Пыль и пылевоздушные смеси.

Взрывы пыли (пылевоздушных смесей - аэрозолей) представляют одну из основных опасностей на производстве. Взрывы пыли происходят в ограниченном пространстве - в помещениях зданий, внутри оборудования, в штольнях шахт. Возможны взрывы пыли на мукомольном производстве, на зерновых элеваторах (мучная пыль), при обращении с красителями, серой сахаром, другими пищевыми продуктами, производстве пластмасс, лекарственных препаратов, на установках дробления топлива (угольная пыль), в текстильном производстве.

Понятие промышленные пыли включает в себя тонкие дисперсии с размерами частиц менее 800 мкм. Взрывы, в основном, происходят по дефлаграционному механизму. Переход к детонации возможен в вытянутых помещениях за счет турбулизации процесса горения в облаке пылевоздушной смеси (ПВС), например, в штольнях шахт, на конвейерных линиях зернохранилищ.

Взрыв ПлВС возможен только при наличии концентрации пыли в воздухе не ниже определенного предела, измеряемого в г/м.куб: алюминий 58, уголь и сахар 35, резина 25, полиуретан 30 и т.д.

По степени пожаровзрывоопасности все промышленные пыли делятся на 4 класса:

1 класс - наиболее взрывоопасные пыли с НКПР равным 15 г/м.куб и ниже (сера 2,3; нафталин 2,5). НКПР - нижний концентрационный предел распространения пламени;

2 класс - взрывоопасные пыли с НКПР от 16 до 65 г/м.куб (алюминий 58, овес 30.2, крахмал картофельный 40.3);

3 класс- наиболее пожароопасные пыли - с температурой воспламе­нения до 250 ^оС ;

4 класс - пожароопасные пыли - с температурой воспламенения >250 ^оС .

Температура самовоспламенения пыли равна в среднем 500^оС. Пыль, находящаяся в слоях воспламеняется при более низкой температуре, чем облако пыли - разница достигает 200^оС, причем, чем толще слой пыли, тем ниже температура ее самовоспламенения. Пыль в слоях не взрывается. Однако, если в слое пыли возникнет горение (тление), то конвективные потоки горячих газов поднимают пыль в воздух, образуется пылевоздушная смесь, которая может взрываться. Максимальное давление взрыва ПВС лежит в пределах от 700 до 500 кПа (5-7 атм). Опасность взрыва ПВС возрастает с уменьшением размеров частиц пыли.

Ударная волна и характеризующие ее параметры

Определяющим параметром при характеристике взрыва является образующаяся и распространяющаяся в окружающем пространстве воздушная ударная волна.

Рассмотрим облако взрывоопасной смеси в окружающем воздушном пространстве. До момента возгорания давление в объеме облака равно атмосферному. При сгорании (взрыве) облака в его объеме давление возрастает, преграды с окружающей средой нет, и область высокого давления увеличивается в объеме, а давление внутри нее уменьшается (рис.1). Распространение области сжатия воздуха происходит со сверхзвуковой скоростью и получило название воз­душ­ной удар­ной вол­ны — ВУВ. По­вер­хность, ко­то­рая от­де­ля­ет сжа­тый воз­дух от не­воз­му­щен­но­го, на­зы­ва­ет­ся фрон­том удар­ной вол­ны.

При про­хож­де­нии фрон­та удар­ной вол­ны че­рез воз­дух в очень уз­кой зо­не скач­ком воз­рас­та­ют дав­ле­ние, тем­пе­ра­ту­ра и плот­ность, а воздух за фрон­том на­чи­на­ет дви­гаться в сторону области пониженного давления. Ско­ро­сть движения воздуха ме­нь­ше ско­ро­сти движения фрон­та ВУВ. По­сле то­го как фронт удар­ной вол­ны про­хо­дит дан­ную точ­ку про­странс­тва, дав­ле­ние в ней по­сте­пен­но сни­жа­ет­ся до ат­мо­сфер­но­го. В да­ль­ней­шем дав­ле­ние про­до­лжа­ет уме­нь­ша­ть­ся и ста­но­вится ни­же ат­мо­сфер­но­го, а воз­дух на­чи­на­ет дви­га­ть­ся в об­рат­ную сто­ро­ну. По­сте­пен­но дав­ле­ние вы­рав­ни­ва­ет­ся с ат­мо­сфер­ным и дейс­твие воз­душ­ной удар­ной вол­ны в дан­ной точ­ке пре­кра­ща­ет­ся (рис.2). Вре­мя, в те­че­ние ко­то­ро­го дав­ле­ние пре­вы­ша­ет ат­мо­сфер­ное, на­зы­ва­ет­ся фа­зой сжа­тия, а вре­мя дейс­твия по­ни­жен­но­го дав­ле­ния — фа­зой раз­ре­же­ния. Основ­ные раз­ру­ше­ния про­ис­хо­дят в фа­зе сжа­тия, по­это­му дейс­твие фа­зы раз­ре­же­ния обыч­но не учи­ты­ва­ет­ся.

Ударная волна имеет два основных отличия от звуковой волны:

параметры среды в ней (давление, температура, плотность) изменяются практически скачком;

скорость ее распространения превышает скорость звука в невозмущенной среде.

P

O R

r

О - центр облака, r - первоначальный радиус облака, R- расстояние от места взрыва, Р - давление во фронте волны

Рис.1. Давление во фронте воздушной ударной волны как функция расстояния от места взрыва

P

P_фP

P_o _{}_

Рис.2. Изменение давления в некоторой точке пространства при прохождении через нее ударной волны.

Рассмотрим параметры ВУВ.

До прихода волны давление в точке определялось атмосферным давлением P₀. В момент прихода фронта волны давление возрастает на величину, равнуюP_ф. После скачка давление начинает падать и через промежуток времени₊ достигает величины P₀. Дальнейшее снижение давления приводит к образованию в рассматриваемой точке разрежения с амплитудойP_- , после чего рост давления возобновляется и оно снова достигает величины P₀. Период₊называется фазой сжатия, а_-- фазой разрежения.

По мере удаления от места взрыва происходит постепенное “затухание” ударной волны. При этом уменьшаются амплитуды P_фиP_{-_}, уменьшаются крутизна скачка и крутизна спада давления, увеличиваются интервалы₊ и_-,уменьшается скорость распространения ударной волны и она постепенно трансформируется в звуковую. Скорость “затухания” ударной волны зависит от состояния среды, в которой эта волна распространяется, и от расстояния до места взрыва.

Поражающее действие ВУВ определяется следующими параметрами.

Первым параметром, определяющим поражающее действие ВУВ, является избыточное давлениеP_ф.

Рассмотрим, во-первых, величину P_ф. Энергосодержание ВВ, в частности ГВС, одинаково независимо от режима горения, однако скорость взрывчатых превращений разная при дефлаграции и при детонации, поэтому при детонации объем горящей ГВС не успевает увеличиться и давление возрастает до значительно больших значений, чем при дефлаграции.

P(t)

P_max

t

_{}

Характер изменения давления при взрывном дефлаграционном горении.

P(t)

P_max

t

_{}

Характер изменения давления при взрывном детонационном горении.

Рис.3. Формы фронта ВУВ при дефлаграционном и детонационном взрывах.

Скачок давления в месте взрыва (а, следовательно, и во фронте ВУВ) при детонационных взрывах ГВС на открытом воздухе может достигать 2 Мпа. При взрывах конденсированных ВВ это давление может достигать значительно более высоких значений, измеряемых даже Гпа.

Во-вторых, разница в скорости процессов приводит к тому, что продолжительность нарастания давления (наклон фронта) разная. При детонации продолжительность нарастания давления ~ 10^-3cдля воздушных смесей и ~10^-5для конденсированных ВВ, а при дефлаграции ~ 0,1 – 0,2 с.

Формы фронта ВУВ при разных режимах взрывного горения показаны на Рис.3.

Вторым параметром ВУВ, определяющим ее поражающее действие, является импульс давления i. Импульс характеризует суммарное воздействие избыточного давления за время₊ . Он числено равен площади под кривой избыточного давления на рис.2.

Поражающее действие ВУВхарактеризуется также давлением скоростного напора P_сквоздуха. Скоростной напор возникает вследствие того, что частички воздуха во всех точках фронта ударной волны совершают резкое смещение по направлению от центра взрыва, а затем в обратную сторону. Тело, находящееся на пути смещения частиц воздуха, испытывает силовое воздействие.

Скоростной напор вызывает отбрасывание предметов, оказавшихся на пути распространения ударной волны, т. е. оказывает на них метательное воздействие. В результате метательного воздействия незакрепленные предметы, а также люди могут быть отброшены на расстояние в несколько метров и, вследствие этого, получить повреждения и травмы по своей тяжести соизмеримые с последствиями воздействия избыточного давления ВУВ

Скоростной напор ВУВ приводит к разрушению (сламыванию) сооружений, имеющих значительную протяженность по сравнению с поперечным сечением (столбы электропередач, заводские трубы, опоры и т.п.)

Перечисленные параметры ударной волны (давление, импульс, скоростной напор) являются основными, но не единственными параметрами, определяющими ее поражающее действие. Так при встрече ударной волны с препятствием, например со стеной здания, давление вблизи от отражающей поверхности препятствия возрастает в несколько раз. Степень роста амплитуды зависит от угла наклона отражающей поверхности к направлению распространения ударной волны и от состояния среды у отражающей поверхности, от других величин.

Основ­ны­ми па­ра­ме­тра­ми воз­душ­ной удар­ной вол­ны будем считать:

— из­бы­точ­ное дав­ле­ние во фрон­те вол­ны, Р_ф;

— вре­мя дейс­твия дав­ле­ния (фа­зы сжа­тия), _;

— им­пульс,

• ско­рость рас­про­стра­не­ния удар­ной вол­ны, v,

• давление скоростного напора Р_ск.