Вплив детонаційної хвилі.

Зону детонаційної хвилі (зона 1) можна розглядати в межах газової хмари вибуху, де r < r₁.

При вибухах газоповітряних сумішей параметри усередині газової хмари можуть змінюватися в дуже широких межах залежно від умов вибуху, концентрації горючої компоненти і характеру вибухового горіння, які при прогнозуванні вибухів, особливо на відкритому повітрі, врахувати практично неможливо. Тому звичайно розрахунки проводять для гіршого випадку, при якому руйнівні наслідки вибуху найбільші.

Таким якнайгіршим випадком є детонаційне горіння суміші стехіометричного складу. Швидкість розповсюдження процесу детонаційного горіння усередині хмари дуже велика і перевищує швидкість звуку. Проте для проведення наближеної оцінки параметрів вибуху можна умовно прийняти, що хмара має форму півсфери з центром на поверхні землі, вибух ГПС відбувається миттєво і тиск в процесі вибуху однаково і постійно в усіх точках, що знаходяться усередині хмари.

Для більшості вуглеводневих газових сумішей стехіометричного складу можна прийняти, що тиск усередині газової хмари складає 1700 кПа.

Якщо вибухонебезпечна суміш стехіометричної концентрації знаходиться в замкнутому об'ємі, то при згорянні суміші її тиск порівняно з початковим збільшиться. Цей процес описується формулою:

 

, (12.22)

 

де: Р_П – початковийтиск суміші до горіння, Па; Р_В – тиск продуктів згоряння після реакції, Па; Т_В – температура продуктів горіння під час вибуху, К; Т_П – початкова температура суміші, К; Sn_П – початкова кількість молей суміші до горіння; Sn_ПГ – число молей продуктів згоряння, що утворились в результаті реакції. Величини Sn_п та Sn_ПГ визначаються з реакції горіння.

 

Враховуючи об’єднаний закон газового стану, рівняння (12.22) можна подати у вигляді:

 

; , (12.23)

 

де V_П – початковий об'єм суміші до горіння; V_В – об'єм продуктів вибуху.

 

Тобто, якщо початковий об'єм прийняти за одиницю, тоді при вибуху об'єм продуктів горіння буде перевищувати початковий у

 

разів. (12.24)

 

Іншими словами ступінь розширення продуктів горіння ε при вибуху можна виразити:

 

. (12.25)

 

Відомо, що максимально можливий надмірний тиск в замкнутому об`ємі буде при V<sub>cум</sub> = V<sub>пр</sub>, де V<sub>сум</sub> – об`єм вибухонебезпечної суміші при стехіометричній концентрації, а V_пр – об`єм приміщення.

Його можна визначити за формулою:

 

, Па , (12.26)

 

де: Р_П – початковий тиск в приміщені, Па; Sn_ПГ, Sn_П – кількість молей продуктів горіння та початкової суміші, моль; Т_в, Т_П – температура вибуху та початкова температура, К.

 

Наприклад, при горінні метану:

 

, (12.27)

 

, Па

 

У реальній ситуації необхідно враховувати додаткові чинники, які впливають на процес вибуху, наприклад, участь пальної речовини у дефлаграційному процесі, її густину при різних температурах, нещільність об'єму приміщення, тощо. Надмірний тиск вибуху ΔР для індивідуальних пальних речовин, що складаються з атомів С, Н, О, N, Cl, Вr, I, F, визначається по формулі:

 

(12.28)

 

де Р_max – максимальний тиск вибуху стехіометричної газоповітряної або пароповітряної суміші в замкнутому об'ємі, визначений експериментально або за довідковими даними. За відсутності даних допускається приймати Р_max = 900 кПа;

Р_O – початковий тиск повітря до вибуху, кПа (допускається приймати рівним Р_O =101 кПа);

m – маса горючого газу (ГГ) або пари легкозаймистих (ЛЗР) і горючих рідин (ГP), що вийшли в результаті аварії в приміщення, кг;

Z – коефіцієнт участі пального у вибуху, який може бути розрахований на основі характеру розподілу газів і пари в об'ємі приміщення згідно додатку. Для горючих газів (окрім водню) Z = 1,0;

V_св – вільний об'єм приміщення, м³;

К_Н – коефіцієнт, що враховує негерметичність приміщення і неадіабатичність процесу горіння. Допускається приймати К_Н = 3;

ρ_ПГ – густина газу або пари при розрахунковій температурі t_р, кг·м^-3, що обчислюється за формулою (наприклад, для ацетилену С₂Н₂ =1,079 кг/м³);

 

, (12.29)

 

де М – молярна маса, кг·кмоль^-1;

V_О – молярний об'єм, V_О = 22,413 м³·кмоль^-1;

t_р – розрахункова температура, ^oС. Як розрахункову температуру слід приймати максимально можливу температуру повітря в даному приміщенні у відповідній кліматичній зоні або максимально можливу температуру повітря за технологічним регламентом з урахуванням можливого підвищення температури в аварійній ситуації. Якщо такого значення розрахункової температури t_р з яких-небудь причин визначити не вдається, допускається приймати її рівній 61 ^oС;

С_ст – стехіометрична концентрація ГГ або пари ЛЗР і ГР % (об.), обчислювана за формулою:

 

(12.30)

 

де β – стехіометричний коефіцієнт кисню в реакції згорання:

 

(12.31)

 

де n_С, n_Н, n_О, n_Х – число атомів С, Н, О і галоїдів в молекулі пального.

 

Розрахунок ΔР для індивідуальних речовин, окрім згаданих в (12.28), а також для сумішей може бути виконаний по формулі

 

(12.32)

 

де Q – теплота згоряння речовини, Дж·кг^-1;

ρ_в – густина повітря до вибуху при початковій температурі ТЕ, кг·м^-3;

с_В – теплоємність повітря, Дж·кг^-1·К^-1 (допускається приймати с_В = 1,01·10³ Дж·кг^-1·К^-1);

V_пр – об`єм приміщення, м³;

Т_О – початкова температура повітря, К.

 

Ступінь пошкодження об'єкту (будівлі, споруди і т.п.) оцінюється по критерію оцінки фізичної стійкості (сильне, середнє, слабке), а об'єктів дії (устаткування, установок і т.п.) по критерію перекидання і зсуву. Критерієм оцінки фізичної стійкості будівельного об'єкту є надмірний тиск при вибуху ΔР_ф, а критерієм оцінки за перекиданням і зсувом – швидкісний натиск вибуху P_ск.

. (12.33)

 

Розрахований швидкісний натиск вибуху порівнюється зі стійкістю об'єкту при перекиданні та з його опором до зсуву за формулами:

 

при перекиданні , (12.34)

 

при зсуві , (12.35)

 

де a – висота об'єкту, м; b – ширина об'єкту, м; G – вага об'єкту, Н; C_x – коефіцієнт опору; S – площа поперечного перетину, м²; f – коефіцієнт тертя; G – вага об'єкту, Н; ξ_x – коефіцієнт опору; S – площа поперечного перетину, м².