автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Огнепреградители для длительной локализации пламени

Введение

1. Назначение огнепреградителя и его место в системе химического производства

1.1. Назначение и устройство огнепреградителей . g

1.2. Основные закономерности гашения пламени в узких каналах.Ю

1.3. Устойчивость пламени и условия стабилизации горения

1.4. Анализ конструкций огнепреградителей и их способности к локализации пламени

1.5. Задачи исследования.

2. Методика проведения исследований

2.1. Установка для исследования огнепреградителей

2.2. Оценка погрешности изменений. Достоверность численных данных. г

2.3. Объекты исследования.

3. экспериментальные исследования огнестойкости огнепреградителей

3.1. Гашение пламени огнепреградителями с сетчатым пла-мегасящим элементом

3.2. Огнепреградители с кассетным плаглегасящим элементом

3.3. Насадочные огнепреградители

3.4. Основные результаты

4. Исследование механизма проникновения пламени через пламегася- , ищи элемент.

4.1. Стабилизация пламени на поверхности пламегасящего элемента.

4.2. Тепловой режим пламегасящего элемента

4.3. Анализ тепловых потоков, реализуемых в насадке

5. Пути повышения огнестойкости огнепреградителей

5.1. Огнепреградители с устройством, исключающим стабилизацию пламени на поверхности пламегасящего элемента

5.2. Огнестойкость трехслойного огнепреградителя с изолирующими газовыми прослойками .Х

5.3. Огнестойкость огнепреградителей с увеличенной поверхностью контакта с окружающей средой

5.4. Огнестойкость охлаждаемых водой огнепреградителей с форсунками .Х

5.5. Анализ способов повышения огнестойкости огнепрег-радителя.

6. Огнепреградители с организованным теппоотводом из пламегасящего элемента (ОТЭ).

6.1. Конструктивные особенности огнепреградителя типа

6.2. Особенности экспериментального исследования огнепреградителей типа ОТЭ.

6.3. Исследования огнепреградителей типа ОТЗ и анализ тепловых потоков

6.4. Изучение процесса теплопередачи в огнепреградителях типа ОТЭ для кристаллизующихся технологических сред.

6.5. Эксплуатационные характеристики огнепреградителей типа ОТЭ

Выводы. . . . ;

Интенсификация современного химического производства характеризуется ростом мощностей единичных агрегатов и компактным размещением их на территории предприятия. Наряду с технологическими, энергетическими и экономическими преимуществами этот путь связан с повышением требований к взрывобезопасности оборудования, так как увеличивается количество хранимого и перерабатываемого пожаро-взрывоопасного технологического сырья на сравнительно небольших производственных площадях, Огнепреградители являются одним из основных элементов взрывозащиты химических производств, они предназначаются для локализации горения на определенном участке технологической схемы и устанавливаются на хранилищах, технологических аппаратах и коммуникациях, в которых находится взрывоопасная среда, Предотвращение распространения пламени обеспечивается использованием насадки с диаметром каналов меньше критического. Анализ данных об эксплуатируемых в химической промышленности огнепрегра-дителях показал, что основным их недостатком является низкая огнестойкость. Продолжительность защитного действия серийно выпускаемого огнепреградители типа ОП составляет 6-20 мин. Этого времени, по мнению большинства специалистов, недостаточно для ликвидации аварийной ситуации [1,2]. Низкая огнестойкость применяемых в промышленности конструкций является причиной ряда аварий на хранилищах с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями Ц3,4].

В течение последних 15 лет во всех развитых в промышленном отношении странах проводятся исследования по созданию огнестойких огнепреградителей. Однако до настоящего времени не создана конструкция, обеспечивающая локализацию пламени порядка 2-х или более часов. Создание огнестойких огнепреградителей осложняется целым рядом дополнительных требований: низкое гидравлическое сопротивление, универсальность конструкции, стабильность свойств в процессе длительной эксплуатации, предотвращение кристаллизации наповерхности насадки компонентов рабочих смесей, многократность использования, минимальные трудозатраты на обслуживание, низкая металлоемкость и технологичность изготовления.

В работе изучена огнестойкость промышленных и опытных образцов огнепреградителей. Выявлены основные факторы, влияющие на огнестойкость конструкции, предложены теоретически обоснованные, приемлемые для промышленности решения по созданию огнепреградителей. Показано, что прохождение пламени через насадку является результатом нестационарности теплового режима огнепреградителя. тепловой поток от пламени к насадке приводит к прогрессивному разогреву пламегасящего элемента и снижению его гасящих свойств. Максимальный тепловой поток от пламени к пламегасящему элементу наблюдается при линейной скорости газовоздушной смеси близкой к величине нормальной скорости пламени. Установлено, что отвод тепла с интенсивностью 100 кВт/м2 сечения насадки обеспечивает стационарность теплового режима пламегасящего элемента и стабильность его гасящих свойств. Значительная часть работы посвящена исследованию других путей повышения огнестойкости огнепреградителей за счет изменения гидродинамики потока, применения жаропрочных материалов, снижения теплопроводности насадки, фпегматизации горючей смеси.

Большой экспериментальный материал позволил, с одной стороны, предотвратить внедрение в промышленность малоэффективных конструкций, с другой - сформулировать новый подход к рассмотрению огнепреградителя как теплообменного аппарата и решить поставленную задачу по созданию эффективной конструкции огнепреградителя. размещение в насадке огнепреградителя теплообменных элементов, рассчитанных на отвод избыточного тепла, обеспечило создание стационарного теплового режима с температурой поверхности насадки, исключающей ее расплавление, деформацию, проникновение пламени в каналы насадки. В результате этого продолжительность защитного действияувеличивается по сравнению с известными конструкциями до 2-х и более часов при автономном обеспечении теплоносителем. При централизованной подаче от производственных коммуникаций время защитного действия неограничено. Одновременно решен вопрос предотвращения кристаллизации компонентов технологической среды в пламогасящем элементе за счет подачи нагретого теплоносителя. Стабильность свойств пламегасящего элемента позволила снизить его высоту с соответствующим уменьшением гидравлического сопротивления и металлоемкости.

Положения и выводы диссертации использованы при разработке проектной документации по II типоразмерам огнепреградителей с теп-лообменным элементом. Ряд таких огнепреградителей эксплуатируется с 1979-80 г.г. на хранилищах с легковоспламеняющимися жидкостями на Северодонецком производственном объединении "Азот", 1убежанском производственном объединении "Краситель". Огнепреградители типа ОТЭ нашли применение на горловском производственном объединении "Стирол", Дзержинском производственном объединении "Капролактам", Гурьевском химическом заводе.

Результаты работы использованы при составлении РШ-6-28-006-76 "Огнепреградители общепромышленные", "Рекомендаций по применению типовых конструкций общепромышленных огнепреградителей".

Исследования проводились в соответствии с программой работ по проблеме 0.74.08 "1&зработать и внедрить методы и средства, обеспечивающие дальнейшее повышение безопасности и оздоровление труда в народном хозяйстве", утвержденной Постановлением Президиума ВЦСПС, ГКНТ СССР и Госплана СССР от 22.12.80 г. гё 14/529/269 (задание 0.74.08.12.05.02 "Создать типовые высокоэффективные средства локализации пламени в емкостях и магистралям); приказом-постановлением минхимпрома и ЦК профсоюза рабочих нефтяной, химической и газовой промышленности от 12.05.76 г. № 227/77 и заданиям Минхимпрома.

На защиту выносится:теоретическое и экспериментальное обоснование технического решения по созданию огнестойких огнепреградителей путем организации вынужденного теплоотвода в пламегасящем элементе;результаты экспериментальных исследований на крупномасштабной установке различных видов промышленных и опытных образцов огнепреградителей в условиях стационарного горения на поверхности пламегасящего элемента;конструкция огнепреградителя типа ОТЭ с теплообменным элементом.

- 205 -ВЫВОДЫ

I* Тепловой поток от пламени, стабилизированного на поверхности пламегасящего элемента, к насадке является основной причиной проскока пламени через огнепреградитель. Величина плотности теплового потока достигает 300 кВт/м^.

2. В начальной стадии горения на поверхности пламегасящего элемента огнепреградитель представляет собой теплообменный аппарат с нестационарным температурным полем. Скорость роста температуры в осевом направлении в два раза выше, чем в радиальном. При о организованном теплоотводе 100 кВт/м достигается установившийся тепловой режим с температурой "горячей" поверхности насадки 650750 К и сохранением ее защитных свойств при эквивалентном диаметре каналов насадки 0,5^.

3. Установлено, что широко распространенные в промышленности сетчатые, насадочные и кассетные огнепреграднтели (в том числе

• типа 0П) имеют продолжительность защитного действия 1-35 мин,что■ часто недостаточно для ликвидации аварийной ситуации.

4. расчленение пламегасящего элемента на несколько слоев; расположение его в корпусе с водяной рубашкой; создание над пла-мегасящим элементом сужений, увеличение поверхности контакта корпуса с окружающей средой; неконтролируемый ввод в зону горения водяного пара и воды заметно не улучшает огнестойкости огнепреградителей.

5. Организованный теплоотвод от пламегасящего элемента позволяет создать огнепреградитель с неограниченным или заданным временем защитного действия, определены основополагающие исходные данные (доля тепла, воспринимаемая из фронта пламени; удельные значения тепловых стоков через газовый и жидкостной потоки; коэффициент теплопередачи от нагретого теплоносителя), позволяющие проводить тепловой расчет огнепреградителя любого типоразмера.

6. Высота пламегасящего элемента в огнепреградителе с тепло-обменным элементом (ОТЭ), благодаря стабильности гасящих свойств о насадки, составляет 40-10 м, т.е. в два раза ниже по сравнению с промышленными огнепреградителями.

7. Конструкция огнепреградителя с теплообменным элементом позволяет использовать его в системах, содержащих продукты, кристаллизующиеся при низкой температуре окружающей среды.

8. Конструкция огнепреградителя типа ОТЭ защищена авторским свидетельством и эксплуатируется на Северодонецком ПО "Азот", ру-бежанском ПО "Краситель", Горловском ПО "Стирол". Планами Минхим-прома на 1983-1987 г.г. предусмотрено дальнейшее внедрение этих конструкций в различных технологических процессах на предприятиях отрасли, экономический эффект от внедрения в производство одного огнепреградителя составляет 6000 руб. в год.

9. Результаты проведенных исследований использованы при составлении :

Руководящего технического материала FTM-6-28-006-76 "Огнепреградители общепромышленные", "Рекомендаций по применению типовых конструкций общепромышленных огнепреградителей", технической документации на II типоразмеров огнепреградителей типа ОТЭ.

1. Стрижевский И.И., Заказнов В.Ф. Промышленные огнепреградители. - М.: Химия, 1966. - с. 138.2. l/erordnunp aSerafie d/ifordermpe/i,i/?srfeso/7dere msc/ier Jrf, an J/i&pen zur /арегм/гр,fdra/егшр dremdarer /ffissgtfetfe/? zx/а/гс/е. :

2. Гес/miscfie УегогсЖгмлр rfder dreanSaremf). Ba/tafespesezfzdf.f, A/ 48, /964,

3. Бесчаснов M.B., Соколов B.M., Кац М.И. Аварии в химических производствах и меры их предупреждения. М.: Химия, 1976. -368 с.

4. Волков О.М., Проскуряков Г.А., Пожарная безопасность на предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов. М.: Недра, 1981. - 256 с.

5. Правила пожарной безопасности при эксплуатации предприятий химической промышленности. М.: Химия, 1981. - 168 с.

6. Зельдович Я.Б. Теория предела распространения тихого пламени. Курн. эксперим. теор.физики, 1941, т.II, вып.1, с.159-169.

7. Шаулов Ю.Х. Распространение пламени через пористые среды.-Баку: Изд-во АН АзССР, 1954. 95 с.

8. Заказнов В.Ф., Стрижевский и.И. Оценка надежности действия сухих огнепреградителей. Вестник техн. и эконом, информ. НИИТЭХИМ, 1964, В 2, с.29-30.

9. Заказнов В.Ф., Возловский А.И.,Стрижевский И.И. Пределы гашения дефлаграционного горения при помощи гранулированных и пористых материалов. Инж. журн., 1963, т.З, вып.2, с.280-287.

10. Розловский А.И. Научные основы техники взрывобезопасно-сти при работе с горючими газами и парами. 2-е изд., перераб.1. М.: Химия, 1980. 376 с.

11. Friedman fi, JonsTbnW.C. /АеlVa№-&uenchina oplaml-/?ог Propane ffame as a Рм/гсйо/г of Pressure, Тё/hpera,fare and Mr-Puet? Шо. -7. Jppf. P/ij/s., /950, y. 2f3 a/7,p. 79/793.

12. T/iomasAL, Wl<%e/?m P. M Ffe/ne -attachment zone Of 7amlnar premlxeol meMa/ie-air. V/ Sumpos. on fip/nAi/s-Wo/i, Few Уогб, /957,p. 701- 705.

13. Заказнов В.Ф., Розловский А.И., Стрижевский И.И. Некоторые закономерности гашения пламени. ЖФХ, 1968, т.42, № Ю,с.2638-2639.

14. Mincfan / Т. Passage op F/b/ne Perforated P/a/es. Gasjburn.,/939, v. 226,p. 925-928.

15. Битюцкий В.К., Шраер Б.Й., Крошкина О.Г., Гликин М.А. Испытание кассетных огнепреградителей в динамических условиях. -В кн.: Техн. и эконом, информ. Сер. Охрана труда и техника безопасности. -М.: НИИТЭХИМ, 1970, вып.2, с.58-64.

16. Лыаис В., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах./ Пер. с англ., под ред. К.И.Щелкина и А.А.Борисова. м.: Мир, 1968. -592 с.

17. Прикладные вопросы теории горения./ Под ред. О.Н.Бржа-нова: Калининград: Изд-во К1У, 1971. 93 с.

18. Брюханов О.Н., Кухарчик М.А. Анализ пределов проскока пламени через перфорированные насадки с точки зрения тепловой теории. В кн.: Прикладные вопросы физики горения: Из-во Калининградского государственного университета, 1974, с.36-46.

19. Брюханов О.Н. Вздиационно-конвентивный теплообмен при сжигании газа в перфорированных системах. Л.: Изд-во ЛГУ, 1977.238 с.

20. PicAt&men far dte l/ermeic/ancf a/erGefaAren a/arcA exp/oslS^e /H/nospAare £rf>/osionsscAatz -/vt'cAMnienfx-/?<?) daspaSe 8//976.

21. Schmnec/e ft. Zifa/77/77ena!arcAscA/a^sicAere z/r/na

22. Aare/t.- „C/ie/п. dn/bp. УеграАгеп/977, a/6, s.32-34-.

23. Pe/npef Z)., ZoscA P., \M?Zff//. ZlZeaere ZZrAennfas-se аДег c/i'e WtrdsamAeiA von Zaxic/c/arcAscA/bpslcAeranpen

24. Л leader f^ofds/onen шс/Z)a//?rZsnncZr„ Cbemfee/in?ФЖ. /977,1. V.29, //6, s. 343 -347.26• leine/nann //. PZa/n/nencA/rcAscA/apsicAere /f/waZxren scAu/zen ZAer/nische //Zpasverdre/manpsanpen. "CAe/n.7ncZ.", /980, v. /03, /1f5. s. 340-343.

25. Lactam /?. dffic/aZli&a c/e/ oAsposi&ri cZt sicurez-za contro / feao/nenl expSsiri. „ /InZisice/icZto \ /980, M 4,s. 39-42.

26. Иост В. Горение и взрывы в газах./ Пер. с нем. А.Н.Воинова и др. Под ред. проф. А.В.Фроста. М.: ИИ, 1952. - 687 с.

27. Brown B.S., Cook R.James G.7., Palmer K.N Cranicose Explosions in Marine Oitf fnpines, Me /yyicac a of Gauze ana/ Crimped гШоп Wa/ne 7raps. - /TieJnsri-/г//е op Marine Bnaineers Transactions, /962 v. 74, a/8p 261-271.

28. Arresting Frames in Gas Meins. 7ron anc/ Coat, 1960, v. 18, a/4782. -p.575.

29. Палмер K.H. Гашение пламени металлическими сетками. -Воцросы горения. Материалы У1 и УП Международных симпозиумов по горению. М.: Металлургиздат, 1963. с.174-182.35.- Zuoad/o fi Bezpiecznikiprzeciwoavioz&e.

30. Битюцкий В.К., Крошкина О.Г., Линецкий В.А. Защита химического оборудования с помощью огнепреградителей: Обзор, инф./ ВНИИТЕХП. М.: НИИТЭХИМ, 1976. - (Техника безопасности). - 45 с.

31. Алексеев М.В. Ограничение возможности распространения пожара по производственным устройствам.-М.: Изд.-во Высшей школы МВД РСФСР, 1961. с. 56.

32. Стрижевский И.И., Заказнов В.Ф. Промышленные огнепреграднтели. М.: Химия, 1974. - 264 с.

33. Котов Г.М., Волков О.М., Пустомельник В.П. Противопожарные мероприятия на нефтеперерабатывающих заводах. М.: Строй-издат, 1981. - 41 с.

34. А.с. 387718 (СССР). Огнепреградитель для резервуаров с горючими жидкостями / Б.З. Абросимов, С.И. Вильдер, Г.В. Мамонтов, П.Л. Баноидзе, Л.П. Шувалова, Л.А. Мацкин, И.И. Стрижевский, В.Ф.Заказнов. Опубл. в Б.И., 1973, № 28.

35. Рекомендации по применению типовых конструкций общепромышленных огнепреградителей/ Битюцкий В.К., Крошкина О.Г., Сурикова Я.И., Тарасенко .С .Я. Северодонецк: ВНИИТЕХП, 1978. 36 с.

36. А.с. 303906 (СССР). Огневой предохранитель/ Г.В.Мамонтов, И.Б.Танцман, П.Л.Гельдберт, С.И.Вильдер, И.И.Стрижевский, В.Ф.Заказнов., Опубл. в Б.И., 1972, № 12.44. Pal 96/426 (8/?D). far

37. Tanh/Л. £. №с£&лс/ег, MZMnrftvia, /<?S7,

38. Pat /203686 (MD). М/ Ш vmenscAw/zros/enyerse/ienes d/mufi^so/ya/i /i&ssgrfej/s/eAaS/e/y'1. J. /l/eamann, /966.

39. Огневые предохранители типа 0П. Технические условия ТУ ГНС РСФСР-68-70.

40. C5/V /36650. Zkouseni neprufiojnycfi kapi&trnic/i pojisiek proti pros&Anu/i /э&тепе,- Pifatioa/963rSc.

41. Битюцкий B.K., Гликин M.A., Пискунов Б.Г., Крошкина О.Г., Линецкий В.А. Методы испытаний промышленных образцов огнепреградителей. Безопасность труда в пром-сти, 1975, № I, с. 36-37.

42. Кассандров О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. - 104 с.

43. Батунер Л.М., Позин М.Е. Математические методы в химической технике. 5е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, ленингр. отд-пие, 1968. - 824 с.

44. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. 2е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергия, 1976, - 352 с.

45. Битюцкий В.К., Крошкина О.Г. Испытания сетчатых огнепреградителей. В кн.: Исследования в области техники безопасностив химической промышленности. М.: НИИТЭХИМ, 1976, с. 22-26.

46. Хитрин Л.Н. Физика горения и взрывов. М.: йзд-во М1У, 1957. - 442 с.

47. Pnc. Pcy. Sod', 1.954, sen. A225, v. 71, к 11,p. I160-//65.

48. Лыков А.В.* Тепломассообмен (справочник)/ 2-е изд., пере-раб. и доп; м;: Энергия, 1978. - 480 с;

49. Душин Ю.А. Р&бота теплозащитных материалов в горячих газовых потоках; Л.: Химия, Ленингр. отд-ние, 1968 . - 224 с,

50. Сергеев Г.т; Тепломассообмен проницаемых сред при пористом вдуве/ Под ред. чл.-корр. АН СССР Р.И.Солоухина. Шнек: Наука и техника, 1981. - 126 с.

51. Справочник химика; Тй* 3-е изд., испр; л;: Химия, Ленингр. отд-ние, I97i; - 1072 с.

52. А.с. 497023 (СССР); Огнепреградитель / А.И.Эльнатанов, ИШ.Стрижевский, Ш.Л.Гринберг, А.Н.Манькин, Я.Б.Сидоренко. Опубл; в БЖ. 1975, № 48.

53. FTammenscAu tzroste on Д/тип^о/рттреп 2>е/ £еАаД?ег/г ml,/rem£aren f&ssiph/7en/ //. , /968.

54. А.с.' 228736 (СССР). Огнепреградитель/ И.И.Стрижевский, ВЖЗаказнов, ЕЖФедичев, Ю.Л. Юценко; Опубл. в Б";И;:, 1969? № 32;*

55. Pat. 1023409(3/?D). SickerhelUvorrlchtuncf fur

56. Be hatter mlt SrennSaren F/u$$iakeiten/MMaj/. -1958.

57. Pat. //2584?(BfiD). /Ыипрьогуап ml/P/amrnenscAutzrost ana/a/arcA /Atzeeinw/rfanp sic/i se/Ssttatty /dseno/er SrAa/zAaaSefar ВеАа//ег zar/aaermoила/ zam Transport vonfeaeraefdAr/fcAen P/sssio/eifen W Gase/ /Р /einemann , /962. "

58. Ра/. /132862 CBPBX /tmanpsorpanfar BeAat/er2ur /арегипр а/го/ zam Transport ао/г feaerpefdAr/c/en P/ass/p/eiten ana/ Gasen /P./etneniann, /963.

59. Воль К.1, Капп H.» Гаслей К. Устойчивость открытых пламен. В кн.: Вопросы горения; ТЛ, М;, 1953, с. 5-30.

60. I'pyMep Ж., Гаррис ГЛ., Шульц Г. Стабилизация пламени на горелках с короткими насадками или с некруглыми выходными отверстиями. Четвертый симпозиум (международный) по вопросам горения и детонационных волн. - Оборонгиз, 1958, с; 473-479.

61. Исакеев А.Ш:, Киселев H.IV, Филатов В.В. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов; Л.:Энер-гоиздат; 1982. - 137 с;

62. Aic. 588986 (СССР). Огнепреградитель / М.А.: Гликин, В.К.Штвдкий, О^Г.Крошкина, Л .М. Савицкая^ Опубл. в Б.И., 1978, Я 3.

63. Крошки на о.Г. Огнепреградитель с тешюобменным элементом: Инф;листок № 56 / ВНИИТЕХП. М.: НИИТЭХИМ, 1979; - (сер; 03-14).

64. Начальник производства Начальник цеха 20/21А1. От СШ "Азот" :1. От ВНИИГБХП :

65. И.А. Краснобородько А.И. Махортов В .Я. Андреев1. Зав .лабораторией № I

66. Мл.научный сотрудник лаборатории № I1. О.Г. Крошкина1. В.К. Битюцкий1. УТВЕРЖДАЮ1. ТИТель директора научнойу твери л ю11 -- - л— " - • Q1. CJ '

67. Главный инженер фжанского производственного ^динения, ЛКраситель"

68. В.В.Захарченко /£/ 1980г. » Э1. Ю.З.Бригидер ^ 1980г.1. АКТвнедрения нового огнепреградителя типа 0ТЭ-150 с теплообменным элементом

69. Огнепреграднтели позволят обеспечить надежную защиту хранилищ от проникновения пламени при стационарном горении на пламегасящем элементе в течение двух часов.

70. Зам. главного механика \. • M d/autil^- И. В. Безгубенко Нач.кислотно-сырьевого цеха ^ у sff? З.Я.Бондарев Механик кислотно-сырьевого цех>^Р if^А.А.Пеньков Инженер О И -^S^y^ В. И. Шулико1. От ВНИИТБХП ' .„.v

71. Завлабораторией и с В.К.Битюцкий

72. Мл. научный сотрудник Щщ- // 0.Г.Крошкина