Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу - [27]
1. Горение рассматривается как диффузионное (т. е. непосредственно зависящее от режима эжекции воздуха в зону горения) и происходит с открытой поверхности (в самом резервуаре при срыве перекрытия или при разлитии в пределах защитного ограждения).
2. Высота (длина — L) видимой части пламени (излучающей определенную долю тепла) определяется гидродинамическими факторами и наиболее достоверно может быть рассчитана по эмпирической формуле Томаса [116] с учетом влияния ветра на скорость сгорания, а следовательно, и на длину пламени
где m — массовая скорость выгорания с поверхности, кг · м >-2 · с>-1;
р>а — плотность воздуха, кгкм>-3;
D — эквивалентный диаметр очага горения, м;
W>0 — скорость ветра, мкс>-1;
р>π — плотность паров топлива при температуре поверхности раздела фаз (для кипящих сжиженных газов — температура кипения при атмосферном давлении), кг/м>3.
Эмпирические коэффициенты в формулах Томаса (а>1 = 55; = 0,67; с>1 = -0,21) получены по результатам экспериментов, выполненных для широкого диапазона параметров
применительно к самым различным горючим жидкостям и сжиженным газам.
3. Пламя рассматривается как оптически «серый» монохроматический поверхностный излучатель.
4. При расчете внешнего излучения сложная, изменяющаяся во времени геометрическая форма пламени рассматривается как цилиндрическая поверхность с сохранением реальных значений высоты и (эквивалентного) диаметра основания пламени.
Количество теплоты q, излучаемое факелом в направлении смежного объекта или сооружения [114], рассчитывается по формуле
q = I>0 ехр(-βг)ΦF>Φ /(πг>2), (2.40)
где I>0 — интенсивность излучения факела, Вт/м>2;
Р — коэффициент ослабления среды, м>1;
г — расстояние от излучающей поверхности до облучаемого объекта, м;
F>Φ— площадь излучающей поверхности в направлении смежного объекта, м>2;
Φ — коэффициент облученности.
Интенсивность излучающей поверхности факела определяют по закону Стефана — Больцмана. Эта величина сильно зависит от температуры пламени, т. к. теплоизлучение пропорционально температуре в четвертой степени.
Для определения критических расстояний между очагом пожара и окружающими объектами необходимо знать площадь поверхности факела, обращенного в сторону облучаемой поверхности, степень черноты факела, коэффициент облученности, температуру факела, среднюю скорость сгорания материалов, а также критические тепловые потоки.
В Таблице № 2.5 с учетом различных режимов горения приведены значения критических тепловых потоков для некоторых горючих материалов.
Отметим, что площадь поверхности факела, обращенного в сторону облучаемого объекта, приближенно определяют как произведение основания факела на его высоту, делая поправку на форму (очертание) поверхности.
б) Расчет параметров пожара при возникновении огневого шара [106].
Возникновение огневого шара характеризуется совокупностью таких физических процессов, как:
Таблица № 2.5.
Критические тепловые потоки, вызывающие воспламенение и самовоспламенение некоторых материалов.
— взрывное вскипание углеводородных жидкостей в резервуарах высокого давления;
— выброс содержимого резервуара в окружающее пространство с образованием быстро сгорающего аэрозольного облака (огневого шара) и ударной волны;
— разрушение сосуда и разлет его осколков.
Для возникновения огневого шара необходимы следующие предпосылки:
1. жидкость, хранящаяся в герметичном сосуде под давлением, к моменту вскипания (за счет сброса давления) должна быть «термодинамически перегретой» выше некоторого характерного предела относительно состояния насыщения при атмосферном давлении;
2. в результате аварийной разгерметизации несущего корпуса (либо неправильной работы предохранительных клапанов или разрывных мембран) должно произойти резкое падение давления над поверхностью раздела жидкой и паровой фаз.
Тепловая мощность Р сгорания огневого шара [117] массой М может быть найдена из уравнения:
где Q>H — теплота сгорания, МДж/кг;
τ — время существования объекта, с.
Вещества, часто приводящие при авариях к образованию огневого шара, имеют теплоту сгорания Q>H порядка 45–48 МДж/кг.
Для оценки опасности огневых шаров необходимо уметь предсказывать их размер и время существования. В частности, радиус огневого шара R (м) и время его существования т (с) могут быть найдены по эмпирическим формулам работы [115].
При оценке последствий воздействия огневых шаров было принято, что в диапазоне между нижним и верхним пределами воспламенения в период существования огневого шара находится около 60 % массы газа (пара) в облаке и что эта масса более 1000 кг.
Вероятность поражения людей тепловым потоком зависит от индекса дозы теплового излучения I, который определяется из соотношения:
I = t(Q>0R>2 /Х>2)>4/3 (2.42)
где X — расстояние от центра огневого шара (X > R), м;
Q>a — тепловой поток на поверхности огневого шара, кВт/м>2, значения которого для наиболее распространенных веществ приведены в Таблице № 2.6.
Воздействия огневых шаров на здания и сооружения, не попадающие в пределы самого огневого шара, определяются наличием возгораемых веществ и величиной теплового потока q, которая определяется по формуле:
