Расчет огнепреградителя по методу я. Б. Зельдовича

В теоретических работах Я- Б. Зельдовича показано, что на пределе распространения пламени в трубках малого диаметра достигается постоянство числа Пекле. Последующими экспериментальными исследованиями установлено, что на пределе гашения пламени величина числа Пекле колеблется в пределах 60...80 и примерно одинакова для всех горючих смесей и огнегасящих насадок в широком диапазоне изменения условий опыта. По этой закономерности легко найти величину критического диаметра огнепреградителя.

Число Пекле применительно к данному условию выражается как

, (8.1)

где Ре_кр — число Пекле, на пределе гашения пламени равное 65;. а — коэффициент температуропроводности; и_в — нормальная скорость распространения пламени.

, (8.2)

где λ — коэффициент теплопроводности горючей смеси; с_р — теплоемкость горючей смеси; ρ — плотность горючей смеси. Согласно уравнению газового состояния pV=GRT,

p = G/V=p/RT, (8.3)

где R — газовая постоянная; Т — температура горючей смеси; р — давление горючей смеси; Q — количество горючей смеси.

Подставляя (8.2) и (8.3) в (8.1) и решая уравнение относительно критического диаметра канала, получим:

. (8.4)

В соответствии с экспериментальными данными действительный диаметр канала огнегасящей насадки огнепреградителя должен; быть взят с учетом двойного коэффициента запаса надежности, то есть

d=0,5d_кp. (8.5)

Если насадка огнепреградителя состоит из гранулированных тел (зерен гравия, стеклянных или фарфоровых шариков, колец), пригодится от вычисленного размера, канала переходить к размеру гранулы. Диаметр каналов (пор), образующихся в слое насадки из одинаковых по размеру гранул, по форме близких к шарообразным частицам, принимают равным 0,25...0,36 величины диаметра шарика, откуда

d_гp=(4...3)d, (8.6)

где d_гp — диаметр гранулы.

Сухими огнепреградителями чаще всего защищают газовые и паровоздушные линии, в которых по условиям технологии или при нарушении нормального режима работы могут образоваться горючие концентрации (дыхательные линии резервуаров, мерников, промежуточных емкостей, напорных баков и подобных им аппаратов с ЛВЖ, а также с горючими жидкостями, нагретыми до температуры вспышки и выше; стравливающие линии и продувочные свечи на аппаратах с газами и ЛВЖ; паровоздушные линии рекуперационных установок; линии, идущие от аппаратов и емкостей на факел; линии газовой обвязки резервуаров с ЛВЖ и т. п.). Сухими огнепреградителями защищают также линии с наличием веществ, способных разлагаться под воздействием давления, температуры или других факторов.

Устойчивость огнегасящей насадки против взрыва обеспечивается защитой огнепреградителя, взрывными мембранными предохранительными устройствами. Насадка огнепреградителя должна оказывать малое гидравлическое сопротивление движению потока, что обеспечивается выбором рациональной толщины ее слоя, а заданная пропускная способность линии — соответствующей расчету площадью поперечного сечения огнепреградителя.

Внутри корпуса огнепреградителя с гравийным заполнением на сетке находится слой гравия с зернами диаметром 3...8 мм и высотой 80... 120 мм, что обеспечивает непроницаемость для пламени бензино-воздушных смесей.

При больших диаметрах линий (например, линии рекуперацион-ных установок, линии газовой обвязки резервуаров) применяют гравийные огнепреградители с изменением направления движения газа (рис. 8.2). В таком огнепреградителе гасящая насадка образована гравием, который находится в кольцевом пространстве меж­ду двумя дырчатыми трубами. Эта конструкция позволяет иметь огнезащитный слой требуемой толщины и большую поверхность для прохождения паровоздушной смеси. Чтобы в кольцевом пространстве не могли образоваться незаполненные места, через которые возможен проскок пламени, в бункере всегда должен быть запас гравия для восполнения потерь. Защита огнегасящего слоя •от возможного разрушения взрывной волной обеспечивается установкой взрывных мембранных предохранительных клапанов.

В сетчатых огнепреградителях используют медные, латунные или стальные фильтровальные сетки с количеством отверстий от 144 до 196 на 1 см². Для надежного гашения пламени применяют не одну, а несколько сеток,, последовательно установленных на расстоянии примерно 10 мм друг от друга.

Для защиты дыхательных труб резервуаров с ЛВЖ используют кассетные огнепреградители (см. рис. 8.1, г). Кассета изготовляется путем одновременного свивания гладкой и гофрированной лент, благодаря чему образуются каналы треугольной формы. За величину диаметра пламегасящего отверстия принимают максимальное значение высоты сечения треугольного канала. В табл. 8.1 приведены размеры кассет огнепреградителей.

Рис. 8.2. Огнепреградитель гравийный на линиях паровоздушной смеси рекуперационных установок: / — трубы дырчатые; 2 — кожух; 3 — гравий; 4 — бункер с гравием; 5 — мембраны

Для горючих смесей, имеющих большую скорость горения (например, для смесей ацетилена, этилена или водорода с воздухом), а также для смесей горючих веществ с кислородом применяют насадки из стеклянных или фарфоровых шариков диаметром не более 1 мм, а также из металлокерамических пластин или трубок.

Таблица 8.1

Огнепреградитель с насадкой из стеклянных шариков диаметром 1 мм и с решетками, имеющими охлаждаемые ребра, используют для локализации пламени ацетилено- и водородо-воздушных смесей. Для локализации пламени ацетилено- или метано-кислородных смесей, используемых для газопламенной обработки металлов, предназначен металлокерамический огнепреградитель, имеющий специальное кольцо для разрушения детонационной волны, а для гашения пламени — металлокерамическую трубку (рис. 8.3).

Для быстрогорящих кислородных смесей применяют металлокерамические огнепреградители с разгрузочным клапаном, позволяющим сбросить давление при наличии взрывной волны.

Рис. 8.3. Металлокерамический огнепреградитель: 1 — корпус; 2 — металлокерамическая трубка;

3— диск для гашения детонационной волны; 4— дырчатая шайба; 5 — сферический наконечник;

6 — прокладки; 7 — золотник; 8 — пружина

Рис. 8.4. Огнепреградитель с орошаемой насадкой из колец: 1 — корпус; 2 — решетки; 3 — пламегасящая насадка; 4 — насадка-каплеуловитель; 5 — ороситель; 6 — мембранные устройства; 7 — загрузочный люк

Металлокерамическая насадка имеет поры (капилляры) различного диаметра (обычно от 0,2 до 0,04 мм). Фактическую величину максимального диаметра пор насадки определяют опытным путем.

Рассмотренные выше огнепреградители не пригодны для гашения детонационного горения в технологических линиях значительного диаметра и длины. Для прекращения детонационного горения нужно, чтобы высота огнепреграждающего слоя насадки обеспечивала необходимое охлаждение продуктов горения, а для защиты от разрушения имелись мембранные предохранительные клапаны. Так, для защиты ацетиленовых линий от распространения детонационной волны используют огнепреградители в виде колонн (рис. 8.4) с насадкой из металлических или фарфоровых колец размером 35х35 мм. Высоту насадки принимают 2 м при наличии водяного орошения и 4 м без орошения.

Гидравлическое сопротивление насадки огнепреградителей. Гидравлическое сопротивление огнепреградителя определяют по формуле

, (87)

где λ — коэффициент гидравлического сопротивления слоя насадки; h — высота слоя насадки; ρ — плотность парогазовоздушной смеси; v — скорость движения смеси в свободном сечении насадки огнепреградителя; d_экв — эквивалентный диаметр огнегасящих каналов (пор) в слое насадки.

Свободное сечение при наличии насадки из шарообразных тел принимают равным 0,3...0,4 площади сечения огнепреградителя. Коэффициент гидравлического сопротивления зависит от вида насадки и числа Рейнольдса:

для зернистой насадки и насадки из колец (при Re>60)

; (8-8)

для насадки из металлических и стеклянных шариков (при Re>60)

; (8.9)

для металлокерамической насадки (при Re больше 10 и меньше 250):

. (8.10)

Число Рейнольдса рассчитывают по скорости газового потока в свободном сечении насадки огнепреградителя.

Обычно сопротивление чистой насадки огнепреградителей находится в пределах 100...300 Па. Более низкое сопротивление имеют сетчатые и кассетные огнепреградители, более высокое — огнепреградители с насадками из зернистых тел и колец.

Уход за огнепреградителями. Загрязнение огнепреградителей продуктами коррозии, твердыми и смолистыми отложениями, а также обледенение их в холодное время года вызывает увеличение сопротивления прохождению смеси, повышение давления в аппаратах и емкостях при их заполнении или образование вакуума во время откачки жидкости, что приводит к авариям. Предотвращение таких аварий достигается правильным размещением огнепреградителей на линиях и соответствующим уходом за ними.

Огнепреградители следует располагать на линиях так, чтобы к ним был свободный доступ для осмотра и проверки. Если линия из помещения выходит наружу, огнепреградитель лучше разместить ближе к месту выброса смеси, но в пределах помещения. В этом случае за ним легче вести надзор и менее вероятно обледенение насадки.

Проверку и очистку огнепреградителя производят не реже одного раза в три месяца при размещении его внутри помещения; при наружном расположении — не реже двух раз в месяц в периоды с температурой воздуха ниже 0° С и одного раза в месяц в периоды с температурой воздуха выше 0° С.

При осмотре проверяют исправность и чистоту насадки огнепреградителя, состояние уплотняющих прокладок. Для осмотра и очистки насадки без демонтирования огнепреградителя на его корпусе устраивают боковую крышку. Сняв ее, можно вынуть кассету или пакет сеток из корпуса огнепреградителя.

При засорениях насадку огнепреградителя очищают, промывают и высушивают. Пришедшие в негодность огнегасящие элементы или насадку заменяют новыми. Самым простым способом регенерации металлокерамических элементов насадки огнепреградителей при их засорении пылью является обратная продувка газом. При опасности замерзания влаги в насадке огнепреградителя можно использовать пожаробезопасные системы подогрева. Новые конструкции огнепреградителей должны испытываться на прочность, надежность гашения пламени и гидравлическое сопротивление.