Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗРЫВОЗАЩИТНЫХ МЕМБРАН

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для взврыво-защиты технологического оборудования, в частности защиты аппаратов от разрушения при взрыве горючей смеси разрывной мембраной.

Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту является мембранное предохранительное устройство по заявке РФ №2008140149 (прототип), содержащее фланцы и мембранный узел, состоящий из мембраны и пары зажимных колец.

Недостатком известного решения является сравнительно невысокая надежность срабатывания разрывной мембраны.

Технический результат - повышение эффективности защиты технологического оборудования от взрывов за счет увеличения быстродействия мембранного узла и надежности его срабатывания.

Это достигается тем, что в установке для исследования взрывозащитных мембран, содержащей взрывной сосуд, в котором производится взрыв горючей смеси, узел крепления мембраны установлен в гнезде взрывного сосуда параллельно его оси, в торцевой части сосуда, закрытой предохранительным экраном, а параллельно оси узла крепления мембраны, в торцевой части сосуда, закрытой предохранительным экраном, имеется механический индикатор давления с тумблером включения двигателя индикатора, при этом взрывная камера расположена соосно и оппозитно торцевой части сосуда, закрытой предохранительным экраном, и имеет штуцера для продувки взрывного сосуда после проведения эксперимента, а в торцевой части взрывной камеры, соосно ей, расположена свеча зажигания, имеющая кнопку включения зажигания, выведенную из внутренней части взрывной камеры, при этом штуцер для заливки горючей жидкости с установленной на нем пробкой закреплен в стенке сосуда и расположен над контактами свечи зажигания, а штуцера для продувки взрывного сосуда оснащены вентильными устройствами, блокирующими прорыв продуктов взрыва горючей смеси, причем элементы, участвующие в испытании: индикатор давления, свеча зажигания, штуцер для заливки горючей жидкости, штуцера для продувки взрывного сосуда по прочности на «разрыв» превосходят прочность исследуемой мембраны не менее чем в два раза.

На фиг.1 изображена схема установки для исследования взрывозащитных мембран, на фиг.2 - схема узла крепления ее на аппарате во фланцах с уплотнительной поверхностью типа «шип паз», на фиг.3 - вариант выполнения разрывной мембраны с радиальными рисками, на фиг.4 - вариант выполнения разрывной мембраны с круговой риской, на фиг.5 - вариант выполнения разрывной мембраны с прорезями, на фиг.6 - вариант выполнения разрывной мембраны с отверстиями.

Установка для исследования взрывозащитных мембран состоит из взрывного сосуда 1, в котором производится взрыв горючей смеси.

Узел крепления мембраны 3 устанавливается в гнездо взрывного сосуда 1 параллельно его оси, в торцевой части сосуда, закрытой предохранительным экраном 2. Параллельно оси узла крепления мембраны 3, в торцевой части сосуда, закрытой предохранительным экраном 2, устанавливается механический индикатор 11 давления с тумблером 12 включения двигателя индикатора.

Взрывная камера 5 устройства для осуществления способа расположена соосно и оппозитно торцевой части сосуда 1, закрытой предохранительным экраном 2, и имеет штуцера 4 и 10 для продувки взрывного сосуда 1 после проведения эксперимента. В торцевой части взрывной камеры 5, соосно ей, расположена свеча зажигания 8, имеющая кнопку 9 включения зажигания, выведенную из внутренней части взрывной камеры 5. Штуцер 7 для заливки горючей жидкости с установленной на нем пробкой 6 закреплен в стенке сосуда 1 и расположен над контактами свечи зажигания 8. Толщина пробки 6 с элементами ее крепления к штуцеру 7 эквивалентна толщине стенок сосуда 1 по прочностным характеристикам на «разрыв». Штуцера 4 и 10 для продувки взрывного сосуда 1 оснащены вентильными устройствами (на чертеже не показано), блокирующими прорыв продуктов взрыва горючей смеси.

Таким образом, устройство для осуществления способа определения необходимой площади мембраны оснащено элементами, участвующими в испытании (индикатор 11 давления, свеча зажигания 8, штуцер 7 для заливки горючей жидкости, штуцера 4 и 10 для продувки взрывного сосуда) по прочности на «разрыв», превосходящей прочность исследуемой мембраны не менее чем в два раза, т.е. испытуемая мембрана 3 в этом устройстве является «слабом звеном системы» для реализации поставленной задачи по определению необходимой площади мембраны для защиты аппаратов от разрушения при взрыве.

Установка для исследования взрывозащитных мембран работает следующим образом.

Взрывной сосуд 1 оснащают узлом крепления мембраны 3, который устанавливают в торцевой части сосуда, закрытой предохранительным экраном 2, параллельно с механическим индикатором 11 давления с тумблером 12 включения двигателя индикатора, а взрывную камеру 5 со свечой зажигания 8, имеющей кнопку 9 включения зажигания, располагают оппозитно торцевой части сосуда 1, закрытой предохранительным экраном 2, при этом сосуд 1 комплектуют штуцерами 4 и 10 для продувки взрывного сосуда 1 после проведения эксперимента, причем штуцер 7 для заливки горючей жидкости с установленной на нем пробкой 6 закрепляют в стенке сосуда 1 над контактами свечи зажигания 8.

При этом элементы, участвующие в испытании: индикатор 11 давления, свеча зажигания 8, штуцер 7 для заливки горючей жидкости, штуцера 4 и 10 для продувки взрывного сосуда подбирают по прочности на «разрыв», превосходящей прочность исследуемой мембраны не менее чем в два раза.

Воспламеняют горючую смесь от электрической искры, которая образуется подачей высокого напряжения на свечу зажигания 8. Давление взрыва регистрируют механическим индикатором давления 11. Запись давления производят на специальной бумаге в виде зависимости давления P=f(τ) (время).

После каждого эксперимента производят продувку воздухом внутреннего объема сосуда насосом через штуцер 10 при открытом штуцере 4. Необходимую концентрацию смеси паров с воздухом обеспечивают дозировкой жидкости пипеткой через штуцер 7. После заливки жидкости штуцер 7 закрывают пробкой 6. Привод барабана механического индикатора давления 11 включают тумблером 12, при этом осуществляется запуск электродвигателя, который вращает барабан записывающего устройства индикатора давления 11.

Мембраны (диафрагмы) имеют различные диаметры отверстий для сброса давления, развиваемого при взрыве. Первая диафрагма (заглушка) сплошная, без отверстия, вторая имеет отверстие диаметром d=5 мм, третья d=10 мм, четвертая d=15 мм, пятая d=20 мм. При установке диафрагм №2, 3, 4, 5 продукты сгорания выбрасываются через отверстие этих диафрагм. Защита обслуживающего персонала от ожога раскаленными продуктами сгорания, выбрасываемыми через отверстие диафрагмы, осуществляется предохранительным экраном 1, который перед проведением эксперимента должен быть опущен. Время развития взрыва в сосуде определяют при установленной заглушке №1 (без отверстия).

Перед началом эксперимента сосуд необходимо продуть воздухом с помощью насоса через штуцер 4 при открытом штуцере 10. Продувку производить тридцатью качаниями насоса. После продувки установить заглушку №1 и закрепить втулкой 2. Краны 10 и 4 закрыть. Через штуцер 7 залить в сосуд определенное количество жидкости, соответствующее стехиометрической концентрации.

Мембранное предохранительное устройство (фиг.2) типа фланцевого соединения содержит мембранный узел, который состоит из мембраны 13 и пары зажимных колец 14 и 15. Мембрана между кольцами зажимается без применения каких-либо прокладок, что обусловливает весьма жесткие требования к качеству уплотнительных поверхностей колец, такие как правильность геометрической формы и высокая чистота обработки. Для удобства сборки мембранного узла во фланцевом соединении кольца скрепляют одно с другим двумя диаметрально расположенными планками 16 и винтами 17. Одно из отверстий под винты в планке имеет продолговатую форму для того, чтобы наличие планок не препятствовало равномерному и герметичному защемлению мембраны между зажимными кольцами при затяжке фланцевого соединения. При этом формы поверхностей колец, контактирующих с фланцами должны полностью соответствовать форме уплотнительных поверхностей фланцев.

Предложенная конструкция мембранного узла предназначена для установки во фланцах с уплотнительной поверхностью типа «шип паз».

Предлагаются конструкции разрывных мембран с радиальными (фиг.3) круговыми (фиг.4) рисками. Радиальные риски более просты в изготовлении, однако такая мембрана часто при срабатывании разрывается по одной-двум рискам и не обеспечивает полного раскрытия проходного сечения. Мембрана с окружной риской (фиг.4), как правило, раскрывается полностью. Для предотвращения отрыва риску наносят по незамкнутому круговому контуру, при этом со стороны, противоположной источнику давления, у концов риски устанавливают сегментный упоров, хорда которого стягивает большую дугу окружности, чем хорда, соединяющая концы риски, как показано на фиг.4. Эффективны также мембраны с прорезями (фиг.5) и отверстиями (фиг.6). Они всегда двухслойны, так как содержат дополнительно герметизирующую подложку из коррозионно-стойкого и малопрочного материала.

Разрывные мембраны изготавливают обычно из тонколистового проката пластичных металлов, таких как алюминий, никель, нержавеющая сталь, латунь, медь, титан, монель и др. Известны случаи применения неметаллических мембран из полиэтиленовой и фторопластовой пленок, из бумаги, картона, паронита, асбеста и даже из фанеры. Однако эти материалы характеризуются очень нестабильными механическими свойствами, мембраны из них имеют большой разброс давления срабатывания и для широкого использования не рекомендуются, хотя в некоторых случаях их применение является единственно возможным. Обычно это мембраны больших размеров (диаметром около метра и более), иногда квадратной или прямоугольной формы и с весьма низким давлением срабатывания, т.е. предназначенные для взврывозащиты малопрочного оборудования. Применение асбеста оправдывается высокой температурой внутри оборудования, т.е. в случае взврывозащиты топок, печей и других высокотемпературных реакторов.

Для получения наибольшей эффективности взврывозащиты производственного оборудования мембранный узел имеет параметры, которые находятся в следующих оптимальных интервалах величин: а D₁/D=1,1÷2,0; b=D₂/D=1,11÷2,4; с=D₂/D₁=1,01÷1,3; где D диаметр проходного сечения мембранного узла, равный внутреннему диаметру колец, контактирующих соответственно с фланцами и мембраной, D₁ - наружный диаметр разрывной мембраны, D₂ - внешний диаметр колец, контактирующих с фланцами.

При нагружении рабочим давлением мембрана испытывает большие пластические деформации и приобретает ярко выраженный купол, по форме очень близкий к сферическому сегменту. Чаще всего куполообразную форму мембране придают заранее при изготовлении, подвергая ее нагружению давлением, составляющим около 90% от разрывного. При этом фактически исчерпывается почти весь запас пластических деформаций материала, поэтому еще больше увеличивается быстродействие мембраны. При взрывном давлении мембрана испытывает разрывные деформации и разрывается, тем самым обеспечивает полное раскрытие проходного сечения предохранительного устройства для выхода ударной волны и сохранения целостности оборудования, т.е. мембраны должны начать вскрываться при давлении Δр_вск<Δр_доп. Обычно Δр_вск=1,5÷2,5 кПа, Δр_доп=3÷5 кПа. До момента вскрытия давление в исследуемом объеме изменяется так же, как в замкнутом объеме.

Это достижимо, если к моменту образования сплошного проема τ_сп прирост объема горючего газа за счет горения не будет превосходить объема газа (холодного или горячего), вытекающего из раскрывающихся отверстий, т.е. для эффективной работы мембраны, время образования сплошного отверстия (полное сечение) τ_сп не должно превосходить время τ_о горения ГВС, т.е. надежно вскрывается на полное сечение при давлении Δр_вск=Δр_доп.

Таким образом, процесс формирования нагрузки при взрывном горении ГВС можно разделить на три этапа:

- горение ГВС в замкнутом объеме;

- горение ГВС с одновременным истечением газа через отверстия, образующиеся при вскрытии мембран;

- истечение газа через полное сечение после окончания горения ГВС.

Пример расчета выполнен как аналог замкнутого объема, например помещения, где ПК - это взрывозащитная мембрана.

При разгерметизации технологического блока в здании может распространиться 18 кг газообразного этилена. Определить площадь проемов для ПК и основные характеристики ПК.

Исходные данные:

Характеристика газа: C₂H₄; ε=8,11; w_н=0,74 м/с; ρ=1,23 кг/м³;

Характеристика помещения: L=12 м, В=9 м, Н=12 м;

Коэффициент свободного объема помещения k_св=0.8;

Общая площадь оконных и дверных проемов Fo=30 м².

Методика расчета:

1) определяем параметры взрыва при дефлаграционном горении внутри здания.

С достаточно высокой точностью, приемлемой для практических расчетов, давление, возникающее при дефлаграционном горении ГВС в зависимости от степени заполнения замкнутого объема, можно определять по формуле:

где Δp_max - максимальное избыточное давление в замкнутом объеме при полной загазованности помещения;

z - коэффициент участия горючего во взрыве для горючих газов принимается z=0,5;

k_н - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса, k_н=3;

ρ_г - плотность газа в помещении при нормальных условиях, кг/м³;

ρ_г - 4.4×10^-2×М_µ; например для C₂H₄ ρ_г=4,4×10^-2×28=1,23 кг/м³;

M_µ - молярная масса вещества, кг/моль; например, для C₂H_4;

M_µ=2×12+14×1=28 кг/моль.

m' - величина, зависящая от соотношения объемов ГВС и помещения, причем не превышающая значения единицы, что означает выполнение условия: V_ГВС≤V_o;

где m_a - масса газа, выбрасываемая в помещение при разгерметизации аппарата, кг;

где m_k - масса газа, выбрасываемая в помещение из подводящего трубопровода до полного отключения задвижек, кг;

τ_з - время закрытия задвижек, с;

А_в - кратность воздухообмена аварийной вентиляции, ч^-1;

c_cx - стехиометрическая концентрация горючего вещества, определяемая по формуле

где β - коэффициент кислорода в реакции горения, который вычисляется по формуле

где n_C, n_H, n_O, n_X - число атомов соответственно углерода, водорода, кислорода и галогенов (хлора, брома, йода, фтора и др.).

Для углеводородных ГВС

β=n_C+0,25n_H

Степень загазованности помещения µ определяется из выражения:

Время окончания горения определяется по формуле

где α - коэффициент интенсификации горения, учитывающий закономерности взаимодействия потока газа с преградами: α=2÷15, причем при отсутствии в помещении преград α=2.

Время окончания горения τ_o не совпадает со временем спада давления в помещении τ_к, так как через щели и другие неплотности происходит истечение газов, которое определяет конечное время горения, при этом отношение этих величин лежит в интервале: τ_o/τ_к=0,2÷0,4.

Решение:

Дано: m_a=28,5 кг; m_k=1,8 кг; А_в=8 ч^-1; 300 с;

Δp_max=p_ok(εp-1)=100×1,3×(8,11-1)=924 кПа

где р_о=100 кПа; k=1,3; ε_p=8,11; k_н=3.

L=12 м, В=9 м, Н=12 м, k_св=0,8, w_н=0,74 м/с, α=2

V_o=0,8 V_п м³=0.8×12×9×12=1037 м³.

β=n_C+0,25n_H=2+0,25×4=3