Nghiên cứu nổ vở bình chịu áp lực

.kg-1 ) h = Tỷ lệ bức xạ của nhiệt đốt cháy ( - ) Vì giá trị h có thể không chính xác, nên có thể sử dụng giá trị của Ep trong phạm vi từ 200 đến 350 kW.m-2 . Theo Hymes ( 1983 ) tài liệu [ 13, tr 228 ] đề nghị cho giá trị: + h = 0,3 ; đối với bình nổ dưới áp suất cài đặt van an toàn + h = 0,4 ; đối với bình nổ trên áp suất cài đặt van an toàn d) Cường độ bức xạ từ vị trí bề mặt quả cầu đến vật ở khoảng cách đã cho : ,kW.m-2 ( 2-53 ) Trong đó: F = Hệ số hình dạng ( - ) ( 2-54 ) r = Khoảng cách giữa bề mặt nhận bức xạ và tâm của quả cầu (m ) ( r = R+x ; xem hình 2.11 ) t = Hệ số lan truyền trong khí quyển ( - ) ( 2-55 ) pw = Áp suất riêng phần của hơi nước ( N/m2 ) 2.6.2.2. Ví dụ Với các thông số như ở ví dụ 2.6.1.3. và nhiệt trị của propane Hc = 46.000 kJ.kg-1 . Tính công sinh ra khi nổ bồn chứa propane trên và đánh giá bức xạ nhiệt của quả cầu lửa với vật ở khoảng cách d = 180m . Hình 2.11 - Vị trí quả cầu lửa và đích Tính toán : Khối lượng propane chứa trong bồn : M = Vl . rl, 20oc = ( 0,8 . 250 m3 ) . 500 kg/m3 = 100.000 kg. 1) Đánh giá sự bức xạ nhiệt của quả cầu lửa: - Đường kính quả cầu lửa được xác định theo hàm ( 2-49 ) : D = 6,14 . M0,325 = 6,14 . 1000000,325 = 259 m - Thời gian cháy của quả cầu lửa , theo hàm ( 2-50 ) : t = 0,41 . M0,340 = 0,41 . 1000000,340 = 20,5 giây - Chiều cao của quả cầu lửa được xác định theo hàm ( 2-51 ) H = 0,75 D = 0,75 . 259 = 194 m - Khoảng giữa đám cháy và đích , theo hình 2.10 được tính như sau : m - Hệ số lan truyền trong khí quyển , được xác định theo hàm ( 2-54 ): = 2,02 . ( 1155 . 135 )-0,09 = 0,69 - Hệ số hình dạng được tính toán với hàm ( 2-55 ) - Chọn giá trị h = 0,3 , công suất bức xạ được tính theo hàm ( 2-52 ) : kW.m-2 - Cường độ bức xạ trên bề mặt vuông góc đến dòng bức xạ : = 0,69 . 0,24 . 319,6 = 52,9 kW.m-2 - Cường độ bức xạ trên bề mặt thẳng đứng : = 52,9. 0,68 = 36 kW.m-2 - Cường độ bức xạ trên bề mặt nằm ngang : = 52,9. 0,73 = 38,6 kW.m-2 2) Tính công sinh ra khi nổ bồn chứa : Tra bảng nhiệt động của propane ở tài liệu [ 13, tr. 300 ] ta có : T1 (K) p1 (Bar) hf (kJ/kg) hg (kJ/kg) vf (m3/ kg) vg (m3/ kg) sf (kJ/kg.K) sg (kJ/kg.K 327.7 19 674,31 984,32 2,278.10-3 0,0232 4,7685 5,6051 230.9 1 421,27 849,19 2,278.10-3 0,419 3,8721 5,7256 - Xác định nội năng riêng u1 : Nội năng riêng của môi chất được xác định theo ( 2-45 ): + Nội năng riêng của môi chất lỏng bão hoà : 674,31 . 10-3 = u1 + 19 . 105 . 2,278 . 10-3 Þ u1 = 669.980 J/kg = 669,98 kJ/kg. + Nội năng riêng của hơi bão hoà : 948,32 . 10-3 = u1 + 19 . 105 . 2,278 . 10-3 Þ u1 = 904.240 J/kg = 904.24 kJ/kg. - Xác định nội năng riêng u2 : Nội năng riêng của môi chất được xác định theo ( 2-46 ): + Đối với lỏng bão hoà : = 608,010 J/kg = 608,01 kJ/kg + Đối với hơi bão hoà : = 782.190 J/kg = 782,19 kJ/kg - Tính toán công riêng : Công riêng do giãn nở môi chất được xác định : eex = u1 - u2 Thay thế các giá trị: + Đối với lỏng bão hoà ta được : J/kg = 61,97 kJ/kg + Đối với hơi bão hoà ta được : J/kg = 122,05 kJ/kg - Tính toán công nổ : + Khối lượng của môi chất lỏng là : kg + Khối lượng của hơi môi chất là : kg Công nổ do giãn nở môi chất được xác định : Eex = eex . m1 + Công nổ do phần môi chất lỏng : J = 5441 MJ + Công nổ do phần hơi môi chất : J = 263MJ * Tổng công do nổ bồn sinh ra là : MJ = 1.362.312 x 103 ( cal ) Công sinh ra trong quá trình nổ được tính tương đương khối lượng TNT ( 1.120 cal » 1g TNT ) : = 1.216,3 x 103 ( g TNT ) = 1.216,3 ( kg TNT ). Nhận xét : - Công sinh ra do vụ nổ bồn chứa propane nói trên cho ta thấy sức công phá của vụ nổ rất lớn , gây đỗ vỡ các công trình, nhà máy ngay tại nơi đặt bồn và xung quanh. Sự sai khác giữa hai cách tính theo mục 2.6.1.2 và mục 2.6.2 là 66,35 kg TNT cho ta thấy sự khác nhau khi xem môi chất như khí lí tưởng và khí thực. - Cường độ bức xạ được tính toán là 52,9 kW.m-2 là quá lớn . Theo tài liệu [ 13, tr.181 ] thì với cường độ bức xạ 37,5 kW.m-2 thì đã đủ gây thiệt hại đến quá trình thiết bị và đó là năng lượng yêu cầu nhỏ nhất để đốt cháy gỗ cực nhanh. Cho ta thấy sự ảnh hưởng này là rất nghiêm trọng. CHƯƠNG 3 TÌM LUẬT THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ, ÁP SUẤT VÀ TÍNH DỰ BÁO SỰ CỐ ÁP LỰC KHI GIA NHIỆT MÔI CHẤT TRONG BÌNH KÍN 3.1 . Luật thay đổi nhiệt độ của môi chất trong bình kín khi gia nhiệt 3.1.1. Mô hình bình kín gia nhiệt bên trong 3.1.1.1 Phát biểu bài toán Khảo sát một bình kín chứa môi chất bên trong , môi chất có khối lượng m , nhiệt dung riêng Cp , và nhiệt độ ban đầu t0 . Vỏ bình được làm bằng kim loại, chiều dày, có khối lượng riêng , nhiệt dung riêng Ckl , hệ số dẫn nhiệt , diện tích xung quanh F. Bên ngoài có bọc một lớp cách nhiệt có chiều dày và hệ số dẫn nhiệt . Môi chất ở trong bình được khuấy đều bởi máy khuấy có công suất P2 , nhận nhiệt của bộ nung có công suất P1 và ống Hình 3.1: Mô hình 1 dẫn môi chất nóng có thông số vào G1,Cp1,t1’ và diện tích ống xoắn F1 hệ số truyền nhiệt k1. Diện tích F toả nhiệt vào trong không khí có hệ số toả nhiệt . Tìm luật thay đổi nhiệt độ của môi chất trong bình và môi chất trong ống theo thời gian với các thông số nêu trên t = t() và t1” =t1”() ?. 3.1.1.2. Các giả thiết khi nghiên cứu. 1) Tại mọi thời điểm , coi nhiệt độ môi chất phân bố đều trong toàn bộ thể tích bằng nhiệt độ của vỏ bình và bằng nhiệt độ của môi chất ra. 2) Hệ số toả nhiệt không đổi trên diện tích F trong suốt thời gian xét. 3) Các thông số vật lý của môi chất lấy ở nhiệt độ trung bình của quá trình và không đổi trong suốt thời gian xét. 4) Trong bình chỉ chứa môi chất và hơi bão hòa của nó. 5) Ống F1 rất mỏng. 3.1.1.3. Thiết lập hàm phân bố nhiệt độ theo thời gian Phương trình vi phân cân bằng nhiệt cho hệ chỉ gồm môi chất trong bình trong thời gian ứng với nhiệt độ của môi chất ( t t + dt ) là: Q1 + dE1 + dE2 = dIm + Q2 Với: dE1 + dE2 = (P1 + P2)d là phần nhiệt cấp bởi máy khuấy và điện trở. dIm = mCpdt là độ tăng entanpi của môi chất lỏng tĩnh trong bình. Q2 = kF(t - tf)d với k = (+ +1/)-1 là phần nhiệt toả ra bên ngoài môi trường. Q1 = G1Cp1(t1’ - t1”)d= k1F1.d (a) , với (b) Từ (a) và (b) suy ra: G1Cp1 = t1” = t1”() = t + (t1’ - t) exp(-) = t’1 - (t1’ - t)(1 - exp(-) ) = t’1 - (t1’ - t). , [0C] , với = 1 - exp(-) (: Là hệ số hiệu chỉnh theo chiều dài của đoạn ống xoắn) Do đó phương trình có dạng: (P1+P2)d+G1CP1 d= mCpdt +kF(t - tf)d ( 3-1 ) Ở dạng chính tắc, phương trình ( 3-1 ) được viết như sau : Hay : ,[s-1] ,[oC/s] Với : Hệ phương trình mô tả t () có dạng : Giải hệ phương trình ( t ) như sau : Từ : = -c(t - tm) Hàm nhiệt độ có dạng: t() = tm - (tm-to)e-c , [oC] ( 3-2 ) , [s-1] , [oC] Với 3.1.1.4. Khảo sát hàm t() và các thông số khác , với 1) Tốc độ biến thiên của nhiệt độ là : ,[0C/s] - Giá trị lớn nhất của vận tốc là: ,[0C/s] - Giá trị nhỏ nhất của vận tốc là: Þ t = tm ,[0C] - Đồ thị : Đồ thị hàm [t() ]’ , [t1”()]’ 2) Gia tốc biến thiên của nhiệt độ: - Giá trị lớn nhất của gia tốc là: ,[0C/s2] - Giá trị nhỏ nhất của gia tốc là: ,[0C/s2] - Đồ thị : Đồ thị hàm [t()]”, [t1”()]” 3) Các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của nhiệt độ theo các thông số khác: - Giá trị lớn nhất của nhiệt độ: ,[0C] - Giá trị nhỏ nhất của nhiệt độ là: 4) Các trường hợp đặc biệt : * Xét hàm : f(G1) = tm = tmax(G1) = ,[0C] Với G1 [f(G1)]’ = - Nếu : Thì : [f(G1)]’ , Suy ra f(G1) là hàm tăng trên. Nên khi G1 tăng thì f(G1) tăng hay tm tăng - Nếu : Thì : [f(G1)]’ , Suy ra f(G1) là hàm giảm trên Nên khi G1 tăng thì f(G1) giảm hay tm giảm *Xét hàm : f(F) = tm = tmax(F) = ,[0C] Với F [f(F)]’ = - Nếu : Thì : [f(F)]’, suy ra f(F) là hàm tăng trên Nên khi F tăng thì f(F) tăng hay tm tăng - Nếu : Thì : [f(F)]’, suy ra f(F) là hàm giảm trên Nên khi F tăng thì f(F) giảm hay tm giảm + Khi G1 = 0 Đồng nghĩa với ta ngừng cấp môi chất trong ống xoắn thì nhiệt độ sẽ là : tmax = ,[0C] + Khi P1 = 0 (Ta cắt điện máy khuấy) thì : tmax = ,[0C] + Khi P2 = 0 (Ta cắt điện bộ nung) thì: tmax = ,[0C] + Khi G1 = 0, P1 = 0, P2 = 0 Ta có: tmax = tf ,[oC] 5) Đồ thị : Đồ thị hàm t() 3.1.1.5. Khảo sát hàm t1”() và các thông số khác : với ,[0C] 1) Tốc độ biến thiên của nhiệt độ là ,[0C/s] - Giá trị lớn nhất của vận tốc là: ,[0C/s] - Giá trị nhỏ nhất của vận tốc là: ,[0C/s] - Đồ thị: Mục 3.1.1.4.1) 2) Gia tốc biến thiên của nhiệt độ: ,[0C/s2] - Giá trị lớn nhất của gia tốc là: ,[0C/s2] - Giá trị nhỏ nhất của gia tốc là: ,[0C/s2] - Đồ thị : Mục 3.1.1.4.2) 3) Các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của nhiệt độ theo các thông số khác: - Giá trị lớn nhất của nhiệt độ là : t1’ ,[0C] - Giá trị nhỏ nhất của nhiệt độ là: ,[0C] 4) Đồ thị : Đồ thị hàm t1”() 3.1.2 Mô hình bình kín gia nhiệt hỗn hợp 3.1.2.1. Phát biểu bài toán Một bình kín chứa môi chất có khối lượng m, nhiệt dung Cp và nhiệt độ ban đầu to. Bình được làm bằng kim loại có chiều dày hệ số dẫn nhiệt , nhiệt dung riêng Ckl ,diện tích xung quanh F. Bên ngoài được bọc một lớp cách nhiệt có chiều dày và hệ số dẫn nhiệt . Chất lỏng trong bình và dòng chất lỏng lưu thông liên tục qua bình có lưu lượng G2, nhiệt dung riêng CP2 và nhiệt độ t’2 , được gia nhiệt Hình 3.2: Mô hình 2 bằng cách hỗn hợp với dòng hơi vào có lưu lượng G1 và entanpi i1 . Hệ số toả nhiệt vào trong không khí là Tìm luật thay đổi nhiệt độ của môi chất ra theo thời gian với các thông số nêu trên ?. 3.1.2.2. Các giả thiết khi nghiên cứu 1) Tại mọi thời điểm ,coi nhiệt độ môi chất phân bố đều trong toàn bộ thể tích , bằng nhiệt độ của vỏ bình và bằng nhiệt độ của nước ra. 2) Hệ số toả nhiệt không đổi trên diện tích F trong suốt thời gian xét. 3) Các thông số vật lý của môi chất lấy ở nhiệt độ trung bình của quá trình và không đổi trong suốt thời gian xét 4) Trong bình chỉ chứa môi chất và hơi bão hoà của nó 3.1.2.3 Thiết lập hàm phân bố nhiệt độ theo thời gian Phương trình vi phân cân bằng nhiệt cho hệcchỉ gồm môi chất trong bình trong thời gian ứng với nhiệt độ của môi chất ( t t + dt ) là: Q1 = dIm + dIG + Q2 ;Với :Q1 = G1(i1 -CP2t)d: Nhiệt do hơi ngưng thành lỏng và hạ nhiệt độ đến t toả ra dIm = mCP2dt : Độ tăng entanpi của môi chất lỏng tĩnh ở trong bình. dIG = G2CP2(t - t’2)d : Lượng nhiệt gia nhiệt cho dòng môi chất lỏng. Q2 = kF(t - tf) d: Lượng nhiệt toả ra môi trường với k= ,[ W/m2.K] Hay ta có: G1(i1 - CP2t)d = mCP2dt + G2dCP2(t - t’2) + kF(t - tf) d ( 3-3 ) Ở dạng chính tắc, phương trình ( 3-3 ) được viết như sau : + t = Hay: ,[s-1] Với : ,[oC/s] Hệ phương trình mô tả t() có dạng : Giải hệ phương trình ( t ) như sau : Từ : Hàm nhiệt độ có dạng: ,[oC] ( 3-4 ) Với : ,[s-1] ,[oC] 3.1.2.4. Khảo sát hàm t(). với 1) Tốc độ biến thiên của nhiệt độ :Tương tự 2) Gia tốc biến của nhiệt độ : Tương tự 3) Các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của nhiệt độ theo các thông số khác - Giá trị lớn nhất của nhiệt độ: ,[0C] -Giá trị nhỏ nhất của nhiệt độ là: ,[0C] 4) Các trường hợp đặc biệt : Với tmax = tm = , [0C] * Xét hàm : f(G1) = tm = tmax(G1) =, [0C] Với G1 [f(G1)]’ = - Nếu : Thì : [f (G1)]’ , suy ra f(G1) là hàm tăng trên. Nên khi G1 tăng thì f(G1) tăng hay tm tăng - Nếu : Thì : [f (G1)]’ , suy ra f(G1) là hàm giảm trên Nên khi G1 tăng thì f(G1) giảm hay tm giảm *Xét hàm : f(F) = tm = tmax(F) = ,[0C] Với F [f (F)]’ = - Nếu : Thì : [f (F)]’, suy ra f(F) là hàm tăng trên Nên khi F tăng thì f(F) tăng hay tm tăng - Nếu : Thì : [f (F)]’ , suy ra f(F) là hàm giảm trên Nên khi F tăng thì f(F) giảm hay tm giảm * Xét hàm : f(G2) = tm = tmax(G2) =,[0C] Với G2 [f(G2)]’ = - Nếu : Thì : [f (G2)]’ , suy ra f(G2) là hàm tăng trên Nên khi G2 tăng thì f(G2) tăng hay tm tăng - Nếu : Thì : [f (G2)]’ , suy ra f(G2) là hàm giảm trên Nên khi G2 tăng thì f(G2) giảm hay tm giảm + Khi G1 = 0 , đồng nghĩa với ta ngừng cấp dòng hơi vào thì tmax = ,[0C] + Khi G2= 0 (Ta ngừng cấp chất lỏng lưu thông) thì : tmax = ,[0C] + Khi G1 = 0, G2 = 0 Ta có : tmax = tf ,[oC] 5) Đồ thị : Đồ thị hàm t() 3.1.3 Mô hình bình hai vỏ 3.1.3.1. Phát biểu bài toán Một bình kín chứa môi chất bên trong có khối lượng m, nhiệt dung riêng Cp và nhiệt độ ban đầu to . Bình được làm bằng kim loại có chiều dày hệ số dẫn nhiệt , nhiệt dung riêng Ckl , diện tích tỏa nhiệt ra không khí F2. Bên ngoài được bọc một lớp cách nhiệt có chiều dày và hệ số dẫn nhiệt . Gia nhiệt cho chất lỏng trong bình bằng cách cho dòng hơi đi vào khoảng Hình 3.3: Mô hình 3 không gian giữa hai vỏ (được mô tả như hìng vẽ ). Có nhiệt độ hơi vào t’ và nhiệt độ nước ngưng t”. Hệ số toả nhiệt vào không khí là . Tìm luật thay đổi nhiệt độ của môi chất trong bình theo thời gian vói các thông số nêu trên ?. 3.1.3.2. Các giả thiết khi nghiên cứu 1) Tại mọi thời điểm , coi nhiệt độ môi chất phân bô đều trong toàn bộ thể tích , bằng nhiệt độ của vỏ bình và bằng nhiệt độ của môi chất ra. 2) Hệ số toả nhiệt không đổi trên diện tích F trong suốt thời gian xét. 3) Các thông số vật lý của môi chất lấy ở nhiệt độ trung bình của quá trình và không đổi trong suốt thời gian xét. 4) Trong bình chỉ chứa môi chất và hơi bão hòa của nó. 5) Xem vỏ bình chứa môi chất ở đây rất mỏng . 3.1.3.3. Thiết lập hàm phân bố nhiệt độ theo thời gian Phương trình vi phân cân bằng nhiệt cho hệ chỉ gồm môi chất trong bình trong thời gian ứng với nhiệt độ của môi chất ( t t + dt ) là: Q1 = dIm + Q2 ;Với : Q1 =Fn(tn- t)d: Là phần nhiệt lượng do hơi ngưng truyền cho môi chất trong bình . dIm = mCpdt : Độ tăng entanpi của môi chất lỏng tĩnh trong bình Q2 = k2F2(t - tf) d : Là nhiệt lượng toả ra ngoài môi trường với k2 = ,[W/m2K] Hay ta có: Fn(tn - t)d = mCpdt + k2F2(t - tf) d Ở dạng chính tắc, phương trình trên được viết như sau : Hay: + ct = b ,[s-1] ,[oC/s] Với : Hệ phương trình mô tả t() có dạng : Giải hệ phương trình ( t ) như sau : Từ : = -c(t - tm) Hàm nhiệt độ có dạng: t() = tm - (tm-to)e-c ,[oC] ( 3-5 ) ,[oC] ,[oC] ,[s-1] Với 3.1.3.4. Khảo sát hàm t() . 1) Tốc độ biến thiên của nhiệt độ : Tương tự 2) Gia tốc biến thiên của nhiệt độ : Tương tự 3) Các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của nhiệt độ theo các thông số khác - Giá trị lớn nhất của nhiệt độ: ,[0C] - Giá trị nhỏ nhất của nhiệt độ: ,[0C] 4) Các trường hợp đặc biệt * Xét hàm : f(Fn) = tm = tmax(Fn) = , [0C] Với Fn [f(Fn)]’ = - Nếu : Thì : [f(Fn)]’ , suy ra f(Fn) là hàm tăng trên. Nên khi Fn tăng thì f(Fn) tăng hay tm tăng - Nếu : Thì : [f(Fn)]’ , suy ra f (Fn) là hàm giảm trên Nên khi Fn tăng thì f(Fn) giảm hay tm giảm *Xét hàm : f(F2) = tm = tmax(F2) = ,[0C] Với F2 [f (F2)]’ = - Nếu : Thì : [f(F2)]’, suy ra f(F2) là hàm tăng trên Nên khi F2 tăng thì f(F2) tăng hay tm tăng - Nếu : Thì : [f(F2)]’, suy ra f(F2) là hàm giảm trên Nên khi F2 tăng thì f(F2) giảm hay tm giảm 5) Đồ thị : Đồ thị hàm t() 3.1.4. Mô hình bình kín gia nhiệt bên ngoài bằng sản phẩm cháy 3.1.4.1 Phát biểu bài toán Một bình kín chứa môi chất bên trong có khối lượng m, nhiệt dung riêng Cp và nhiệt độ ban đầu to . Bình được làm bằng kim loại có chiều dày hệ số dẫn nhiệt ,nhiệt dung riêng Ckl , diện tích xung quanh F = F1 + F2 . Bên ngoài diện tích F2 được bọc một lớp cách nhiệt có chiều dày, và hệ số dẫn nhiệt . Lỏng môi chất trong bình nhận nhiệt do sản phẩm cháy ở bên ngoài có nhiệt độ t1 (phần diện tích tiếp nhiệt là F1). Hệ số toả Hình 3.4: Mô hình 4 nhiệt , phần diện tích F2 toả nhiệt vào trong không khí ứng với hệ số toả nhiệt . Tìm luật thay đổi nhiệt độ của môi chất trong bình theo thời gian với các thông số nêu trên ?. 3.1.4.2. Các giả thiết khi nghiên cứu 1) Tại mọi thời điểm , coi nhiệt độ môi chất phân bô đều trong toàn bộ thể tích, bằng nhiệt độ của vỏ bình và bằng nhiệt độ của nước ra. 2) Hệ số toả nhiệt không đổi trên diện tích F trong suốt thời gian xét. 3) Các thông số vật lý của môi chất lấy ở nhiệt độ trung bình của quá trình và không đổi trong suốt thời gian xét. 4)Trong bình chỉ chứa môi chất và hơi bão hoà của nó. 5) Xem vỏ bình chứa môi chất ở đây rất mỏng. 3.1.4.3. Thiết lập hàm phân bố nhiệt độ theo thời gian Phương trình vi phân cân bằng nhiệt cho hệ chỉ gồm môi chất trong bình trong thời gian ứng với nhiệt độ của môi chất ( t t + dt ): Q1 = dUb + dIm + Q2 Với : Q1 = k1F1(t1- t)d : Là phần nhiệt lượng do sản phẩm cháy cung cấp cho môi chất , với k1=,[W/m2K] dUb = 0 (Xem chiều dày của vỏ bình rất mỏng) dIm = mCpdt : Độ tăng entanpi của môi chất lỏng tĩnh trong bình. Q2 = k2F2(t - tf) d : Là nhiệt lượng toả ra ngoài môi trường . Hay ta có: k1F1(t1 - t)d = mCpdt + k2F2(t - tf) d Ở dạng chính tắc, phương trình trên được viết như sau : ,[s-1] Hay: + ct = b Với ,[oC/s] Hệ phương trình mô tả t() có dạng : Giải hệ phương trình ( t ) như sau : Từ : = -c(t - tm) Hàm nhiệt độ có dạng: t() = tm - (tm-to)e-c [oC] ; ( 3-6 ) Với: ,[s-1] ,[oC] 3.1.4.4. Khảo sát hàm t() . 1) Tốc độ biến thiên của nhiệt độ :Tương tự 2) Gia tốc biến của nhiệt độ : Tương tự 3) Các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của nhiệt độ theo các thông số khác - Giá trị lớn nhất của nhiệt độ: ,[oC] - Giá trị nhỏ nhất của nhiệt độ là: ,[0C] 4) Các trường hợp đặc biệt * Xét hàm : f(F1) = tm = tmax(F1) = ,[0C] Với F1 [f(F1)]’ = - Nếu : Thì : [f (F1)]’ , suy ra f(F1) là hàm tăng trên Nên khi F1 tăng thì f(F1) tăng hay tm tăng - Nếu : Thì : [f(F1)]’, suy ra f (F1) là hàm giảm trên Nên khi F1 tăng thì f(F1) giảm hay tm giảm *Xét hàm : f(F2) = tm = tmax(F2) = , [0C] Với F2 [f (F2)]’ = - Nếu : Thì : [f(F2)]’, suy ra f(F2) là hàm tăng trên Nên khi F2 tăng thì f(F2) tăng hay tm tăng - Nếu : Thì : [f(F2)]’, suy ra f(F2) là hàm giảm trên Nên khi F2 tăng thì f(F2) giảm hay tm giảm 4) Đồ thị : Đồ thị hàm t() 3.2. Khảo sát luận thay đổi áp suất của môi chất trong bình kín khi gia nhiệt 3.2.1. Môi chất là khí lí tưởng 3.2.1.1.Xác định hàm p() Xem môi chất trong bình tuân thủ gần đúng theo phương trình trạng thái của khí lí tưởng , có dạng: Þ hay Với = const , (m3/kg) Thể tích riêng của chất khí T = T() = Tm - (Tm- T0)e-c ,[oK] Trong đó : Tm = tm + 273,16 T0 = t0 + 273,16 R là hằng số chất khí ,[ J/kgoK] Vì vậy ta có: Với 3.2.1.2. Khảo sát hàm p() Nhận xét: Nhìn chung việc khảo sát hàm p() tương tự như việc khảo sát hàm t() và nó chỉ hơn kém nhau một đại lượng . 3.2.2. Môi chất là khí thực 3.2.2.1. Sử dụng phương trình trạng thái Antoine A. Xác định hàm p() *Dựa vào phương trình trạng thái Antoine: ( 3-9 ) Suy ra: ,[bar] Khi sử dụng công thức này ta xem môi chất trong bình tuân thủ gần đúng với phương trình trạng thái Antoine. Ở đây: P = Áp suất bay hơi , Bar ; t = Nhiệt độ , oC A, B, C : là các hệ số Antonie được xác định với từng loại môi chất. Với : t = t() = tm - (tm- t0)e-c ,[0C] Ta có: ,[bar] B. Khảo sát hàm p() 1) Tốc độ biến thiên của hàm áp suất theo thời gian , [bar/s] 2) Gia tốc biến thiên của áp suất theo thời gian. ,[bar/s2] 3) Giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của áp suất. - Giá trị lớn nhất của áp suất là: , [bar] - Giá trị nhỏ nhất của áp suất là: , [bar] 4) Đồ thị: Đồ thị hàm p() 5 ) Xác định các hệ số A, B, C của hàm trạng thái Antonie. a) Từ bảng thông số (p,t) của môi chất ta dùng phương pháp bình phương nhỏ nhất để xác định các hệ số A, B, C như sau: Từ phương trình: Nhân hai vế của phương trình cho và chuyển sang vế phải cho ta hàm : ( 3-8 ) Ta viết ( 3-8 ) dưới dạng Y = ao + a1X1 + a2X2 ( 3-9 ) Với: Dùng phương pháp bình phương nhỏ nhất ta xác định các hệ số a0 , a1 , a2 , của ( 3-9 ) như sau: ;i = 1,2,. . .,n là các sai số tại X1i và X2i là tổng các bình phương của các sai số. Û Û Û ( 3-10 ) Giải hệ phương trình ( 3-10 ) ta xác định được các hệ số: a0 , a1 , a2 và từ a0 , a1 , a2 ta có các hệ số A, B, C của hàm Antonie như sau: b) Ứng dụng phương pháp trên và dựa vào các bảng tính chất nhiệt vật lý của môi chất đã cho trong tài liệu [ 7 ] ta tìm được các hệ số A,B,C của hàm Antoine cho các môi chất với p ( Bar ) và t ( oC ) theo Bảng 3.1 Bảng 3.1 : Hệ số A,B,C của hàm Antoine cho các môi chất được tính toán. Ký hiệu Công thức hoá học Tên gọi A B C tmin tmax R718 H2O Nước 11,8 3906,23 231 0,01 320 R717 NH3 Amoniac 10,95 1895,53 245,09 -70 70 R170 C2H2 Ethane 6,32 361,25 114,54 0 32,27 R290 C3H8 Propane 10,12 2471,54 282,18 -50 96,7 R600 C4H10 Butane 9,66 2471,31 256,59 -40 150 R1270 C3H6 Propylene 10,07 2326,47 280,07 -50 91,75 R12 CCl2F2 Diclodiflometan 9,78 2328,61 266,47 -70 112 R22 CHClF2 Monoclodiflometan 10,33 2358,35 270,38 -70 96,18 Hình 3.5 : Đồ thị nhiệt độ - áp suất hơi bảo hoà của môi chất 3.2.2.2. Sử dụng phương trình trạng thái Van Der Waals A. Xác định hàm p() Ta có phương trình Van Der Waals : ( 3-11 ) Trong đó: p = Áp suất ; V = Thể tích; n = Số mol phân tử khí; R = Hằng số chất khí ; T = Nhiệt độ tuyệt đối ; a,b = Các hệ số xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào từng chất khí. Với: Þ Hay , Với: Bảng 3.2 : Hệ số Van Der Waals của một số loại khí Loại khí a (bar L2 /mol2) b (L/mol) Loại khí a (bar L2 /mol2) b (L/mol) He 0,0346 0,0238 CH4 2,303 0,031 Ar 1,355 0,0320 CH4O 9,476 0,0659 H2 0,2452 0,0265 C2H2 4,156 0,0522 N2 1,37 0,0387 C2H4 4,612 0,0582 O2 1,382 0,0319 C2H6 5,580 0,0651 Cl2 6,343 0,0542 C3H8 9,39 0,0905 CO 1,472 0,0395 C4H10 13,89 0,1164 CO2 3,658 0,0429 C6H6 18,82 0,01193 Nguồn : David R.Lide [6, tr. 6-33] B. Khảo sát hàm p() 1) Tốc độ biến thiên của áp suất theo thời gian. , [bar/s] 2) Gia tốc biến thiên của áp suất theo thời gian , [bar/s] 3) Giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của áp suất. - Giá trị lớn nhất của áp suất - Giá trị nhỏ nhất của áp suất 4) Đồ thị : Đồ thị hàm p() 3.3. Thời điểm xảy ra sự cố: *Phương pháp xác định: Nhận xét :Thời gian nổ bằng thời gian khi gia nhiệt đến lúc bình đạt áp suất sự cố psc tức là ứng với trạng thái có nhiệt độ sự cố tsc. Theo kết quả chương 3 phần 3.1 và 3.2 ta đã biết được hàm phân bố nhiệt độ theo thời gian của môi chất trong bình : ,[0C] ( 3-12 ) ,[s-1] ,[oC] Với: Như đã nhận xét ở trên , áp suất sự cố psc thực tế có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ mà t = t() nên psc=f().Do đó ta xét hai phương pháp sau: 3.3.1 Phương pháp giải tích 3.3.1.1. Sử dụng phương trình trạng thái của khí lí tưởng, phương trình Van Der waals Ta có : Trong đó: + Đối với khí lí tưởng + Đối với khí thực : Sự cố xảy ra khi : hay : Suy ra ,[s] ( 3-13 ) 3.3.1.2. Sử dụng bảng thông số của môi chất hoặc phương trình Antoine Từ bảng thông số (p,t) của môi chất , ứng với giá trị áp suất sự cố psc ta sẽ có được nhiệt độ ứng với trạng thái đó là tsc hoặc ứng với giá trị áp suất sự cố psc ta tính được nhiệt độ sự cố từ phương trình Antonie ( 3-7 ) : ( 3-14 ) rồi thế tsc vào biểu thức tính thời gian nổ , [s]. 3.3.2. Phương pháp đồ thị psc = f(t). Hay psc = f(t) Khi nhiệt độ càng lớn thì ứng suất định mức cho phép của vật liệu càng giảm dần. Do đó ứng với mỗi loại vật liệu cụ thể tra bảng ứng suất định mức cho phép ta biết được luật phân bố theo nhiệt độ , dẫn đến việc kéo theo sự giảm của pcp theo nhiệt độ , tức là suy ra được hàm phân bố áp suất sự cố theo nhiệt độ: psc = f(t) Bằng phương pháp vẽ đồ thị từ giao điểm của đường psc = f(t) đối với bình và đường p = p(t) của môi chất trong bình , ta có được hoành độ giao điểm chính là nhiệt độ tsc ứng với trạng thái xảy ra sự cố . Hình 3.6: Đồ thị xác định tsc khi psc thay đổi theo nhiệt độ Sau khi ta có tsc ta thay vào biểu thức : CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY RA SỰ CỐ VÀ CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SỰ CỐ NỔ VỠ BÌNH CHỊU ÁP LỰC 4.1 Nguyên nhân hư hỏng và nổ vỡ bình chịu áp lực Các bình chịu áp lực bị nổ vỡ khi độ bền của nó không chịu nỗi tác dụng của áp suất môi chất tác dụng lên . Nhiệm vụ chủ yếu của việc tính sức bền là xác định chiều dày của các bộ phận chịu áp lực của bình mà chiều dày này được xác định trên cơ sở tính sức bền của chúng ứng với một trị số làm việc cho phép và ứng với mỗi loại vật liệu được chọn .Ví dụ công thức [ 2.1 ], [ 2.2 ] tính chiều dày yêu cầu của thân trụ chịu áp suất trong: hay Ta thấy khi áp suất tăng thì chiều dày yêu cầu của thân bình phải tăng theo .Khi ứng suất cho phép của vật liệu giảm đi hay chiều dày của thân bình đã giảm thì làm giảm áp suất làm việc cho phép của bình. Từ đó ta thấy nguyên nhân gây hư hỏng nổ vỡ các bình chịu áp lực thể hiện ở hai nguyên nhân sau: - Ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo của bình giảm . - Áp suất trong trong bình tăng quá mức cho phép 4.1.1 Nguyên nhân ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo của bình giảm Do chọn vật liệu không đúng trong quá trình thiết kế. Trong quá trình chế tạo bình làm giảm các tính bền của vật liệu. Trong khi sử dụng đã làm giảm độ bền của vật liệu chế tạo nên thiết bị Do tăng quá cao nhiệt độ làm việc của kim loại . Việc tăng quá cao nhiệt độ của kim loại ở những thiết bị đốt nóng trực tiếp bởi ngọn lửa hay dòng khói ở các bộ phận của bình do kim loại không được làm mát đầy đủ bởi môi chất hoặc do phụ tải nhiệt quá lớn . Bề mặt kim loại bị đóng cáu quá nhiều , do đó hệ số truyền nhiệt từ khói tới môi chất giảm đi . Nếu lớp cáu dày và có hệ số dẫn nhiệt bé thì mặc dù môi chất chuyển động liên tục qua lớp kim loại nhưng kim loại vẫn bị đốt nóng cao và gây ra nổ . Bề mặt kim loại do trực tiếp tiếp xúc với ngọn lửa hay khói có nhiệt độ cao nhưng lại không có dòng môi chất lưu động với vận tốc đủ lớn để làm mát kim loại. Do có những hư hỏng bên trong vật liệu như kim loại bị mài mòn cơ học và ăn mòn bởi các tác nhân hóa học và điện hóa học . Trong quá trình làm việc , vật liệu phải tiếp xúc với môi chất có tính ăn mòn , trong đó chủ yếu là ăn mòn điện hóa học , là dạng ăn mòn gây nên do tác dụng điện hóa của các dung dịch điện phân . Ăn mòn kim loại có thể có thể hiểu ở các hình thức sau : ăn mòn đồng đều trên toàn bộ bề mặt kim loại , ăn mòn thành những hố bề mặt riêng biệt , ăn mòn theo biên giới của tinh thể , ăn mòn xuyên qua tinh thể . Dạng ăn mòn đồng đều tương đối ít nguy hiểm tuy mất mát khối lượng kim loại có thể lớn ; dạng ăn mòn thành hố nguy hiểm hơn vì nó ăn sâu vào kim loại và do đó tại chỗ ăn mòn này chiều dày của kim loại đã giảm đi nhiều. Hai loại ăn mòn biên giới của các tinh thể và ăn mòn xuyên qua tinh thể nguy hiểm hơn tuy mất mát khối lượng kim loại do ăn mòn rất ít, nhưng cơ tính của kim loại giảm xuống do đó ứng suất cho phép của kim loại giảm đi rất nhiều . Điều nguy hiểm hơn nữa là rất khó phát hiện ra chúng bằng mắt thường , phải qua kiểm tra bằng tia phóng xạ hay siêu âm mới phát hiện ra được. Đối với đa số các bình chịu áp lực , nhiều khi ăn mòn lúc thiết bị không làm việc lại xảy ra mạnh hơn khi làm việc do khi làm việc thiết bị được đóng kín ở trạng thái có áp suất , không khí có oxy không lọt vào được vào được. Khi nghỉ , thiết bị hoặc mở hay tuy vẫn bị đóng kín nhưng do môi chất bên trong nguội đi, khi nguội thì thể tích co lại , trong thiết bị có chân không nên rất dễ bị lọt không khí vào. Oxy cùng với các giọt nước ẩm sẽ gây ra ăn mòn kim loại . Các chi tiết của các bình chịu áp lực có thể bị giãn nở nhiệt không đều, gây ra xì hở tại chỗ nối, hay tạo ra các kẽ nứt trong kim loại, làm giảm ứng suất cho phép của kim loại. Do sửa chữa hoặc cải tạo không đúng quy trình kỹ thuật là giảm ứng suất cho phép của kim loại. 4.1.2 Nguyên nhân áp suất trong bình tăng quá mức Do lượng môi chất được cung cấp, nạp vào bình hay sinh ra trong bình tăng hơn lượng môi chất được lấy ra từ bình .Trong lúc đó thể tích của thiết bị hầu như không đổi nên áp suất trong bình tăng lên. Đối với các bình chứa khí và khí hoá lỏng áp suất tăng lên do nhiệt độ môi chất trong bình tăng lên. Sự tăng nhiệt độ này chủ yếu do chúng bị phơi nắng hay do để gần các nguồn nhiệt đốt nóng như các lò đốt, lò nung, đám cháy, v.v... Trong quá trình vận hành do người công nhân vận hành không đúng quy trình kỹ thuật. Van an toàn bị hỏng do đó không tự động xả khí trong bình để giảm áp suất tránh xảy ra sự cố 4.2. Các giải pháp hạn chế sự cố nổ vở bình chịu áp lực Như đã trình bày ở phần 4.1, nguyên nhân gây nên sự nổ vỡ các thiết bị chịu áp lực hoặc là do ứng suất cho phép của vật liệu đã bị giảm đi, hoặc do tăng áp suất lên quá mức chịu đựng của vật liệu. 4.2.1. Các giải pháp hạn chế giảm ứng suất cho phép Đối với tất cả các kim loại, khi nhiệt độ tăng lên, ứng suất cho phép đều giảm đi và sẽ giảm đi đột ngột khi bắt đầu tăng nhiệt độ lên quá một trị số nào đó. ( Trên hình 2.1 trình bày ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi ứng suất cho phép của kim loại). Vì vậy mỗi loại vật liệu chỉ được sử dụng đến một trị số nhiệt độ làm việc nào đó mà thôi. Khi thiết kế tùy theo nhiệt độ làm việc của thiết bị mà chọn loại vật liệu tương ứng. Việc chọn nguyên vật liệu để chế tạo các thiết bị chịu lực có ý nghĩa rất quan trọng đến sự bảo đảm làm việc an toàn của thiết bị. Trong các tiêu chuẩn về bình chịu áp lực đều có ghi rõ đặc tính và phạm vi sử dụng các loại kim loại dùng để chế tạo các thiết bị chịu áp lực. Trong tất cả các bản thiết kế cần có thuyết minh đầy đủ về nguyên vật liệu để chế tạo từng chi tiết của thiết bị. Tất cả các vật liệu đều phải có văn bản hợp lệ về chất lượng và đặc tính cơ bản của chúng. Khi không có các chứng từ xác nhận chất lượng và đặc tính cơ bản của vật liệu thì các nhà máy chế tạo phải thử nghiệm trước khi sử dụng để gia công chế tạo thiết bị. Về mặt chế tạo, phải bảo đảm sao cho trong và sau khi chế tạo, trong kim loại không sinh ra những biến dạng dư, làm giảm ứng suất của kim loại. Vì vậy những xí nghiệp có những phương tiện kỹ thuật nhất định, được nhà nước cho phép mới được chế tạo bình chịu áp lực. Trong quá trình làm việc, các chi tiết của các thiết bị chịu áp lực giãn nở nhiệt không đều. Khi thiết kế chế tạo phải bảo đảm sao cho các chi tiết của thiết bị được giãn nở tự do. Tuy nhiên khả năng giãn nở này chỉ đạt được ở một giới hạn cho phép nào đó. Trong quá trình vận hành nếu không có những chú ý đầy đủ thì độ giãn nở có thể vượt quá giới hạn cho phép, gây nên rạn nứt kim loại, làm giảm ứng suất cho phép của vật liệu, hoặc gây ra xì hở, nhất là lại những chỗ nối, những chỗ tiếp giáp của các kim loại khác nhau hay có bề dày khác nhau như chỗ nối bằng bu lông như các mặt bích, các nắp, cửa v.v. Những trường hợp gây nên giãn nở quá đáng là những lúc cho thiết bị bắt đầu làm việc (lúc đưa hơi nước nóng vào các nồi nấu, hấp sấy v.v...), ngừng thiết bị quá đột ngột ( làm nguội quá nhanh ). Vì vậy khi bắt đầu đưa hơi, nước nóng vào các thiết bị nấu hấp thì cần tiến hành từ từ để sao cho nhiệt độ kim loại của các thiết bị không tăng lên quá nhanh, khi ngừng thiết bị cũng không được làm nguội quá nhanh như mở nắp các nồi hấp sấy mà phải để tự nguội dần dần. Hầu như tất cả các thiết bị chịu áp lực đều được chế tạo bằng phương pháp nối các lá thép bằng hàn. Vì phải dùng các biện pháp nối kim loại khi chế tạo nên đã làm cho cho vật liệu bị yếu đi. ảnh hưởng này được kể đến bởi hệ số bền E , coi như là làm giảm ứng suất cho phép của vật liệu. Vì vậy trong các bản thiết kế chế tạo cần ghi rõ loại vật liệu dùng để hàn, biện pháp kỹ thuật dùng để hàn. Các vật liệu dùng để hàn tán như que hàn phải có giới hạn bền không thấp hơn giới hạn bền của kim loại chính còn độ dãn dài tương đối d (%) và độ dai và đập a (kGm/cm2) phải được chọn phù hợp. Để giảm bớt các ứng suất dư bên trong vật liệu khi hàn, tán, những chi tiết bằng thép hợp kim có chiều dày trên 10mm và bằng thép cacbon có chiều dày trên 35mm thì nhất thiết phải tiến hành xử lý nhiệt các chi tiết này. Khi chế tạo những đáy cong của các bình bằng cách dập hay gò nguội thì rất dễ gây ra các ứng suất dư trong vật liệu, vì vậy chúng cũng cần được xử lý nhiệt trước khi hàn vào thân bình. Độ bền của các mối hàn có ý nghĩa gần như quyết định đến độ bền của thiết bị chịu áp lực. Vì vậy chỉ những công nhân đã có chứng chỉ hàn thiết bị áp lực mới được hàn các thiết bị chịu áp lực . Tránh dùng môi chất gây ăn mòn của thiết bị , đóng cáu lên các mặt trao đổi nhiệt. 4.2.2. Các giải pháp hạn chế tăng áp suất quá mức Trên tất cả các bình chịu áp lực phải đặt áp kế phù hợp với môi chất trong bình để đo áp suất trong bình. Áp kế phải có thang đo thích hợp và cấp chính xác không thấp hơn 2,5. Phải lắp đặt đầy đủ các thiết bị bảo vệ và đảm bảo cho chúng luôn ở trạng thái sẵn sàng làm việc. Các thiết bị bảo vệ như van an toàn, màng an toàn, rơ le áp suất cũng như các thiết bị bảo vệ khác có mục đích ngắt thiết bị khi áp suất, nhiệt độ, mức môi chất bên trong thiết bị vượt quá mức cho phép phải lắp đặt đầy đủ trên bình chịu áp lực. Các thiết bị bảo vệ phải được cân chỉnh , cài đặt ở các thông số tác động phù hợp. Khả năng xả hơi ra của van an toàn phải đảm bảo khống chế được áp suất trong bình , nhưng cũng không được quá lớn, khiến cho việc xả hơi ra quá nhiều áp suất sẽ bị giảm đi đột ngột. Để ngăn ngừa hiện tượng áp suất tăng quá nhanh, đối với các bình chứa khi có thể cháy, người ta quy định mức độ chứa khí trong bình. Mức độ này được xác định bằng khối lượng khí tính ứng với một đơn vị thể tích của bình (đo bằng kg khí/lít) hay thể tích cần thiết của bình để chứa được kg khí (đo bằng lít/kg khí ). Trong bảng 4.1 trình bày mức độ chứa khí trong bình. Để hạn chế việc tăng áp suất do việc đốt nóng chất khí trong bình, các bình chứa khí không được để ngoài nắng, khi cần di chuyển thì cần che nắng cho chúng. Phải đặt cách xa các nguồn nhiệt khác. Bảng 4.1 : Mức độ chứa của một số khí trong bình theo TCVN 6155 : 1996 Tên khí Khối lượng khí trong 1 lít dung tích của bình, tính bằng kg, không lớn hơn Thể tích của bình ứng với 1 kg khí nạp, tính bằng lít, không nhỏ hơn Nitơ 0,77 1,300 Amoniac 0,570 1,760 Butane 0,488 2,050 Butylene 0,526 1,900 Propylene 0,445 2,250 Clo 1,250 0,800 Oxy 1,080 0,926 4.2.3 Các giải pháp phòng ngừa khác 1) Người quản lý, vận hành và bảo dưỡng phải nắm đầy đủ điều kiện vận hành của thiết bị: - Nắm được loại môi chất đang được tồn trữ, xử lý và vận chuyển bên trong thiết bị và các đặc tính của nó (ví dụ: độc tính, khả năng cháy nổ ,v.v.) . - Nắm được điều kiện vận hành của thiết bị, ví dụ như: áp suất, nhiệt độ, điều kiện mài mòn, ăn mòn v.v... - Nắm được thông số giới hạn phạm vi vận hành an toàn của bình cũng như tất cả các thiết bị khác có liên quan trực tiếp hoặc bị ảnh hưởng trực tiếp đến bình. - Phải soạn lập được các hướng dẫn vận hanh và xử lý sự cố chi tiết cho từng bộ phận cũng như đối với toàn bộ hệ thống thiết bị. - Phải đảm bảo rằng công nhân vận hành, sửa chữa và tất cả những người có liên quan đã được hướng dẫn, huấn luyện, kiểm tra chi tiết về quy trình vận hành và xử lý sự cố . 2) Thực hiện đầy đủ quá trình bảo dưỡng thiết bị - Mỗi đơn vị sản xuất phải lập được kế hoạch bảo dưỡng cho toàn bộ hệ thống các thiết bị áp lực trong đơn vị. Kế hoạch bảo dưỡng phải tính đến các đặc điểm riêng biệt của từng thiết bị như tuổi thọ, đặc điểm vận hành, môi trường làm việc của thiết bị v.v. - Luôn quan tâm đến những biểu hiện bất thường trong hệ thống . - Luôn kiểm tra, phát hiện các biểu hiện mài mòn và ăn mòn - Trước khi thực hiện việc bảo dưỡng, sửa chữa phải đảm bảo xả hết áp suất bên trong hệ thống, làm vệ sinh đầy đủ. - Phải thực hiện đầy đủ các biện pháp và quy trình an toàn trong quá trình sửa chữa, bảo dưỡng. 3) Thực hiện đầy đủ quá trình đào tạo, huấn luyện Tất cả những người vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa và làm các công việc có liên quan đến thiết bị áp lực đặc biệt là những công nhân mới phải được huấn luyện, đào tạo một cách đầy đủ. 4) Thiết bị phải được đăng ký và kiểm định đầy đủ Các bình chịu áp lực phải được kiểm định kỹ thuật an toàn trước khi đưa vào sử dụng cũng như phải kiểm định định kỳ bởi các Tổ chức kiểm định trong quá trình sử dụng. Thủ tục thực hiện kiểm định được nêu trong thông tư số 04/2008/TT-BLĐTBXH ngày 27/2/2008 của Bộ Lao Động Thương Binh và Xã Hội. CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN KIỂM TRA THIẾT BỊ THỰC TẾ 5.1. Nồi hơi điện trở . 5.1.1. Phát biểu bài toán Tính kiểm tra nồi hơi đốt bằng điện trở tại Công Ty Hữu Nghị Đà Nẵng. - Cấu tạo hơi như hình 5.1 gồm : + Thân trụ và hai đáy ellip được làm bằng thép AS1548-7-460R có đường kính trong D = 586 mm, chiều dài thân trụ L = 1050 mm, đáy ellip có h = 108mm ( Bán kính trong trục nhỏ ellip). Thân và hai đáy có chiều dày dt = 12mm. + Mặt bích lắp điện trở được chế tạo từ thép CT3 có chiều dày db = 22 mm. + Cách nhiệt: Bông thuỷ tinh dc = 50 mm , lc = 0,055 W/mK + Vỏ bọc bên ngoài bằng tole dày dt = 1mm Hình 5.1: Cấu tạo nồi hơi điện trở - Môi chất : Nước có thể tích V = 170 lít, nhiệt độ ban đầu to = 25 oC. -Môi trường truyền nhiệt : + Nguồn nóng : Bộ đốt bằng điện trở có công suất P = 60 kW + Nguồn nguội : Môi trường không khí có nhiệt độ t2 = 30 oC . *Yêu cầu :Tính thời gian nổ tn từ khi cắm điện cho đến khi bình nổ nếu như nồi hơi không có van an toàn để khống chế áp suất và rơ le nhiệt bị hỏng nên cứ đóng điện cho bộ đốt liên tục . 5.1.2. Giải bài toán 5.1.2.1. Tra các thông số vật lý nhiệt - Khối lượng riêng , nhiệt dung riêng , hệ số dẫn nhiệt của thép là : = 7850 kg/m3 , = 45,4 W/mK , Ct = 477 J/kg K . - Khối lượng riêng, nhiệt dung riêng của nước ở 250C = 996,95 kg/m3 , Cn = 4178,5 J/kg K - Diện tích xung quanh của bình thép : Ft = 3,0 m2 - Diện tích xung quanh của bình thép có cách nhiệt : F2 = 3,4 m2 ( Đáy ellip dưới không bảo ôn). 5.1.2.2. Tính hệ số truyền nhiệt k - Tính hệ số tỏa nhiệt từ nước đến vách bình : Giả thiết nhiệt độ nước bằng nhiệt độ vỏ bình (tn = tw ) nên có thể xem là bằng . - Tính hệ số tản nhiệt phía ngoài : Chọn nhiệt độ xác định là : txđ = 40 0C Tra phụ lục bảng 4 Tài liệu [ 2 ] thông số vật lý của không khí khô ta có: = 0,0276[W/mK] ; = 16.9610-6 [ m2/s] ; = 0,0031[1/K ] ; Prf = 0,699 ; a = 22,9.10-6 [ m2/s] Từ đó ta tính được các tiêu chuẩn không thứ nguyên như sau : +Tiêu chuẩn Grashof : = = 494.106 +Tiêu chuẩn Nusselt : Do: (Prf.Grf) = 0,699.494.106 = 3,45.108 Î 2.107 ¸1013 nên C = 0,135 và n = 3 Þ Nuf = 0,135.(Prf..Grf)1/3 = 0,135(0,699.494.106)1/3 = 94,68 Do đó : = 4,284 ,[W/m2K] Vậy: = 0,875 ,[W/m2K] 5.1.2.3. Thiết lập công thức tính Phương trình vi phân cân bằng nhiệt cho hệ gồm (nước + vỏ thép) trong thời gian ứng với nhiệt độ của môi chất ( t t + dt ) là: Hay : Ở dạng chính tắc,phương trình trên được viết như sau : Với ,[s-1 ] ,[oC/s ] Hệ phương trình mô tả t() có dạng : Giải hệ phương trình ( t ) như sau : Từ : Hàm nhiệt độ có dạng: ,[oC] Với ,[oC] ,[ s ] ,[0C ] ,[s ] Vậy hàm phân bố nhiệt độ của nước trong nồi là : t() = 20498 - 20473. [oC] ( 5-1 ) *Khảo sát thực tế nồi hơi ta có số liệu thực tế so với kết quả tính toán như sau: Thời gian t, (s) 1200 1500 1715 1800 1850 1900 Nhiệt độ thực tế, oC 120,2 130,58 149,9 143 155,44 157,15 Nhiệt đô tính toán, oC 111,52 133,09 148,54 154,64 158,23 149,9 Độ sai khác 8,68 -2,51 1,36 -11,64 -2,79 7,25 5.1.2.4. Tính áp suất sự cố a) Tính áp suất sự cố đối với thân trụ: ( 5-2 ) Thay : nB = 3; E = 0,8 ; R = 305 mm; t = 12 mm và S = SAS1548-7-460R vào (5-2) ta có: (5-3) b) Tính áp suất sự cố đối với hai đáy ellip: ( 5-4 ) Thay: nB = 3; E = 1 ; D = 586 mm; t = 12 mm vào ( 5-4 ) : với ta được: ( 5-5 ) c) Tính áp suất sự cố đối với mặt bích lắp điện trở: ( 5-6 ) Thay: nB = 3 ; E = 1 ; d = 430 mm ; t = 22mm ; S = SCT3 và C = 0,25 vào ( 5-6 ) ta được: ( 5-7 ) So sánh bảng ứng suất cho phép với nhiệt độ ta nhận thấy ở cùng nhiệt độ thì ứng suất cho phép SAS1548-7-460R > SCT3 nên so sánh giá trị của ( 5-3 ), ( 5-4 ) và (5-7 ) ta có: 0,098.SAS1548-7-460R > 0,078.SAS1548-7-460R > 0,0314.SCT3 Vì vậy áp suất sự cố của nồi hơi là psc = 0,0314.SCT3. 5.1.2.5. Thời gian nổ * Nếu lấy S = const = 1177 Bar (ở 250oC ) thì: psc = 36,97 Bar và tính bằng công thức : ,[ s] - Tính toán bằng hai cách: + Cách 1: Sử dụng phương trình Antoine Từ phương trình : ,[oC] với các hệ số A = 11,8 ; B = 3906,23; C = 231 đối với nước được tính thực nghiệm ở bảng 3.1 ta có: , [oC] Do đó: ,[s] Vậy thời gian tính theo cách 1 là: 3027 giây hay bằng 40,45 phút. + Cách 2: Dùng bảng nước và hơi nước bão hoà . Với p = 37,97 bar, tra bảng nước và hơi nước bão hoà ở tài liệu [ 2 ] có tsc=247,26 oC Do đó: ,[s] Kết quả sai giữa hai cách giải là 3,23 giây là khá nhỏ so với thời gian nổ , sự sai khác này nói lên sự giống nhau về việc mô tả quan hệ (p,t) dưới hai hình thức bảng thông số hay phương trình thực nghiệm. - Nếu xem S = f(t) Tra bảng ứng suất cho phép của thép CT3 ta có: Nhiệt độ, oC 20 250 275 300 350 S , Bar 1373 1177 1118 1059 1012 psc , Bar 43,1 36,96 35,1 33,25 31,78 Xem ứng suất cho phép S biến thiên một cách tuyến tính giữa các khoảng nhiệt độ thì ta co thể tính tsc bằng cách vẽ đồ thị: Giao điểm của đường phân bố áp suất sự cố của vỏ bình theo nhiệt độ với đường biểu diễn đường phân bố áp suất của môi chất trong bình theo nhiệt độ và hoành độ giao điểm này cho ta giá trị của nhiệt độ tsc . Hình 5.2: Đồ thị xác định tsc Từ đồ thị hình 5.2 ta có được :tsc = 247,3 0C ; do đó tính được thời gian nổ là: = 3024 (s). 5.1.2.6. Nhận xét - Khi chọn S = const: + Tại nhiệt độ t > tsc thì thực tế nồi hơi sẽ nổ sau thời gian tính được. + Tại nhiệt độ t < tsc thì thực tế bình sẽ nổ trước thời gian tính toán được đây là điều đặc biệt nguy hiểm . Để nâng cao độ chính xác : Đầu tiên ta chọn S ứng với nhiệt độ t nào đó rồi theo trình tự sẽ tính được tsc , rồi kiểm tra xem : +Nếu tsc > t thì nhiều khi phải chọn lại S có nhiệt độ nhỏ hơn nữa +Nếu tsc < t thì ta chọn lại S ở nhiệt độ lớn hơn . Cứ trình tự lặp như vậy cho đến khi tsc và t gần bằng nhau hoặc chỉ khác nhau một giá trị nhiệt độ cho phép nào đó là được . Đặc biệt chú ý :Nên có tsc < t - Khi giải với S = f(t) công việc sẽ phức tạp hơn nhưng cho kết quả có độ chính xác cao hơn . 5.2. Tính vỏ bình chứa LPG 5.2.1. Phát biểu bài toán Tính kiểm tra vỏ bình chứa khí hoá lỏng LPG có thể tích V= 26,5 lít sản xuất bởi LINH GAS CYLINDER Co., Ltd ( Thailand) có nhãn hiệu ELF GAZ được Công Ty ELF GAZ Việt Nam nhập khẩu sử dụng tại Việt Nam. - Cấu tạo vỏ bình như hình 5.3. + Thân hình trụ và hai đáy hình ellip được làm bằng thép JIS G311 SG 295 tương đương thép SA-414 có đường kính trong D = 295,6 mm, hai đáy ellip có chiều cao h = 77,4 mm . Thân và hai đáy có chiều dày chế tạo dt =2,6 mm. Hình 5.3: Vỏ bình chứa LPG Tính áp suất nổ ( sự cố ) của vỏ bình và kiểm tra lại bằng thực nghiệm . 5.2.2. Tính áp suất sự cố a) Tính áp suất sự cố đối với thân vỏ bình: ( 5-8 ) Thay : nB = 3; E = 1 ; R = 147,8 mm; t = 2,6 mm và S ( Bar ) vào [5-8] ta có: ,[Bar] b).Tính áp suất sự cố đối với hai đáy ellip vỏ bình: ( 5-9 ) Thay: nB = 3; E = 1 ; D = 295,6 mm; t = 2,6 mm và S ( Bar )vào ( 5-9 ): với ta được: ,[Bar] Như vậy : Áp suất sự cố tính toán đối với vỏ bình bằng p = 0,0522S , Bar. Tra bảng ứng suất cho phép của thép SA-414 theo tài liệu [ 12, tr. 18-21 ] ta có: Nhiệt độ, oC -30 ¸ 325 375 400 450 475 500 S , Bar 1380 1230 1010 671 508 347 psc (=0,522S), Bar 72 63,96 52,72 35,03 26,52 18,11 5.2.3. Nghiệm thử kiểm tra lại thực tế - Đối tượng thử nghiệm: Vỏ bình chứa LPG có cấu tạo như hình 5.2 và các thông số như 5.2.1. Bình có số chế tạo : 052522. - Dụng cụ thử nghiệm: + Bơm thuỷ lực KYOWA TS300NDX số 050415-05 Japan . + Áp kế số : 0-100 kG/cm2 giấy chứng nhận hiệu chỉnh số 00354/09. - Môi chất nghiệm thử: Nước ở nhiệt độ 25 oC. - Địa điểm nghiệm thử : 97 Quang Trung - Thành Phố Đà Nẵng. 5.2.4. Mô tả quá trình thử : Bơm tăng dần áp suất trong bình : Khi áp suất trong bình đạt được 50,5 kG/cm2 ( 49,5 Bar ) ta thấy có sự giản nỡ thể tích của vỏ bình và khi áp suất đạt 78 kG/cm2 ( 72,57 Bar ) thì sự biến dạng thân bình đã thấy rõ rệt. Khi áp suất đạt 98 kG/cm2 ( 96,1 Bar ) thì bình bị phá vỡ theo chiều dọc thân bình. Hình ảnh quá trình thử nghiệm vỏ bình ở hình 5.5 5.2.5. Nhận xét Ta thấy kết quả thử thực tế bình bị phá huỷ ở áp suất P = 96,1 Bar so với kết quả tính toán ở 5.2.2 với nhiệt độ 25 oC là 72 Bar thì sự sai khác là 24,1 Bar , cho ta thấy sự tính toán áp suất sự cố phụ thuộc vào hệ số an toàn bền nB là đảm bảo. Nếu áp suất sự cố thử thực tế của bình < áp suất tính toán thì đây là điều cực kỳ nguy hiểm, còn nếu chọn nB quá lớn thì gây lãng phí vật liệu chế tạo. Sự phá huỷ ở thân bình được dự báo xảy ra trước so với hai đáy cho ta thấy công thức tính toán các bộ phận chịu áp lực của bình là gần đúng với thực tế. Trong thực tế môi chất LPG nạp vào vỏ bình thường là hỗn hợp 50% propane và 50% Butane, do áp suất hơi bão hoà của Butane < áp suất hơi bão của propane ở cùng nhiệt độ nên ta giả sử vỏ bình được nạp môi chất là 100% propane đây là trường hợp nguy hiểm nhất. Với vỏ bình nạp 100% propane thì ở áp suất 96,1 Bar ( 1393,8 psi ) tra đồ thị hình 5.4 ( Theo tài liệu [ 6, tr. 7 ] ) ta có nhiệt độ của môi chất propnae là 147,77 oC ( 298 oF ), mà thép chế tạo bình chỉ bị yếu đi ở nhiệt độ trên 325 oC , như vậy áp suất sự cố bình chịu ảnh hưởng sự tăng nhiệt độ của môi chất chứa trong bình. Như vậy khi sử dụng, bảo quản bình ta phải cách ly, tránh xa các nguồn nhiệt. Nhiệt độ, 0F Áp suất, psi Hình 5.4 : Đồ thị tra áp suất hơi và nhiệt độ của các hợp chất hydro cacbon Ảnh vỏ bình trước lúc thử Bơm môi chất thử vào vỏ bình Vỏ bình bắt đầu có sự giản nỡ Sự biến dạng của bình ở P = 78 kG/cm2 Vị trí bị phá huỷ Áp suất gần phá huỷ vỏ bình 94 kG/cm2 Vỏ bị phá huỷ ở P = 98 kG/cm2 Hình 5.5 : Hình ảnh quá trình thử nghiệm vỏ bình LPG KẾT LUẬN Từ những kết quả nghiên cứu của luận văn thì luận văn có những đóng góp chính như sau : - Tổng hợp đưa ra được các công thức tính áp suất cho phép và áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình. Dựa vào đó chúng ta có thể tính thiết kế hay tính kiểm tra áp suất cho phep đối với các bình chịu áp lực. - Xây dựng được mối quan hệ giữa ứng suất cho phép của vật liệu với nhiệt độ và sự liên hệ giữa nhiệt độ với áp suất của môi chất . Dựa vào đó chúng ta có thể nhận biết được tình trạng làm việc của bình. Tính toán nhanh hoặc dùng để lập trình trong việc tính toán thiết kế, kiểm tra bình đối với từng loại vật liệu chế tạo và môi chất sử dụng. - Ta hoàn toàn xác định thời gian nổ khi gia nhiệt cho môi chất trong bình . Sự gia nhiệt luôn luôn kèm theo sự tăng nhiệt độ và áp suất của môi chất trong bình nếu van an toàn hay thiết bị bảo vệ khác không hoạt động thì áp suất sẽ vượt quá áp suất cho phép , tình trạng này kéo dài sẽ gây nên sự cố. Do vậy việc tính được thời gian nổ là rất cần thiết cho việc tính thiết kế, kiểm tra dự báo sự cố áp lực cho thiết bị. - Xác định được công sinh ra và sự ảnh hưởng bức xạ nhiệt của quả cầu lửa được hình thành khi xảy ra sự cố nổ vỡ bình chịu áp lực .Từ đó chúng ta đánh giá được mức độ phá hoại của chúng để đề ra các yêu cầu về vị trí lắp đặt cho từng loại thiết bị dựa vào điều kiện làm việc cụ thể của từng thiết bị và biện pháp phòng ngừa chúng. - Xác định rõ các nguyên nhân gây nổ vỡ bình chịu áp lực và đã đề xuất các giải pháp hạn chế sự cố nổ vỡ bình chịu áp lực. Qua đó giúp chúng ta tốt hơn trong việc thiết kế, chế tạo, quản lý và sử dụng thiết bị chịu áp lực để góp phần giảm thiểu tai nạn lao động. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI - Tổng hợp xây dựng hoàn chỉnh các công thức tính bền đối với bình chịu áp lực để có thể áp dụng cho Tiêu chuẩn Việt Nam về bình chịu áp lực. - Lập trình phần mềm tính toán để tính toán thiết kế , kiểm tra bền bình chịu áp lực . Lập trình phần mềm tính toán tìm luật tăng nhiệt độ - áp suất và dự báo sự cố khi gia nhiệt môi chất trong bình kín. - Khảo sát và thu thập số liệu về tình hình sử dụng và chế tạo thiết bị chịu áp lực tại Việt Nam. DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [ 1 ] PGS. TS Nguyễn Bốn ( 2002 ) , Nghiên cứu tính toán dự báo sự cố áp lực khi gia nhiệt môi chất trong bình kín , Đề tài nghiên cứu khoa học số B2002-15-21, Đại học Đà Nẵng. [ 2 ] PGS. TS Nguyễn Bốn ( 2001 ) , Giáo trình thiết bị trao đổi nhiệt, Trường Đại học kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng. [ 3 ] PGS. TS Nguyễn Bốn, PGS. TS Hoàng Ngọc Đồng ( 1999 ), Nhiệt kỹ thuật, Nhà xuất bản giáo dục. [ 4 ] Nguyễn Bá Dũng, Nguyễn Duy Thiết, Nguyễn Văn Thông, Tạ Bá Phụng ( 1979 ), Kỹ thuật bảo hộ lao động, Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp. [ 5 ] Bộ Lao Động Thương Binh và Xã Hội ( 1998 ), Tập hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn nồi hơi và bình chịu áp lực, Nhà xuất bản Lao động. [ 6 ] Ali Danesh ( 1998 ), PVT and phase behaviour of petroleum reservoir fluids , Elsevier, Scotland. [ 7 ] Bruce E. Poling, George H. Thomson, Daniel G. Friend, Richard L .Rowley, W. Vincent Wilding, Perry’s Chemical Engineers’ Handbook , 8th Section 2, McGraw-Hill, USA. [ 8 ] David R.Lide (2004-2005 ), CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85th Edition, CPC Press , New York, USA. [ 9 ] Merv Fingas, Ph.D, The handbook of hazardous materials spills technology, McGraw-Hill, USA. [ 10 ] Sam Mannan, Lee’s Loss Prevention the Process Industries, Elsevier, USA. [ 11 ] The American Society of Mechanical Engineers New York (2004 ), 2004 Boiler & Pressure vessel code, Section VIII, Division 1, New York, USA. [ 12 ] The American Society of Mechanical Engineers New York (2004 ), 2004 Boiler & Pressure vessel code, Section II, Par D, New York, USA. [ 13] The American Institute of Chemical Engineers , Guidelines for Evaluating the Characteristics of Vapor Cloud Explosion, Flash Fires, and BLEVEs, New York, USA.