Теория горения и взрыва. Курсовая работа Некрасов вариант 15. Расчет и обоснование безопасной работы топочного устройства
 Скачать 0.73 Mb.
|
 Факультет _______________________________________________________ Кафедра – Охрана труда и окружающей среды _________________________ Направление подготовки 20.03.01 – «Техносферная безопасность»________ Профиль – Безопасность технологических процессов и производств Дисциплина– Теория горения и взрыва________________________________ КУРСОВАЯ РАБОТА НА ТЕМУ: Расчет и обоснование безопасной работы топочного устройства Исполнитель студент 4 курса, группа 518/015 Некрасов Василий Сергеевич_________________________________ (Ф.И.О.) (подпись и дата) Руководитель работы ___________________ Карауш Сергей Андреевич (Должность, звание) (Фамилия, инициалы) К защите Защитил(а) с оценкой ________________________ _______________________ «____»_____________ 2021 г. «____» ________ 2021 г. ___________________________ ____________________________ (Подпись) (Подпись) Томск 2021 Факультет _______________________________________________________ Кафедра – Охрана труда и окружающей среды _________________________ Направление подготовки 20.03.01 – «Техносферная безопасность»________ Профиль – Безопасность технологических процессов___________________ Дисциплина– Теория горения и взрыва________________________________ ЗАДАНИЕ на курсовую работу по дисциплине Теория горения и взрыва Студенту Некрасову Василию Сергеевичу 518 группы (Ф.И.О.) (группа) 1. Тема работы Расчет и обоснование безопасной работы топочного устройства________________________________________________________________ 2. Исходные данные: 2.1. Газовое топливо (газопровод) Коробки-Волгоград 2.2. Тепловая мощность топочного устройства 1900 кВт 2.3. Размеры топочного устройства L – 4 м, B 2,2 м, Н – 2 м. 2.4. Температура газового топлива 10 С 2.5. КПД топочного устройства 0,85 3. Содержание проекта (работы): выбор характеристик газового топлива; расчет расхода газового топлива и подбор горелки; расчет процесса горения топлива; определение максимальной скорости распространения пламени; определение скорости газов на выходе из горелки; определение концентрационных пределов воспламенения газовоздушной смеси; обоснование времени работы горелки при нештатной ситуации (погасание пламени) до достижения НКПР воспламенения газовоздушной смеси; расчет энергия и мощности взрыва газовоздушной смеси в топочном устройстве при нештатной ситуации; обоснование и установка взрывных предохранительных клапанов в топочном устройстве; выводы по работе. 4. Сроки проектирования ____________________________________________ Руководитель работы ______________________________ (подпись) Задание к выполнению принял студент _______________ (подпись) Дата выдачи задания «_____» ______________ 2021 г. СОДЕРЖАНИЕ Задание и выбор исходных данных 2 ВВЕДЕНИЕ 4 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОЙ РАБОТЫ 5 1 ХАРАКТЕРИСТИКА И РАБОТА ТОПОЧНОГО УСТРОЙСТВА 6 1.1 Конструкция топочных устройств 6 1.2 Характеристики используемого газового топлива 8 1.3 Тепловая мощность топочного устройства и расход газа 8 1.4 Конструкция горелки 9 1.5 Подбор горелки11 2 ГОРЕНИЕ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА13 2.1 Количество воздуха, необходимого на горение13 2.2 Объемы и состав продуктов сгорания15 3 МАКСИМАЛЬНАЯ НОРМАЛЬАЯ СКОРОСТЬ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ17 4 РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРЕДЕЛОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ19 4.1 Концентрационные пределы воспламеняемости19 4.2 Расчет концентрационных пределов воспламеняемости в топочном устройстве20 5 ЭНЕРГИЯ И МОЩНОСТЬ ВЗРЫВА ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ 22 5.1 Взрывное горение 22 5.2 Расчет энергии и мощности химического взрыва 22 6 ПРЕДОХРАНЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ОТ ВЗРЫВОВ 24 ВЫВОД 28 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 29 Приложения ВВЕДЕНИЕ Область профессиональной деятельности по направлению «Техносферная безопасность» включает в себя обеспечение безопасности человека в современном мире, формирование комфортной для деятельности человека техносферы, минимизацию техногенного воздействия на природную среду, сохранение жизни и здоровья человека за счет правильно спроектированного технологического оборудования и обоснования его безопасной работы. Объектами профессиональной деятельности являются человек и опасные факторы, связанные с человеческой деятельностью. Особую роль в технологиях различных производств играют процессы горения веществ и различные взрывы. Рассматривая эти процессы, следует отметить, что их основой являются химические реакции окисления веществ при высоких температурах, причем эти реакции протекают в сложных условиях в сочетании с рядом физических процессов, накладывающихся на основной химический процесс. Важное значение имеют вопросы управления процессами горения и взрыва на производстве и разработка мер защиты человека и окружающей среды от возможных воздействий при возникновении аварийных ситуаций. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОЙ РАБОТЫ Целью выполнения курсовой работы является: расчет и обоснование безопасности работы топочного устройства, работающего на природном газе. В соответствии с целью работы, определены следующие задачи: 1. Рассчитать расход газового топлива и процесс горения его в топочном устройстве; 2. Подобрать горелочное устройство; 3. Рассчитать максимальную нормальную скорость распространения пламени; 4. Рассчитать концентрационные пределы взрываемости при работе топочного устройства во внештатной ситуации; 5. Определить время работы горелочного устройства при отсутствии горения, когда будет достигнут нижний концентрационный предел воспламенения газовоздушной смеси; 6. Определить энергию и мощность взрыва газовоздушной смеси; 7. Обосновать установку и рассчитать взрывные предохранительные клапаны; 8. Сделать выводы по работе. 1 ХАРАКТЕРИСТИКА И РАБОТА ТОПОЧНОГО УСТРОЙСТВА 1.1 Конструкция топочных устройств Эксплуатация технологических и огнетехнических установок (топок, котлов, печей, сушилок и т. п.) связана с сжиганием в их топочном объеме различных видов топлива, что приводит к повышенной пожаро- и взрывоопасности оборудования. Правильно спроектированное теплотехническое оборудование позволяет избежать нештатных ситуаций, повысить надежность эксплуатации и безопасность его работы. В различных технологических процессах и оборудовании широко используются горючие газы и легковоспламеняющиеся жидкости, которые при определенных условиях могут создавать взрывоопасные смеси. Образование взрывоопасной газовоздушной смеси может иметь место при утечках газа, неправильной работе горелок и форсунок, подтекании жидкого топлива, погасании пламени горелок в процессе эксплуатации, при неправильно выбранных технологических режимах и др. Взрывоопасная смесь может образоваться внутри топочной камеры, в здании газовой котельной, здании газорегулирующего пункта и других помещениях. Аварии на установках, где сжигается газообразное или жидкое топливо, технологическом и теплосиловом оборудовании, обычно имеют тяжелые последствия. Это связано с высокими температурами и давлениями теплоносителей, а также наличием взрывопожароопасных газов, жидкостей и их смесей с воздухом. Наиболее часто топочная камера представляет собой прямоугольный параллелепипед или удлиненный цилиндр. Эскиз камеры в виде прямоугольного параллелепипеда изображен на рис. 1.  Рисунок 1 Эскиз топочной камеры: 1 – горелочное устройство; 2 – топочная камера; 3 – факел; 4 – канал для отвода продуктов сгорания На фронтальной стенке топочного устройства через горелку 1 подают газовое топливо и воздух на горение. Если горелка одна, то ее обычно устанавливают посередине фронтальной стены на высоте 1/3 от пода (низа) топочной камеры. Если горелок 2 и более, то здесь конструктор должен обосновать места установки горелок на фронтальной стене. Образовавшиеся при горении горячие продукты сгорания отводятся через дымовой канал 4, сделанный в верхней части задней стенки топочной камеры. При сжигании газового топлива в топочной камере образуется факел 3, представляющий собой мощный источник тепловой энергии излучением. Тепловая энергия химических реакций при горении топлива передается излучением внутренним стенкам топочной камеры и идет на нагрев продуктов сгорания. В дальнейшем, часть этой тепловой энергии полезно используется в различных технологических процессах: получение горячей воды и пара, нагрев металла, сушка материалов и т. п. Часть энергии теряется через стенки в окружающую среду, выбрасывается в атмосферу с дымовыми газами и рассеивается вместе с другими потерями. 1.2 Характеристики используемого газового топлива В промышленности и быту широко применяется в качестве топлива природный газ. Это вызвано значительными преимуществами газового топлива перед другими видами: высокой теплотворной способностью, простотой и удобством сжигания, возможностью полной автоматизации процесса сжигания, малыми вредными выбросами в окружающую среду и т. п. [1] К основным характеристикам газовых топлив следует отнести: объемную долю каждого газа, входящего в смесь, в процентах; низшую теплоту сгорания QСН; плотность газа ρ [4, 5]. Исходя из данных методических указаний к курсовой работе, представленных в приложении 3, запишем основные характеристики газового топлива в табл. 1. Таблица 1 Расчетные характеристики природного газа
1.3 Тепловая мощность топочного устройства и расход газа При сжигании топлива в топочном устройстве его химическая энергия переходит в полезную тепловую, а часть рассеивается. Тепловая мощность устройства может быть определена по формуле 1, кВт,  (1)где VТУ.Н– объемный расход газового топлива, подаваемого в топочное устройство, при нормальных физических условиях (давление 101300 Па и температура 273 К. Таким образом, 1 м3 газа берется при этих условиях и обозначается 1 нм3), нм3/с; QСH – низшая теплота сгорания сухого газового топлива, кДж/нм3; ТУ– КПД топочного устройства Полученная в топочном устройстве, тепловая энергия частично расходуется на полезные нужды в количестве Q1, остальная часть может оказаться тепловыми потерями в зависимости от назначения теплового агрегата. Тогда можно записать формулу 2 для расчета полезной тепловой мощности топочного устройства, кВт,  (2)где ТУ– КПД топочного устройства, Q1- тепловая мощность топочного устройства, кВт; QСH – низшая теплота сгорания сухого газового топлива, кДж/нм3 Формула 2 устанавливает связь между объемным расходом газового топлива при нормальных условиях и тепловой мощностью топочного устройства. По этой формуле может быть найден общий расход газового топлива в топочном устройстве при нормальных условиях. Исходя из формулы 2, определим объемный расход газового топлива, подаваемого в топочное устройство, при нормальных физических условиях: V Т.УН =1900/(0,85×35840)=0,062 нм3/с По формуле 1 определим тепловую мощность устройства: Q= 0,062×0,85×35840 1888,768 кВт 1.4 Конструкция горелки Сжигание газового топлива осуществляется через горелочные устройства – горелки. При большой мощности топочного устройства на его фронтальной стенке может быть установлено и использовано одновременно несколько однотипных газовых горелок. Широкое применение на практике нашли газовые горелки турбулентного смешения с принудительной подачей воздуха типа ГНП (горелка низконапорная прямоточная). Эскиз такой горелки показан на рис. 2.  Рисунок 2 Горелка ГНП конструкции Теплопроекта: 1 – насадок; 2 – корпус; 3 – газораспределительное устройство; 4 – наконечник; 5 – завихритель Горелка состоит из чугунного литого корпуса 2, к которому прикреплен насадок 1, газораспределительного устройства 3, завихрителя лопаточного типа 5. Насадок 1 является одновременно смесительной камерой (смешиваются газ с воздухом) и устройством для крепления горелки к фронтальной стенке топочного устройства. Такие горелки применяют в практике сжигания всех видов горючих газов, в том числе и природных, так как они позволяют создавать факел различной длины, формы и светимости. Они могут применяться для агрегатов малой и большой тепловой мощности, для топок с разрежением и противодавлением, работать на холодном и подогретом воздухе и легко компонуются с устройствами для сжигания жидкого и твердого пылевидного топлива. Горелки типа ГНП работают по принципу механического струйного смешения газа с воздуха. Поэтому место и степень завершения смешения, а также все характеристики пламени зависят от конструктивных особенностей горелок. Горелки имеют широкий диапазон регулирования тепловой мощности и могут работать на нагретом до 400°С воздухе. Для получения пламени разной длины и светимости горелки ГНП оборудуются много- или одноструйными соплами и лопатками 5 для закрутки воздуха. 1.5 Подбор горелки При проектировании топочных устройств подбор газовых горелок производится по справочникам, отраслевым нормалям и каталогам. Проводится это с учетом тепловой мощности горелки, пределов регулирования, располагаемых давлений газа и воздуха, режимов теплообмена и т. п. Связано это с тем, что теоретический расчет газовых горелок является весьма сложным и трудоемким, т. к. должен проводиться с учетом одновременно протекающих процессов смешения, горения и теплообмена. Подобранные для установки, горелки должны обеспечивать высокую эффективность сжигания газового топлива с минимальным выбросом в окружающую среду вредных компонентов в продуктах сгорания. Выбор горелок осуществляется, исходя из предъявляемых к ним требований: создание достаточно равномерного поля температур по всему топочному объему; сжигание газа с минимальным избытком подаваемого на горение воздуха; устойчивость работы при различных тепловых режимах. Исходными данными для подбора горелки (или горелок) для топочного устройства являются: часовой расход газа, величина давления и температура газа перед горелкой, другие параметры. Для подбора горелки (горелок) следует определить часовой объемный расход газа  , нм3/ч, при нормальных физических условиях по формуле:  . (3)Vту.нч=3600×0,062=223,2 нм3/ч По найденному объемному часовому расходу газа  через горелочное (горелочные) устройство по прил. 4 подбираем предварительно требуемую горелку. Т.к. найденный по формуле (3) расход газа оказался меньше, чем для горелки ГНП-8, то принимаем одну однотипную горелку типа ГНП-8. Далее с учетом данных из прил. 4 определяем требуемое давление газа перед горелкой  , Па:  (4)где ∆РГОР − номинальное избыточное давление газа перед горелкой (прил. 4), Па. Рг=101300+3000=104300Па Для окончательного подбора горелок следует определить часовой объемный расход газа  при заданной его температуре  и давлении  перед горелкой, м3/ч: (5)V TY = 223,2×((101300×(273+10))/(273×104300))=224,7 м3/ч Номинальная длина образующегося факела горелки типа ГНП-8 (прил. 4) не превышает длину топочного устройства L. Основные характеристики горелки ГНП-8 приведены в табл. 2. Таблица 2 Технические характеристики низконапорной газовой горелки типа ГНП-8
Эскиз горелки и эскиз топки представлены в приложениях 1 и 2. 2 ГОРЕНИЕ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА Сжигание органического топлива в топочных устройствах происходит за счет подачи воздуха, в котором в качестве окислителя имеется кислород. Для полного сжигания единицы топлива (твердого или жидкого – 1 кг, газообразного – 1 нм3) требуется определенное количество воздуха, которое может быть рассчитано или определено по справочной литературе [1, 4]. 2.1 Количество воздуха, необходимого на горение Если предположить, что на горение единицы объема газового топлива для его полного окисления требуется определенное количество кислорода, который содержится в объеме воздуха V, то этот объем воздуха называют теоретическим необходимым для горения. При сжигании газообразного топлива, этот объем можно определить по формуле 6, м3/нм3:  (6)где Н, О, СО, Н2S, CmHn – процентное содержание по объему в топливе соответствующих газов: водорода, кислорода, оксида углерода, сероводорода, углеводородов; m,n – число атомов углерода и водорода в углеводородном соединении. Vo=0,0476×[0,5×(0+0)+1,5×0+(1+4/4)×93,2+(2+6/4)×1,9+(3+8/4)×0,8+(4+10/4)× ×0,3+(5+12/4)×0,1-0] Vo= 0,0476×199,8 = 9,5105 м3/нм3 При подаче на горение только теоретически необходимого объема воздуха, топливо сжечь в топочном устройстве полностью не удастся по ряду причин. Поэтому для более полного сгорания топлива в топочном устройстве в него всегда подают воздуха больше, чем теоретически необходимого. Количество действительно поданного в топку воздуха VВ при нормальных физических условиях, отнесенное к теоретически необходимому Vo, называют коэффициентом избытка воздуха в топке. Чем более совершенно горелочное устройство и сама топка, тем меньше требуется подавать избыточного воздуха. В современных топочных устройствах при сжигании газообразного топлива коэффициент избытка воздуха αт обычно лежит в пределах 1,05....1,1. Принимаем αт= 1,05.  (7)Объемный секундный расход воздуха, идущего на горение в топочное устройство, определяем по формуле 8, м3/с,  (8)где tв- температура подаваемого в топочное устройство воздуха, oС; примем tв= 20оС; Vв = αт·V = 1,05×9,5105 = 9,9860 м3/нм3 V B.TY= 0,0964×9,7437×((20+273)/273)=1,0081м3/с Для определения скорости газовоздушного потока на выходе из горелки, т. е. из устья горелки, следует определить общий расход газа и воздуха (с учетом числа горелок), м3/с  . (9)VГВС=1,0081+ 0,0998=1,1079 м3/с Зная диаметр устья горелки  (рис. 2) и число устанавливаемых горелок  , можно рассчитать скорость газовоздушной смеси в устье горелки  по формуле, м/с (10)  UГВС=(4*1,1079)/( 2*3,14*0,112)= 58,32 м/с 2.2 Объемы и состав продуктов сгорания При расчетах топочных устройств, часто требуется знать количество и состав образующихся при горении дымовых газов, чтобы правильно рассчитать теплоперенос к поверхностям нагрева, правильно подобрать размеры газоходов и скорости движения газов, выбрать тягодутьевые устройства и т.п. Расчеты количества продуктов сгорания ведутся на единицу сжигаемого топлива, исходя из уравнения материального баланса процесса горения в топочном устройстве. Теоретический объем азота, водяных паров, трехатомных газов и продуктов сгорания при α=1 для газообразного топлива рассчитываются по формулам 11-14 для, м3/нм3,  (11) (12) (13) (14)где d – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м3 сухого газа, г/м3; при расчете принимаем d=10 г/м3. VoN =7,5133+0,03=7,5433 м3/нм3 VoH2O=0,01×(0,5×394,8+0,124×10+1,61×9,7437)=2,1395 м3/нм3 VoRO2=0,01×(101,1+0,7)=1,018 м3/нм3 VoГ=7,5433+2,1395+1,018=10,7008 м3/нм3 При величине αт>1 объем образующихся в топочном устройстве продуктов сгорания будет больше на величину количества избыточного воздуха (αт – 1)Vo и на долю заключенных в нем водяных паров 0,0161(αт – 1)Vo, т.е.  (15)Таким образом, VГ =10,7008+1,0161(1,05-1)*9,5105=11,1763 м3/нм3 Объемный секундный расход образующихся в топочном устройстве продуктов сгорания может быть определен по формуле, м3/с:  (16)где tДГ–температура уходящих из топочного устройства продуктов сгорания, С. Эта температура обычно находится из уравнения теплового баланса топочного устройства. Т. к. тепловой баланс для топочного устройства не составляется, то при расчетах эту температуру можно принять равной 1000С. VПС = 0,0964×11,4838×((1000+273)/273)=5,1407 м3/с 3 МАКСИМАЛЬНАЯ НОРМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ Для осуществления интенсивного процесса горения газообразного топлива в топочной камере, его необходимо предварительно смешивать в горелке с воздухом. На выходе из горелки газовоздушная смесь поджигается и горит. Для оптимальной работы горелки нужно, чтобы скорость горения газовоздушной смеси не превышала бы максимальную нормальную скорость горения. В противном случае, может произойти отрыв пламени от устья горелки и возникнуть внештатная ситуация, когда прекращается процесс горения и в топочной камере начинает накапливаться газовоздушная взрывоопасная смесь [1]. Для определения пределов устойчивости работы горелки, когда сжигается гомогенная газовоздушная горючая смесь, обычно рассчитывают максимальную нормальную скорость распространения пламени [4]. Под максимальной нормальной скоростью распространения пламени UМН понимают линейную максимальную скорость перемещения элемента фронта пламени относительно свежей смеси по направлению нормали к поверхности этого фронта в данном месте[1, 4, 5]. Значения максимальной нормальной скорости распространения пламени для некоторых газов приведены в табл. 1 методических указаний. Максимальная нормальная скорость распространения пламени в смеси сложного газа с воздухом может быть определена по формуле 17, м/с,  (17)где U1MH, U2MH,…,UnMH – максимальные нормальные скорости распространения пламени компонентов сложного газа в смеси с воздухом, м/с; r1, r2, …,rn – содержание отдельных компонентов в сложном газе по объему, % (приведены в табл. 1). U МН = (93,2×0,37+1,9×0,4+0,8×0,38+0,3×0,37+0,1×0,37)/96,3=0,3707 м/с Максимальная нормальная скорость распространения пламени используется при определении пределов устойчивой работы горелки. Здесь под пределом устойчивой работы горелки (нижним или верхним) понимают такую ее работу, при которой не возникает погасание, срыв, отрыв, проскок пламени. Максимальная нормальная скорость распространения пламени в смеси сложного газа (например, природного) с воздухом может быть определена по формуле (17) и равна 0,3707 м/с Соблюдается нормальный режим горения газовоздушной смеси. 4 РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРЕДЕЛОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ 4.1 Концентрационные пределы воспламеняемости Газовоздушные смеси могут воспламеняться только в том случае, если содержание газа в смеси находится в определенных пределах. В связи с этим различают нижний (НКПР) и верхний (ВКПР) концентрационные пределы воспламеняемости, которые соответствуют минимальному и максимальному количеству газа в смеси. При этих концентрациях происходит воспламенение газовоздушной смеси и дальнейшее ее горение. Для наглядности взрывоопасная область газовоздушной смеси в зависимости от концентрационных пределов воспламенения показана на рис. 3.  Рисунок 3 Расположение взрывоопасной области в зависимости от концентрационных пределов воспламеняемости Эти пределы соответствуют и условиям взрываемости газовоздушных смесей. Если содержание газа в газовоздушной смеси меньше НКПР воспламеняемости, то такая смесь гореть и взрываться не может, т.к. выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева смеси до температуры воспламенения недостаточно. Аналогичная картина наблюдается, если содержание горючего газа в газовоздушной смеси выше ВКПР воспламеняемости. Такая смесь (богатая) гореть и взрываться также не может. Если содержание газа в смеси находится между НКПР и ВКПР воспламенения,то при появлении источника инициирования, то при появлении источника инициирования смесь воспламеняется и горит. Такая смесь взрывоопасна. При оценке и обосновании пожаро- и взрывобезопасности работы технологического оборудования, всегда необходимо оценить расчетным путем возможность возникновения в нем зон взрывоопасных газовоздушных смесей, ограниченных нижним СНКПР и верхним СВКПР концентрационными пределами воспламеняемости. Значения пределов воспламеняемости горючих газов в смеси с воздухом приведены в табл. 2 методических указаний. 4.2 Расчет концентрационных пределов воспламеняемости в топочном устройстве Пределы воспламенения горючих технических газов, представляющих собой газовоздушную смесь простых газов и воздуха, можно определить, используя правило Ле-Шателье. В основе правила лежит предположение о независимости горючих свойств каждого из газов, входящих в газовоздушную смесь. Тогда нижний концентрационный предел воспламенения смеси газов СНКПР можно вычислить по формуле (18), %:  (18)где СНКП - определяемый нижний или верхний концентрационный предел, %; - верхние или нижние концентрационные пределы воспламенения каждого отдельного газа горючей смеси, %, приведенные в табл.1. Нижний концентрационный предел: СНКПР.СН4 ,СНКПР.С2Н6 , СНКПР.С3Н8, СНКПР.С4Н10 , СНКПР.С5Н12 , % По аналогичной формуле рассчитывается верхний концентрационный предел воспламенения, необходимо заменить индекс НКПР на ВКПР. Используя формулу 19, можно определить время работы горелки НКПР в аварийной ситуации, когда горения смеси не происходит, но при этом в топке достигается нижний концентрационный предел воспламенения СНКПР, с,  (19)где VГТ.НКПР – объем газа в топочной камере, соответствующий нижнему концентрационному пределу воспламенения газовоздушной смеси, расчет которого провести по формуле: VГТ.НКПР=0,01СНКПР·VТ, м3. (20) где  геометрический объем топочного устройства, м3.VГТ.НКПР=0,01×4,864× (6,2×3,4×3,2) =0,856м3 CНКПР=96,3/(93,2/5+1,9/3,22+0,8/2,37+0,3/1,86+0,1/1,4)=4,864% CBКПР =96,3/(93,2/15+1,9/12,45+0,8/9,5+0,3/8,41+0,1/7,8)=14,838% τ=0,856/0,062=13,81с 5 ЭНЕРГИЯ И МОЩНОСТЬ ВЗРЫВА ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ Оценка последствий взрывов газовоздушных смесей и разработка мероприятий по уменьшению их последствий может быть сделана на основе рассчитанных энергии и мощности взрыва. 5.1 Взрывное горение Химический взрыв – это быстрое неуправляемое химическое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся образованием большого количества сжатых газов, под давлением которых могут происходить разрушения различных объектов. Взрыв несет потенциальную опасность травмирования людей. При взрывном горении продукты сгорания нагреваются до температур 1500-3000°С, что часто приводит к пожару, усугубляющему негативные последствия взрыва. Продолжительность реакции горения газовоздушной смеси до наступления взрывного режима, и продолжительность самого взрыва, обычно составляют около 0,1 с. Параметрами, по которым определяют мощность взрыва, являются энергия взрыва и скорость её выделения, где энергия определяется физико-химическими превращениями во взрывчатом веществе. 5.2 Расчет энергии и мощности химического взрыва При химических промышленных взрывах реагируют обычно органические вещества в смеси с воздухом. Взрыв газо- или пылевоздушной смеси в виде облака или в замкнутом объеме приводит к мгновенному адиабатическому расширению продуктов горения и возрастанию давления в месте взрыва. Причиняемые оборудованию и промышленным объектам, разрушения зависят от мощности и энергии взрыва. Эти два параметра лежат в основе расчетов давления в центре взрыва и давления взрывной волны. Наиболее просто расчет энергии взрыва Э газовоздушной смеси может быть проведен по формуле 21, кДж:  (21)где m – масса горючего газа в газовоздушной смеси в топочном объеме, ведущего к взрыву и сгорающего в результате последнего, кг. Принимая, что объем газа, поданного в топочную камеру до взрыва, составляет VГТ.НКПР, то его массу можно определить по формуле, кг: m = VГТ.НКПР·ρ (22) где ρ – плотность газа, подаваемого в топку, кг/м3, рассчитанное по формуле 23:  (23) ρ=0,766× ((273×104300)/(101300×273))=0,789кг/м3 Соответственно, ρ = 0,789 кг/нм3 m = 0,856×0,789 = 0,675 кг Э = 0,675×35840 = 24192 кДж Мощность взрыва N можно рассчитать по формуле 24, кВт;  (24)где ∆τ - продолжительность времени, в течение которого происходит взрыв, с. Для расчетов примем равной 0,1 с. N=24192/0,1=241920кВт 6 ПРЕДОХРАНЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ОТ ВЗРЫВОВ В топочных устройствах может образоваться взрывоопасная газовоздушная смесь, которая при наличии источника воспламенения (нагретые поверхности, поджигающее устройство и т. п.) может взорваться и привести к разрушению оборудования. Для предотвращения разрушения элементов топочных устройств от возможных взрывов устанавливают предохранительные взрывные клапаны, которые должны срабатывать при давлении меньше значения давления, приводящего к разрушению конструкций установки. Такие клапаны обеспечивают своевременный сброс продуктов сгорания с повышенным давлением из мест взрыва в окружающую среду. На производстве широкое распространение получили предохранительные взрывные клапаны трех видов: разрывные, откидные и сбросные. Принципиальное устройство клапана разрывного типа показано на рис. 4.  Рисунок 4 Принципиальная схема предохранительного взрывного клапана (разрывного типа): 1 - асбестовая разрушающаяся мембрана; 2, 8 - фланцы; 3 – металлическая крупноячеистая сетка; 4 - огнеупорный слой; 5 - теплоизоляционный слой; 6 - упорный уголок; 7 – короб; 8 – накладной фланец. В наружном ограждении топочного устройства делается окно, куда крепится короб 7 клапана, как показано на рисунке 4. Короб на конце имеет фланец 2, на который накладывается крупноячеистая металлическая сетка 3 с ячейками от 40х40 до 50х50 мм. Так как большая часть топочных устройств работает под разрежением, чтобы продукты сгорания не попадали в помещение, то для поддержания механической прочности асбестовая мембрана 1 толщиной 2–3 мм ставится за сеткой. Затем сетка с мембраной прижимается накладным фланцем 8. Асбестовый лист такой толщины не пропускает дымовые газы наружу при эксплуатации топочного устройства и выдерживает давление, возникающее на нем. Однако он непрочен и при воздействии на него динамических нагрузок от взрыва легко разрушается. Асбестовый лист может длительно работать при температурах газов до 500 оС, кратковременно – до 700 оС, что необходимо учитывать при установке таких взрывных клапанов. Поэтому клапаны устанавливают таким образом, чтобы они не подвергались прямому тепловому воздействию факела. При взрыве асбестовые мембраны выходят из строя, однако они достаточно просто заменяются новыми. Взрывной предохранительный клапан откидного или сбросного типа представляет собой плиту, лежащую на горизонтальной стенке топочной камеры или газохода. Первый тип клапана закреплен с одной стороны на шарнире. При взрыве плита поворачивается вокруг оси и дает возможность свободному выходу дымовых газов, образовавшихся при взрыве. Сбросный клапан просто лежит в «седле» и при взрыве отбрасывается в сторону. Чтобы клапан при отлете не нанес травм обслуживающему персоналу или не привел к разрушению оборудования, он закреплен на коротком металлическом тросе. Масса клапанов должна быть достаточной для плотного прилегания к корпусу. Изготавливают клапаны из асбестового листа, толщина которого должна быть обоснована расчетом. Асбестовый лист укладывают на металлическую сетку и окантовывают металлическим уголком. При установке клапан обычно герметизируют по периметру огнеупорной замазкой или огнеупорной глиной. Форма взрывных клапанов должна быть круглой, квадратной или прямоугольной. Наиболее оптимальной считается круглая форма взрывного предохранительного клапана, т. к. в этом случае для разрыва мембраны требуется наименьшее давление. Однако технологически сделать круглый клапан в топочной камере не всегда целесообразно, поэтому обычно устанавливают клапаны квадратной или прямоугольной формы. Подробно с конструкциями взрывных предохранительных клапанов можно ознакомиться в учебной литературе [1,5]. Устанавливают клапаны на перекрытиях и стенах топочного устройства и газоходов. Наиболее целесообразно устанавливать взрывные клапаны в верхней части топки. При этом используется клапан, изображенный на рис. 4. При взрыве образовавшиеся газы, проходя через клапан, разрушают асбестовую мембрану, и по газоходу выводятся вверх в окружающую среду. Место установки клапана увязывают с зонами наиболее вероятного скопления горючих газов, так называемыми зонами образования «газовых мешков». Располагают клапаны так, чтобы взрывной волной не был поражен обслуживающий персонал. Если же установить клапан таким образом нельзя, то клапан разрывного типа устанавливают на вертикальной стенке и к нему крепится защитный короб, как показано на рис. 5. Такой короб позволит отвести взрывной выхлоп вверх или в сторону и защитить персонал от продуктов взрыва.  Рисунок 5 Установка взрывного клапана: 1 – огнеупорный слой; 2 – теплоизоляционный слой; 3 – взрывной клапан; 4 – кожух. Расчет и подбор предохранительных взрывных клапанов выполняется в соответствии с имеющимися нормативными документами: на каждый 1 м3 внутреннего замкнутого объема, где может произойти образование взрывоопасной газовоздушной смеси и ее взрыв, необходимо предусматривать 0,05 м2 площади клапана [2, 3]. Исходя из этого условия рассчитывается необходимая суммарная площадь взрывных предохранительных клапанов FK по формуле (25), м2. FK=0,05×V, (25) где V – внутренний замкнутый объем, где может произойти взрыв, м3. FK=0,05×17,6= 0,88м2 При подборе взрывных предохранительных клапанов следует учитывать, что площадь каждого взрывного клапана FK1 для оптимальных условий его срабатывания должна быть не менее 0,05 м2 и не более 0,63 м2. По форме он должен быть квадратным, круглым или прямоугольным, с учетом чего, определяют размеры клапана. Так как тепловая мощность топочной камеры в заданиях не слишком высока, то при подборе взрывных предохранительных клапанов следует учитывать, что минимальная площадь каждого взрывного клапана  для оптимальных условий его срабатывания должна быть не менее 0,05 м2. Максимальная площадь взрывного предохранительного клапана не может превышать 0,63 м2 и размерами не более 0,9х0,7 м. Это связано с тем, что асбестовые листы толщиной от 2 до 10 мм поставляются в промышленности размерами 1000х800 мм. Учитывая, что листы в предохранительном клапане необходимо еще закрепить фланцем, то на это с каждой стороны асбестового листа можно использовать по 50 мм. Исходя из данных условий, могут быть использованы клапаны квадратной формы в количестве 2 шт., общей площадью 1м2, площадью одного клапана 0,5 м2. ВЫВОД В ходе данной курсовой работы было рассчитано и по результатам расчета подобрано 1 горелочное устройство типа ГНП-8. Были определены концентрационные пределы взрываемости газовоздушной смеси во внештатной ситуации. Верхний концентрационный предел – 14,838%, нижний – 4,864 %. Время работы горелочного устройства при отсутствии горения, когда будет достигнут нижний концентрационный предел составит 13,81 с. Максимальная нормальная скорость распространения пламени равна 0,3707 м/с. Энергия взрыва составит 24192 кДж, мощность взрыва газовоздушной смеси – 241920 кВт. Для предотвращения разрушения элементов топочного устройства устанавливаем 2 предохранительных клапана квадратной формы общей площадью 1 м2, площадью одного клапана 0,5 м2. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Карауш С.А. Теория горения и взрыва: учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования / С.А. Карауш. – М.: Издательский центр «Академия», 2013. – 208 с. 2. ГОСТ 7.32−2001. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления. 3. ГОСТ 7.1-2003. Библиографическая запись. Библиографичес-кое описание. 4. СП 89.13330.2012 Котельные установки. Актуализированная редакция СНиП II-35-76* Котельные установки.5. Карауш С.А. Расчет параметров процессов горения [Текст] : учебное пособие / С.А. Карауш. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2015. – 120 с. 6. Карауш, С.А. Оценка параметров промышленных взрывов [Текст]: учебное пособие / С.А. Карауш. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2014. – 96 с. 7. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0,07 МПа (0,7 кГс/см2), водогрейных котлов и водоподогревателей с температурой нагрева воды не выше 388 К (115 град. Цельсия). Дата актуализации 12.02.2016. 8. Стаскевич, Н.Л. Справочник по газоснабжению и использованию газа / Н.Л. Стаскевич, Г.Н. Северинец, Д.Я. Вигдорчик. Л. : Недра, 1990. 762 с. Приложение 1  Приложение 2  Приложение 3  | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||