11 3-3 爆燃.pptx

第1页：爆炸能量与评价方法

3.3 爆燃——3.3.1 爆炸能量（化学能量和物理能量）：用什么参数来衡量可燃气体爆炸波破坏效应是一个相当复杂的问题。目前常用于可燃气体与粉尘爆炸破坏力和伤害半径评估的TNT当量法、世界银行推荐危害关系式和压力—冲量准则，可对可燃气体泄漏产生的最大爆炸当量、危害范围与危害等级进行评价。

第2页：TNT当量法

TNT当量法：其基本概念是将无约束蒸气云爆炸（Unconfined Vapor Cloud Explosion，简称UVCE）所产生的爆炸波，等同于相当能量的TNT爆轰所产生的爆炸波，计算公式如下。

式中：W_TNT——可燃气体的TNT当量，kg；H_TNT——TNT的热值，4.6×10⁶J/kg；H_h——可燃气体的高热值，J/kg；W_f——可燃气体质量，kg；α——能量释放率（0.02—0.05）。

第3页：TNT当量法的特点

用TNT当量法最大的优点是简便易行，因而长期以来在爆炸波效应预报以及爆炸事故调查中一直被广泛沿用。根据爆炸事故的调查统计数据，UVCE爆炸波的输出能量与总燃烧热之比最高达10%、最低为0.1%，绝大多数低于2%。

这是因为泄漏可燃气体中只有一部分与空气混合形成的浓度在爆炸极限范围内，而这部分可燃混合物中又只有一部分能够产生爆炸波效应，其比例根据现场情况不同而不同。

第4页：可燃气体TNT当量计算表

可燃气体的T.N.T当量计算：下表列出几种可燃气体的发热量。

说明：原文乙烷分子式误作C₄H₄，已按标准分子式更正为C₂H₆；原表「Hh/H_TNT」一栏未提取到数值，建议对照原图核对。

第5页：定容爆炸的概念

3.3.2 密闭空间（定容）的爆燃：理论上定容爆炸是指在钢壁容器内瞬时整体点火、且系统绝热，即不考虑容器壁的冷却效应与气体泄漏带走的热损失情况下的爆炸，因此定容爆炸压力是最高爆炸压力。

第6页：定容爆炸峰值压力

（1）特性值表示——峰值压力与压力上升速度

①峰值压力

如果已确定可燃工质的理论燃烧温度，则其定容爆炸峰值压力可利用理想气体状态方程计算得到。

第7页：爆炸压力瞬时值参数

式中：p₁、n₁、T₁——分别为初始压力（Pa）、摩尔数（mol）、温度（K）；p₂、n₂、T₂——分别为终止状态压力（Pa）、摩尔数（mol）、温度（K）；V——容器体积（m³）。

根据上式可求得爆燃过程中爆炸压力的瞬时值，可见在爆炸后的不同时刻爆炸压力不同。

第8页：定容爆炸瞬时压力计算

②定容爆炸瞬时压力计算：爆炸压力上升速率由压力随时间的变化求得。

第9页：最大爆炸压力上升速度

爆燃的另一特征值即压力上升的速度称为最大爆炸压力上升速度。由于压力上升速度定义为爆炸压力—时间曲线上升段拐点上的斜率，等于压力差与时间的商，它是衡量爆炸强度的标准，亦可认为是爆燃强度的特征值。但根据上式可以看出爆燃的压力上升速度与时间有关，而且是没有拐点的，所以通常的最大爆炸压力上升速度是实际测试的结果。

第10页：达到峰值压力的最小时间

对于烷烃系列的碳氢化合物和汽油的混合物，爆燃达到最大上升压力（峰值压力）的最小时间 t_min 大致呈现如下规律：

t_min＝246v^1/3

式中：t_min——爆燃达到峰值压力的最小时间，ms；v——气体所占的净容积。

第11页：爆燃压力曲线图

本页源文件仅提取到页码标识，页面主体为爆燃压力—时间曲线图片，位于「达到峰值压力的最小时间」与「影响特性值的因素分析」两节之间，建议对照原课件图片补充本页要点。

第12页：甲烷定容爆炸峰值压力

（2）影响特性值的因素分析——峰值压力：CH₄与空气混合达到化学计量浓度时的火焰温度大致为8～9倍初始温度，因而相应的定容爆炸峰值压力（绝对值）大致为8～9×10⁵Pa，相对压力7～8×10⁵Pa。

第13页：爆炸压力上升速率

爆炸压力上升速率

定义为压力—时间曲线上升段拐点处的切线斜率。它是衡量燃烧速度的指标，也是衡量爆炸强度的标准。爆炸压力上升速度越快，由于泄压时间短，爆炸产生的破坏力越大。

第14页：影响压力上升速率的因素

影响压力上升速率的主要因素是燃烧速度和反应容器体积：

• 可燃工质的燃烧速度越快，其爆炸压力上升速率越大；
• 容器的容积对燃气的爆炸特性有显著影响。在大小不一的容器中，丙烷爆炸所产生的最终压力虽然相同，但达到最大压力所需要的时间明显不同，在20m³容器中的反应全过程要比小容器多进行0.5s。反应容器的容积越大，其爆炸压力上升速率越小。

第15页：三次方定律与KG值

b）容器大小（三次方定律）：成立的四个条件为——容器的形状相同；可燃气体与空气的最危险混合浓度相同；可燃气体与空气混合物的湍流度相同；点火源与点火能相同。在上述条件下 K_G 值可看作一个特定的物理常数。

通常把 K_G 值称为可燃混合气体爆炸特征值，用来评价各种可燃混合气体的爆炸危险程度，K_G 值越大爆炸危险程度越大。

第16页：典型可燃气体的KG值

静态点燃可燃混合气体时几种典型可燃气体的 K_G 值（单位：MPa·m/s）：

第17页：点火位置的影响

其他因素有：点火位置、初始压力、点火能量等。

a）点火位置

一般是在容器中心点火，爆炸压力上升速率最大；接近于球壁时产生壁面导热冷却效应，K_G 值变小。

第18页：最佳爆炸特性值

• 在较大的密闭容器（V>1L）中心点燃位置上，以较大的浓度范围进行测试，可得到可燃混合气体的最佳爆炸特性值。
• 最大爆炸特征值处于可燃混合气体化学计量比的组分范围内，当浓度向爆炸上、下限方向变化时，爆炸的特性值降低。

第19页：初始压力与点火能影响

b）初始压力与点火能

初始压力很小时，爆炸特征值与使用的点燃能量无关；初始压力大则压力上升速率大（直线关系），但与使用的点火能无关（点火能只影响拐点位置）。

第20页：敞开空间的爆燃

3.3.3 敞开空间的爆燃：爆炸压力衰减快，会产生燃烧形成火焰球。火焰球直径可按 Frank.T.Boturhha 的方法计算：

D_f＝3.86W_f^0.32

式中：D_f——火焰球的直径，m；W_f——燃烧量，燃料与理论氧的质量和，kg。

第21页：Rasbash公式

3.3.4 半敞开空间的爆燃——1．Rasbash公式

式中：P_2max——峰值压力，kPa；P₀——泄压时的压力，kPa；K——泄压比；A_c——房间内的最小正截面积，m²；A_v——泄压总面积，m²。

该式适用于正常燃烧速度下的爆炸，没有考虑紊流的影响，并且应满足如下条件：①K＝1—5；②房间的最大、最小尺寸比≤3；③泄压构件面密度≤24kg/m²；④P₀≤7kPa。

第22页：Dragosavic公式

2．Dragosavic公式：式中 P₀——泄压时的压力，kPa。实验是在20m³的空间中做出的，不适用于大体积空间中的爆炸压力估计和泄压计算。

第23页：Simmonds和Cabbage公式

3．Simmonds和Cabbage公式：出现不稳定燃烧时，燃烧速度取正常燃烧速度的2倍。