CHÁY NỔ DO CÁC HẠT BỤI - Phần 3 docx

CHÁY NỔ DO CÁC HẠT BỤI Phần Ba 1. Lời mở đầu o Các tài liệu trình bày các phương pháp rất dài và có điều kiện khi ứng dụng các công thức. Trên đây các công thức trình bày với mục đích là cho các bạn có một khái niệm cách tính như thế nào nên các công thức trình bày trên đây không nêu hết các điều kiện để ứng dụng cho các công thức. o Các tài liệu trên đây đã cũ, nên tham khảo các tài liệu mới để cập nhật các kinh nghiệm mới hơn. o Phương pháp (PP) tốt nhất cho việc nghiên cứu cháy nổ là CFD (computational Fluid Dynamics). Đây là PP dùng máy điện toán để giải mô hình toán học. Mô hình toán học được phát triển từ hiện tượng vật lý và hoá học trong điều kiện đã cho. 2. Phương pháp của National Fire Protection Association [1] Phương pháp (PP) của National Fire Protecttion Association (NFPA) được công bố 2–12– 1987. PP NFPA trình bày ở đây dựa vào tài liệu 1988. Tài liệu này đã được hoàn chỉnh bởi The American National Standards Institute. Cho các đọc giả muốn nghiên cứu nên tìm tài liệu mới hơn. a) Bình chứa có sức chịu đựng thấp (P red <= 0,1 bar) PP này ứng dụng trong trường hợp bình có sức chịu đựng thấp như phòng (xưởng) làm việc, các toà nhà cao hay một trong một số bình chứa nào đó bằng nhựa hoặc kim loại mỏng, v.v. (1) A af là diện tích của lỗ thoát (m 2 ), C là hằng số do thực nghiệm ((kPa) 0,5 ), hằng số C chỉ ở Bảng 3.1. A s là diện tích chung quanh ở phía trong của bình chứa (m 2 ), P red là áp suất giảm (áp suất tối đa có thể đạt được nếu có hiện tượng nổ) (kPa). Vì bình chứa có lỗ thoát, do đó khi có hiện tượng nổ, lỗ thoát sẽ tự động mở ra và làm giảm áp suất tăng trong bình. Phương trình (PT) (1) chỉ có giá trị cho bình chứa có tỉ lệ chiều dài - đường kính (L/D) nhỏ hơn hoặc bằng 3 (L/D ≤ 3). Cho bình chứa không có tiết diện hình tròn, D sẽ trở thành D h (hydraulic diameter) và D h có công thức (2) A ngang là diện tích ngang của bình (m2), O là chu vi ngang của bình (m) Chất đốt C [(kPa) 0,5 ] Khí methane 0,37 Khí đốt với S L < 1,3 S L,p 0,45 Hạt St-1 0,26 Hạt St-2 0,30 Hạt St-3 0,51 Bảng 3.1: Hằng số do thực nghiệm (NFPA 68-1). S L là vận tốc của ngọn lửa tầng (laminar burning velocity). S L,p là vận tốc của ngọn lửa của khí propane. b) Bình chứa có sức chịu đựng cao (P red > 0,1 bar) Để cho việc tính cửa sổ của lỗ thoát, người ta đưa ra một lực mới gọi là “lực mở” có nghĩa là lực để mở cửa của lỗ thoát [2] (3) F v gọi là lực mở tác dụng vào cánh cửa của lỗ thoát (N), A af là diện tích của lỗ thoát (m 2 ), P red là áp suất giảm (10 5 bar hay N/m 2 ). P red ở đây có nghĩa là khi xảy ra trường hợp cháy nổ trong bình chứa, áp suất tăng lên cho tới khi áp suất P bằng P red (P = P red ) , thì cánh cửa của lỗ thoát sẽ mở ra. Chúng ta có thể quyết định được P red bằng cách như tính lực của lò xo để giữ cánh cửa sổ của lỗ thoát đóng. Trong thực tế, cửa sổ của lỗ thoát mở rất chậm so với sự tăng trưởng mau lẹ của áp suất, do đó thời gian mở và đóng cửa sổ cũng phải được tìm hiểu. Thời gian cho mỗi lần mở-đóng được tính như sau [2] (4) t F là thời gian cho một lần mở-đóng (s), K st là hằng số của hạt nổ (-) (có thể coi bài trước) , V là thể tích bình chứa (m 3 ), P red là áp suất giảm (N/m 2 ), A af là diện tích lỗ thoát (m 2 ). c) Phương pháp đồ thị cho chất khí PP đồ thị dựa vào các dữ kiện từ thí nghiệm. Vài điều lưu ý khi dùng PP này là: o PP này có thể không thích hợp cho việc tính diện tích của lỗ thoát. o PP này ứng dụng cho bình chứa với tỉ lệ dài-đường kính (L/D) nhỏ hơn 5 o “Ống” của lỗ thoát có thể làm tăng áp suất vì sự rối xảy ra trong đó. Nếu xử dụng ống cho việc tíng lỗ thoát thì diện tích lỗ thoát phải lớn hơn diện tích đã tìm ra. o Độ cong của ống cũng có thể làm tăng áp suất vì sự rối loạn. Đồ thị dùng để tíng diện tích lỗ thoát (DTLT) cho khí methane (CH 4 ) chỉ trong Hình 3.2, propane (C 3 H 8 ) Hình 3.3, khí từ than đá (coal gas) hình 3.4, hydrogen (H 2 ) 3.5. Những đồ thị kể trên được phát triển với những điều kiện sau: o Không có sự rối loạn vào lúc bắt đầu mồi lửa (sự rối loạn ban đầu bằng 0). o Năng lượng mồi rất thấp (10 J hoặc nhỏ hơn). o Áp suất ban đầu bằng áp suất của atmosphere. Hình 3.2 – 3.5 chỉ đồ thị dùng tính diện tích lỗ thoát cho bình chứa cho các chất khí methane (CH 4 ), propane (C 3 H 8 ), khí than đá (coal gas) và hydrogen (H 2 ) Hình 3.2: Đồ thị tính DTLT cho hỗn hợp khí methane (CH4) và không khí. Hình 3.3: Đồ thị tính DTLT cho hỗn hợp khí propane (C 3 H 8 ) và không khí. Hình 3.4: Đồ thị tính DTLT cho hỗn hợp khí từ than đá (coal gas) và không khí. Hình 3.5: Đồ thị tính DTLT cho hỗn hợp khí hydrogen (H 2 ) và không khí. Đồ thị trong Hình 3.2 – 3.5 có thể tính theo công thức từ thực nghiệm như sau. Công thức này phát triển từ đồ thị nên không tốt (chính xác) hơn đồ thị (5) A af là diện tích lổ thoát (m 2 ), V là thể tích bình chứa (m 3 ), P red là áp suất giảm (bar), P stat là áp suất thủy tĩnh, a, b, c và d là hằng số do thực nghiệm (xem Bảng 3.2) a b c d Methane (CH 4 ) 0,105 0,770 -0,823 1,230 Propane (C 3 H 8 ) 0,148 0,703 -0,671 0,942 Khí than đá 0,150 0,695 -0,707 1,380 Hydrogen (H 2 ) 0,279 0,680 -0,393 0,755 Bảng 3.2: Hằng số a, b, c và d trong PT(5). [2] o Nếu khí đốt với vận tốc cháy tầng (VTCT) (laminar burning velocity) (khoảng 60 cm/s) vào khoảng 1,3 lần VTCT của propane có thể dùng đồ thị trong Hình 3.3. o Nếu VTCT của khí đốt lớn hơn 1,3 VTCT của khí propane thì xử dụng đồ thị trong Hình 3.5. o Nếu khí đốt không biết VTCT dùng đồ thị trong Hình 3.5. Thí dụ Cho: Áp suất tương đối (áp suất lớn hơn áp suất atmosphere) tối đa trong bình chứa P red = 0,8 bar, P stat = 0,2 bar. Vận tốc tăng trưởng tối đa của áp suất (dP/dt) max = 730 bar/s. Giải: Từ Hình 3.3 cho propane (C 3 H 8 ) và Hình 3.5 cho hydrogen (H 2 ), ta đọc được diện tích của lỗ thoát là 11,0 m 2 . Vận tốc tăng trưởng tối đa áp suất cho propane là 369 bar/s và hydrogen là 2029 bar/s cho cùng một điều kiện thử. Dùng PP interpolation để tính diện tích lỗ thoát cho loại khí đốt ở trên Trong trường hợp có sự hiện diện của của sự rối loạn (turbulence) trong bình chứa, PP đồ thị không thể ứng dụng trực tiếp. Với khí đốt có (dP/dt) max ≤ (dP/dt) max,p (trong trường hợp cháy tầng), đồ thị cho hydrogen (Hình 3.5) có thể ứng dụng trong trường hợp rối loạn. “Extrapolation” cho đồ thị có thể ứng dụng nếu P stat ≤ 0,05 bar và 0,1 ≤ P red ≤ 2,0 bar. P stat có thể “extrapolate” lên nhưng P red – P stat ≤ 0,05 bar. d) Phương pháp đồ thị cho chất rắn (hạt bụi) Hình 3.6 – 3.11 chỉ các đồ thị dùng tính diện tích lỗ thoát (DTLT) cho hạt bụi và không khí (KK). Các đồ thị này dựa vào nhiều thí nghiệm với bốn loại bụi và bốn loại bình chứa (1, 10, 30 và 60 m 3 ). Đồ thị này trình bày trong VDI Richlinie 3673 [4] Hình 3.6 – 3.13 chỉ đồ thị dùng tính diện tích lỗ thoát cho bình chứa cho các hạt bụi Hình 3.6: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí. Biết K st, P stat = 0,1 bar. Hình 3.7: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí. Biết K st, P stat = 0,2 bar. [...]... 0,978·exp {-0 ,105·Pstat}; c = - 0,687·exp{0,226·Pstat} Hình 3. 9 (Pstat = 0,1 bar) (7) với C = 1,88854 cho St-1 støv C = 1,69846 cho St-2 støv C = 1,50821 cho St -3 støv Hình 3. 10 (Pstat = 0,2 bar) (8) với C = 1, 931 33 cho St-1 støv C = 1,715 83 cho St-2 støv C = 1,50115 cho St -3 støv Hình 3. 11 (Pstat = 0,2 bar) (9) với C = 1,9 435 3 cho St-1 støv C = 1,69627 cho St-2 støv C = 1,50 437 cho St -3 støv Các hạt bụi được phân... Hình 3. 12: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí Loại hạt bụi St-1 , Pmax = 9,0 bar Hình 3. 13: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí Loại hạt bụi St-2 , Pmax = 9,0 bar Hình 3. 6 – 3. 13 có thể biểu diễn bằng các công thức từ thực nghiệm như sau Chú ý các công thức này tính gần đúng từ các đồ thị nên sự chính xác kém hơn các đồ thị Hình 3. 6 3. 8 (6) với a = 0,000571·exp{2·Pstat}; b = 0,978·exp {-0 ,105·Pstat};...Hình 3. 8: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí Biết Kst, Pstat = 0,5 bar Hình 3. 9: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí Biết loại hạt bụi (Classes of Dusts, St-) , Pstat = 0,1 bar Hình 3. 10: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí Biết loại hạt bụi (Classes of Dusts, St-) , Pstat = 0,2 bar Hình 3. 11: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí Biết loại hạt bụi (Classes of Dusts, St-) ,... loại như sau Loại hạt bụi Kst (bar m/s) St-1 ≤ 200 St-2 201 – 30 0 St -3 > 30 0 Aaf là diện tích lổ thoát (m2), V là thể tích bình chứa (m3), Kst là hằng số nổ, Pred là áp suất giảm (bar), Pstat là áp suất thủy tĩnh, a, b, c, d và C là hằng số do thực nghiệm Đồ thị trong Hình 3. 12 và 3. 13 có thể ứng dụng thay thế các đồ thị khác Hai hình này chỉ giá trị cho hai loại hạt bụi St-1 và St-2 và Pmax = 9,0 bar... giữa hạt bụi và không khí (KK) được định nghĩa: 1) trộn đều và 2) trộn không đều Trộn đều có nghĩa là KK trộn lẫn với các hạt đều nhau và trộn không đều là ngược lại các hạt dính chùm với nhau Các hạt bụi cháy nổ phân loại như sau: St-1: < Kst ≤ 200 0 St-2: 200 < Kst ≤ 30 0 St-2: 30 0 < Kst a) • Bình chứa ngắn (L/D ≤ 2,0) Trường hợp trộn đều (10) với Aaf là diện tích lỗ thoát (m2), Kst là hằng số nổ (-) ,... Q ≤ 5000 m3/h, bình chứa có áp suất chịu đựng tối đa P < 0,25 bar và Pred ≤ 0,1 bar [5,6] Cho trường hợp cung cấp hạt bụi thử bằng cách rơi tự do, PT(12) giới hạn vận tốc trọng lượng M ≤ 8000 kg/h b) Bình chứa dài (L/D > 2,0) Chiều dài của bình chứa không ảnh hưởng tới hạt bụi trong trường hợp trộn đều và Pred ≥ 1,5 bar hay hạt bụi trong trường hợp trộn không đều và Pred ≥ 2,0 bar Trong các trường... o Áp suất tăng tối đa 0,1 ≤ V ≤ 10.000 m3 Pb ≤ 0,2 bar 0,1 ≤ Pstat ≤ 0,1 ≤ Pred ≤ 5 ≤ 5 ≤ 1 bar 2 bar Pmax ≤ 10 bar cho hạt bụi 10 ≤ Kst ≤ 30 0 bar m /s Pmax ≤ 12 bar cho hạt bụi 30 0 ≤ Kst ≤ 800 bar m /s • Trường hợp trộn không đều Cho chiều dài bình chứa L ≤ 10 m (11) Cho chiều dài bình chứa L > 10 m (12) với Aaf là diện tích lỗ thoát (m2), Kst là hằng số nổ (-) , Pmax là áp suất tối đa (bar), Pred áp... là (18) với L3 là chiều dài nhất, DE là đường kính “tương đương” có thể tính (19) 4 Kết luận Phương pháp (PP) tính diện tích lỗ thoát của NFPA và VDI đã được trình bày Bạn có thể xử dụng các PP này cho các trường hợp đơn giản Cho các trường hợp phức tạp nên tham khảo tài liệu mới hơn và các tài liệu khác Trong thực tế không đám cháy nào giống đám cháy nào, nên các PP được hoàn thành từ các thí nghiệm... tính ( 13) PT(11) và (12) có giá trị khi o Không có vật cản trong bình chứa o Vận tốc ban đầu của hỗn hợp (hạt- KK) o Vận tốc của thể tích hỗn hợp Q ≤ 2500 m3/h o Thể tích bình chứa 5 ≤ V ≤ o Áp suất tối đa ban đầu Pbeg ≤ 0,1 bar 15 ≤ U ≤ 40 m/s 10.000 m3 Pstat ≤ o Áp suất tĩnh o “Áp suất giảm” tối đa 0,1 ≤ Pred ≤ o Áp suất tăng tối đa 8 o Hằng số nổ tối đa 50 ≤ ≤ 0,1 bar Pmax ≤ Kst 2 bar 9 bar ≤ 30 0 bar... lên cho hạt bụi trong trường hợp trộn đều (m2), Aaf là DTLT cho bình chứa ngắn (L/D ≤ 2) (m2) (PT(11) hoặc (12), L là chiều dài bình chứa (m), D là đường kính bình chứa (m) c) Bình chứa không phải hình tròn Bình chứa không phải là hình tròn như hành lang của toà nhà, công thức tính DTLT cho hạt bụi với trường hợp trộn đều có thể ứng dụng For rektangulær beholderne som f.eks siloens kælder, korridor, designes . Hình 3. 11 (P stat = 0,2 bar) (9) với C = 1,9 435 3 cho St-1 støv C = 1,69627 cho St-2 støv C = 1,50 437 cho St -3 støv Các hạt bụi được phân loại như sau Loại hạt bụi K st (bar m/s) St-1. 30 và 60 m 3 ). Đồ thị này trình bày trong VDI Richlinie 36 73 [4] Hình 3. 6 – 3. 13 chỉ đồ thị dùng tính diện tích lỗ thoát cho bình chứa cho các hạt bụi Hình 3. 6: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi. cho St-1 støv C = 1,69846 cho St-2 støv C = 1,50821 cho St -3 støv Hình 3. 10 (P stat = 0,2 bar) (8) với C = 1, 931 33 cho St-1 støv C = 1,715 83 cho St-2 støv C = 1,50115 cho St -3 støv