锅炉爆炸能量计算.doc
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6.1.3锅炉爆炸能量计算
锅炉爆炸对周围环境产生破坏的能量来自两方面:
①锅筒内的高压蒸汽膨胀。
由于锅炉爆炸是在极短的时间内发生的,高压蒸汽来不及与外界热交换,释放的能量可视为绝热膨胀所作的功。
②饱和水迅速汽化、继续膨胀所作的功。
当锅筒破裂、筒内液面压力瞬时下降为大气压,原工作压力下高于100℃的饱和水此时变得极不稳定,变成在大气压下难以存在的“过饱和水”,其中一部分即瞬时汽化,体积骤然膨胀许多倍,在容器周围空间形成爆炸。
两者相比,后者所产生的能量远远大于前者。
爆炸能量在向外释放时以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量等三种形式表现出来。
据介绍,后二者所消耗的能量只占总爆炸能量的3%~15%,也就是说大部分能量是产生空气冲击波。
假若1台20t/h的锅炉总容量为20m3,其中水量15m3,蒸汽5m3,工作压力1.3MPa(表压),计算其爆炸时对周围人员及建筑物的伤害(破坏)作用,可按下列程序进行。
1)锅炉爆炸能量
计算锅炉爆炸产生的能量:
E=ES+EW=VSCS+VWCW
式中,E——总释放能量;
ES——爆炸能量蒸汽;
EW——饱和水爆炸能量;
VS——蒸汽体积;
VW——饱和水体积;
CS——蒸汽爆炸能量系数;
CW——饱和水爆炸能量系数。
表6-2 常用压力下CS、CW值(kJ/m3)
表压力/MPa
0.5
0.8
1.3
2.5
3.0
CS
8.31×102
1.5×103
2.75×103
6.24×103
7.77×103
CW
3.25×104
4.56×104
6.35×104
9.56×104
1.06×105
该锅炉爆炸总释放能量为:
E=2.75×103×5+6.35×104×15=966.3×103(kJ)
2)锅炉爆炸能量换算成TNT当量
将锅炉爆炸能量E换算成TNT当量q,其关系式为:
q=E/qTNT
式中,qTNT为1kgTNT的爆炸能量,取平均爆破为4500kJ/kg计算。
q=966.3×103/4.5×103≈215(kg)
即该锅炉爆炸约相当于215kgTNT炸药的爆炸能量,因而对周围环境能产生较大的破坏力。
3)求爆炸试验的模拟比爆炸试验的模拟比
a=(q/q0)1/3
式中,a——炸药爆炸试验的模拟比;
q0——为取1000kgTNT
4)求模拟爆炸试验中的相当距离R0
在1000kgTNT模拟爆炸试验中的相当距离R0=R/a。
根据公式R=a×R0,人员伤害超压准则及建筑物破坏的超压准则,即可计算出锅炉爆炸时,其冲击波超压能量造成人员伤害及建筑物损坏的距离R值,见表6-3、表6-4。
表6-3冲击波超压对人体的伤害作用
超压ΔP/MPa
伤害程度
R0/m
R/m
0.02~0.03
轻微损伤
≤55
≤33
00.03~0.05
听觉器官损伤,内脏轻微出血,骨折
.≤42
≤25.2
0.05~0.10
内脏严重损伤,可引起死亡
≤33
≤19.8
>0.10
大部分人员死亡
≤23
≤13.8
表6-4冲击波超压对建筑物的破坏作用
超压ΔP/MPa
损坏程度
R0/m
R/m
0.015~0.02
窗框损坏
≤68
≤40.8
0.02~0.03
墙裂缝
≤55
≤33
0.04~0.05
墙大裂缝,屋瓦掉下
≤37
≤22.2
0.06~0.07
木建筑厂房房柱折断,房架松动
≤29
≤17.4
0.07~0.10
砖墙倒塌
≤27
≤16.2
0.10~0.20
防震钢筋混凝土破坏,小房屋倒塌
≤23
≤13.8
0.20~0.30
大型钢架结构破坏
≤17
≤10.2
注:
表2、表3中符号“≤”含义,以伤害破坏程度对区域内有无而论断的。
由此可见,该锅炉发生爆炸时,距爆炸中心13.8m以内的人员将大部分死亡,并且此死亡范围内的防震钢筋混凝土破坏,小房屋倒塌,大型钢架结构破坏。
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