Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу

При свободном растекании диаметр разлития определяется из соотношения:

где d — диаметр разлития, м; V — объем жидкости, м³.

Величина теплового потока q на заданном расстоянии х от горящего разлития определяется по формуле:

q = 0,8Q₀ e^−0,33x , (2.35)

где Q₀ — тепловой поток на поверхности факела, кВт/м², значения которого для некоторых веществ приведены в Таблице 2.3,

х — расстояние до фронта пламени, м.

Расстояние х, на котором будет наблюдаться тепловой поток с заданной величиной q, определяется по формуле:

x 33 ln(0,8 Q ₀/ q) =. (2.36)

Величина индекса дозы теплового излучения I определяется из соотношения:

I = 60 q^4/3, (2.37)

Возможность воспламенения различных материалов представлена в Таблице 2.4 При величине теплового потока более 85 кВт/м² воспламенение происходит через 3–5 с.

Таблица № 2.3.

Тепловой поток на поверхности факела от горящих разлитий.

Таблица № 2.4.

Тепловые потоки, вызывающие воспламенения некоторых материалов.

Методика расчета характеристик горения, предложенная в работе [106], включает следующие основные предположения и эмпирические соотношения.

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;

W₀ — скорость ветра, мкс^-1;

р_π — плотность паров топлива при температуре поверхности раздела фаз (для кипящих сжиженных газов — температура кипения при атмосферном давлении), кг/м³.

Эмпирические коэффициенты в формулах Томаса (а₁ = 55; = 0,67; с₁ = -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 = I₀ ехр(-βг)ΦF_Φ /(πг²), (2.40)

где I₀ — интенсивность излучения факела, Вт/м²;

Р — коэффициент ослабления среды, м¹;

г — расстояние от излучающей поверхности до облучаемого объекта, м;

F_Φ— площадь излучающей поверхности в направлении смежного объекта, м²;

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.