波紋型阻火器設計課程設計

1、<p>　　課 程 設 計 說 明 書</p><p>　　2015 年1月22日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p><b>　　2機械阻火器2</b></p><p>

2、　　2.1 阻火器的工作原理2</p><p>　　2.2 阻火器的種類3</p><p>　　2.3阻火器主要應用場所4</p><p>　　2.4 阻火器特點4</p><p>　　3波紋型阻火器（乙炔/空氣）設計5</p><p>　　3.1 RZGB-1型波紋型阻火器5</p><

3、;p>　　3.2波紋型阻火器結構6</p><p>　　3.3阻火器結構設計7</p><p>　　3.4阻火器性能測試12</p><p>　　4課程設計總結13</p><p><b>　　參考文獻14</b></p><p><b>　　附圖 </b>&

4、lt;/p><p><b>　　附圖 </b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　爆炸阻隔是一種利用隔爆裝置將設備內(nèi)發(fā)生的燃燒或爆炸火焰實施阻隔，使之無法通過管道傳播到其他設備中去的一種防爆技術措施。隔爆技術措施按作用機制不同，分為機械隔爆和化學隔爆兩種類型，隔爆裝置主要有工業(yè)阻火器、主動式隔爆裝

5、置和被動式隔爆裝置等幾種類型。工業(yè)阻火器又分為機械阻火器、液封阻火器和料封阻火器等類型，主要用于阻隔燃燒和爆炸初期火焰蔓延；主動式隔爆裝置通過傳感器探到的爆炸信號實施制動；被動式隔爆裝置則依靠爆炸波本身引發(fā)制動。本次設計產(chǎn)品為波紋型阻火器（乙炔/空氣），為機械阻火器的一種。阻火器的作用是防止外部火焰竄入存有易燃、易爆物料的設備、管道、容器內(nèi)，或者阻止火焰在設備和管道聞蔓延。</p><p>　　乙炔極易發(fā)生氧化爆

6、炸，當乙炔氣體濃度達到爆炸極限，遇到點火源，便可發(fā)生氧化爆炸。乙炔在空氣中爆炸濃度范圍極大為2.5～100%（體積），其爆炸危險性遠大于氫氣。同時乙炔爆炸所需點火能很低，約0.019mJ。此外乙炔具有分解爆炸特性，其分解過程不需要助燃劑氧氣的參與。一旦局部氣體過熱使少量氣體分解而波及剩余氣體，短時間內(nèi)氣體急劇膨脹并且放出大量熱量，最終導致爆炸發(fā)生[1]。故通過高效、經(jīng)濟的阻火器來阻止乙炔爆炸，或進行爆炸阻隔很有必要。</p>

7、<p><b>　　2機械阻火器</b></p><p>　　2.1 阻火器的工作原理</p><p>　　關于阻火器的工作原理，目前主要有兩種觀點：一種是基于傳熱作用；一是器壁效應。</p><p><b>　?。?）傳熱作用 </b></p><p>　　阻火器能夠阻止火焰?zhèn)鞑ゲ?/p>

8、迫使火焰熄滅。燃燒所需要的必要條件之一就是要達到一定的溫度，即著火點。低于著火點，燃燒就會停止[2]。依照這一原理，只要將可燃物的溫度降到著火點以下，使火焰熄滅就可以阻止火焰的蔓延。阻火器是由許多細小的空隙和通道組成。當火焰通過阻火元件的許多細小通道之后將變成若干細小的火焰流，由于通道或空隙的傳熱面積很大，火焰通過時立即進行熱交換，溫度降低極快。當火焰溫度下降到一定溫度時火焰便熄滅。在設計阻火器的內(nèi)部阻火元件時盡可能擴大細小火焰和通道壁

9、的接觸面積，強化傳熱，使火焰溫度盡快降低到著火點以下，達到阻止火焰蔓延的目的。根據(jù)英國羅貝爾對阻火器進行實驗表明：傳熱作用對阻火器熄滅火焰不是主要的，而是器壁效應起主要作用。</p><p><b>　?。?）器壁效應</b></p><p>　　根據(jù)燃燒與爆炸連鎖反應理論[2]，認為燃燒與爆炸現(xiàn)象的產(chǎn)生并不是分子直接作用的結果，而是受外來能源（熱能、輻射能、電能、光

10、能、化學反應能等）的激發(fā)，分子鍵受到破壞，產(chǎn)生具備反應能的分子（稱為活化分子），這些活化分子在發(fā)生化學反應時，首先分裂出十分活躍而生命短促的自由基?；瘜W反應就是靠這些自由基進行的。自由基與其他分子相撞，生成新的產(chǎn)物，同時也產(chǎn)生新的自由基再繼續(xù)與其他分子發(fā)生反應。當燃燒的可燃氣體通過阻火元件的狹窄通道時，自由基與通道壁的碰撞幾率增大，參加反應的自由基減少。當阻火器的通道窄到一定程度時，自由基與反應分子之間的碰撞幾率隨之減少，自由基與通道壁

11、的碰撞幾率增大，當自由基與通道壁的碰撞占主導地位，由于自由基數(shù)量急劇減少，當化學反應自由基銷毀速率大于產(chǎn)生速率時，反應不能繼續(xù)進行，當通道尺寸減少到一定程度時，這種器壁效應就造成了火焰不能繼續(xù)傳播的條件，火焰即被阻止，也即燃燒反應不能通過阻火器繼續(xù)傳播。</p><p>　　但是在大多數(shù)情況下，阻火器的傳熱效應和碰撞效應同時存在?；鹧姘l(fā)生淬熄的過程如圖2-1所示,爆燃火焰在狹縫中淬熄主要是由于火焰面的化學反應放熱

12、與散熱條件不匹配引起的?；鹧嬉运俣葀進入狹縫時,火焰面內(nèi)靠近狹縫冷壁處作為化學反應活化中心的自由基和自由原子與冷壁相碰撞放出其能量,這相當于反應區(qū)的熱量流向冷壁邊界,從而當火焰面到達一定距離時,在壁面附近產(chǎn)生了熄滅層。隨著火焰面的運動,熄滅層厚度不斷增大,以至于自由基進入熄滅層內(nèi)就被復合成分子并放出能量,而僅有少量自由基能穿透熄滅層與冷壁相撞。在后續(xù)進程中,火焰在該狹縫內(nèi)完全淬熄。能使火焰發(fā)生淬熄的通道直徑稱為淬熄直徑,用D來表示?；鹧?/p>

13、在具有淬熄直徑D的通道上傳播到熄滅之前的那段距離稱為淬熄長度,用L來表示。</p><p>　　圖2-1 燃燒火焰淬熄原理[2]模型</p><p>　　2.2 阻火器的種類</p><p>　　（1）按用途不同分類</p><p>　　隔爆型：主要用于阻隔可燃物燃燒或爆炸火焰的傳播，且能承受一定的爆炸壓力的作用。</p>&

14、lt;p>　　耐燒型：主要用于阻止可燃物燃燒火焰的傳播，且能承受一端時間的燃燒作用。</p><p>　　阻爆轟型：主要用于阻止可燃物從爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變火焰的傳播，且能承受較大爆炸壓力的作用。</p><p>　?。?）按阻火器安裝位置分類 </p><p>　　管端阻火器：安裝在管子頂端；</p><p>　　管中阻火器：安裝在管子中間

15、。</p><p>　?。?）按阻火器用途分類可分為油罐阻火器、加油站阻火器、車用阻火器、加熱爐用阻火器、火炬阻火器、排風導管阻火器、船用阻火器、乙炔阻火器、氫氣阻火器等。</p><p>　　（4）按阻火器結構分類可分為金屬網(wǎng)型阻火器、波紋型阻火器、平行板型阻火器、多孔板型阻火器、泡沫金屬型阻火器、充填型阻火器、水封型阻火器、復合型阻火器和星型旋轉(zhuǎn)閥阻火器等。</p>&l

16、t;p>　?。?）按阻火器使用氣體介質(zhì)分類可分為Ⅰ級氣體阻火器、ⅡA級氣體阻火器、ⅡB級氣體阻火器、ⅡC級氣體阻火器。</p><p>　　2.3阻火器主要應用場所</p><p>　?。?）輸送易燃或可燃氣體管道；</p><p>　?。?）存儲石油和石油產(chǎn)品油罐；</p><p>　?。?）爆炸危險系統(tǒng)通風管口；</p>

17、<p>　?。?）加熱爐中的可燃氣體網(wǎng)管；</p><p>　?。?）油氣回收系統(tǒng)及內(nèi)燃機排氣系統(tǒng)。</p><p><b>　　2.4 阻火器特點</b></p><p>　　(1)阻火器是用來阻止易燃氣體和易燃液體蒸氣的火焰蔓延的安全裝置。</p><p>　　(2)當爆炸性混合氣體或爆炸性液體形成的蒸

18、汽與空氣的混合物的火焰經(jīng)過足夠小的斷面或狹縫時，由于壁面的冷卻效應和碰撞效應，導致自由基或活性分子的復合消失，破壞了化學鏈式反應的條件，因而不能形成連續(xù)燃燒薄膜或燃燒通路，火焰在其中傳播一段距離后便會自動熄滅。</p><p>　　(3)機械阻火器常由大量只允許火焰通過的細小通道或空隙固體材料組成。工業(yè)阻火器分為機械阻火器、液封阻火器和料封阻火器等類型，主要用于阻隔燃燒和爆炸初期的火災火焰地蔓延；主動式隔爆裝置通

19、過傳感器探測到的爆炸型號實施致動；被動式隔爆裝置則依靠爆炸波本身來引發(fā)致動。</p><p>　　(4)阻火器的作用是防止外部火焰竄入存有易燃易爆氣體的設備、管道內(nèi)或阻止火焰在設備、管道間蔓延。阻火器是應用火焰通過熱導體的狹小孔隙時,由于熱量損失而熄滅的原理設計制造。阻火器的阻火層結構有礫石型、金屬絲網(wǎng)型或波紋型。</p><p>　　3波紋型阻火器（乙炔/空氣）設計</p>

20、<p>　　3.1 RZGB-1型波紋型阻火器</p><p>　　圖3-1 RZGB-1型波紋型阻火器 圖3-2 阻火器視圖</p><p>　　RZGB-1型波紋型阻火器零部件材料及外形尺寸如表3-1與表3-2：</p><p>　　表3-1 零部件材料</p><p>　　表3-2 國標法蘭連接外形

21、尺寸： GB、JB</p><p>　　3.2波紋型阻火器結構</p><p>　　波紋型阻火器主要由阻火器殼體、阻火層兩部分組成。阻火器殼體如下圖3-3所示：</p><p>　　圖 3-3阻火器殼體結構</p><p>　　如圖3-4與圖3-5所示，阻火層芯件核心由兩層超薄的不銹鋼帶制成:一層鋼帶被壓成波型;另一層為平面鋼帶。將兩種鋼帶組

22、成間隔圍繞其與圓心軸纏繞而成，由無數(shù)個斷面為三角形的直通流道組成。在芯件內(nèi)部有一個支架，用來增強芯件的結合強度，避免芯件在阻燃過程中被介質(zhì)產(chǎn)生的爆炸壓力沖散。</p><p>　　圖 3-4阻火層芯件結構 圖 3-5芯件單元體結構</p><p>　　3.3阻火器結構設計</p><p><b>　?。?）氣體熄滅直徑<

23、/b></p><p>　　使火焰不能繼續(xù)傳播的阻火器最大通道直徑稱為氣體熄滅直徑。氣體熄滅直徑大小取決于氣體種類，并直接關系到阻火器的阻火效能。在設計阻火器時，應根據(jù)可燃氣體燃燒速度選取熄滅直徑，一般已丙烷為設計參考，這種估算方法對大多數(shù)飽和烴和易燃氣體適用，但不適用燃燒速度更快的易燃氣體。另外，由于乙炔氣體具有許多不同于一般易燃氣體的特性，不能按飽和烴來處理。常態(tài)下幾種常見氣體的燃燒速率與熄火直徑數(shù)據(jù)如

24、表3-3：</p><p>　　表3-3 常態(tài)下氣體燃燒速率及熄火直徑數(shù)據(jù)[3]</p><p>　　一般來說，阻火層通道或孔隙直徑可按氣體熄滅直徑來選取，但由于剝?nèi)蓟鹧嫠俣冗h快于標準燃燒速度，因此，在實際設計中，阻火層通道或孔隙直徑按半氣體熄滅直徑選取，當然也可以通過增加阻火層厚度來提高阻火器效能。阻火層孔隙大小是影響阻火效能的重要因素，易燃氣體熄滅直徑大小直接關系到阻火層的孔隙尺寸。熄

25、滅直徑可以通過試驗來測定，也可通過熄滅間隙來近似估算：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　式中：--熄滅間隙，mm ； </p><p>　　--最小點火能，mJ；</p><

26、p><b>　　--熄滅直徑，mm</b></p><p>　　由表3-4可知乙炔最小點火能為0.019mJ。</p><p>　　表3-4 典型氣體-空氣混合物最小點火能[3]</p><p>　　=4.53×0.0190.403mm=0.917mm</p><p>　　=1.54×0.917

27、mm=1.41mm</p><p>　　實驗表明，對于波紋型和金屬型阻火器和阻火層，其波紋高度和孔網(wǎng)直徑一般不超過熄滅直徑一半，即：</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　式中--波紋（形狀為等腰或等邊三角形）高度或網(wǎng)孔直徑，mm。</p><p>　　由式3.3可得 &

28、lt;/p><p><b>　?。?）火焰?zhèn)鞑ニ俣?lt;/b></p><p>　　一端開口的管道內(nèi)，點火方式可以分為靠近開口端點火、靠近閉口端點火或靠近阻火器點火三種情形。無論何種點火方式，阻火器內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣染Q于可燃氣體的性質(zhì)和點火與阻火器之間的距離（即點火距離）。由表3.3.3可以看出，在相同點火距離下，不同性質(zhì)氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣炔⒉幌嗤?；同一種氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣入S點火

29、距離的增大而迅速提高，當點火距離達到10m時，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫堰_到爆轟速度（2133m/s）。因此，為降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，應盡可能縮短點火距離 。一般來說，點火距離不超過10m,在某種特殊情況下需超過10m時，管道和阻火器應能承受5.5MPa以上壓力，并設有泄爆孔。 火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c點火距離關系如表3-5：</p><p>　　表3-5 火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c點火距離關系[3]</p><p>　　由表

30、3-5，取乙炔/空氣火焰?zhèn)鞑ニ俣?70m/s。</p><p><b>　　（3）阻火層厚度</b></p><p>　　對于波紋型阻火器，其阻火層厚度可按以下經(jīng)驗公式進行估算：</p><p>　?。?.4） </p><p>　　式中：--阻火器能阻止火焰?zhèn)鞑サ淖畲笏俣?，m/s;</

31、p><p>　　--有效面積比，即阻火層實際面積與阻火層空隙面積之比；</p><p>　　y--阻火層厚度，cm</p><p>　　—阻火層孔眼直徑，cm。</p><p>　　式3.4用于三角形孔眼的波紋型阻火層，表示水力直徑；并可按下式進行計算：</p><p><b>　?。?.5）</b>

32、</p><p>　　式中、——分別為三角形孔眼的面積及周長，，cm。</p><p>　　本次設計阻火層波紋為等邊三角形，其邊長： </p><p>　　于是有 ，</p><p><b>　　并且 </b></p><p>　　取a=0.8，代入公式3.4得，&l

33、t;/p><p>　　適當增加阻火層厚度可以提高阻火效能，故取y=15mm。</p><p>　　計算結果滿足以下要求：</p><p>　　不得超過熄滅直徑的50%；</p><p>　　y值對波紋型阻火層厚度至少為13mm。</p><p><b>　?。?）殼體尺寸</b></p>

34、<p><b>　　a)選材</b></p><p>　　阻火器必須滿足耐腐蝕、耐高溫、高強度等要求。其殼體可采用鑄鐵、鑄鋁、鑄鋼等材料來制造；在阻火器內(nèi)部或其他設備組裝時，不得使用動物皮革或植物纖維墊片。由表3-6可知，鑄鋼ZG25滿足要求。</p><p>　　表3-6 常用材料力學性能[5]</p><p><b>

35、　　b)殼體厚度</b></p><p>　　對于脆形材料制成的阻火器殼體，其厚度可按下式計算：</p><p><b>　　(3.6)</b></p><p>　　式中 SB--阻火器殼體厚度 ，cm； </p><p>　　D--殼體中腔最大內(nèi)徑，cm；</p><p>　　δL

36、--材料允許拉應力，MPa； </p><p>　　C--附加裕量，m；</p><p>　　P--設計壓力，一般可取公稱壓力，MPa。</p><p>　　設計材料選用鑄鋼(型號ZG25)，安全等級暫定為3。則</p><p><b>　　=＝150MPa</b></p><p>　　查閱資

37、料知，阻火器公稱壓力一般為0.5～6MPa，此處取p=5MPa。則</p><p>　　取殼體厚度為1cm。</p><p><b>　　c)殼體尺寸</b></p><p>　　阻火器的殼體尺寸會直接影響流體的阻力的大小，波紋阻火器殼體參考尺寸見下表：</p><p>　　表3.3.5阻火器殼體參考尺寸[3]</

38、p><p>　　阻火器殼體直徑D應該比與其配合使用的管道公稱直徑d大四倍,阻火層距離阻火器殼體前后端的長度分別為 ：≈(0.5～1.0)D、 ≈(0.5～1.5)D。根據(jù)設計要求，管道公稱直徑d為25mm，殼體直徑D為110mm，殼體總長150mm以及阻火層厚度為15mm。可設計阻火層距離阻火器殼體前后端的長度分別為：</p><p>　　≈0.50D=55mm</p><

39、p>　　≈0.73D=80mm</p><p>　　阻火器殼體外形尺寸及阻火器側(cè)視圖見附圖和附圖。</p><p>　　3.4阻火器性能測試</p><p>　　在阻火器使用之前，必須經(jīng)過阻爆和耐燒性能測試。阻爆試驗是指在一定距離內(nèi)將試驗裝置內(nèi)的可燃氣體點燃，使火焰或火花通過阻火器時被熄滅的一種試驗。耐燒試驗則是指在無回燃條件下，使可燃氣體燃燒火焰持續(xù)通過阻火

40、層時，阻火層能夠承受一定時間內(nèi)的火焰燃燒而不被燒壞的一種試驗。此外，一個性能優(yōu)良的阻火器除了具有良好的阻火和耐燒性能，還要有盡可能小的流阻。阻火器壓降的大小取決于其結構形式及氣流速度不同阻火器的壓降一般需要通過試驗來測定，也可以利用經(jīng)驗公式進行估算。</p><p><b>　　4課程設計心得</b></p><p>　　課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn)、提出

41、、分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)。這次課程設計雖然時間很短，但我還是學到了不少東西，對軟件的設計過程和方法有了更深入的了解，培養(yǎng)了我們的團隊精神，鍛煉了我們的溝通和表達能力。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。雖然我的這個設計做的還有很多不足之處，但是在設計過程中所學到的東西對我來

42、說是這次課程設計的最大收獲和財富。通過這次的課程設計，對阻火器的設計有了初步的了解，同時對課程設計的相關知識也有了了解，提高了理論知識和實踐的結合能力。阻火器的應用可以增加生產(chǎn)活動安全性，隨著阻隔防爆的技術的發(fā)展，阻火器也不斷的更新?lián)Q代，但是它的目的和功能一直是為了生產(chǎn)活動的安全。新材料和新工藝應該是提高阻火器性能的主要途徑。</p><p>　　這次課程設計不僅加深了對阻火器的了解，讓我對防火防爆這門課程有了更

43、深的認識，也提高了動手能力和發(fā)散思維的能力，使得對未來的學習更有幫助。由于本人的學習知識有限，設計過程中的疏漏和錯誤肯定在所難免，懇請老師批評指正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]王犇,曹居正.乙炔燃爆特性研究[J].安全與環(huán)境學報,2012</p><p>　　[2]胡雙啟,張景林.燃燒與爆炸[M].