本科毕业设计波纹型阻火器设计课程设计.docx
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本科毕业设计波纹型阻火器设计课程设计
课程设计说明书
学生姓名:
学号：
学院:
化工与环境学院
专业:
安全工程
题目:
波纹型阻火器设计（乙炔/空气）
2015年1月22日
目录
1绪论1
2机械阻火器2
2.1阻火器的工作原理2
2.2阻火器的种类3
2.3阻火器主要应用场所4
2.4阻火器特点4
3波纹型阻火器（乙炔/空气）设计5
3.1RZGB-1型波纹型阻火器5
3.2波纹型阻火器结构6
3.3阻火器结构设计7
3.4阻火器性能测试12
4课程设计总结13
参考文献14
附图
附图
1绪论
爆炸阻隔是一种利用隔爆装置将设备内发生的燃烧或爆炸火焰实施阻隔，使之无法通过管道传播到其他设备中去的一种防爆技术措施。
隔爆技术措施按作用机制不同，分为机械隔爆和化学隔爆两种类型，隔爆装置主要有工业阻火器、主动式隔爆装置和被动式隔爆装置等几种类型。
工业阻火器又分为机械阻火器、液封阻火器和料封阻火器等类型，主要用于阻隔燃烧和爆炸初期火焰蔓延；主动式隔爆装置通过传感器探到的爆炸信号实施制动；被动式隔爆装置则依靠爆炸波本身引发制动。
本次设计产品为波纹型阻火器（乙炔/空气），为机械阻火器的一种。
阻火器的作用是防止外部火焰窜入存有易燃、易爆物料的设备、管道、容器内，或者阻止火焰在设备和管道闻蔓延。
乙炔极易发生氧化爆炸，当乙炔气体浓度达到爆炸极限，遇到点火源，便可发生氧化爆炸。
乙炔在空气中爆炸浓度范围极大为2.5～100%（体积），其爆炸危险性远大于氢气。
同时乙炔爆炸所需点火能很低，约0.019mJ。
此外乙炔具有分解爆炸特性，其分解过程不需要助燃剂氧气的参与。
一旦局部气体过热使少量气体分解而波及剩余气体，短时间内气体急剧膨胀并且放出大量热量，最终导致爆炸发生[1]。
故通过高效、经济的阻火器来阻止乙炔爆炸，或进行爆炸阻隔很有必要。
2机械阻火器
2.1阻火器的工作原理
关于阻火器的工作原理，目前主要有两种观点：
一种是基于传热作用；一是器壁效应。
（1）传热作用
阻火器能够阻止火焰传播并迫使火焰熄灭。
燃烧所需要的必要条件之一就是要达到一定的温度，即着火点。
低于着火点，燃烧就会停止[2]。
依照这一原理，只要将可燃物的温度降到着火点以下，使火焰熄灭就可以阻止火焰的蔓延。
阻火器是由许多细小的空隙和通道组成。
当火焰通过阻火元件的许多细小通道之后将变成若干细小的火焰流，由于通道或空隙的传热面积很大，火焰通过时立即进行热交换，温度降低极快。
当火焰温度下降到一定温度时火焰便熄灭。
在设计阻火器的内部阻火元件时尽可能扩大细小火焰和通道壁的接触面积，强化传热，使火焰温度尽快降低到着火点以下，达到阻止火焰蔓延的目的。
根据英国罗贝尔对阻火器进行实验表明：
传热作用对阻火器熄灭火焰不是主要的，而是器壁效应起主要作用。
（2）器壁效应
根据燃烧与爆炸连锁反应理论[2]，认为燃烧与爆炸现象的产生并不是分子直接作用的结果，而是受外来能源（热能、辐射能、电能、光能、化学反应能等）的激发，分子键受到破坏，产生具备反应能的分子（称为活化分子），这些活化分子在发生化学反应时，首先分裂出十分活跃而生命短促的自由基。
化学反应就是靠这些自由基进行的。
自由基与其他分子相撞，生成新的产物，同时也产生新的自由基再继续与其他分子发生反应。
当燃烧的可燃气体通过阻火元件的狭窄通道时，自由基与通道壁的碰撞几率增大，参加反应的自由基减少。
当阻火器的通道窄到一定程度时，自由基与反应分子之间的碰撞几率随之减少，自由基与通道壁的碰撞几率增大，当自由基与通道壁的碰撞占主导地位，由于自由基数量急剧减少，当化学反应自由基销毁速率大于产生速率时，反应不能继续进行，当通道尺寸减少到一定程度时，这种器壁效应就造成了火焰不能继续传播的条件，火焰即被阻止，也即燃烧反应不能通过阻火器继续传播。
但是在大多数情况下，阻火器的传热效应和碰撞效应同时存在。
火焰发生淬熄的过程如图2-1所示,爆燃火焰在狭缝中淬熄主要是由于火焰面的化学反应放热与散热条件不匹配引起的。
火焰以速度v进入狭缝时,火焰面内靠近狭缝冷壁处作为化学反应活化中心的自由基和自由原子与冷壁相碰撞放出其能量,这相当于反应区的热量流向冷壁边界,从而当火焰面到达一定距离时,在壁面附近产生了熄灭层。
随着火焰面的运动,熄灭层厚度不断增大,以至于自由基进入熄灭层内就被复合成分子并放出能量,而仅有少量自由基能穿透熄灭层与冷壁相撞。
在后续进程中,火焰在该狭缝内完全淬熄。
能使火焰发生淬熄的通道直径称为淬熄直径,用D来表示。
火焰在具有淬熄直径D的通道上传播到熄灭之前的那段距离称为淬熄长度,用L来表示。
图2-1燃烧火焰淬熄原理[2]模型
2.2阻火器的种类
（1）按用途不同分类
隔爆型：
主要用于阻隔可燃物燃烧或爆炸火焰的传播，且能承受一定的爆炸压力的作用。
耐烧型：
主要用于阻止可燃物燃烧火焰的传播，且能承受一端时间的燃烧作用。
阻爆轰型：
主要用于阻止可燃物从爆燃向爆轰转变火焰的传播，且能承受较大爆炸压力的作用。
（2）按阻火器安装位置分类
管端阻火器：
安装在管子顶端；
管中阻火器：
安装在管子中间。
（3）按阻火器用途分类可分为油罐阻火器、加油站阻火器、车用阻火器、加热炉用阻火器、火炬阻火器、排风导管阻火器、船用阻火器、乙炔阻火器、氢气阻火器等。
（4）按阻火器结构分类可分为金属网型阻火器、波纹型阻火器、平行板型阻火器、多孔板型阻火器、泡沫金属型阻火器、充填型阻火器、水封型阻火器、复合型阻火器和星型旋转阀阻火器等。
（5）按阻火器使用气体介质分类可分为Ⅰ级气体阻火器、ⅡA级气体阻火器、ⅡB级气体阻火器、ⅡC级气体阻火器。
2.3阻火器主要应用场所
（1）输送易燃或可燃气体管道；
（2）存储石油和石油产品油罐；
（3）爆炸危险系统通风管口；
（4）加热炉中的可燃气体网管；
（5）油气回收系统及内燃机排气系统。
2.4阻火器特点
（1）阻火器是用来阻止易燃气体和易燃液体蒸气的火焰蔓延的安全装置。
（2）当爆炸性混合气体或爆炸性液体形成的蒸汽与空气的混合物的火焰经过足够小的断面或狭缝时，由于壁面的冷却效应和碰撞效应，导致自由基或活性分子的复合消失，破坏了化学链式反应的条件，因而不能形成连续燃烧薄膜或燃烧通路，火焰在其中传播一段距离后便会自动熄灭。
（3）机械阻火器常由大量只允许火焰通过的细小通道或空隙固体材料组成。
工业阻火器分为机械阻火器、液封阻火器和料封阻火器等类型，主要用于阻隔燃烧和爆炸初期的火灾火焰地蔓延；主动式隔爆装置通过传感器探测到的爆炸型号实施致动；被动式隔爆装置则依靠爆炸波本身来引发致动。
（4）阻火器的作用是防止外部火焰窜入存有易燃易爆气体的设备、管道内或阻止火焰在设备、管道间蔓延。
阻火器是应用火焰通过热导体的狭小孔隙时,由于热量损失而熄灭的原理设计制造。
阻火器的阻火层结构有砾石型、金属丝网型或波纹型。
3波纹型阻火器（乙炔/空气）设计
3.1RZGB-1型波纹型阻火器
图3-1RZGB-1型波纹型阻火器图3-2阻火器视图
RZGB-1型波纹型阻火器零部件材料及外形尺寸如表3-1与表3-2：
表3-1零部件材料
阀体材料
碳钢WCB、不锈钢304、316、
阻火芯件材料
不锈钢防爆阻火波纹板
密封件材料
耐油石棉橡胶、四氟PTFE
环境温度℃
≤480
公称压力（MPa）
0.6~5.0
防爆级别
BS5501:
ⅡA、ⅡB、ⅡC
表3-2国标法兰连接外形尺寸：
GB、JB
规格
安装尺寸（mm）
D2
D
L
H
N-d
DN50
110
140
220
235
4×14
DN80
150
185
280
270
4×18
DN100
170
205
325
275
4×18
DN150
225
260
425
290
8×18
DN200
280
315
495
305
8×18
DN250
335
370
595
320
12×18
DN300
395
435
655
405
12×23
3.2波纹型阻火器结构
波纹型阻火器主要由阻火器壳体、阻火层两部分组成。
阻火器壳体如下图3-3所示：
图3-3阻火器壳体结构
如图3-4与图3-5所示，阻火层芯件核心由两层超薄的不锈钢带制成:
一层钢带被压成波型;另一层为平面钢带。
将两种钢带组成间隔围绕其与圆心轴缠绕而成，由无数个断面为三角形的直通流道组成。
在芯件内部有一个支架，用来增强芯件的结合强度，避免芯件在阻燃过程中被介质产生的爆炸压力冲散。
图3-4阻火层芯件结构图3-5芯件单元体结构
3.3阻火器结构设计
（1）气体熄灭直径
使火焰不能继续传播的阻火器最大通道直径称为气体熄灭直径。
气体熄灭直径大小取决于气体种类，并直接关系到阻火器的阻火效能。
在设计阻火器时，应根据可燃气体燃烧速度选取熄灭直径，一般已丙烷为设计参考，这种估算方法对大多数饱和烃和易燃气体适用，但不适用燃烧速度更快的易燃气体。
另外，由于乙炔气体具有许多不同于一般易燃气体的特性，不能按饱和烃来处理。
常态下几种常见气体的燃烧速率与熄火直径数据如表3-3：
表3-3常态下气体燃烧速率及熄火直径数据[3]
气体类型
标准燃烧速率
/m·
熄灭直径
/mm
气体类型
标准燃烧速率
/m·
熄灭直径
/mm
甲烷/空气
0.365
3.65
乙炔/空气
1.767
0.78
丙烷/空气
0.475
2.66
氢气/空气
3.352
0.86
丁烷/空气
0.396
2.79
丙烷/氧气
3.962
0.38
己烷/空气
0.396
3.05
乙炔/氧气
11.277
0.13
乙烯/空气
0.701
1.90
氢气/氧气
11.887
0.30
一般来说，阻火层通道或孔隙直径可按气体熄灭直径来选取，但由于剥燃火焰速度远快于标准燃烧速度，因此，在实际设计中，阻火层通道或孔隙直径按半气体熄灭直径选取，当然也可以通过增加阻火层厚度来提高阻火器效能。
阻火层孔隙大小是影响阻火效能的重要因素，易燃气体熄灭直径大小直接关系到阻火层的孔隙尺寸。
熄灭直径可以通过试验来测定，也可通过熄灭间隙来近似估算：
（3.1）
（3.2）
式中：
--熄灭间隙，mm；
--最小点火能，mJ；
--熄灭直径，mm
由表3-4可知乙炔最小点火能为0.019mJ。
表3-4典型气体-空气混合物最小点火能[3]
名称
最小点火能
（mJ）
名称
最小点火能
（mJ）
二硫化碳
乙炔
氢
乙醚
苯
戊烷
0.009
0.019
0.019
0.19
0.20
0.24
丁烷
乙烷
丙烷
甲烷
丙烯
0.25
0.25
0.26
0.28
0.28
=4.53×0.0190.403
mm=0.917mm
=1.54×0.917mm=1.41mm
实验表明，对于波纹型和金属型阻火器和阻火层，其波纹高度和孔网直径一般不超过熄灭直径一半，即：
（3.3）
式中--波纹（形状为等腰或等边三角形）高度或网孔直径，mm。
由式3.3可得
（2）火焰传播速度
一端开口的管道内，点火方式可以分为靠近开口端点火、靠近闭口端点火或靠近阻火器点火三种情形。
无论何种点火方式，阻火器内火焰传播速度均取决于可燃气体的性质和点火与阻火器之间的距离（即点火距离）。
由表3.3.3可以看出，在相同点火距离下，不同性质气体火焰传播速度并不相同；同一种气体火焰传播速度随点火距离的增大而迅速提高，当点火距离达到10m时，火焰传播速度已达到爆轰速度（2133m/s）。
因此，为降低火焰传播速度，应尽可能缩短点火距离。
一般来说，点火距离不超过10m,在某种特殊情况下需超过10m时，管道和阻火器应能承受5.5MPa以上压力，并设有泄爆孔。
火焰传播速度与点火距离关系如表3-5：
表3-5火焰传播速度与点火距离关系[3]
由表3-5，取乙炔/空气火焰传播速度170m/s。
（3）阻火层厚度
对于波纹型阻火器，其阻火层厚度可按以下经验公式进行估算：
（3.4）
式中：
--阻火器能阻止火焰传播的最大速度，m/s;
--有效面积比，即阻火层实际面积与阻火层空隙面积之比；
y--阻火层厚度，cm
—阻火层孔眼直径，cm。
式3.4用于三角形孔眼的波纹型阻火层，表示水力直径；并可按下式进行计算：
（3.5）
式中
、
——分别为三角形孔眼的面积及周长，
，cm。
本次设计阻火层波纹为等边三角形，其边长：
于是有
，
并且
取a=0.8，代入公式3.4得，
适当增加阻火层厚度可以提高阻火效能，故取y=15mm。
计算结果满足以下要求：
a）
不得超过熄灭直径的50%；
b）y值对波纹型阻火层厚度至少为13mm。
（4）壳体尺寸
a）选材
阻火器必须满足耐腐蚀、耐高温、高强度等要求。
其壳体可采用铸铁、铸铝、铸钢等材料来制造；在阻火器内部或其他设备组装时，不得使用动物皮革或植物纤维垫片。
由表3-6可知，铸钢ZG25满足要求。
表3-6常用材料力学性能[5]
材料名称
牌号
（MPa）
（MPa）
δ
低碳钢
Q235
235
375
25
合金结构钢
40Cr
785
980
5
铸钢
ZG25
230
450
22
灰铸铁
HT100
100
铝合金
2A12
275
420
10
b）壳体厚度
对于脆形材料制成的阻火器壳体，其厚度可按下式计算：
（3.6）
式中SB--阻火器壳体厚度，cm；
D--壳体中腔最大内径，cm；
δL--材料允许拉应力，MPa；
C--附加裕量，m；
P--设计压力，一般可取公称压力，MPa。
设计材料选用铸钢（型号ZG25），安全等级暂定为3。
则
=
＝150MPa
查阅资料知，阻火器公称压力一般为0.5～6MPa，此处取p=5MPa。
则
取壳体厚度为1cm。
c）壳体尺寸
阻火器的壳体尺寸会直接影响流体的阻力的大小，波纹阻火器壳体参考尺寸见下表：
表3.3.5阻火器壳体参考尺寸[3]
管道公称直径/mm
壳体直径/mm
壳体总长度/mm
15
50
100
20
80
130
25
100
150
40
150
200
50
200
250
70
250
300
80
300
350
100
400
450
阻火器壳体直径D应该比与其配合使用的管道公称直径d大四倍,阻火层距离阻火器壳体前后端的长度分别为：
≈（0.5～1.0）D、
≈（0.5～1.5）D。
根据设计要求，管道公称直径d为25mm，壳体直径D为110mm，壳体总长150mm以及阻火层厚度为15mm。
可设计阻火层距离阻火器壳体前后端的长度分别为：
≈0.50D=55mm
≈0.73D=80mm
阻火器壳体外形尺寸及阻火器侧视图见附图
和附图
。
3.4阻火器性能测试
在阻火器使用之前，必须经过阻爆和耐烧性能测试。
阻爆试验是指在一定距离内将试验装置内的可燃气体点燃，使火焰或火花通过阻火器时被熄灭的一种试验。
耐烧试验则是指在无回燃条件下，使可燃气体燃烧火焰持续通过阻火层时，阻火层能够承受一定时间内的火焰燃烧而不被烧坏的一种试验。
此外，一个性能优良的阻火器除了具有良好的阻火和耐烧性能，还要有尽可能小的流阻。
阻火器压降的大小取决于其结构形式及气流速度不同阻火器的压降一般需要通过试验来测定，也可以利用经验公式进行估算。
4课程设计心得
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节。
这次课程设计虽然时间很短，但我还是学到了不少东西，对软件的设计过程和方法有了更深入的了解，培养了我们的团队精神，锻炼了我们的沟通和表达能力。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
虽然我的这个设计做的还有很多不足之处，但是在设计过程中所学到的东西对我来说是这次课程设计的最大收获和财富。
通过这次的课程设计，对阻火器的设计有了初步的了解，同时对课程设计的相关知识也有了了解，提高了理论知识和实践的结合能力。
阻火器的应用可以增加生产活动安全性，随着阻隔防爆的技术的发展，阻火器也不断的更新换代，但是它的目的和功能一直是为了生产活动的安全。
新材料和新工艺应该是提高阻火器性能的主要途径。
这次课程设计不仅加深了对阻火器的了解，让我对防火防爆这门课程有了更深的认识，也提高了动手能力和发散思维的能力，使得对未来的学习更有帮助。
由于本人的学习知识有限，设计过程中的疏漏和错误肯定在所难免，恳请老师批评指正。
参考文献
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[2]胡双启,张景林.燃烧与爆炸[M].北京:
兵器工业出版社,1992
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兵器工业出版社,2007
[4]吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册[M].北京:
高等教育出版社,2012
[5]徐鹏.简明工程力学[M].北京:
电子工业出版社,2010
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