Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 8
1.1. Назначение и классификация сухих огнепреградителеи 8
1.2. Область применения сухих огнепреградителеи и особенности локализации пламени 11
1.3. Анализ теоретических и экспериментальных работ по гашению пламени в сухих огнепреградителях ..с, 18
1.4. Выводы. Цель и задачи исследования... 40
2. Методика проведения исследований .43
2.1. Установка для исследования на пламенепроницаемость огнезадерживающих элементов сухих огнепреградителеи .43
2.2. Объекты исследования 48
2.3. Описание методики проведения экспериментов 51
2.4. Оценка погрешности измерений и достоверности экспериментальных данных 59
3. Экспериментальное исследование пламенепроницаемости различных огнезадерживающих элементов 62
3.1. Испытания на пламенепроницаемость стеклянных капилляров 62
3.1.1. Определение критического диаметра и длины пламегасящих каналов для гексановоздушных смесей 63
3.1.1.1. Эксперименты со сбросом продуктов горения через фронтальный проем камер
3 3.1.1.2. Эксперименты со сбросом продуктов горения через боковое отверстие камер 68
3.1.2. Определение критического диаметра и длины пламегасящих каналов для ацетоновоздушных смесей 73
3.1.3. Определение критического диаметра и длины пламегасящих каналов для бензиновоздушных смесей 78
3.1.4. Определение критического диаметра и длины пламегасящих каналов для смеси паров этанола с воздухом 84
3.2. Испытания на пламенепроницаемость стальных цилиндрических образцов с отверстиями .90
3.2.1. Определение критического диаметра и длины пламегасящих каналов для гексановоздушных смесей 90
3.2.2. Определение критического диаметра и длины пламегасящих каналов для ацетоновоздушных смесей 95
3.2.3. Определение критического диаметра и длины пламегасящих каналов для бензиновоздушных смесей 100
3.2.4. Определение критического диаметра и длины пламегасящих каналов для смеси паров этанола с воздухом .«105
3.3. Испытания на пламенепроницаемость кассетных огнезадерживающих элементов 110
3.4. Обсуждение результатов экспериментов 112
4. Практические рекомендаций 115
4.1. Рекомендации по испытанию сухих огнепреградителей на пламенепроницаемость 115
4 4.2. Рекомендации по использованию установленных закономерностей при конструировании промышленных огнепреградителей 118
Основные результаты работы 121
Литература
- Анализ теоретических и экспериментальных работ по гашению пламени в сухих огнепреградителях
- Описание методики проведения экспериментов
- Эксперименты со сбросом продуктов горения через боковое отверстие камер
- Рекомендации по использованию установленных закономерностей при конструировании промышленных огнепреградителей
Анализ теоретических и экспериментальных работ по гашению пламени в сухих огнепреградителях
На объектах промышленности и складского хозяйства, связанных с обращением взрывопожароопасных веществ, сухие огнепреградители устанавливаются на технологическом и инженерном оборудовании в тех местах, где существует возможность распространения пламени по паро- и газовоздушным горючим смесям. Принимая во внимание обобщенные данные, изложенные в работах [90, 153, 174], все огнепреградители в зависимости от места их установки можно классифицировать на: резервуарные, устанавливаемые на дыхательной арматуре резервуаров, мерников, промежуточных емкостей, напорных баков и других аппаратов, внутренний объем которых сообщается с атмосферой. Данные огнепреградители должны обеспечивать защиту от проникновения пламени внутрь оборудования при воспламенении горючих паров у дыхательных устройств; коммуникационные, устанавливаемые на межаппаратурных и межцеховых коммуникациях и предназначенные для локализации горения на определенном участке технологической схемы; сбросные, устанавливаемые на трубах для выброса горючих газов в атмосферу или на факел. Они, также как и резервуарные, должны обеспечивать защиту от проникновения пламени внутрь системы; огнепреградители, устанавливаемые перед горелками; огнепреградители оболочек взрывозащищенного электрооборудования и газоанализаторов, предназначенные для предотвращения распространения пламени из внутреннего пространства оболочки наружу.
Резервуарные и сбросные огнепреградители, а также огнепреградители, устанавливаемые перед горелками находятся в наиболее благоприятных условиях в отношении локализации горения, так как при поджигании горючей смеси снаружи нет условий для разгона пламени. При этом не происходит также и заметного повышения давления, так как продукты сгорания свободно поступают в атмосферу.
Для резервуарных огнепреградителей наиболее вероятны три случая взаимодействия пламени с пламегасящим элементом [68, 93, 99]:
В данном случае для локализации горения достаточно охладить слой пламени, соизмеримый с шириной зоны химической реакции. При этом температура пламегасящего элемента практически не изменяется, поскольку количество передаваемого ему тепла невелико. Вместе с тем скорость .теплоотдачи должна быть высокой, так как контжт пламени с огнепреградителем непродолжителен.
В этом случае существенное влияние на эффективность огнепреградителя оказывает скорость истечения парогазовой среды. Если она не превышает скорости распространения пламени, то процесс горения непродолжителен. В противном случае над огнепреградителем образуется факел, от которого за счет теплопроводности и излучения часть тепла передается пламегасящему элементу. Это приводит к его разогреву и может существенно изменить тушащие свойства насадки или вызвать воспламенение смеси в защищаемом объеме.
Наиболее неблагоприятные условия для локализации пламени создаются при стабилизации зоны горения в непосредственной близости от пламегасящего элемента. Установлено [99], что для каждого типоразмера огнепреградителя существует интервал расходов, при котором происходит стабилизация пламени. Причем, чем больше размер пламегасящего элемента, тем шире этот интервал. Это же характерно для огнепреградителей на факельных системах и перед горелками.
В определенных условиях через насадку могут проходить продукты горения (например, при откачке жидкости из емкости). При этом в зависимости от теплопроводности смеси температура насадки и продуктов горения может возрастать до значений, при которых существует опасность воспламенения паров в защищаемом объеме.
При локализации пламени коммуникационными огнепреградителями возможны следующие ситуации [69, 93, 99]: 1. В случае инициирования горения вблизи открытого конца трубы (рис. 1.1, а) пламя будет распространяться вплоть до огнепреградителя по неподвижной или медленно движущейся к огнепреградителю смеси. Горячие продукты сгорания будут выходить через открытый конец трубы, а не через пламегасящую насадку. Поэтому в данном случае огнепреградитель можно рассматривать как резервуарный. Если взрывоопасная смесь склонна к детонации, то в достаточно длинном трубопроводе пламя на некотором удалении от открытого торца может ускориться, что вызовет движение продуктов сгорания за фронтом пламени.
Описание методики проведения экспериментов
В рамках диссертационного исследования на описанной в разделе 2.1 экспериментальной установке испытанию на пламенепроницаемость подвергались стеклянные капилляры, стальные цилиндрические образцы с отверстиями и кассетные огнезадерживающие элементы.
Стеклянные капилляры и стальные цилиндрические образцы изготавливались на Ленинградском оптико-механическом заводе с пределом допуска по всем размерам МО "5 м.
Методически наиболее удобно было проводить первичные испытания с одиночными стеклянными капиллярами. Для проведения исследований были подготовлены капилляры с размером внутреннего диаметра d, изменяющимся от МО 3 м до МО 2 м с шагом МО "4 м. Для каждого типа капилляров с внутренним диаметром d изготавливалась серия образцов длиной от 3-Ю"3 до 0,2 м с шагом 1-10 3м.
Схема испытуемых стальных цилиндрических образцов показана на рис. 2.3. Диаметр всех образцов составлял 75-10 м. Высота //изменялась от 5-Ю-3 м до 80-10 3 м с шагом 5-Ю-3 м. Во всех образцах высверливалось по двадцать пять отверстий одинакового диаметра d, расстояние между стенками которых составляло МО м. Для каждого типа цилиндрических образцов с фиксированной высотой Н высверливались отверстия диаметром от 110 3 м до 5-Ю-3 м с шагом 2-Ю-4 м.
Кассетные огнезадерживающие элементы изготавливались на Армавирском опытном машиностроительном заводе. Диаметр всех элементов принимался равным 75-10 _3 м (см. рис. 2.4), что соответствовало размерам кассет, устанавливаемых в огнепрегадителях типа ОП-50.
Эксперименты по исследованию пламенепроницаемости указанных в разделе 2.2 образцов проводились с использованием паровоздушных смесей гексана (ТУ 6-09-3375-78), ацетона (ГОСТ 2768-84), бензина А-76 (ГОСТ 2084-77) и этанола (ТУ-91-82-010-23059311-93). Для всех указанных веществ расчетом определялась стехиометрическая концентрация и их количество, которое необходимо заливать в камеры для создания этой стехиометрической концентрации. Предварительно также определялось время естественного испарения для каждого из выбранных веществ в камерах установки.
Перед проведением экспериментов проверялась исправность системы зажигания, вентиляторов и измерительных приборов. После этого в пространство между патрубками помещался исследуемый образец. Заслонки на боковых отверстиях камер и откидные крышки на фронтальных проемах прижимались фиксаторами. Во всех испытаниях фронтальные проемы закрывались листами из оргстекла, которые крепились на шарнирных петлях.
Для проведения испытаний установка располагалась либо в вертикальном положении, как показано на рис. 2.6 и 2.7, либо в горизонтальном положении, как показано нарис. 2.8 и 2.9.
После подготовки установки к испытаниям включался терморегулятор и задавался температурный режим. При всех испытаниях температура в зоне размещения образца поддерживалась равной 298 К.
Для образования горючей смеси стехиометрического состава в обе камеры заливалось расчетное количество жидкости и выжидалось время, необходимое для полного испарения. После этого включались вентиляторы и обеспечивалось равномерное перемешивание смеси.
В зависимости от требуемых условий сброса продуктов горения снимались фиксаторы либо на откидной крышке фронтального проема камер (см. рис. 2.6 и 2.8), либо на заслонке бокового отверстия камер (см. рис. 2.7 и 2.9). Далее подавалось напряжение на одну из свечей зажигания и по положению заслонок (откидных крышек) определялся проскок пламени. Независимо от условий проведения эксперимента всегда одна камера являлась взрывной (камера первичного воспламенения), а другая контрольной (камера вторичного воспламенения). При отсутствии проскока пламени в контрольную камеру производилась проверка воспламеняемости в ней смеси подачей напряжения на одну из свечей зажигания, и уже по факту взрыва делался вывод о задержании пламени исследуемым обращом.
Инициирование горения в камере первичного воспламенения осуществлялось последовательно от свечей зажигания в соответствие со схемой, изображенной на рис. 2.5. Эксперименты проводились до тех пор, пока для каждого образца с фиксированным диаметром канала d не была найдена такая длина, при которой наблюдался эффект гашения пламени при воспламенении смеси от всех четырех свечей зажигания в 5-ти опытах для стеклянных капилляров и в 10 опытах для стальных цилиндрических образцов и кассетных элементов [90, 93, 122]. Если хоть в одном из испытаний наблюдался проскок пламени в контрольную камеру, то следующая серия испытаний проводилась при большей длине каналов, если проскока нет - то длина уменьшалась.
Эксперименты со сбросом продуктов горения через боковое отверстие камер
В данной серии экспериментов для создания в объеме камер бензиновоздушной смеси стехиометрического состава (фст=2,5%) в каждую из них заливалось по 2,2-10 м жидкости. После инициирования горения величина давления на входе в огнепреграждающий элемент составляла 24-28 Па.
Результаты экспериментов приведены в приложениях 1.10-1.12. Исходя из анализа этих экспериментальных данных критические параметры пламегашения при распространении пламени снизу-вверх, в горизонтальном направлении и сверху-вниз представлены в таблице 3.4. Зависимости, полученные в результате обработки экспериментальных данных, показаны на рис. 3.10, 3.11 и 3.12 в нормальных и полулогарифмических координатах.
Критические параметры пламегашения для серии испытаний с бензиновоздушными смесями в условиях сброса продуктов горения через фронтальный проем камер Распространение пламени снизу-вверх Распространение пламени в горизонтальном направлении Распространение пламени сверху-вниз
Зависимость LKp=f(dKp) для бензиновоздушной смеси при испытании на пламенепроницаемость стеклянных капилляров в условиях распространения пламени в горизонтальном направлении и сброса продуктов горения через фронтальный проем камер: а - в нормальных координатах; б - в полулогарифмических координатах. 180 1
Зависимость Ькр=ґ(сІкр) для бензиновоздушной смеси при испытании на пламенепроницаемость стеклянных капилляров в условиях распространения пламени сверху-вниз и сброса продуктов горения через фронтальный проем камер: а - в нормальных координатах; б - в полулогарифмических координатах.
В данной серии экспериментов для создания в объеме камер этаноловоздушной смеси стехиометрического состава (фет=6,54%) в каждую из них заливалось по 2,4-10 м жидкости. После инициирования горения величина давления на входе в огнепреграждающий элемент составляла 20 - 28 Па.
Результаты экспериментов приведены в приложениях 1.13-1.15. Исходя из анализа этих экспериментальных данных критические параметры пламегашения при распространении пламени снизу-вверх, в горизонтальном направлении и сверху-вниз представлены в таблице 3.5. Зависимости, полученные в результате обработки экспериментальных данных, показаны на рис. 3.13, 3.14 и 3.15 в нормальных и полулогарифмических координатах.
Зависимость LKp=f(dKp) для этаноловоздушной смеси при испытании на пламенепроницаемость стеклянных капилляров в условиях распространения пламени снизу-вверх и сброса продуктов горения через фронтальный проем камер: а - в нормальных координатах; б - в полулогарифмических координатах. In(Lxp) ln(LKp) = 1,286dKp-1,5469 LKp = 0,2129e12S6dKP
Зависимость Ькр=ґ(с1кр) для этаноловоздушной смеси при испытании на пламенепроницаемость стеклянных капилляров в условиях распространения пламени в горизонтальном направлении и сброса продуктов горения через фронтальный проем камер: а - в нормальных координатах; б - в полулогарифмических координатах.
Зависимость LKp=f(dKp) для этаноловоздушной смеси при испытании на пламенепроницаемость стеклянных капилляров в условиях распространения пламени сверху-вниз и сброса продуктов горения через фронтальный проем камер: а - в нормальных координатах; б - в полулогарифмических координатах. -90 3.2. Испытания на пламенепроницаемость стальных цилиндрических образцов с отверстиями Для проведения испытаний были подготовлены стальные цилиндрические образцы в соответствие с данными раздела 2.2, которые размещались в пространстве между патрубками двух камер. По методике, описанной в разделе 2.3, для каждой серии образцов с диаметром отверстий d определялась минимальная высота этих образцов (длина каналов), при которой уже обеспечивался эффект гашения пламени. Также, как и при испытании стеклянных капилляров, вначале определялись критические параметры пламегашения в условиях распространения пламени снизу-вверх, далее в горизонтальном направлении и сверху-вниз. Во всех опытах сброс продуктов горения осуществлялся только через фронтальный проем камер.
Результаты данной серии экспериментов приведены в приложениях 2.1-2.3. Исходя из анализа этих экспериментальных данных критические параметры пламегашения при распространении пламени снизу-вверх, в горизонтальном направлении и сверху-вниз представлены в таблице 3.6. Обработка экспериментальных данных производилась методом наименьших квадратов на ПЭВМ. В результате обработки экспериментальных данных были получены зависимости, представленные на рис. 3.16, 3.17 и 3.18 в нормальных и полулогарифмических координатах. Величина давления на входе в огнепреграждающий элемент составляла 22-30 Па.
Рекомендации по использованию установленных закономерностей при конструировании промышленных огнепреградителей
Как отмечалось в разделе 1.2, условия локализации пламени сухими огнепреградителями могут существенно различаться в зависимости от места расположения последних, условий инициирования горения и отвода продуктов реакции. Учитывая это, каждую конструкцию огнепреградителя перед внедрением в производство необходимо всесторонне испытывать в условиях, близких к промышленным.
Предложенная в настоящей работе методика позволяет учесть влияние наиболее значимых факторов на пламенепроницаемость огнезадерживающих элементов при дефлаграционном сгорании парогазовоздушных смесей. В соответствие с данной методикой наряду с критическим диаметром для сухих огнепреградителей необходимо определять также и критическую длину пламегасящих каналов. В зависимости от предполагаемого места установки огнепреградителя его испытания следует проводить либо в вертикальном, либо в горизонтальном положении. В вертикальном положении испытания должны проводиться соответственно в условиях распространения пламени или сверху-вниз, или снизу-вверх, в зависимости от места расположения защищаемого объема технологического оборудования.
Как показали эксперименты, наиболее благоприятные условия для проскока пламени в контрольную камеру наблюдаются при воспламенении горючих смесей от наиболее близко расположенной к огнезадерживающему элементу свечи зажигания. Поэтому испытания огнепереградителей на пламенепроницаемость следует проводить с учетом этого фактора.
При определении критических конструктивных параметров пламегасящих элементов должна учитываться рабочая температура паро- или газовоздушной горючей смеси, находящейся в том или ином технологическом оборудовании, защищаемом огнеііреградителем. Влияние начальной температуры на пламенепроницаемость огнезадерживающих элементов изучалось в работах [60, 99, 151, 160]. В настоящей работе зависимость критических параметров пламегашения от начальной температуры не исследовалась, но методически это выполнимо и конструкция экспериментальной установки позволяет проводить такие исследования.
В разделе 1.3 было показано, что гашение детонационного пламени в огнепреградителях происходит по тому же механизму, как и гашение дефлаграционного пламени. Принимая это во внимание, предложенная методика может быть применена для испытания на пламенепроницаемость огнепреградителеи, устанавливаемых на технологических коммуникациях значительной протяженности. Однако при этом должны предъявляться повышенные требования к прочностным свойствам таких огнепреградителеи.
Для снижения опасного воздействия на коммуникационные огнепреградители детонационной волны на практике используют взрывные предохранительные мембраны, обеспечивающие сброс продуктов сгорания в атмосферу. В соответствие с предложенной в настоящей работе методикой, путем установки на фронтальном проеме камер сменных элементов с различной площадью отверстий для отвода продуктов сгорания, можно определять оптимальные размеры взрывных мембран, устанавливаемых на технологических коммуникациях перед огнепреградителями.
Ранее отмечалось, что на сегодняшний день отсутствуют стандартные методики испытаний сухих огнепреградителеи. Одна из причин этому -117 недостаточная изученность процессов гашения пламени данными защитными устройствами. В настоящей работе обобщены основные методические аспекты, которые должны учитываться при испытании сухих огнепреградителеи на пламенепроницаемость. Результаты диссертационной работы могут быть взяты за основу при разработке стандартной методики испытания сухих огнепреградителеи.
Как показали результаты проведенных в настоящей работе экспериментов, пламенепроницаемость сухих огнепреградителей определяется не только критическим диаметром, но и длиной огнегасящих каналов. При этом значения dKp и Ькр для одной и той же паровоздушной смеси изменяются в зависимости от направления распространения пламени и условий сброса продуктов горения. Из этого следует, что для определенных условий использования сухих огнепреградителей могут быть подобраны такие размеры пламегасящей насадки, которые будут удовлетворять не только требованиям пламенепроницаемости, но и обеспечивать минимальное гидравлическое сопротивление газовому потоку, а также определенный экономический эффект.
В настоящее время для снижения гидравлического сопротивления огнепреградителей их диаметр увеличивают в 1,5 - 2 раза относительно диаметра трубопровода или патрубка. Естественно это приводит к увеличению металлоемкости и себестоимости огнепреградителей.
