от искры, если размер облака смеси превышает некоторое критическое значение (минимальный диаметр смеси облака способного детонировать), а энергия искры превышает некоторое пороговое значение. Облако ГПВС в расчётах принимают за полусферу радиуса R_o c центром на поверхности грунта. При взрыве ГПВС в открытом пространстве выделяют 2 зоны: зону действия детонационной волны в пределах всего облака (зона 1, см. рис.6.4); зону действия ВУВ за пределами облака (зона 2). В пределах облака ГПВС (в зоне 1) избыточное давление детонационной волны постоянно и будет определяться конкретной величиной для исходного горючего материала, т.е. теплотой взрыва горючего. Давление на фронте детонационной волны может достигать 2 МПа, а вследствие многократных отражений в помещениях - доходить до 10 МПа.

Для расчёта поражающего действия взрыва определяют параметры детонационной волны и ВУВ.

Рис.6.4. Схема взрыва ГПВС и изменения давления.

Взрывы ГПВС (ПВС) в замкнутых объёмах (помещениях) происходят по дефлаграционному механизму (взрывного, возмущенного горения). При точечном зажигании горение в замкнутых объектах идёт послойно с дозвуковой скоростью распространения пламени при повышении температуры до 3000^оС и давления во всём объеме, поскольку границы помещения не дают возможности расширяться продуктам горения. Поэтому давление нарастает в объеме до максимального значения постепенно. Переход к детонации возможен в протяжённых помещениях за счёт турбулизации смеси (пыли) (например, в штольнях шахт, конвейерных линиях зернохранилищ и т.п.).

При взрывах гибридных смесей, содержащих газы или пары и пыли, давление определяется суммой давления - для газа (пара) и - для пыли (аэрозоля), т.е.

Расчёт основных параметров поражающих факторов взрывов (упрощенные зависимости).

1. Взрывы конденсированных ВВ и ЯВ

Массу заряда и мощность взрыва ВВ (ЯВ) принято оценивать тротиловым эквивалентом в килограммах, кг, или килотоннах, кт (1 кт=1000 кг).

Масса заряда ВВ (ЯВ) в тротиловом эквиваленте равна , где - масса заряда данного ВВ, кг (кт); - коэффициент пересчёта данного ВВ на тротиловый эквивалент, величина табличная или определяется зависимостью К= Q_ВВ/Q_T . Здесь Q_ВВ и Q_T – теплоты взрыва данного ВВ и тротила (Q_T = 4240 кДж/кг).

Мощность взрыва ВВ (ЯВ) в тротиловом эквиваленте (полный тротиловый эквивалент взрыва) определяется зависимостью

* Для воздушного взрыва масса заряда и мощность взрыва численно совпадают.

(1)

где: - поправочный коэффициент для наземного взрыва. Мощность наземного взрыва удваивается за счёт формирования полусферической волны и отражения части энергии от земли, а учитывает расход энергии взрыва на деформацию и выброс грунта (образование воронки) и равна для: 0,95-1 – стальных плит; 0.85-0.95 - бетона; 0.8 – плотных грунтов; 0.6-0.65 – средних грунтов.

Параметры ударной волны и теплового излучения (в 4.1) взрывов определяются половинной мощностью взрыва (половиной тротилового эквивалента взрыва), называемым тротиловым эквивалентом по ударной волне - , т.е.:

(2)

Избыточное давление DР_Ф, кПа, для свободно распространяющейся сферической ударной волны определяется по формуле:

(3)

где - приведённое расстояние (высота), м/кг^1/3 и равное

- для воздушного,	(4)
- для наземного взрывов.	(5)

R – расстояние от эпицентра (центра) взрыва до заданного объекта, м.

 

Удельный импульс волны фазы сжатия

		- для воздушного	(6)
- для наземного взрывов

Длительность фазы сжатия , С

;		- для воздушного	(7)
- для наземного взрывов

Скоростной напор волны

Избыточное давление в отраженной волне

Коэффициент отражения (до 13 при больших давлениях и для протяжённых объектов).

Безопасное расстояние действия ВУВ на людей:

, где - для открытой местности и - в укрытиях;

C_УВ, кг - тротиловый эквивалент по ударной волне воздушного или наземного взрыва (см. формулу 2).

Безопасным для открыто расположенного человека принимается давление .

Действие волны на объекты с учетом различных экранирующих и отражающих объектов

где k_i - табличные коэффициенты (только на здания и различные сооружения). При макс. их значениях

.

Взрывы подчиняются законам подобия, в основе которых лежит принцип кубического корня. Если известны и др. параметры ВУВ для заряда массой С₁ на расстоянии R₁, тогда те же давление и др. параметры волны для заряда массой будут на расстоянии , т.е.

.

 

2. Взрывы (детонация) ГПВС в открытом пространстве

а) Параметры детонационной волны

Начальный объем и начальный радиус полусферического облака ГПВС

[††], м³ ,

где - объем киломоля идеального газа;

- объемная концентрация газа в смеси;

- молекулярная масса;

- масса горючей компоненты, кг;

- коэффициент, учитывающий способ хранения продукта:

1-для газов при нормальном давлении;

0,5-для сжиженных газов под давлением;

0,1-для сжиженных охлаждением;

0,02...0,07-при растекании ЛВЖ.

 

, м

 

Тротиловый эквивалент наземного взрыва полусферического облака ГПВС

где - масса горючего облака, кг; - теплота взрыва горючего, Дж/кг; -теплота взрыва тротила.

Избыточное (эффективное) давление детонационной волны

,

где - показатель адиабаты продуктов детонации; - плотность, кг/м³;

[‡‡]-стандартное давление, Па. - отраженная детонационная волна.

- скорость детонационной волны, м/с;

– время полной детонации облака.

 

б) Параметры воздушной ударной волны

Максимальное избыточное давление ВУВ

; ,

где и R -текущее расстояние, м.

Удельный импульс, ПаžС ;

Уточнённый радиус зоны действия детонационной волны[§§]

, где - полный тротиловый эквивалент взрыва.

3. Взрывы ГПВС (пылевоздушных смесей) в замкнутом объеме (помещениях)

Избыточное давление при взрыве ГПВС, состоящих из атомов C, H, O, N, Cl, Br, I, F.

где P_max – максимальное давление взрыва стехиометрической ГПВС в замкнутом объёме (при отсутствии данных допускается принимать в расчётах P_max=900 кПа);

C - масса горючего материала (газа, паров ЛВЖ или ГЖ), кг;

Z - коэффициент участия горючего во взрыве (Z=0,5 для ГГ; Z=0,3 - для ЛВЖ и ГЖ);

V –свободный объём помещения, м³(V_св=0.8*V₀, здесь V₀ – полный объём помещения);

ρ_Г,Пстх – плотность газа или пара стехиометр. состава, кг/м³;

С_стх – стехиометрическая концентрация горючего материала, %(объёма);

К_н – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения(допускается принимать К_н=3);

Объём газа, вышедшего из аппарата V_а=0.01∙Р∙V, м³, где Р – давление в аппарате, кПа;

V – объём аппарата, м³.

Масса горючего материала С=V_а∙r_Г,_Пстх, кг.

Избыточное давление при взрыве других ГПВС и пылей (для пыли в МПа),

где С - масса горючего вещества, поступившего в помещение в результате аварийного вскрытия емкости (с учетом коэффициента q, а для пыли - общая масса дисперсного продукта), кг; - теплота сгорания вещества, Дж/кг; - начальные давление, температура и плотность воздуха в помещении (если они не заданы, то допускается брать как для МСА); - удельная теплоемкость воздуха (допускается принимать ); - свободный объем помещения (за вычетом объема оборудования); Z=0,5 - доля участия продукта во взрыве с учетом негерметичности помещения; K_н=2...3 - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения.

При взрывах гибридных смесей , т.е. общее давление определяется как сумма давлений от паров и пыли.

Если в формуле массу горючего вещества заменить через , тогда .

 

4. Тепловое действие взрывов

А. Взрывы конденсированных ВВ, ГПВС и ЯВ

Радиус огненного шара и время его существования R_ош , км и t_ош , с, определяются зависимостями

R_ош=0.052С^0.4 (4.1) и (4.2) ,

где С – половина полного тротилового эквивалента воздушного или наземного взрывов, т.е.

а С_Т в формуле (4.2) – полный тротиловый эквивалент воздушного или наземного взрыва (мощность взрыва).

Тротиловые эквиваленты воздушного или наземного взрывов выражаются в килотоннах, а радиус - в км.

Примечание. Для взрывов ГПВС радиус огненного шара R_ош принимается равным уточненному радиусу зоны действия детонационной волны R_о , т.е. R_ош= R_о .

Тепловой поток (энергетическая освещенность),

где ∙К⁴ - константа Стефана-Больцмана; T=8000К - эквивалентная температура излучения огненного шара как черного тела;

- энергетическая светимость огненного шара;

K - коэффициент прозрачности атмосферы, K=0,12...0,96.

R – удаление объекта, м.

Тепловая доза (тепловой импульс, энергетическая экспозиция)

, где t, с - время облучения (экспозиции), Q=q×t_ош..

 

Б. Дефлаграционные взрывы (взрывное сгорание смесей)

Облака ГПВС, переобогащенные топливом, не детонируют, а интенсивно горят, образуя огненный шар.

Радиус огненного шара и время его существования

,

где C - масса испарившегося вещества, кг; -коэффициенты, которые достаточно близки для жидких ракетных топлив и сжиженных газов

Температура огненного шара T=2500К - для ракетных топлив и T=1350К - для горючих газов.

 

Тепловой поток ,

где - константы.

Тепловая доза (тепловой импульс) Q=qt или Q=qt_ош.

Опасным для человека является (первая степень ожога), а допускаемая безопасная величина Q = 42 кДж/м².