Thermal Radiation Analysis

แสดงความเห็นโดยpongsakorn monturatเขียนแล้วในThermal Radiation Analysis

การแผ่รังสีความร้อนจากเหตุการณ์ไฟไหม้และผลกระทบจากความร้อนนั้น ความร้อนส่วนใหญ่มาจากการแผ่รังสีความร้อนซึ่งสามารถคำนวณได้ตาม Stefan-Boltzmann equation

อย่างไรก็ตาม สมการนี้ไม่สามารถนำไปใช้ในสภาพจริงได้ เนื่องจากอุณหภูมิของเปลวไฟแตกต่างกันทั่วทั้งเปลวไฟ มันไม่ใช่ค่าคงที่ เนื่องจากมีปัจจัยอื่นๆที่ส่งผลต่อการแผ่รังสีความร้อน เช่น ความเป็นเขม่า

ดังนั้นในการหาการถ่ายเทความร้อนและผลกระทบของมัน มักจะใช้แบบจำลองอยู่ 2 แบบ

  1. Point Source Model
  2. Solid Flame Model

Point Source Model

โมเดล point source ไม่ได้พิจารณาถึงรูปร่างของเปลวไฟ แต่สมมติว่าความร้อนเกิดจากจุดกำเนิดในรูปทรงกลม โดยทั่วไปแล้วสมการนี้จะแสดงผลลัพธ์แบบ conservative

สมการโมเดล point sources ที่นิยมใช้คือ API Method, Brzustowski และ สมการ Sommer

Solid Flame Model

การออกแบบโมเดลเปลวไฟแบบของแข็ง ได้ตั้งสมมติว่าเปลวไฟมีรูปร่างเป็นของแข็งที่ปล่อยความร้อนออกมาเฉพาะจากพื้นผิวเท่านั้น รูปร่างของเปลวไฟจะถูกนำมาพิจารณา อัตราการถ่ายเทของความร้อนจะถูกคำนวณเป็นฟังก์ชันของ พลังงานการปล่อยจากพื้นผิว Surface Emitting Power (SEP), ปัจจัยรูปร่าง, และการส่งผ่านของบรรยากาศ Atmospheric Transmissivity

API Method

วิธีการ API อ้างอิงจากการถ่ายเทของความร้อนจากแหล่งความร้อนแบบ Point Source และการแผ่รังสีความร้อนที่อนุญาตที่จุดรับ Allowable heat radiation วิธีนี้พัฒนาโดยวิธีของ Hajek และ Ludwig เพื่อกำหนดการแผ่รังสีของเปลวไฟไปยังจุดที่สนใจ มันเป็นแบบจำลองแหล่งจุดที่ใช้ได้กับเปลวไฟแบบ Jet Fire ทั้งแบบ laminar flow และ turbulent flow

สมมติฐานหลักของวิธี API คือเปลวไฟจะถูกพิจารณาเป็นแหล่งจุดเดียวที่ตั้งอยู่ที่ศูนย์กลางของเปลวไฟซึ่งแผ่รังสีออกไปในทุกทิศทางจากศูนย์กลาง และอัตราส่วนของความเข้มของความร้อนที่ส่งผ่าน (Fraction of heat intensity transmitted) ถูกสมมติว่าเป็น 1.0

ตามที่อธิบายข้างต้น หนึ่งในปัจจัยที่มีผลต่อการถ่ายเทของความร้อนคือระยะทาง ที่หลายๆ โมเดลให้ความสำคัญ สำหรับโมเดล API ได้จัดเตรียมแผนภูมิอ้างอิงเพื่อกำหนดความสูงของเปลวไฟรวมถึงการยกตัวขึ้นดังนี้

ค่าแกน X จะได้จากการคำนวณความร้อนของสาร ลากขึ้นไปตัดเส้นตรงแล้วหักไปตัดแกน Y จะได้ค่าความสูงของเปลวไฟ ในหน่วย เมตร

และเมื่อพิจารณาผลกระทบของลมจากสิ่งแวดล้อมภายนอกต่อความเร็วของการไหลที่ออกจากรูหรือท่อ จะทำการเบี้ยวของเปลวไฟ กราฟต่อไปนี้จะถูกใช้

Example-1

Design the flare exclusion zone 6.3 kW/m2 of the elevated flare stack height 33.3-meter, fraction of heat radiated 0.3, the maximum capacity at 34,056 m3/h and the heat radiation at flame is 6.3×105 kW through the flare inside diameter 0.468 meter against the design wind velocity is 8.9 m/s. The material is hydrocarbon vapour, the average relative molecular mass of vapour is 46.1 and the flow temperature is 422 K.

Brzustowski and Sommer

The equation for the calculation of the heat flux at a given distance is the same as the API method above. Both methods are based on the single-point source. But Brzustowski and Sommer method is more preciously consider in the location of flame center shall upon the diffusion of a turbulent jet to the lean explosive concentration unit one.

The lower explosive limits of mixtures can be calculated using Le Chatelier’s rule as follows.

Then additional factors that need to be calculated for assessing the wind effects to flame geometry are the lower explosion limit concentration parameter and jet trust and wind trust parameter. Hence, the actual location of flame center can be determined via the below graph.

And lastly, Brzustowski and Sommer recommend the use of fraction of heat intensity transmitted (Tau) to correct the radiation impact. This is because of the environmental also can also absorb the heat about 10% to 20% over distance of 150 meter.

Fraction Heat Radiated (F) Factor

The F Factor or fraction of combustion heat radiated from a flame is the most important single parameter in the calculations of thermal radiation calculation.

Flare Design

ในการออกแบบปล่องเผาไหม้ หรือ Flare สามารถออกแบบได้ตาม International Standard ดังนี้

  1. API STD 521, Pressure-relieving and Depressuring Systems ที่จะแสดงถึงวิธีการออกแบบความสูงที่ต้องการของหอเผาไหม Flare ด้วยสมการต่างๆที่กล่าวข้างบน
  2. API STD 537, Flare Details for General Refinery and Petrochemical Services ที่จะอธิบายส่วนประกอบต่างๆของหอเผาไหม้ พร้อมทั้งระบบที่ควรจะมีเพื่อป้องกันอันตรายที่อาจจะเกิดขึ้น