Вибух Газу в Закритій Ємності: Як Вантажі Зменшують Тиск

Внутрішнє займання в закритій коробці

Замикання горіння газу або пилу – це займання: фронт полум’я, який поширюється крізь горючу суміш на підсубсоначній швидкості, на відміну від звукової ударної хвилі детонації. Всередині герметичного резервуару це полум'я споживає суміш від точки займа та далі, і кожен кілограм палива, що горить, перетворюється на гарячі згоряння гази більшого об’єму, ніж замінена реактивна суміш. Оскільки стінки резервуару не рухаються, цей розширення не має куди йти, тому тиск всередині зростає – часто до семи разів атмосферного тиску або більше для добре змішаної гідрокарбонової-повітряної хмари, що горить до кінця в жорсткому резервуарі.

Кубичне рівняння: чому об'єм має таку велику вагу

Інженерія безпеки процесів описує, як швидко зростає тиск під час горіння, залежно від індексу дефлаграції K, який визначається за допомогою кубічного закону, що використовується в стандартах вибухових вентиляцій, таких як NFPA 68: (dP/dt)max · V^(1/3) = Kst (пил) або Kg (газ). Kst або Kg – це властивість суміші паливо-повітря, що вимірюється в стандартній випробувальній установці, а кубічний корінь означає, що суміш, яка інтенсивно перевантажує невелику камеру, буде перевантажувати більшу камеру пропорційно повільніше для того ж K – але загальна енергія, що виділяється, та, відповідно, необхідна площа вентиляційних отворів для забезпечення безпечного пікового тиску, зростають разом із об’ємом камери. Це найважливіший дизайнний зв'язок у захисті від вибухів: подвоївши об’єм конструкції, вам не потрібно подвоювати площу вентиляційних отворів, але потрібна більша величина, ніж просте лінійне масштабування.

(dP/dt)max · V^(1/3) = Kst   (dust) or Kg  (gas)

Визначення розміру вентиляційного отвору

Вентиляційний отвір – слабка панель, запобіжний клапан або розсувний двері – призначений для відкриття при заданому рівні тиску Pstat, значно нижче межі міцності конструкції. Після відкриття він дозволяє виходити з газу незгорілим сумішю та продуктам горіння до того, як полум'я повністю спалить вміст ув’язнення. Чим більша площа вентиляційного отвору відносно об’єму ув’язнення, тим нижчий знижений піковий тиск Pred відчуває конструкція, оскільки більше розширюваного газу виходить назовні, а не накопичується. Стандарти, такі як NFPA 68, надають кореляції для необхідної площі вентиляційного отвору, щоб підтримувати Pred нижчим за задане значення, яке визначається на основі Kst (об’єму резервуара), статичного тиску відкриття вентиляційного отвору та співвідношення довжини до діаметра резервуара. Довгострома резервуар дозволяє полум'ю розгортатися на більшу відстань перед досягненням вентиляційного отвору.

Що змінює пікове тиск

Три фактори домінують: реактивність суміші (більш реактивна суміш з більшим Kst горить швидше та створює більший тиск для одного й того ж резервуара), геометрія конфігурації (довгий, вузький резервуар дозволяє вогню прискорюватися за рахунок турбулентності, що генерується його власним розширенням, що може змусити кореляції, засновані на Kst, перевищувати їх призначений діапазон), та розмір вентиляційних отворів (більший отвір або той, який відкривається при нижчому порозі, звільняє газ раніше в процесі події та ефективно обмежує тиск Pred). У цій симуляції ви можете змінювати всі три фактори та спостерігати, як одна залежність від кубічного закону визначає криву тиску, включаючи падіння після відкриття вентиля та початок виходу маси з резервуара.

Де проста модель перестає працювати

Закон обратного пропорційного співвідношення припускає приблизно сферичне, спокійне полум’яне ядро, яке розширюється з постійною швидкістю горіння, а реальні промислові інциденти постійно порушують це припущення: труби та канали між резервуарами дозволяють пламени попередньо турбулювати подальшу суміш і спалахувати набагато швидше, ніж передбачає Kst, подовжені резервуари генерують власний турбулентність за рахунок горіння, а інерція вентильних панелей затримує відкриття достатньо довго, щоб це мало значення. Інженерні стандарти включають коефіцієнти безпеки навколо основної моделі обратного пропорційного співвідношення саме через ці відомі прогалини, і для будь-якої геометрії, яка відрізняється від простого, майже кубічного резервуара, стандартною практикою є повне дослідження об’ємних потоків.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Confined Gas Explosion і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.