СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ВЗРЫВОЗАЩИТНЫХ МЕМБРАН
EXPLOSIONPROOF MEMBRANE TEST BENCH

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для взрывозащиты технологического оборудования, в частности защиты аппаратов от разрушения при взрыве горючей смеси разрывной мембраной.
На предприятиях химической промышленности широко применяются аппараты, автоклавы, реакторы и коммуникации, работающие под давлением. Сосуд, работающий под давлением, - это герметически закрытая емкость, предназначенная для ведения химических и тепловых процессов, а также для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов и жидкостей под давлением. Опасность эксплуатации таких аппаратов заключается в том, что при потере механической прочности стенок обечайки (коррозия, локальный перегрев, трещины и т.п.) пли повышении давления может произойти разрушение (взрыв) сосуда, в результате которого потенциальная энергия сжатой среды переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков.
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 путем сопоставления данных аналитического расчета и экспериментального определения проходного сечения мембраны.
Это достигается тем, что в стенде для испытаний взрывозащитных мембран, содержащем взрывной сосуд, в котором осуществляют взрыв паров горючей жидкости посредством воспламенения горючей смеси от электрической искры свечи зажигания, взрывной сосуд оснащен узлом крепления мембраны, который устанавливают в торцевой части сосуда, в взрывном сосуде осуществляют взрыв паров горючей жидкости посредством воспламенения горючей смеси от электрической искры свечи зажигания, взрывной сосуд оснащают узлом крепления мембраны, который устанавливают в торцевой части сосуда, закрытой предохранительным экраном, параллельно с механическим индикатором давления с тумблером включения двигателя индикатора, а взрывную камеру со свечой зажигания, имеющей кнопку включения зажигания, располагают оппозитно торцевой части сосуда, закрытой предохранительным экраном, при этом сосуд комплектуют штуцерами для продувки взрывного сосуда после проведения эксперимента, причем штуцер для заливки горючей жидкости с установленной па нем пробкой закрепляют в стенке сосуда над контактами свечи зажигания, при этом элементы, участвующие в испытании: индикатор давления, свеча зажигания, штуцер для заливки горючей жидкости, штуцера для продувки взрывного сосуда, подбирают по прочности на «разрыв», превосходящей прочность исследуемой мембраны не менее чем в два раза, при этом давление взрыва регистрируют механическим индикатором давления, причем после каждого эксперимента производят продувку воздухом внутреннего объема сосуда, а необходимую концентрацию смеси паров с воздухом обеспечивают дозировкой жидкости пипеткой через штуцер, который после заливки жидкости закрывают пробкой, а привод барабана механического индикатора давления включают тумблером.
На чертеже изображена схема стенда для испытаний взрывозащитных мембран.
Стенд для испытаний 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, стенд для испытаний взрывозащитных мембран оснащен 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 «слабым звеном системы» для реализации поставленной задачи по определению необходимой площади мембраны для защиты аппаратов от разрушения при взрыве.
Стенд для испытаний 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.
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
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
(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 отверстия этих диафрагм.
Защита обслуживающею 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).
Причиной повышения в сосуде (аппарате) при взрыве горючей смеси является тепловое расширение продуктов сгорания за счет тепла, выделяемого при реакции окисления горючего.
Уравнение окисления стехиометрической смеси
<mrow><mi>М</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mi>Г</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>г</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>ю</mi><mi>ч</mi><mi>е</mi><mi>е</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>n</mi><mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>n</mi><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>m</mi><mrow><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>m</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>+</mo><msub><mi>m</mi><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>Q</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>m</mi><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>m</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>n</mi><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>m</mi><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>n</mi><mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>⋅</mo><mn>3,37</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mi>Q</mi>
где
- количество молей кислорода;
,
,
- количество молей азота, углекислоты и воды
;
- теплота сгорания, ккал/(кг·моль).
взр
Если принять, что вся теплота сгорания реакции окисления идет только на нагрев продуктов сгорания, то температуру взрыва T (адиабатическая температура горения) можно определить из тепловою баланса реакции окисления стехиометрической смеси:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>m</mi><mrow><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>m</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>m</mi><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>в</mi><mi>з</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>в</mi><mi>з</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>Q</mi><mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>m</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>m</mi><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow>
где
,
,
- теплоемкости продуктов сгорания при температуре взрыва.
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>в</mi><mi>з</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow>
Принимаем при
, равной 2000°C,
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow>
=11,83 ккал/(кмоль·°C) [0,182 Дж/(кмоль·K)],
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi></mrow></msub></mrow>
=10,62 ккал/(кмоль·°C) [0,163 Дж/(кмоль·K)],
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow>
=7,54 ккал/(кмоль·°C) [0,115 Дж/(кмоль·K)].
Порядок проведения эксперимента.
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.
3
6
Расчет необходимого количество горючей жидкости (например, ацетона CHO) для создания стехиометрической концентрации в сосуде определяется по формуле
<mrow><mi>g</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>M</mi><msub><mi>V</mi><mi>к</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mi>в</mi></msub></mrow></mfrac><mtext>                                 (1)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>к</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>в</mi></msub></mrow>
где M - молекулярный вес жидкости;
- объем сосуда, л;
- объем воздуха, необходимый для полного сгорания одной молекулы горючей жидкости, л.
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>n</mi><mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>n</mi><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>V</mi><mi>t</mi></msub><mtext>                            (2)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>t</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub><mn>760</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><mn>273</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>273</mn><msub><mi>P</mi><mrow><mi>б</mi><mi>а</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>                          (3)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>б</mi><mi>а</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
где
- барометрическое давление, мм рт.ст.;
=22,4 л - объем грамм-молекулы воздуха при 0°C и давлении 760 мм рт.ст.;
заливаемый в сосуд объем (см) исследуемой жидкости
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mi>g</mi><mo>/</mo><mi>ρ</mi><mtext>                         (4)</mtext></mrow>
<mi>ρ</mi>
3
где
- плотность жидкости, г/см.
Жидкость (ацетон) заполняется пипеткой с особой точностью. После заливки жидкости пробку 6 быстро закрыть, предохранительный экран 1 опустить, произвести выдержку в течение 2 мин (±30 с). После этого включить двигатель индикатора давления 11 и нажатием кнопки включения зажигания 9 поджечь горючую смесь в бомбе.
После взрыва выключить двигатель 11, открыть кран 4 для сброса давления, вывернуть втулку 2 и сменить заглушку №1 на диафрагму №2. Открыть кран 10 и продуть сосуд.