波纹型阻火器设计(DOC)

波纹型阻火器设计（氢气/空气）第1页/共10页1.设计目的阻火器的作用是防止外部火焰窜入存有易燃、易爆物料的设备、管道、容器内，或者阻止火焙在设备和管道闻蔓延。氢气阻火器作为极其重要的爆炸保护装置，已被广泛应用于冶金、石化、化工、电子、机械、医疗、采煤、轻工等行业的生产过程中。最近的发展趋势是将阻火器和一些“主动系统”连用，诸如温度传感器、差分式压力表[1]。根据国家规定，氢气放空管应设阻火器。阻火器应设在管口处。有明火的用氢设备还应设阻火器。众所周知，氢气是易燃易爆气体，氢气的火焰传播速度快，火焰速度可达每秒千米，并伴有30MPa(G)或更高压力的冲击波。一旦回火便迅速传至整个系统，后果严重。因此，为了防止氢气管道中氢气的燃烧、毁坏设备和威胁生命安全，在使用氢气的过程中，应考虑氢气阻火器的设置。例如，应用于氢气站的管道车或集装格供应氢气汇流排管道上的放空管，现场制氢装置(甲醇裂解，水电解，氨分解)放空管均应采用管端式氢气阻火器。不锈钢生产中的光亮退火炉、光电照明生产、电子磁性材料、医疗器材、光纤对接生产设备氢气输送均应采用管道式氢气阻火器等等[2]。目前，国内生产的氢气阻火器多为金属丝网式、填料式、水封罐式等。这些阻火器都存在着不同的缺点(如金属丝网式易塞，阻力较大，不便清洗，而且寿命短，操作的可靠性较低；水封罐式在冬天必须有保温措施)，最主要的是缺乏严谨的阻火设计技术和精密的专业机械加工测试标准和设备，致使阻火器性能及可靠性存在着潜在的问题，正被逐渐淘汰[3]。现在国家有关部门已经重视阻火器的研究试制。爆炸阻隔是爆炸防护技术的主要措施之一，通过本设计，进一步学习防火防爆的基本理论知识，了解机械阻火器的工作原理、分类方法，主要掌握波纹型阻火器的工作原理、结构等。此次设计的是一种可靠性高、结构紧凑的氢气阻火器——波纹型氢气/空气阻火器。波纹型阻火器设计（氢气/空气）第2页/共10页2.阻火器的原理及应用2.1阻火器的原理当火焰通过狭小隙时，由于热量损失突然增大，使之燃烧不能继续下去而熄灭。因此，影响阻火器性能的因素是阻火层的孔隙或通道的大小及阻火层的厚度。阻火芯采用不锈钢波纹填料，其工作原理是当易燃气管道因某种原因着火时，火焰沿着管道向未燃气体蔓延，通过阻火器时，火焰进入波纹填料三角形小孔时便会淬熄（即小孔淬熄），从而起到阻火的效果。由于“临介孔效应”使火焰不能通过，同时由于“器壁效应”使火焰温度迅速下降，从而阻止火焰蔓延。所以火焰能够被熄灭的机理是传热作用和器壁效应[4]。2.1.1传热作用阻火器能够阻止火焰继续传播并迫使火焰熄灭的因素之一是传热作用。阻火器是由许多细小通道或孔隙组成的，当火焰进入这些细小通道后就形成许多细小的火焰流。由于通道或孔隙的传热面积很大，火焰通过通道壁进行热交换后，温度下降，到一定程度时火焰即被熄灭。2.1.2器壁效应根据燃烧与爆炸连锁的反应理论，认为燃烧与爆炸现象不是分子间直接作用的结果，而是在外来能源（热能、辐射能、电能、化学反应能等）的激发下，使分子键受到破坏，产生具备反应能力的分子（称为活性分子），这些具有反应能力的分子发生化学反应时，首先分裂为十分活泼而寿命短促的自由基。这样自由基又消耗又生成如此不断地进行下去。已知可燃气体自行燃烧（在开始燃烧后，没有外界能源的作用）的条件是：新产生的自由基数等于或大于消失的自由基数。当然，自行燃烧与反应系统的条件有关，如温度、压力、气体浓度、容器大小和材质等。随着阻火器通道尺寸的减小，自由基与反应分子之间碰撞几率随之减少，而自由基与通道壁的碰撞几率反而增加，这样就促使自由基反应减低。当通道尺寸减小到某一数值时，这种器壁效应就造成了火焰不能继续进行的条件，火焰即被阻止。波纹型阻火器设计（氢气/空气）第3页/共10页2.2阻火器主要应用场所[5]﹝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。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。3.波纹型阻火器的结构波纹型阻火器主要由阻火器壳体、阻火层两部分组成。阻火器壳体如下图3.1所示：图3.1阻火器壳体结构波纹型阻火器设计（氢气/空气）第4页/共10页如图3.2与图3.3所示，阻火层芯件核心由两层超薄的不锈钢带制成:一层钢带被压成波型;另一层为平面钢带。将两种钢带组成间隔围绕其与圆心轴缠绕而成，由无数个断面为三角形的直通流道组成。在芯件内部有一个支架，用来增强芯件的结合强度，避免芯件在阻燃过程中被介质产生的爆炸压力冲散。图3.2阻火层芯件结构图3.3芯件单元体结构4.阻火器设计过程4.1气体熄灭直径[6]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4.1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波纹型阻火器设计（氢气/空气）第5页/共10页4.2阻火层形状设计采用两层波纹型薄板之间加一层厚扁平薄板以形成许多小三角型通道的方法。局部的结构如图4.1所示：图4.14.3气体熄灭直径计算一般来说，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00dD式中：0d——熄灭间隙，mmmin——最小点火能，mJ0D——熄灭直径，mm查资料得氢气的最小点火能为：0.019mJ0.4030min4.53dE=4.53×mm=0.92mm00dD=1.54×0.92mm=1.41mm≤=0.705mm4.4阻火层厚度及其计算过程波纹型阻火器设计（氢气/空气）第6页/共10页对于波纹型阻火器，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），波纹高度与阻火层厚度关系如表4.1所示，阻火器厚度与最大火焰速度的关系如图4.2所示。表4.1波纹高度与阻火层厚度关系气体类型ⅠⅡAⅡBⅡC波纹高度/mm1.130.610.610.43阻火层厚度/mm38193876注：Ⅰ代表甲烷ⅡC代表氢气ⅡB代表丁二烯、乙烯等ⅡC代表工业甲烷、一氧化碳、乙烷等（部分气体名称略）.图4.2阻火器厚度与最大火焰速度的关系阻火层厚度可以按以下经验公式进行计算：m2ay0.38md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.上式用于三角形孔眼的波纹型阻坐层，md表示水力直径；并可按下式进行计算：波纹型阻火器设计（氢气/空气）第7页/共10页trtrmPSd4式中trS、trP——分别为三角形孔眼的面积及周长，2cm，cm。本设计阻火层波纹为等边三角形，其边长有公式：33230cosmmhhl于是有33212mmtrhlhs，mtrhlp323并且mmhdmm47.032因为波纹型阻火器阻火层的厚度最小为13mm，所以取a=0.8。根据公式m2ay0.38md得：y=40mm4.5阻火器壳体尺寸具体设计阻火器的壳体尺寸会直接影响流体的阻力的大小，波纹阻火器壳体参考尺寸见下表：表4.2波纹阻火器壳体参考尺寸管道公称直径/nm壳体直径/nm壳体总长度/nm155010020801302510015040150200502002507025030080300350100400450波纹型阻火器设计（氢气/空气）第8页/共10页阻火器壳体直径D应该比与其配合使用的管道公称直径d大四倍,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、L≈(0.5～1.5)D已知壳体直径为50mm，查机械设计课程设计手册[8]得工程用A3钢（型号Q235）的抗拉强度b=375~460MPa，令b=390MPa,设计A3钢（型号Q235）,安全等级[10]为3。则：L=3b＝130ppDLBs3.2=ppSB1303.2)250(299BS-p·BS=50p-2p·BSPPSB29950设计压力取P＝20MPa202992050SB＝3.1mm为设计安全取SB＝4.0mm则有附加裕量C=4.0-3.1=0.9mm4.6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=100mm,壳体直径为D=50mm，选取L=0.5D=25mm,所以L=L-L-y=100-25-40=35mm,满足条件L≈（0.5～1.5）D。根据上面计算所得参数绘制阻火器设计见图4.3图4.3氢气/空气阻火器设计图波纹型阻火器设计（氢气/空气）第9页/共10页5.课程设计总结经过了两周多的努力，我的《防火防爆技术》课程设计终于完成了，看着自己的成果，整个人感觉轻松了很多，虽然这是大学以来的第一次课程设计，但是我还是从中得到了不少收获。在做课程设计以前我觉得课程设计只是对这门课程所学知识的总结，刚看到题目时，我还想，自己的这个题目也真是简单，简直就可以说是一个计算题，写写画画就完了。但是通过这次课程设计我发现自己的这个看法有点太片面，课程设计不仅仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计我明白了自己的知识还比较欠缺，知识结构还不完善。自己要学习的东西还很多，以前老觉得自己学的很好，什么东西都懂，真正做起来才发现有点无从下手。通过这次课程设计，我明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。另一方面，这次的《防火防爆技术》的课程设计让我学会怎样合理利用自己身边的资源，比如说图书馆、网络、电子杂志等，都是我们获取知识的渠道，学会合理利用自己身边的知识资源对我们来说非常重要。此外，我还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！在这次历练中我学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大，同时也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信我的这些收获会对今后的学习工作生活有非常重要的影响，我的动手能力也在这次课程设计中得到了很大提高，我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然我的这个设计做的还有很多不足之处，但是在设计过程中所学到的东西对我来说是这次课程设计的最大收获和财富。通过这次的课程设计，对阻火器的设计有了初步的了解，同时对课程设计的相关知识也有了了解，提高了理论知识和实践的结合能力。阻火器的应用可以增加生产活动安全性，随着阻隔防爆的技术的发展，阻火器也不