金属网式阻火器设计

2011级安全工程专业课程设计目录1引言…………………………………………………………………………………12阻火器相关知识………………………………………………………………12.1机械阻火器工作原理……………………………………………………12.2机械阻火器主要应用场所…………………………………………………12.3机械阻火器分类方法………………………………………………………12.4金属网型阻火器的工作原理………………………………………………22.5金属网型阻火器的结构……………………………………………………23金属网型阻火器的性能参数及其计算过程……………………………………33.1气体熄灭直径及其计算过程………………………………………………33.2火焰传播速度及其确定方法………………………………………………43.3阻火器壳体尺寸及其计算过程……………………………………………43.4阻火层厚度及其计算过程…………………………………………………54阻火性能测试方法………………………………………………………………55己烷/空气在标准燃烧速率下的金属网型阻火器的设计……………………6结论…………………………………………………………………………………9体会…………………………………………………………………………………9附图…………………………………………………………………………………11参考文献……………………………………………………………………………132011级安全工程专业课程设计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。隔爆技术措施按作用机制不同，分为机械隔爆和化学隔爆两种类型[1]。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，设计己烷/空气在标准燃烧速率下的金属网型阻火器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①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2011级安全工程专业课程设计②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。③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金属网型阻火器结构2011级安全工程专业课程设计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/m·1s熄灭直径/mm气体类型标准燃烧速率/m·1s熄灭直径/mm甲烷/空气0.3653.65乙炔/空气1.7670.78丙烷/空气0.4752.66氢气/空气3.3520.86丁烷/空气0.3962.79丙烷/氧气3.9620.38己烷/空气0.3963.05乙炔/氧气11.2770.13乙烯/空气0.7011.90氢气/氧气1108870.30一般来说，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：0.4030mind式3-100dD式3-2式中：0d——熄灭间隙，mmmin——最小点火能，mJ0D——熄灭直径，mm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一2011级安全工程专业课程设计半，即012mhD，mh——网孔直径。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火焰传播速度点火距离气体名称0.3041.5003.0010.000丙烷/空气4.870.0100.0100.0乙烯/空气30701522.133氢气/空气——2.1332.133注：火焰传播速度（m·1s）；点火距离（/m）；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公式来计算：BpDSC2.3pL式3-3式中：BS——阻火器壳体厚度，cm；D——壳体中腔最大内径，cm；L——材料允许拉应力，MPa；p——设计压力，一般可取公称压力，MPa；2011级安全工程专业课程设计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体前后端的长度分别为L≈（0.5～1.0）D和L≈（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：m2ay0.38md式3-4式中：m——阻火器能阻止火焰传播的最大速度，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，cmmd——阻火层孔眼直径，cm.上式用于圆形孔眼，md表示直径；用于方形孔眼，md表示宽度。关于阻火层厚度与最大火焰速度关系如右图3-1所示：图3-14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设计己烷/空气在标准燃烧速率下的金属网型阻火器2011级安全工程专业课程设计令壳体的管道公称直径为40mm，壳体直径为150mm,壳体总长为200mm设计己烷/空气在标准燃烧速率下的金属网型阻火器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：查下表5-1[2]，得己烷/空气混合物的最小点火能为min＝0.31mJ,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己烷0.31由式3-1得气体熄灭间隙:0d403.0min53.4E＝4.53×403.031.0＝2.8256mm由式3-2得气体熄灭直径:00dD＝1.54×2.8256＝4.3514mm最大孔网直径：012mhD＝12×4.3514＝2.1757mm（2）阻火器壳体尺寸设计：已知壳体直径为150mm，查机械设计课程设计手册得工程用铸造碳钢（型号ZG230-450）的抗拉强度b=450MPa[3]，令L=b=450MPa则有：BpDS2.3pL=Bp(15-2S)2.3450p1035BS-p·BS=15p-2p·BSB15pSp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，这时材料允许拉应力p=150MPa[4]，满足安全性要求。B15pSp=15=1.90cm；为安全起见留有一定的裕量，这2011级安全工程专业课程设计里令BS=2.0cm则有附加裕量C=2.0-1.9=0.1cm（3）阻火层厚度计算过程：①有效面积比a的确定：由于d=0.25时，远小于最大孔网直径maxmh＝2.1757mm，所以令md=0.25mm，读图3-1得：当m=24m/s,md=0.25mm，时，阻火层厚度y=0.85mm，（见下图5-1）根据式3-4，得：m2ay0.38md24=0.3820.085a0.025a=0.46所以取a=0.4。图5-1②阻火层厚度y的计算：查得己烷/空气混合物的标准燃烧速率为0.396m/s根据式3-4，得：m2ay0.38md3.96=0.3820.4y0.025y=0.016cm=0.16mm为有一定的安全裕量，这里取y=0.2mm（4）阻火层距离阻火器壳体前后端长度L、L的计算：壳体总长为L=200mm,壳体直径为D=150mm由于阻火层距离阻火器壳体前后端的长度分别为L≈（0.5～1.0）D和L≈（0.5～1.5）D。L+L=L-2·BS-y=200-2·20-0.2=159.8mm可以取L=79.8mm，L=80mm；则满