Избыточное давление при сгорании пылевоздушной смеси p, кПа, рассчитывается по формуле:

(1.1)

где

m - расчетная масса взвешенной в объеме помещения горючей пыли, образовавшейся в результате аварийной ситуации, кг;

Н_т – теплота сгорания истекающего вещества, Дж/кг;

Р₀ – начальное атмосферное давление, кПа;

Z – доля участия взвешенной горючей пыли при сгорании пылевоздушной смеси (0,5 при газе и пыли; 0,3 при парах жидкости; 1 при водороде);

V_п – свободный объем помещения, который принимается как 80 % от геометрического объема помещения, м³;

_в – плотность воздуха до сгорания пылевоздушной смеси при начальной температуре Т_о, кг/м³;

С_в – теплоемкость воздуха, ;

Т₀ – начальная температура воздуха в помещении, К;

К_н – коэффициент учитывающий негерметичность помещения (принимается равным 3);

К пылям, способным образовывать горючие пылевоздушные смеси, относят дисперсные материалы, характеризующиеся наличием показателей пожарной опасности: нижним концентрационным пределом распространения пламени, максимальным давлением, развиваемым при сгорании пылевоздушной смеси (более 50 кПа), и скоростью его нарастания, минимальным пожароопасным содержанием кислорода (менее 21 %).

Определим значения приведенных составляющих формулы (1.1) для определения избыточного давления:

а) атмосферное давление Р₀ = 101 кПа;

б) коэффициент участия горючего вещества во взрыве Z = 0,5 (при газе и пыли при отсутствии возможности получения сведений для расчета);

в) свободный объем помещения V_п = 0,8 * 45 * 120 * 7 = 30 240 м³;

г) плотность воздуха _в = 1,2 кг/м³;

д) теплоемкость воздуха С_в = 1010 Дж/(кг*К);

е) температура в помещении Т₀ = 293 К;

ж) коэффициент негерметичности К_н = 3;

з) теплота сгорания истекающего вещества Н_т= 93,37 · 10⁶ Дж/(кг·К);

и) расчетную массу m, кг, принимаем равной m = 0,8 · 170 000 = 136 000 кг.

Учитывая заданные условия расчетной ситуации согласно формуле (1.1) определяем избыточное давление

Таким образом, избыточное давление, рассчитанное для заданной ситуации составляет 19 905,12 кПа. Исходя из этого, определяем категорию помещения мельницы по взрывопожарной и пожарной опасности (НПБ 105-95 - [7]) – Б взрывопожароопасная.

1.3.2. Расчет интенсивности теплового излучения и времени существования «Огненного шара»

Образование «Огненных шаров» приводит к тяжелым последствиям. Они вызывают вторичные пожары, так как интенсивность теплового излучения очень высока.

Расчет интенсивности теплового излучения «огненного шара» q, кВт/м², проводят по формуле:

q = E_f F_q , (1.2)

где E_f — среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени, кВт/м²;

F_q — угловой коэффициент облученности;

- коэффициент пропускания атмосферы.

E_f определяют на основе имеющихся экспериментальных данных. Допускается принимать E_f равным 450 кВт/м².

F_q рассчитывают по формуле:

, (1.3)

где Н— высота центра «огненного шара», м;

D_s — эффективный диаметр «огненного шара», м;

r — расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром «огненного шара», м.

Эффективный диаметр «огненного шара» D_s рассчитывают по формуле:

D_s =5,33 m ^0,327, (1.4)

где т — масса горючего вещества, кг.

H определяют в ходе специальных исследований. Допускается принимать H равной D_s/2.

Время существования «огненного шара» t_s, с, рассчитывают по формуле

t_s = 0,92 m ^0,303. (1.5)

Коэффициент пропускания атмосферы т рассчитывают по формуле

= ехр [-7,0 10^-4 ( - D_s / 2)]. (1.6)

Рассчитаем т = 170 000 0,8 = 136 000 кг,

Определяем эффективный диаметр «огненного шара» D_s= 5,33 (136 000)^0,327 = 254,33 м.

По формуле (1.3), принимая H = D_s /2 = 127,165 м, находим угловой коэффициент облученности F_q

По формуле (1.6) находим коэффициент пропускания атмосферы :

= ехр [-7,0 10^-4 ( - 254,33/2)] = 0,99758.

По формуле (1.2), принимая E_f = 450 кВт/м², находим интенсивность теплового излучения q

q = 450 0,152 0,99758 = 68,23 кВт/м².

По формуле (1.5) определяем время существования «огненного шара» t_s:

t_s = 0,92 (136 000)^0,303 = 33,056 с.

Итак, значение интенсивности излучения «Огненного шара» составляет 68,23 кВт/м², при такой величине возможны ожоги первой степени и смертельное поражение людей.

1.3.3. Расчет параметров волны давления при сгорании горючей пыли

Основными параметрами волны давления при сгорании горючей пыли в открытом пространстве являются избыточное давление и импульс волны давления. При большой величине избыточного давления возможно повреждение находящихся поблизости оборудования и других зданий. [6]

Избыточное давление p, кПа, развиваемое при сгорании, рассчитывают по формуле:

, (1.7)

где р₀ — атмосферное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа);

r — расстояние от геометрического центра облака, м;

m_пp — приведенная масса горючей пыли, кг, рассчитанная по формуле:

m_пр = (Q_сг / Q₀)m_г,п Z, (1.8)

где Q_сг — удельная теплота сгорания газа или пара, Дж/кг;

Z— коэффициент участия, который допускается принимать равным 0,05;

Q₀— константа, равная 4,52 10⁶ Дж/кг;

m_г,п — масса горючих газов и (или) паров, поступивших в результате аварии в окружающее пространство, кг.

Импульс волны давления i, Па с, рассчитывают по формуле:

. (1.9)

Находим приведенную массу m_пр по формуле (1.8):

m_пр = (93,37 10⁶ / 4,52 10⁶) (136 000) 0,05 = 140 488 = 1,4 10⁵ кг.

Находим избыточное давление p по формуле (1.7):

p = 101 [0,8 (1,4 10⁵)^0,33 / 100 + 3 (1,4 10⁵) ^0,66 / 100² + 5 (1,4 10⁵) / 100³] = 186,987 кПа.

Находим импульс волны давления i по формуле (1.10):

i = 123 (1,40488 10⁵)^0,66 / 100 = 3071,5 Па с.

1.3.4. Расчет размеров возможного пожара и его потенциальной энергии

Размер пожара и его потенциальную энергию определяют на основе учета особенностей муки, технологического оборудования и конструктивного исполнения мельницы.

Площадь возможного пожара F_пож определяют по формуле:

, (1.10)

где V_л – линейная скорость распространения пламени, м/с, (принимаем 0,12 м/с);

τ_р – расчетное время развития пожара, с.

Тогда F_пож = 3,14*(0,12*120) = 651,1 м². Тогда диаметр пожара

Высота пламени h, м, рассчитывается по формуле:

, (1.11)

где d – диаметр пожара, м (равен 28,79 м);

m – удельная массовая скорость выгорания, кг/(м²*с);

ρ_в – плотность воздуха, кг/м³ (равна 1,2);

g – ускорение свободного падения, м/с².

Тогда h = 9,2 м.

Продолжительность пожара τ рассчитывают исходя из условия, что горючая пыль (мука) горит размещенная на 100 м² без условия тушения.

τ = N/n, (1.12)

где N – количество горючего вещества, кг;

n – скорость выгорания муки, кг/(м²*ч) (равна 100).

Тогда при условии, что 136 т муки размещены на 45*120=5 400 м², откуда следует, что на 100 м² приходится N=2518,5 кг,

τ = 2518,5 / 100 = 25,2 часа.

Потенциальная энергия пожара Е_пож вычисляется по формуле:

Е_пож = G_н · Q · К, (1.13)

Где G_н – масса сгораемого вещества, кг;

Q - теплота сгорания горючей пыли, кДж/кг (равна для муки – 93 370 кДж/кг);

К – коэффициент недожога (равен для муки – 0,95).

Е_пож = 136 000 · 93370 · 0,95 = 12,06 · 10⁹ кДж.

Итак, в данном разделе рассчитаны критерии пожаровзрывоопасности при сгорании горючей пыли, значения которых представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Критерии пожаровзрывоопасности

По полученным критериям пожаровзрывоопасности определяют величины индивидуального и социального рисков.

1.4. Оценка индивидуального и социального рисков

Оценим индивидуальный и социальный риск для людей, работающих на мельнице. В процессе расчетов необходимы следующие данные:

В помещении мельницы (зальное) размерами 45 м * 120 м * 7 м произошла аварийная разгерметизация оборудования и загорание пылевоздушной смеси на площади 600 м². На мельнице работают 15 человек в две смены Р_пр = 0,67. Здание имеет два эвакуационных выхода посередине. Ширина центрального прохода между оборудованием равна 7 м, а ширина проходов между оборудованием и стенами равна 4 м. Характеристики горения муки, взятые из литературных источников, следующие: низшая теплота сгорания Q = 93,37 МДж/кг; дымообразующая способность (согласно ГОСТ 12.1.044 – 89 [9] показатель дымообразующей способности – коэффициент дымообразования – для пылей не применим).

Расчетная схема эвакуации представлена на рисунке 2.

— место пожара; I, II — эвакуационные выходы;

1, 2, 3 — участки эвакуационного пути.