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.


Hình 3.8: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí. Biết K
st,
P
stat
= 0,5 bar.



Hình 3.9: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí. Biết loại hạt bụi (Classes of
Dusts, St-)
,
P
stat
= 0,1 bar.


Hình 3.10: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí. Biết loại hạt bụi (Classes of
Dusts, St-)
,
P
stat

= 0,2 bar.

Hình 3.11: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí. Biết loại hạt bụi (Classes of
Dusts, St-)
,
P
stat
= 0,5 bar.



Hình 3.12: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí. Loại hạt bụi St-1
,
P
max
= 9,0
bar.


Hình 3.13: Đồ thị tính DTLT cho hạt bụi và không khí. Loại hạt bụi St-2
,
P
max
= 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·P
stat
};
b = 0,978·exp{-0,105·P
stat
};
c = - 0,687·exp{0,226·P
stat
}

Hình 3.9 (P
stat
= 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 (P
stat
= 0,2 bar)
(8)
với
C = 1,93133 cho St-1 støv
C = 1,71583 cho St-2 støv
C = 1,50115 cho St-3 støv


Hình 3.11 (P
stat
= 0,2 bar)
(9)
với
C = 1,94353 cho St-1 støv
C = 1,69627 cho St-2 støv
C = 1,50437 cho St-3 støv


Các hạt bụi được phân loại như sau

Loại hạt bụi K
st
(bar m/s)
St-1 ≤ 200
St-2 201 – 300
St-3 > 300

A
af
là diện tích lổ thoát (m
2
), V là thể tích bình chứa (m
3
), K
st
là hằng số nổ, P
red
là áp suất

giảm (bar), P
stat
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.

e) Bình chứa là các ống dài
Trường hợp bình chứa là các ống dài hoặc bình chứa có hình dáng khá phức cần phải nghiên
cứu kỹ hơn. Phần này có thể xem trong tài liệu [1] và các tài liệu khác.


3. Phương pháp của VDI [4]
Verein Deutscher Ingenieure (VDI) phân ra hai loại bình chứa: 1) loại bình ngắn và 2) loại
bình dài. Bình ngắn theo VDI là bình có tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính (chiều ngang)
(L/D) nhỏ hơn hoặc bằng 2 (L/D ≤ 2) và bình dài là bình có L/D > 2.

Hai loại trộn lẫn 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: 0 < K
st
≤ 200
St-2: 200 < K
st
≤ 300
St-2: 300 < K

st



a) Bình chứa ngắn (L/D ≤ 2,0)
• Trường hợp trộn đều


(10)


với A
af
là diện tích lỗ thoát (m
2
), K
st
là hằng số nổ (-), P
max
là áp suất tối đa (bar), P
red
áp
suất giảm (bar), P
stat
là áp suất tĩnh (bar), L là chiều dài bình chứa (m), D
F
là đường kính
của ống nối với bình chứa (m), D
Z
là đường kính bình chứa (m).


Phương trình (PT) (10) có giá trị cho
o Thể tích bình chứa 0,1 ≤ V ≤ 10.000 m
3
o Áp suất tối đa ban đầu P
b
≤ 0,2 bar
o Áp suất tĩnh 0,1 ≤ P
stat
≤ 1 bar
o “Áp suất giảm” tối đa 0,1 ≤ P
red
≤ 2 bar
o Áp suất tăng tối đa 5 ≤ P
max
≤ 10 bar cho hạt bụi 10 ≤ K
st
≤ 300 bar m /s
5 ≤ P
max
≤ 12 bar cho hạt bụi 300 ≤ K
st
≤ 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 A
af
là diện tích lỗ thoát (m
2
), K
st
là hằng số nổ (-), P
max
là áp suất tối đa (bar), P
red
áp
suất giảm (bar), P
stat
là áp suất tĩnh (bar), L là chiều dài bình chứa (m), D
F
là đường kính
của ống nối với bình chứa (m), D
Z
là đường kính bình chứa (m). D
z
có thể 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) 15 ≤ U ≤ 40 m/s

o Vận tốc của thể tích hỗn hợp Q ≤ 2500 m
3
/h
o Thể tích bình chứa 5 ≤ V ≤ 10.000 m
3
o Áp suất tối đa ban đầu P
beg
≤ 0,1 bar
o Áp suất tĩnh P
stat
≤ 0,1 bar
o “Áp suất giảm” tối đa 0,1 ≤ P
red
≤ 2 bar
o Áp suất tăng tối đa 8 ≤ P
max
≤ 9 bar
o Hằng số nổ tối đa 50 ≤ K
st
≤ 300 bar m /s

PT(11) đã ứng dụng trong trường hợp với vận tốc KK cao, tuy nhiên vận tốc thể tích Q
≤

5000 m
3
/h, bình chứa có áp suất chịu đựng tối đa P < 0,25 bar và P
red

≤

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 P
red
≥ 1,5
bar hay hạt bụi trong trường hợp trộn không đều và P
red
≥ 2,0 bar. Trong các trường hợp này
công thức (PT) cho bình chứa ngắn (L/D ≤ 2) xử dụng

Diện tích lỗ thoát (DTLT) cho bình chứa dài có thể tính

(14)

với A
af,L
là DTLT cho bình chứa dài (L/D > 2) (m
2
), A
af
là DTLT cho bình chứa ngắn (L/D ≤ 2)
có cùng thể tích (m
2
), ∆A là diện tích lỗ thoát tăng thêm vì L/D > 2 (m
2
)


Cho trường hợp trộn đều
(15)

Cho trường hợp trộn không đều

(16)

với ∆A
H
là DTLT tăng lên cho hạt bụi trong trường hợp trộn đều (m
2
), A
af
là DTLT cho bình
chứa ngắn (L/D ≤ 2) (m
2
) (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
aflastningsarealerne som for støv med homogent fordeling.

Cho P
stat
= 0,1 bar và P
Bem

= P
red
vào PT(10), ta được

(17)

DTLT tăng PT(15) là

(18)

với L
3
là chiều dài nhất, D
E
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 đơn giản (để dễ kiểm soát và đo được)
không thể đúng hoàn toàn cho các công trình (hình dáng bình chứa, quá trình sản xuất,
v.v.) phức tạp được.