设计氢气空气在标准燃烧速率下的金属网型阻火器

设计氢气空气在标准燃烧速率下的金属网型阻火器 中北大学2007级课程设计说明 目录 1 引 言 ........................................................................................................................ 2 2 阻火器相关知识 ....................................................................................................... 2 2.1机械阻火器的工作原理 ................................................................................... 2 2.2机械阻火器主要应用场所................................................................................ 2 2.3机械阻火器分类方法 ....................................................................................... 2 2.4金属网型阻火器的工作原理 ............................................................................ 3 2.5金属网型阻火器的结构 ................................................................................... 3 3 金属网型阻火器的相关参数及其计算过程 ............................................................ 4 3.1气体熄灭直径及其计算过程 ............................................................................ 4 3.2火焰传播速度及其确定方法 ............................................................................ 5 3.3阻火器壳体尺寸及其计算过程 ........................................................................ 5 3.4阻火层厚度及其计算过程................................................................................ 6 4 阻火性能测试方法 ................................................................................................... 7 5 设计甲烷/空气在标准燃烧速率下的金属网型阻火器 ........................................... 7 结论 .............................................................................................................................. 10 体会 .............................................................................................................................. 10 参考文献 ...................................................................................................................... 12 第 1 页 共 12 页 中北大学2007级课程设计说明书 1 引 言 爆炸阻隔(隔爆)是一种利用隔爆装置将设备内发生的燃烧或爆炸火焰实施阻隔，使之无法通过管道传播到其它设备中去的一种防爆技术措施。隔爆技术措施按 [1]作用机制不同，分为机械隔爆和化学隔爆两种类型。本课题通过了解机械阻火器的工作原理、主要应用场所、分类方法，金属网型阻火器的结构、工作原理，从而进一步学习金属网型阻火器的性能参数及其计算过程;最后，应用相关知识，设计 空气在标准燃烧速率下的金属网型阻火器(要求壳体的管道公称直径为15mm，甲烷/ 壳体直径为50mm,壳体总长为100mm)。 2 阻火器相关知识 2.1机械阻火器的工作原理 机械阻火器常由大量只允许气体但不允许火焰通过的细小通道或孔隙固体材料组成，当火焰进入这些细小通道后就会形成许多细小火焰流，由于通道或孔隙传热面积相对增大，火焰通过道壁时加速了热交换，使温度迅速下降到着火点以下而使火焰熄灭;另一方面，可燃气体在外界能源激发作用下，会因分子键受到破坏而产生活化分子，这些具有反应能力的活化分子发生化学反应时，首先分裂成自由基，这些自由基与反应分子碰撞几率随阻火器通道尺寸减小而下降，当通道尺寸减小到火焰最大熄灭直径时，这种器壁效应就为阻止火焰继续传播创造了条件。 2.2机械阻火器主要应用场所 1、输送易燃或可燃气体管道; 2、存储石油和石油产品油罐; 3、爆炸危险系统通风管口; 4、加热炉中的可燃气体网管; 5、油气回收系统及内燃机排气系统。 2.3机械阻火器分类方法 ,1,按用途不同分类 ? 隔爆型:主要用于阻隔可燃物燃烧或爆炸火焰的传播，且能承受一定的爆炸压力的作用 第 2 页 共 12 页 中北大学2007级课程设计说明书 ? 耐烧型:主要用于阻止可燃物燃烧火焰的传播，且能承受一端时间的燃烧作用。 ? 阻爆轰型:主要用于阻止可燃物从爆燃向爆轰转变火焰的传播，且能承受较大爆炸压力的作用。 ,2,按结构不同分类 机械阻火器按结构不同可以分为金属网型阻火器、波纹型阻火器、泡沫金属型组火器、平行板型组火器、多孔板型组火器、充填型组火器、复合型组火器、星型旋转组火器。 2.4金属网型阻火器的工作原理 金属网型阻火器主要由阻火器壳体、金属网层(阻火层)两部分组成。阻火层由单层或多层不锈钢丝网重叠制作而成，阻火效果随金属网层增加而增加，但当金属网层数增加到一定值后，阻火效果增强不再显著。金属网层数及阻火性能与金属网孔大小有关。一般来说，网孔较小的金属网要求层数相对较少，但金属网孔眼过小会因流体阻力增大而造成堵塞。目前，国内常用阻火层金属网的网孔为16—22目，国外则多采用网孔为30目和40目的阻火层金属网。 2.5金属网型阻火器的结构 金属网型阻火器主要由阻火器壳体、金属网层(阻火层)两部分组成。如下图2-1所示: 图2-1 第 3 页 共 12 页 中北大学2007级课程设计说明书 3 金属网型阻火器的相关参数及其计算过程 3.1气体熄灭直径及其计算过程 使火焰不能继续传播的阻火器最大通道直径称为气体熄灭直径。气体熄灭直径大小取决于气体种类，并直接关系到阻火器的阻火效能。在设计阻火器时，应根据可燃气体燃烧速度选取熄灭直径，这种估算方法对大多数饱和烃和易燃气体适用，但不适用燃烧速度更快的易燃气体。另外，由于乙炔气体具有许多不同于一般易燃气体的特性，不能按饱和烃来处理。常态下几种常见气体的燃烧速率与熄火直径数据列于下表: 表3-1常态下气体燃烧速率及熄火直径数据 气体类型 标准燃烧速率 熄灭直径 气体类型 标准燃烧速率 熄灭直径 /mm /mm ,1,1/m? /m? ss 甲烷/空气 0.365 3.65 乙炔/空气 1.767 0.78 丙烷/空气 0.475 2.66 氢气/空气 3.352 0.86 丁烷/空气 0.396 2.79 丙烷/氧气 3.962 0.38 己烷/空气 0.396 3.05 乙炔/氧气 11.277 0.13 乙烯/空气 0.701 1.90 氢气/氧气 110887 0.30 一般来说，阻火层通道或孔隙直径可按气体熄灭直径来选取，但由于剥燃火焰速度远快于标准燃烧速度，因此，在实际设计中，阻火层通道或孔隙直径按半气体熄灭直径选取，当然也可以通过增加阻火层厚度来提高阻火器效能。阻火层孔隙大小是影响阻火效能的重要因素，易燃气体熄灭直径大小直接关系到阻火层的孔隙尺寸。熄灭直径可以通过试验来测定，也可通过熄灭间隙来近似估算: 0.403d0,,,,,, ……………………(式3-1) min D,1.54d ………………………(式3-2) 00 式中: ——熄灭间隙，mm d0 ,——最小点火能，mJ min ——熄灭直径，mm D0 注:对于金属网型阻火器的阻火层，其孔网直径一般不得超过熄灭直径的一半， 第 4 页 共 12 页 中北大学2007级课程设计说明书 1即，——网孔直径。 hDm,0hm2 3.2火焰传播速度及其确定方法 在一端开口的管道内，点火方式可以分为靠近开口端点火、靠近闭口端点火或靠近阻火器处点火三种情形。无论采用何种点火方式，阻火器内火焰传播速度均取决于可燃气体的性质和点火点与阻火器之间的距离(即点火距离)。在光滑无阻碍直管道内，对于点火距离靠近管道开口端时的点火情形，不同性质气体在管径为300mm管道内的火焰传播速度测试数据列于下表3-2。从表中可以看出，在相同的点火距离下，不同性质气体的火焰传播速度并不相同，同一种气体的火焰传播速度随点火距离的增大而迅速提高。 表3-2火焰传播速度与点火距离的关系 点 火 火 距 焰 离传 播 速 度 气体名0.304 1.500 3.00 10.00 ,称 /甲烷/空气 4.8 70.0 100.0 100.0 / 乙烯/空气 30 70 152 2133 氢气/空气 2133 2133 ,1注:火焰传播速度(m?); 点火距离(/m); s 3.3阻火器壳体尺寸及其计算过程 阻火器壳体的设计必须符合一定的要求。例如:为使阻火器的壳体能耐腐蚀，壳体可采用铸铁、铸铝、铸钢等材料来制造，在阻火器内部或与其他设备组装时，不得使用动物皮革或者植物纤维垫片;此外，在内部爆炸压力的作用下，阻火器壳体不得发生破裂或者永久性变形，并能够承受0.9MPa以上的水压试验，在水压试验中，阻火器内部垫片及其他部位1min内应该没有渗漏和破裂或塑性变形等发生。对于塑性材料的阻火器壳体，其厚度可以按照下面的来计算: pDSCB,， ………………………(式3-3) 2.3pL,, 式中: ——阻火器壳体厚度，cm; SB D——壳体中腔最大内径，cm; ,L——材料允许拉应力，MPa; 第 5 页 共 12 页 中北大学2007级课程设计说明书 p——设计压力，一般可取公称压力，MPa; C——附加裕量，cm. 阻火器壳体尺寸会直接影响流体阻力的大小。通常情况下，阻火器壳体直径(D)应比与其配合使用的管道公称直径(d)大4倍(即D?4d)，阻火层距离阻火器壳 ,,,LL体前后端的长度分别为?(0.5,1.0)D和?(0.5,1.5)D。 3.4阻火层厚度及其计算过程 对于金属网型和多孔板型阻火器，阻火层能有效阻止火焰传播的最大速度(不包括爆轰火焰速度)可以按以下经验公式进行计算: ay,,m0.38 ………………………………(式3-4) 2dm 式中: ——阻火器能阻止火焰传播的 ,m 最大速度，m/s; a——有效面积比，即阻火层实际 面积与阻火层空隙面积之比; y ——阻火层厚度，cm d——阻火层孔眼直径，cm. m d上式用于圆形孔眼，表示直径; m d用于方形孔眼，表示宽度。关于阻火层厚 m 度与最大火焰速度关系如右图3-1所示: 图3-1 第 6 页 共 12 页 中北大学2007级课程设计说明书 4 阻火性能测试方法 在阻火器使用之前，必须经过阻爆和耐烧性能测试。阻爆试验是指在一定距离内将试验装置内的可燃气体点燃，使火焰或火花通过阻火器时被熄灭的一种试验。耐烧试验则是指在无回燃条件下，使可燃气体燃烧火焰持续通过阻火层时，阻火层能够承受一定时间内的火焰燃烧而不被烧坏的一种试验。此外，一个性能优良的阻火器除了具有良好的阻火和耐烧性能，还要有尽可能小的流阻。阻火器压降的大小取决于其结构形式及气流速度不同阻火器的压降一般需要通过试验来测定，也可以利用经验公式进行估算。 5 设计氢气/空气在标准燃烧速率下的金属网型阻火器 设计氢气/空气在标准燃烧速率下的金属网型阻火器(要求壳体的管道公称直径为15mm，壳体直径为50mm,壳体总长为100mm)。 设计一形状为圆柱壳体、材料为铸钢(型号ZG230-450)的金属网型阻火器: (1)计算气体熄灭直径和最大孔网直径: [2],查下表5-1，得氢气/空气混合物的最小点火能为,0.019mJ, min 表5-1典型气体-空气混合物的最小点火能量 名 称 最小点火能(mJ) 名称 最小点火能(mJ) 二硫化碳 0.009 丁烷 0.25 乙炔 0.019 乙烷 0.25 氢 0.019 丙烷 0.26 乙醚 0.019 甲烷 0.28 苯 0.20 丙烯 0.28 戊烷 0.24 0.4030.403,4.53Ed由式3-1得气体熄灭间隙: ,4.53×,2.632mm由式3-20.280min 得气体熄灭直径: ,1.54×2.632,4.05328mm D00,,,,,d 11 最大孔网直径:,×4.054,2.027mm hDm,022 (2)确定火焰传播速度: 查表3-2，取最近点火距离0.304m，得甲烷/空气混合物的火焰传播速度为,m 第 7 页 共 12 页 中北大学2007级课程设计说明书 ,4.8 m/s. (3)阻火器壳体尺寸设计: 已知壳体直径为50mm，查机械设计课程设计手册得工程用铸造碳钢(型号 [3]ZG230-450)的抗拉强度=450MPa，令==450MPa ,b,L,b pDp(15-2S)BB,S 则有:= ,L,，,2.3p2.3450p --ppp 1035?=152? ,SBSBSB 15pSB,, ,,,,，p 根据机械设计相关理论知识，脆性材料的安全系数应取S=3,4，不妨假设S=3， [4]这时材料允许拉应力p=150 MPa，安全性可以达到。 15p15，,,,SB, ,= =1.90cm; 为设计安全起见这里令=2.0cm SB,,,,，p,,,,，,,, (4)阻火层厚度计算过程: ?有效面积比a的确定: d由于d=0.25时，远小于最大孔网直径,2.0075mm，所以令=0.25 mm， hmmaxm d读图3-1得:当=24 m/s, =0.25mm，时，阻火层厚度y=0.85mm，(见下图5-1),mm ay0.085a,,m0.38,,根据式3-4，得:24=0.38=0.46 所以取=0.4。 aa220.025dm 图5-1 第 8 页 共 12 页 中北大学2007级课程设计说明书 ?阻火层厚度y的计算: 查表3-2得甲烷/空气混合物的火焰传播速度为=4.8 m/s根据式3-4，得:,m ay0.4yy 4.8=0.38 =0.02cm=0.2mm ,,m0.38,,220.025dm ,,,LL(5)阻火层距离阻火器壳体前后端长度、的计算: 壳体总长为L=100mm, 壳体直径为D=50mm由于阻火层距离阻火器壳体前后端 ,,,LL的长度分别为?(0.5,1.0)D和?(0.5,1.5)D。 ,,,LLy+=L-2?-=100-2?20-0.2=59.8mm SB ,,,LL可以取=29.8 mm ， =30 mm;则满足上述条件。 [5]其完整的设计图如下: 金属网型阻火器设计图 第 9 页 共 12 页 中北大学2007级课程设计说明书 结论 通过以上的计算、设计等相关步骤，可以设计出一个形状为圆柱形壳体、材料为铸钢(型号ZG230-450)的金属网型阻火器(甲烷/空气)。它的壳体直径为50mm，壳体总长为100mm，壳体厚度为20 mm，阻火层厚度为0.2 mm，阻火层距离阻火器 ,,,LL壳体前后端长度分别为=29.8 mm、=30 mm。 体会 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程(”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义(我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础( 说实话，课程设计真的有点累(然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味这3周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消(虽然这是我刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟的许多，另我有了一中”春眠不知晓”的感悟( 通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致(课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱:有2次因为不小心我计算出错，只能毫不情意地重来(但一想起老师平时对我们耐心的教导，想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提示自己，一定呀养成一种高度负责，认真对待的良好习惯(这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练( 短短三周是课程设计，使我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，几年来的学习了那么多的课程，今天才知道自己并不会用(想到这里，我真的心急了，老师却对我说，这说明课程设计确实使我你有收获了(老师的亲切鼓励了我的信心，使我更加自信( 记得一位老师说得,有有些事情的产生只是有原因的,别人能在诸如学习上取得了不一般的成绩,那绝对不是侥幸或者巧合,那是自己付出劳动的成果的彰显,那是自己辛苦过程的体现.这种不断上进,认真一致的心态也必将导致一个人在生活 第 10 页 共 12 页 中北大学2007级课程设计说明书 和学习的各个方面做的很完美,有位那种追求的锲而不舍的过程是相同的,这就是一种优良的品质,它将指引着一个人意气风发,更好走好自己的每一步. 在今后的学习中,一定要戒骄戒躁,态度端正,虚心认真….要永远的记住一句话态度决定一切. 第 11 页 共 12 页 中北大学2007级课程设计说明书 参考文献 [1] 王凤英，刘天生.防火防爆技术.山西:中北大学出版社，2007 [2] 胡双启，张景林.燃烧与爆炸.北京:兵器工业出版社，1992 [3] 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册.第3版.北京:高等教育出版社，2006 材料力学.北京: 清华大学出版社，2004.1 [4] 任文敏，陈艳球，范钦珊. 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