Определение величины избыточного давления

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с учебным планом Санкт-Петербургского института ГПС МЧС России при изучении курса «Пожарная безопасность технологических процессов» слушатели факультета заочного обучения выполняют письменную контрольную работу. Контрольная работа включает в себя 5 задач и 2 теоретических вопроса. В настоящем пособии изложены основные требования к оформлению контрольной работы, указаны варианты заданий и приведены методические рекомендации по выполнению инженерных расчетов.

Контрольная работа выполняется в отдельной тетради рукописным способом чернилами или пастой черного, синего или фиолетового цвета. На каждой странице необходимо оставлять поля. Текст должен быть написан аккуратно, грамотно, разборчивым почерком.

На обложке работы необходимо указать номер группы, номер зачетной книжки, фамилию, имя, отчество слушателя, выполнившего работу, а также номер варианта.

При выполнении контрольной работы условия задач переписываются обязательно, четко и правильно. Ответы на вопросы слушатели должны иллюстрировать необходимыми схемами, рисунками или чертежами, которые выполняются карандашом с учетом требований стандартов. Не допускается произвольно сокращать слова в тексте и подписях к иллюстрациям. В конце работы должна быть перечислена используемая литература.

При получении рецензии на выполненную работу, слушатель должен внимательно ознакомиться с замечаниями преподавателя, внести в работу соответствующие исправления, дополнения и уточнения.

Не рецензируются работы:

- выполненные не по своему варианту;

- написанные неразборчивым почерком, неаккуратно.

Не зачтенная контрольная работа выполняется повторно с учетом замечаний рецензента.

На обложке новой контрольной работы указывают «повторная» и направляют в СПб институт ГПС МЧС России на факультет заочного обучения вместе с первой работой и рецензией.

ВЫБОР ВАРИАНТА ЗАДАНИЯ

Варианты заданий выбираются по сумме последней и предпоследней цифр зачетной книжки слушателя.

Например,

 

последняя цифра 9

предпоследняя цифра 7

сумма цифр 16

вариант 16, или

 

 

последняя цифра 0

предпоследняя цифра 5

сумма цифр 5

вариант 05.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ

В НАГРЕВАЕМОМ ГЕРМЕТИЧНОМ АППАРАТЕ,

ПОЛНОСТЬЮ ЗАПОЛНЕННОМ ЖИДКОСТЬЮ

На промышленных объектах значительную опасность представляют герметичные аппараты, полностью заполненные жидкостью или сжиженным газом. С повышением температуры в таких аппаратах жидкости увеличивают свой первоначальный объем, что сопровождается увеличением внутреннего давления в аппарате. Повышение давления является сложным процессом, так как сопровождается одновременно не только увеличением объема жидкости, но и приращением объема самого аппарата в результате термического расширения его стенок. При этом объем жидкости изменяется в большей степени по сравнению с увеличением линейных размеров аппарата. Поэтому нагревание жидкостей и сжиженных газов даже до невысоких температур (например, в пределах суточных колебаний температуры наружного воздуха) может создать опасное давление, при котором возможно повреждение стенок аппарата.

 

УСЛОВИЕ ЗАДАЧИ № 1

 

Определить изменение давления в емкости, полностью заполненной жидкостью А, если известно, что температура в аппарате изменяется от Б до В ⁰С. Материал аппарата – Г. Определить минимальную величину свободного пространства и максимально допустимую степень заполнения для данного аппарата. Объем аппарата Д м³.

 

Таблица 1

Исходные данные

Варианты заданий	Жидкость	Начальная температура, ºС	Конечная температура, ºС	Материал аппарата	Объем аппарата, м^3
А	Б	В	Г	Д
	Толуол			чугун
	Азотная
	кислота			железо
	Ацетон			стекло	0,1
	Бензол			латунь
	Глицерин			алюминий	0,5
	Керосин			сталь	0,7
	Ксилол			титан
	Метанол			сталь
	Пентан			медь
	Толуол			латунь	0,8
	Хлоро-
	форм			сталь	1,5
	Четырех-
	хлористый
	углерод			железо	3,2
	Этанол			алюминий
	Диэтило-
	вый эфир			стекло	0,6
	Керосин			чугун
	Нефть			сталь
	Вода			свинец	0,9
	Пентан			железо
	Ацетон	-4		стекло	0,3

 

КОНТРОЛЬНЫЙ ПРИМЕР

Условие задачи

Определить изменение давления в емкости, полностью заполненной легковоспламеняющейся жидкостью сероуглеродом СS , если известно, что температура в аппарате изменяется от 15 до 30 ºС. Материал аппарата – железо. Определить минимальную величину свободного пространства и максимально допустимую степень заполнения аппарата. Объем аппарата составляет 3м³.

 

Решение

Давление, создаваемое жидкостью при увеличении ее температуры, определяют по формуле

(1.1)

где - конечное давление жидкости, МПа;

- начальное давление жидкости в аппарате, МПа;

ΔР - приращение давления жидкости в аппарате при повышении температуры, МПа.

Приращение давления в герметичном нагреваемом аппарате, полностью заполненном жидкостью, можно определить по формуле

, (1.2)

где - коэффициент объемного расширения жидкости, ;

- коэффициент объемного сжатия жидкости, МПа ;

- коэффициент линейного расширения материала стенок аппарата, ;

- изменение температуры в аппарате, .

Коэффициент объемного теплового расширения жидкостей существенно зависит от температуры, однако для ориентировочных расчетов допускается пользоваться усредненным значением этого коэффициента (Приложение 1).

Коэффициент объемного сжатия жидкостей в широком интервале температур сохраняет почти постоянное значение (Приложение 2).

Коэффициенты линейного расширения ряда металлов и сплавов приведены в Приложении 3 данного пособия.

По таблицам Приложений 1, 2, 3 находим значения требуемых коэффициентов для сероуглерода и железа:

;

МПа ;

.

Используя эти значения, получаем искомое приращение давления в аппарате с сероуглеродом

МПа.

Защита от повышения давления при увеличении температуры жидкости достигается путем создания в аппаратах свободного пространства. В этом случае давление в аппарате не может быть больше давления насыщенных паров жидкости при данной температуре. Свободное пространство выполняет роль компенсатора при тепловом расширении жидкости, и опасность образования больших давлений в аппарате исключается.

Минимальную величину свободного пространства или максимально допустимую степень заполнения емкостей и резервуаров можно определить по формулам

(1.3)

(1.4)

где - объем свободного пространства аппарата, м³;

- объем аппарата, м³;

- коэффициент объемного расширения жидкости, ;

- разность между начальной и конечной температурой, ;

- степень заполнения аппарата – отношение объема, занимаемого жидкостью, к общему объему аппарата.

Подставляя исходные данные в формулы (1.3) и (1.4), получим:

м³,

.

 

УСЛОВИЕ ЗАДАЧИ № 2

Определить критические температуры самовозгорания (Т_о и Т_в) для скопления самонагревающегося твердого дисперсного материала, используя данные, приведенные в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Исходные данные

Варианты заданий	Наименование материала	n	l, Вт м×К	a, Вт м^2× К	ср, кДж кг × К	r, кг м^3	Тс,   К	Е, кДж моль	Rx, м	Форма скопления
	Травяная мука	2,29	0,16		2,3				0,5	куб
	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-		0,5	параллелепипед
								0,5	шар
								0,5	куб
								0,5	параллелепипед
	Опилки древесные		0,093		2,5				0,5	куб
	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-		0,5	цилиндр
								0,5	параллелепипед
								0,5	шар
	Торф		0,046		2				0,5	куб
	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-		0,5	параллелепипед
								0,5	шар
								0,5	цилиндр
	Крилевая мука		0,1		1,5				0,5	куб
	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-		0,5	параллелепипед
								0,5	шар
	Рыбная мука		0,14		1,7				0,5	куб
	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-		0,5	параллелепипед
								0,5	шар

 

КОНТРОЛЬНЫЙ ПРИМЕР

Условие задачи

Определить критические температуры самовозгорания ( и ) графоаналитическим способом для штабеля витаминной травяной муки кубической формы. Ребро куба равно 1 м.

 

При этом:

Решение:

Используя выражение (2.2), определяем адиабатическую скорость самонагревания при температуре Т_с:

Далее, из уравнения (2.3), находим

или , что соответствует .

Вычисленное значение () сравниваем по секторной диаграмме (рис. 2.2) с экспериментальным значением. Это соответствует древесно-растительным материалам (при и ).

По уравнению (2.4) проводим расчет адиабатической скорости самонагревания в зависимости от температуры (Т, К). Результаты расчетов заносим в табл. 2.2 и , К/с представляем в К/час.

Таблица 2.2

УСЛОВИЕ ЗАДАЧИ № 3

Определить кинетические параметры энергии активации ( Е) и предэкспоненциального множителя (С) в уравнении Аррениуса по критическим условиям самовозгорания твердых дисперсных материалов методом касательных. Исходные данные для решения задачи приведены в таблице 3.1.

 

Таблица 3.1

Исходные данные

 

	Варианты заданий	Численные значения критической температуры самовозгорания То,i, и темпа охлаждения По,i
		То,i,К
	По,i, С^-1	1,9	2,5	3,1	4,0	4,9
		То,i,К
	По,i, С^-1	0,84	1,1	1,5	1,9	2,5
		То,i,К
	По,i, С^-1	0,84	1,1	1,5	1,9	2,5
		То,i,К
	По,i, С^-1	1,1	1,5	1,9	2,5	3,1
		То,i,К
	По,i, С^-1	1.5	1.9	2.5	3.1	4.0
		То,i,К
	По,i, С^-1	1,9	2,5	3,1	4,0	4,9
		То,i,К
	По,i, С^-1	0,61	1,1	1,9	3,1	4,9
		То,i,К
	По,i, С^-1	0,84	1,5	2,5	4,0	4,9
		То,i,К
	По,i, С^-1	1,1	1,5	2,5	3,9	4,9
	То,i,К
По,i, С^-1×	0,6	0,83	1,2	2,0	3,2
	То,К
По,С^-1	0,41	0,59	0,84	1,2	1,6
	То,К
По,С^-1	2,2	2,9	3,8	5,0	6,6
	То,К
По,С^-1	0,41	0,84	1,6	2,9	5,0
	То,К
По,С^-1	3,8	5,0	6,6	7,9	9,9
	То,К
По,С^-1	0,59	1,1	2,1	3,7	6,5
	То,К
По,С^-1	0,84	1,6	2,9	5,0	7,9
	То,К
По,С^-1	0,61	0,84	1,1	1,5	1,9
	То,К
По,С^-1	0,84	1,1	1,5	1,9	2,5
	То,К
По,С^-1	1,1	1,5	1,9	2,5	3,1

Примечание: Построение графиков производится на миллиметровой бумаге, которая вклеивается в тетрадь

КОНТРОЛЬНЫЙ ПРИМЕР

Для того чтобы построить график адиабатической скорости самонагревания в координатах , (как показано на рис. 3.1), необходимо взять из индивидуального задания (таблица 3.1) значения критических температур самонагревания (, ) и отложить на горизонтальной оси все пять точек. Масштаб горизонтальной оси принять таким образом, чтобы от последнего пятого значения температуры самовозгорания вправо оставалось 1/3 тетрадного листа (рис. 3.1).

Например: Вариант n

,
	0,62	0,84	1,10	1,40	1,90

Рис. 3.1

Чтобы провести прямые охлаждения, необходимо проделать следующее графические и арифметические действия:

- взять (произвольно, любое целое число);

- отложить на оси значение ( + );

- восстановить из полученных точек перпендикуляры к оси ;

- найти произведения (полученных значений будет также пять);

- отложить вертикально вверх на соответствующих перпендикулярных прямых полученные значения .

Принимаем ºС и отложим на оси значения (рис. 3.2).

К/с

[K]

Рис 3.2

Находим произведения :

первая точка: ;

вторая точка: ;

третья точка: ;

четвертая точка: ;

пятая точка: ;

Откладываем вверх по вертикали полученные значения, причем масштаб по вертикальной оси выбирается таким образом, чтобы от последнего полученного значения () оставалось ½ тетрадного листа (рис 3.2).

Через две точки строим прямые охлаждения по уравнению (рис. 3.3). Построение прямой охлаждения для первой точки () проводят следующим образом: соединяем точку со звездочкой (361 К) с координатой точки на перпендикуляре о381 К. Так получаем прямую охлаждения 1 (см. рис. 3.3). Аналогично строим прямые охлаждения для 2, 3, 4 и 5 прямой.

К/с

Т, К

Рис 3.3

После этого строим кривую температурной зависимости адиабатической скорости самонагревания . Эта кривая должна проходить таким образом, чтобы она касалась прямых охлаждения только в одной точке и не пересекала этих прямых (рис 3.4);

Кривая адиабатической скорости самонагревания строиться следующим образом. На прямых охлаждения (1, 2, 3, 4 и 5) определяем при помощи лекала возможные точки касания экспоненты и намечаем их координаты. Так для прямой охлаждения 1 экспонента коснется в точке , ; для прямой 2 ― , ; для прямой 3 ― , ; для прямой 4 ― , ; для прямой 5 ― , .

К/с

Т, К

Рис 3.4. График температурной зависимости адиабатической скорости самонагревания

Через эти точки проводим по лекалу касательную, получаемую в виде экспоненты, которая описывается зависимостью (3.1).

Координаты получаемых точек касания кривой адиабатической скорости самонагревания с прямыми охлаждения заносим в таблицу 3.2.

 

Таблица 3.2

Темп охлаждения По,	Температура Т,К (из графика)	, К/с (из графика)	(расчетом)	Ln() (расчетом)
0,62 0,84 1,10 1,40 1,90		16,9 31,0 49,6 66,2 88,0

 

Путем вычислений заполняем оставшиеся две графы таблицы 3.2 по нижеприведенным соотношениям:

1.

2.

Результаты вычислений заносим в последние две графы таблицы 3.3.

Таблица 3.3

Темп охлаждения По,	Температура Т,К (из графика)	, К/с (из графика)	(расчетом)	Ln() (расчетом)
0,62 0,84 1,10 1,40 1,90		16,9 31,0 49,6 66,2 88,0	2,5839 2,4509 2,3364 2,2573 2,1978	2,8273 3,4339 3,9039 4,1926 4,4773

 

По данным последних двух колонок (табл. 3.3) строим график в координатах Ln(), , как показано на рис. 3.5.

Рис. 3.5

 

По полученным на графике (рис. 3.5) точкам строим прямую. Затем на этой прямой выбираем две характерные точки (любые) и координаты этих точек подставляем в следующие соотношения:

1.

2.

откуда находим С:

Рис. 3.6. График адиабатической скорости самонагревания

в координатах Аррениуса

 

 

УСЛОВИЕ ЗАДАЧИ № 4

 

Определить диаметр пламегасящих каналов сухого огнепреградителя, установленного на линии транспортировки горючей смеси. Исходные данные для расчета приведены в таблице 4.1.

 

 

Таблица 4.1

Исходные данные

Варианты заданий	Горючая смесь	Давление Р, МПа	Температура Т, ^оС
	Аммиак с кислородом Аммиак с воздухом Ацетилен с кислородом Ацетон с воздухом Ацетон с кислородом Бензол с воздухом Бензол с кислородом Бутан с воздухом Бутан с кислородом Водород с воздухом Гексан с кислородом Изобутан с воздухом Метан с кислородом Метанол с воздухом Пропан с кислородом Пропилен с воздухом Этан с кислородом Этанол с воздухом Этилен с кислородом	0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

КОНТРОЛЬНЫЙ ПРИМЕР

Условие задачи

Определить диаметр огнегасящих каналов металлокерамического огнепреградителя установленного на линии транспортировки ацетилена в компрессорную станцию.

Решение:

1. Выписать справочные данные для расчета*:

ацетилен:

воздух:

2. Составить уравнение реакции горения ацетилена в воздухе:

С Н + 2,5 (О + 3,76N ) = 2СО + Н О + 2,5 3,76 N

3. Определить мольные доли ацетилена и воздуха в горючей смеси. Общее количество молей горючей смеси составит:

Мольная доля ацетилена в горючей смеси составит:

Мольная доля воздуха в горючей смеси составит:

4. Определить теплоемкость горючей смеси по формуле (4.2):

5. Определить молярную массу горючей смеси по формуле (4.3):

6. Определить значение постоянной Сьюзерленда для расчета коэффициентов и :

7. Определить коэффициенты и для расчета теплопроводности горючей смеси по формулам (4.6) и (4.7):

 

8. Определить теплопроводность горючей смеси по формуле (4.5):

9. Определить значение критического диаметра гашения пламени по формуле (4.1):

С учетом коэффициента безопасности диаметр огнегасящих каналов следует принять:

 

УСЛОВИЕ ЗАДАЧИ № 5

ЛВЖ и ГЖ

Вариант № 00.

Рассчитать категорию помещения, если размеры его: длина 30 м, ширина 18 м, высота 3 м. В помещении применяется циклогексанон, находящийся в напорной емкости объемом 10 м³. Степень заполнения аппарата 0,8. В напорную емкость циклогексанон подается насосом производительностью 50 м³/ч. Из напорной емкости растворитель подается самотеком в окрасочную ванну с площадью зеркала 2,0 м² (окраска окунанием). Одновременно в помещении могут находиться два окрашенных изделия с поверхностью испарения по 1,5 м² каждый. Подводящий трубопровод длиной 5 м, диаметром 100 мм, отводящий длиной 2 м, диаметром 90 мм. Коэффициент свободного объема помещения 84 %, температура в помещении 23°С. Отключение поврежденного участка вручную. Аварийная вентиляция обеспечивает 8-ми кратный воздухообмен.

Вариант № 01.

Рассчитать категорию помещения, если размеры его: длина 50 м, ширина 23 м, высота 7 м. В помещении применяется гексан, находящийся в напорной емкости объемом 2,5 м³. Степень заполнения аппарата 0,85. В напорную емкость гексан подается насосом производительностью 30 м³/ч. Из напорной емкости растворитель подается самотеком в окрасочную ванну с площадью зеркала 2 м² (окраска окунанием). Одновременно в помещении могут находиться два окрашенных изделия с окрашенной поверхностью по 0,3 м² каждый. Подводящий трубопровод длиной 4 м, диаметром 35 мм, отводящий длиной 2 м, диаметром 35 мм. Коэффициент свободного объема помещения 85 %, температура в помещении 21°С. Отключение поврежденного участка вручную. Аварийная вентиляция обеспечивает 10-ти кратный воздухообмен.

 

Вариант № 02.

Рассчитать категорию помещения, если размеры его: длина 55 м, ширина 32 м, высота 6 м. В помещении применяется бутилацетат, находящийся в напорной емкости объемом 7 м³. Степень заполнения аппарата 0,8. В напорную емкость бутилацетат подается насосом производительностью 45 м³/ч. Из напорной емкости растворитель подается самотеком в окрасочную ванну с площадью зеркала 1,5 м² (окраска окунанием). Одновременно в помещении могут находиться два окрашенных изделия с поверхностью испарения по 0,8 м² каждый. Подводящий трубопровод длиной 8 м, диаметром 50 мм, отводящий длиной 6 м, диаметром 75 мм. Коэффициент свободного объема помещения 70 %, температура в помещении 22°С. Отключение поврежденного участка вручную. Аварийная вентиляция обеспечивает 8-ми кратный воздухообмен.

Вариант № 03.

Рассчитать категорию помещения, если размеры его: длина 45 м, ширина 25 м, высота 8 м. В помещении применяется ацетон, находящийся в напорной емкости объемом 3,5 м³. Степень заполнения аппарата 0,8. В напорную емкость ацетон подается насосом производительностью 90 м³/ч. Из напорной емкости растворитель подается самотеком в окрасочную ванну с площадью зеркала 1,4 м² (окраска окунанием). Одновременно в помещении могут находиться три окрашенных изделия с окрашенной поверхностью по 0,5 м² каждый. Подводящий трубопровод длиной 8 м, диаметром 70 мм, отводящий длиной 6 м, диаметром 100 мм. Коэффициент свободного объема помещения 70 %, температура в помещении 19°С. Отключение поврежденного участка вручную. Аварийная вентиляция обеспечивает 6-ти кратный воздухообмен.

 

Вариант № 04.

Рассчитать категорию помещения, если размеры его: длина 70 м, ширина 28 м, высота 9 м. В помещении применяется пентан, находящийся в напорной емкости объемом 3 м³. Степень заполнения аппарата 0,7. В напорную емкость пентан подается насосом производительностью 70 м³/ч. Из напорной емкости растворитель подается самотеком в окрасочную ванну с площадью зеркала 1 м² (окраска окунанием). Одновременно в помещении могут находиться два окрашенных изделия с окрашенной поверхностью по 0,2 м² каждый. Подводящий трубопровод длиной 2 м, диаметром 30 мм, отводящий длиной 1 м, диаметром 30 мм. Коэффициент свободного объема помещения 80 %, температура в помещении 20°С. Отключение поврежденного участка вручную. Аварийная вентиляция обеспечивает 12-ти кратный воздухообмен.

 

Вариант № 05.

Рассчитать категорию помещения, если размеры его: длина 60 м, ширина 30 м, высота 5 м. В помещении применяется этиловый спирт, находящийся в напорной емкости объемом 18 м³. Степень заполнения аппарата 0,8. В напорную емкость спирт подается насосом производительностью 100 м³/ч. Из напорной емкости растворитель подается самотеком в окрасочную ванну с площадью зеркала 2,5 м² (окраска окунанием). Одновременно в помещении могут находиться два окрашенных изделия с поверхностью испарения по 2 м² каждый. Подводящий трубопровод длиной 18 м, диаметром 150 мм, отводящий длиной 3 м, диаметром 100 мм. Коэффициент свободного объема помещения 60 %, температура в помещении 24°С. Отключение поврежденного участка вручную. Аварийная вентиляция обеспечивает 12-ти кратный воздухообмен.

 

Вариант № 06.

Рассчитать категорию помещения, если размеры его: длина 50 м, ширина 20 м, высота 6 м. В помещении применяется бензол, находящийся в напорной емкости объемом 3 м³. Степень заполнения аппарата 0,7. В напорную емкость бензол подается насосом производительностью 110 м³/ч. Из напорной емкости растворитель подается самотеком в окрасочную ванну с площадью зеркала 1,5 м² (окраска окунанием). Одновременно в помещении могут находиться два окрашенных изделия с окрашенной поверхностью по 2,1 м² каждый. Подводящий трубопровод длиной 7 м, диаметром 75 мм, отводящий длиной 5 м, диаметром 100 мм. Коэффициент свободного объема помещения 70 %, температура в помещении 22°С. Отключение поврежденного участка вручную. Аварийная вентиляция обеспечивает 8-ти кратный воздухообмен.

Вариант № 07.