РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3
РАСЧЕТ ГРАВИЙНОГО ОГНЕПРЕГРАДИТЕЛЯ
Производственные коммуникации, в которых могут образоваться
горючие газопаровоздушные смеси, защищают от распространения пламени
сухими огнепреградителями (рис. 3.1).
а
б
в
Рис. 3.1. Общий вид некоторых типов огнепреградителей:
а – кассетный (алюминиевая гофрированная лента); б – противодетонационный
коммуникационный; в – двунаправленный противодефлаграционный
Основным расчетным параметром огнепреградителей (ОП) является
диаметр канала огнепреграждающего элемента d, который должен удовлетворять следующему условию:
d ≤ dкр / Kб ,
(3.1)
где dкр – критический диаметр, м; Кб  коэффициент безопасности (принять
в расчетах Kб = 2).
Задание
Рис. 3.1. Схема гравийного огнепреградителя:
1 – корпус; 2 – гравий; 3 – опорная решетка
16
1
H
Подготовить техническое задание
на разработку концевого гравийного
огнепреградителя (определить основные
параметры огнепреградителя), установленного на продувочной линии аппарата
(рис. 3.1). Давление в линии продувки
близко к атмосферному (1105 Па).
Исходные данные для расчетов принять
по табл. 3.1 и 3.2.
2
3
D
Таблица 3.1
Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
3
4
5
6
7
Аммиак
Метан
Оксид углерода
(СО)
Пропан
Сероводород
Метан
8
9
Этилен
2
Водород
1
Ацетилен
Горючий газ
0
н-Бутан
Номер варианта
Таблица 3.2
Последняя цифра номера зачетной книжки
Номер варианта
Температура горючей
смеси, ºС
Расход горючей
смеси, м3/ч
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
30
35
20
10
15
25
35
20
15
130
150
200
190
180
170
220
210
160
140
Методика расчета гравийного огнепреградителя
1. Составляют стехиометрическое уравнение сгорания 1 моля горючего
вещества в воздухе.
2. Определяют концентрацию компонентов в исходной смеси:
– горючего газа (пара):
г 
1
1  mO 2  m N 2
, об. доли
(3.2)
где mO 2 и mN 2  количество молей кислорода и азота в исходной смеси;
– воздуха:
в = 1 – г.
(3.3)
3. По табл. 8 и 9 приложения находят коэффициенты теплопроводности горючего газа (пара) и воздуха, а также удельные теплоемкости горючего газа (пара) и воздуха.
4. Рассчитывают коэффициент теплопроводности и удельную теплоемкость исходной смеси по формулам:
 = г г  (1 – г) в ,
(3.4)
17
где г  содержание горючего вещества в горючей смеси (обычно стехиометрическая концентрация), об. доли; г и в  коэффициенты теплопроводности соответственно горючего газа (пара) и воздуха, Вт/(мК);
ср = г ср,г + (1 – г) ср,в ,
(3.5)
где ср,г  молярная теплоемкость горючего пара или газа, Дж/(мольК);
значения теплоемкостей некоторых горючих веществ приведены в табл. 8
приложения; ср,в  молярная теплоемкость воздуха, Дж/(мольК).
5. По табл. 5 приложения находят нормальную скорость распространения пламени.
6. Рассчитывают критический диаметр каналов в слое гранул (гравия)
по формуле:
d кр 
65 R (tp  273) 
u cp p
,
(3.6)
где Rμ = 8,31 Дж/(мольꞏК) – универсальная газовая постоянная; tр  температура исходной смеси, ºС;   коэффициент теплопроводности исходной
смеси, Вт/(мК); u  нормальная скорость распространения пламени, м/с;
cр  молярная теплоемкость исходной смеси при постоянном давлении,
Дж/(мольК); p  давление исходной смеси, Па.
7. Определяют фактический диаметр каналов в слое гранул
по формуле (3.1).
8. Находят диаметр гранул (гравия) dгр по табл. 10 приложения.
9. Определяют плотность горючего газа (пара) и воздуха при рабочей
температуре по формуле:
 г, п 
M
V0 (1  0,00366 tр )
, кг/м 3 .
(3.7)
где M  масса кмоля газа (пара), кг/кмоль; V0 = 22,41 м3/кмоль  объем
кмоля газа (пара) при нормальных физических условиях: р0 = 101325 Па;
T0 = 273,15 К (t0 = 0 С); tp  рабочая температура среды в аппарате, C.
Плотность воздуха можно определить по табл. 9 приложения.
10. Определяют плотность исходной горючей смеси при рабочей температуре по формуле, приведенной в табл. 11 приложения.
11. По табл. 8 приложения находят значения коэффициента динамической вязкости и константы С для горючего газа (пара) при 20 С,
по табл. 9 приложения – для воздуха при рабочей температуре.
18
12. Определяют вязкость горючего газа (пара) при рабочей температуре:
 г   20
20  C
tр  C
3
 t р  273 

 ,
 293 
(3.8)
где г и 20  коэффициенты динамической вязкости газа (пара) соответственно при рабочей температуре tр и при 20 С, Пас.
13. Рассчитывают вязкость двухкомпонентной горючей смеси при
рабочей температуре по формуле:

 г М г  (1   г ) М в
г в ,
 г М г  в  (1   г ) М в  г
(3.9)
где индекс «г» имеет отношение к горючему веществу; индекс «в» имеет
отношение к воздуху; Мг  молекулярная масса горючего газа (пара),
кг/кмоль; Мв = 29 кг/кмоль – молекулярная масса воздуха; в  коэффициент динамической вязкости воздуха, Пас.
При стехиометрической концентрации горючего вещества в исходной
горючей смеси менее 5 % (об.) вязкость, плотность и другие показатели
горючей смеси можно принимать по воздуху при рабочей температуре.
14. По табл. 12 приложения по диаметру гранул и их материалу находят удельную поверхность S (м2/м3) и свободный объем  гранул.
15. Дальнейшие расчеты проводят с использованием метода последовательных приближений, для чего задаются значением фиктивной скорости wф; обычно принимают wф = 0,2-1,5 м/с.
16. Определяют число Рейнольдса для газового потока в пористом
слое гранул по формуле:
Re 
wф  t
S
.
(3.10)
17. Рассчитывают коэффициент гидравлического сопротивления слоя
гранул г в зависимости от значения числа Re:
при Re ≤ 40
г = 140/Re ,
при Re > 40 г = 16/Re 0,2 .
(3.11)
(3.12)
18. Определяют эквивалентный диаметр огнегасящих каналов в слое
гранул:
dэ = 4 / S, м.
(3.13)
19
19. Принимают высоту слоя гранул в огнепреградителе Н:
Н = (40-50) dгр, м.
(3.14)
20. Уточняют значение фиктивной скорости горючей смеси в насадке
огнепреградителя:
wф  1,41 
p d э
,
г H t
(3.15)
где р  потери напора в слое гранул, Па; потери напора не должны
превышать 100-200 Па.
21. Определяют ошибку при задании фиктивной скорости:
w 
wф  wф
wф
100 % .
(3.16)
Если ошибка не превышает 5 %, значение фиктивной скорости считают истинным и продолжают расчеты, начиная с п. 22.
Если w  5 %, то задаются новым значением фиктивной скорости
wф = ( wф + wф ) / 2
(3.17)
и повторяют расчеты, начиная с п. 16, до тех пор, пока ошибка при определении фиктивной скорости не снизится до величины w < 5 %.
22. Определяют диаметр корпуса огнепреградителя как наибольшую
величину из следующих двух значений:
 4Q

D  max 
; 20 d э  ,
  wф

(3.18)
где Q  расход горючей смеси в трубопроводе, м3/с.
23. Определяют действительную скорость газовой смеси в насадке
огнепреградителя:
w = wф / .
24. Проверяют потери напора в слое гранул по формуле:
Н w2
р '  
t .
dэ 2
(3.19)
(3.20)
25. Определяют ошибку при вычислении потерь напора:
р 
20
р  р'
p
100 %.
(3.21)
При р < 5 % расчеты заканчивают.
При р  5 % расчеты повторяют с п. 20, приняв новое значение
р" = (р + р' ) / 2.
(3.22)
26. Записывают результаты расчета параметров огнепреградителя
(техническую характеристику огнепреградителя):
– горючее вещество;
– расход горючей смеси Q, м3/ч;
– температура горючей смеси tр, ºС;
– критический диаметр каналов dкр, м;
– диаметр гранул dгр, м;
– высота слоя гранул Н, м;
– диаметр корпуса огнепреградителя D, м;
– сопротивление слоя насадки р, Па.
21