Расчет и проектирование систем обеспечения безопасности

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет

Т. А. Енютина, Л. В. Кулагина

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ  
БЕЗОПАСНОСТИ

Учебное пособие

Красноярск 
СФУ 
2022

УДК 658.5-049.5 (07)
ББК 65.246н6я73
Е648

Р е ц е н з е н т ы: 
Н. Д. Демиденко, доктор технических наук, профессор, ведущий научный 
сотрудник Красноярского филиала ФИЦ ИВТ;
О. В. Тасейко, кандидат физико-математических наук, доцент, зав. кафедрой 
безопасности жизнедеятельности СибГУ им. М. Ф. Решетнева

Енютина, Т. А. 
Е648 
 Расчет и проектирование систем обеспечения безопасности : 
учеб. пособие / Т. А. Енютина, Л. В. Кулагина. – Красноярск : Сиб. 
федер. ун-т, 2022. – 190 c.
ISBN 978-5-7638-4599-0

Приведены материалы, необходимые для решения задач, связанных с обеспечением 
безопасности, изложены методические указания для проведения практических 
занятий по дисциплине «Расчет и проектирование систем обеспечения безопасности».

Предназначено студентам и аспирантам направления подготовки «Техносферная 
безопасность».

Электронный вариант издания см.: 
УДК 658.5-049.5 (07)

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 65.246н6я73

ISBN 978-5-7638-4599-0 
© Сибирский федеральный
университет, 2022

Оглавление

Введение .......................................................................................................4

1. Расчёт (проектирование) и выбор предохранительных клапанов ...5
2. Расчёт установки парового пожаротушения .................................. 21
3. Расчёт вихревой трубки Ранка-Хильша .......................................... 26
4. Теплотехнический расчёт процесса сушки .................................... 37
5.  Определение массовых расходов продуктов горения и воздуха  
при пожаре в помещении ................................................................. 47
6.  Теплопередача через пожарный рукав (рукавную линию) ........... 57
7.  Определение предельной длины рукавной линии  
при низких температурах ................................................................. 66
8.  Конструктивный тепловой расчёт пароводяного  
теплообменного аппарата ................................................................. 79
9.  Конструктивный тепловой расчёт пластинчатого  
теплообменного аппарата ................................................................. 98
10.  Динамика изменения температуры грунта при пожаре............... 107
11.  Расчёт суммарного термического сопротивления  
спецодежды при низких температурах ......................................... 113
12.  Использование экранов для защиты от теплового излучения .... 123
13.  Определение безопасного расстояния от очага пожара .............. 130
14.  Определение толщины стенки корпуса газового баллона .......... 136

Задачи и упражнения для контрольных работ и опросов ................... 143
Список литературы ................................................................................. 165
Приложения ............................................................................................. 168

Введение

В учебном плане дисциплины «Расчёт и проектирование систем 
обеспечения безопасности» предусматривается выполнение соответствующего 
количества практических расчётов. В настоящем учебном 
пособии приводятся задания, которые позволяют охватить программы 
разнообразных специальностей института. 
Расчёты по предлагаемым заданиям должны способствовать в первую 
очередь углублённому пониманию теоретического материала. Для 
этого студентам необходимо знать термодинамические и теплофизические 
свойства различных веществ, термодинамические процессы и основные 
виды и законы тепломассообмена. Существенное внимание в пособии 
уделяется ознакомлению с конструкциями и работой технических 
устройств, приводится иллюстративный материал, позволяющий оценить 
как общий вид устройств, так и различные нюансы эксплуатации. 
Наряду с изучением конструкций различных устройств студенты 
осваивают навыки практических расчётов, например, предохранительных 
устройств, температуры грунта при пожарах, толщины боевой 
одежды пожарных и т. д. С целью расширения технического кругозора 
студентов почти каждое задание снабжено дополнительными сведениями, 
позволяющими выбрать самостоятельно исходные данные 
для вычислений и оценить полученные результаты. Кроме того, ряд 
предлагаемых устройств может быть рекомендован для использования 
в производственных условиях, например, в устройствах, работающих 
по принципу вихревого эффекта, или теплообменных аппаратах с поверхностью 
нагрева из полимерных материалов.
Одной из существенных задач данного учебного пособия является 
развитие у студентов самостоятельного критического подхода к решению 
поставленных задач, поэтому студенты получают индивидуальные 
исходные данные для выполнения задания. 
Активное отношение студентов к предлагаемым заданиям способствует 
не только расширению и закреплению знаний, но и позволяет 
приобрести навыки работы с производственными объектами.

1
Расчёт (проектирование) 
и выбор 
предохранительных 
клапанов

Наибольшую опасность при эксплуатации паровых котлов представляют 
взрывы. Пароводяные котлы могут взорваться по причинам:
1) дефектов или «усталости» металла от переменных термических напряжений;

2) повышения давления в котле больше допустимого из-за неисправности 
арматуры, контрольно-измерительных приборов (КИП); нарушения 
правил эксплуатации; образования значительной накипи, 
способствующей перегреву и уменьшению проходного сечения 
труб; спуска воды и последующая подача воды на раскаленные 
стенки (1 л воды при переходе в пар увеличивается в объеме приблизительно 
в 1700 раз).
На рис. 1.1 показаны последствия взрыва котла на ТЭЦ (теплоэлектроцентрали).

Предохранительные клапаны должны защищать котлы, пароперегреватели 
и экономайзеры, сосуды различного назначения от превышения 
в них давления более чем на 10 % расчетного (разрешенного). В качестве 
предохранительных устройств допускается применять:
а) рычажно-грузовые предохранительные клапа ны прямого действия;

б) пружинные предохранительные клапаны прямого действия;
в) импульсные предохранительные устройства, состоящие из импульсного 
клапана и главного предохранительного клапана. 
Ниже представлена таблица настройки предохранительных клапанов 
в зависимости от давления в сосуде [1].
Наиболее широко используемым, надежным, простым и легко регулируемым 
считается клапан рычажной конструкции, разрез которого 
и схема изображены на рис. 1.2.

1. Расчёт (проектирование) и выбор предохранительных клапанов

На трубопровод 1 приваривается фланец с седлом 4. Сам клапан 3 
прижимается сверху рычагом 2, который с одной стороны (на рисунке 
с левой) закреплён на трубопроводе 1, а на другой стороне (на рисунке 
правой) имеет регулируемый груз 5.
За счет грузов и рычага клапан 3 плотно прижимается к седлу 4. 
При достижении средой давления в трубопроводе, равного давлению 
срабатывания клапана, клапан приподнимается вместе с рычагом, и пар 
или вода выходят из системы, давление при этом понижается. С помощью 
грузов 5 можно регулировать давление срабатывания (подъема 
из седла) клапана.

2
3

4

5

1

Рис. 1.2. Предохранительный рычажный клапан: 1 – трубопровод; 2 – рычаг; 
3 – клапан; 4 – седло клапана; 5 – регулировочный груз

Рис. 1.1. Последствия взрыва парового котла

1. Расчёт (проектирование) и выбор предохранительных клапанов

Таблица 1.1

Давление настройки предохранительных клапанов

Номинальное давление пара  
за парогенератором, кгс/см2 (МПа)

Давление настройки
предохранительного клапана (pраб)

контрольного
рабочего

Свыше 13 до 60 (1,28–5,9)
1,03
1,05

Свыше 60 до 140 (5,9–13,7)
1,05 
1,08

Свыше 140 до 225 (13,7–22)
1,08 
1,08

Свыше 225 (22)
1,1
1,1

Схема 
пружинного 
предохранительного 
клапана 
приведена 
на рис. 1.3.
В приваренном к трубопроводу корпусе 1 в верхней части имеется 
отверстие с резьбой, куда вворачивается натяжной винт 2. Винт внутри 

Рис. 1.3. Пружинный предохранительный клапан: 
1 – корпус; 2 – натяжной винт с резьбой; 3 – шток; 
4 – упорная шайба; 5 – пружина; 6 – тарелка клапана; 
7 – трубопровод; 8 – седло клапана

1

2

3

4

5

6

7

8

1. Расчёт (проектирование) и выбор предохранительных клапанов

полый, и внутри этой полости может свободно двигаться шток 3, на конце 
которого закреплена тарелка клапана 6. Нижний конец винта 2 с шайбой 
4 является упором для пружины 5, которая прижимает с определенной 
силой тарелку 6 к седлу клапана 8. За счет вкручивания винта 2 
или его выкручивания можно регулировать силу прижимания тарелки 
к седлу клапана, т. е. регулировать давление открытия клапана. Корпус 1 
имеет в верхней вертикальной части каналы для прохода среды при срабатывании 
клапана.
Количество устанавливаемых на паровом котле предохранительных 
клапанов определяется по табл. 1.2.

Таблица 1.2

Количество и основные размеры предохранительных клапанов

№ 
п/п
Нормируемая величина
Значение

1

Наименьшее допустимое количество предохранительных 
клапанов (включая контрольный) на котле 
производительностью кг/ч:
а) более 100
б) 100 и менее
2
1

2
Суммарная пропускная способность предохранительных 
клапанов, установленных на котле
Не менее часовой производительности 
котла

3
Диаметр прохода рычажно-грузовых и пружинных 
клапанов
Не менее 20 мм

4
Диаметр вспомогательного клапана и импульсных 
предохранительных клапанов
Не менее 15 мм

5
Площадь поперечного сечения патрубка, на котором 
установлено несколько предохранительных 
клапанов

Не менее 1,25 суммы площадей 
сечений всех предохранительных 
клапанов

Суммарная пропускная способность установленных на котле предохранительных 
устройств должна быть не менее часовой паропроизводительности 
котла.
Ниже приведен порядок расчета предохранительного клапана.
Задание. Выполнить проектирование предохранительного клапана 
для парового котла с паропроизводительностью D, т/ч: 
 
● выбрать количество предохранительных клапанов;

1. Расчёт (проектирование) и выбор предохранительных клапанов

 
● определить диаметр минимального проходного сечения dу, мм [2, 3];
 
● выбрать тип клапана из справочной литературы, например [4]. 
В табл. 1.3 и 1.4 приведены общие сведения о паровых котлах.

Таблица 1.3

Технические характеристики паровых котлов типа КЕ,  
работающих на каменном и буром угле, а также на антраците

Тип котла номер  
компоновки

Паропроизводительность 
т/ч (МВт)

Рабочее давление, МПа 
(кгс/ см2)

Температура пара, tºС

КПД, 
%

Расход топлива, кг/ч

Габариты 
(L×B×H), мм
Масса, 
кг

КЕ-2,5-14С (ПТЛ-РПК) 
00.8002.106
2,5 
(1,818)
1,4 
(14)
194
82
292
5450×3890×5050
8150

КЕ-2,5-14С (ПТЛ-РПК) 
00.8002.108
2,5 
(1,818)
1,4 
(14)
194
82
292
5450×3890×4480
13651

КЕ-4-14С (ПТЛ-РПК) 
00.8002.207
4,0 
(2,91)
1,4 
(14)
194
82
458
6900×4480×5190
9745

КЕ-4-14С (ТЛЗМ) 
00.8002.210
4,0 
(2,91)
1,4 
(14)
194
82
458
6900×4640×5190
15700

КЕ-6,5-14С (ТЛЗМ) 
00.8002.312
6,5 
(4,73)
1,4 
(14)
194
82
760
7940×4640×5190
12125

КЕ-6,5-14С-О (ТЛЗМ) 
00.8002.321
6,5 
(4,73)
1,4 
(14)
194
82
760
7940×4640×5190
17808

КЕ-6,5-14-225С 
(ТЛЗМ) 00.8002.3147
6,5 
(4,73)
1,4 
(14)
225
82
760
7940×4640×5190
12445

КЕ-6,5-14С-О (ТЛЗМ) 
00.8002.326
6,5 
(4,73)
1,4 
(14)
194
82
760
7940×4640×5190
17880

КЕ-6,5-24С-О (ТЛЗМ) 
00.8002.312-01
6,5 
(4,73)
2,4 
(24)
220
82
760
7940×4640×5190
14685

КЕ-6,5-24С-О (ТЛЗМ) 
00.8002.321-01
6,5 
(4,73)
2,4 
(24)
220
82
760
7940×4640×5190
20131

КЕ-10-14С (ТЛЗМ) 
00.8002.414
10 
(7,27)
1,4 
(14)
194
84
1140
8710×5235×5280
14670

1. Расчёт (проектирование) и выбор предохранительных клапанов

Окончание табл. 1.3

Тип котла номер  
компоновки

Паропроизводительность 
т/ч (МВт)

Рабочее давление, 
МПа (кгс/ см2)

Температура пара, tºС

КПД, 
%

Расход топлива, кг/ч

Габариты 
(L×B×H), мм
Масса, 
кг

КЕ-10-14С-О (ПТЛ-
РПК) 00.8002.444
10 
(7,27)
1,4 
(14)
194
84
1140
8710×5235×5120
20942

КЕ-10-14С-О (ТЛЗМ) 
00.8002.433
10 
(7,27)
1,4 
(14)
194
84
1140
8710×5235×5280
21026

КЕ-10-14-225С (ТЛЗМ) 
00.8002.419-01
10 
(7,27)
1,4 
(14)
225
84
1140
8710×5235×5280
15080

КЕ-10-14-225С-О 
(ТЛЗМ) 00.8002.443
10 
(7,27)
1,4 
(14)
225
84
1140
8710×5235×5280
20981

КЕ-10-24С (ТЛЗМ) 
00.8002.414-01
10 
(7,27)
2,4 
(24)
220.
84
1140
8710×5235×5280
17410

КЕ-10-24С-О (ТЛЗМ) 
00.8002.433-01
10 
(7,27)
2,4 
(24)
220
84
1140
8710×5235×5280
23036

КЕ-10-24-250С (ТЛЗМ) 
00.8002.419
10 
(7,27)
2,4 
(24)
250
84
1140
8710×5235×5280
17715

КЕ-10-24-250С-О 
(ТЛЗМ) 00.8002.443-01
10 
(7,27)
2,4 
(24)
250
84
1140
8710×5235×5355
23934

КЕ-25-14С (ТЧЗМ) 
00.8002.615
25 
(18,25)
1,4 
(14)
194
87
3116
12640×5622×7660
35713

КЕ-25-14-225С (ТЧЗМ) 
00.8002.640
25 
(18,25)
1,4 
(14)
225
88
3137
12640×5622×7660
34555

КЕ-25-24С (ТЧЗМ) 
00.8002.615-01
25 
(18,25)
2,4 
(24)
220
88
3112
12640×5622×7660
39468

КЕ-25-24-250С (ТЧЗМ) 
00.8002.640-01
25 
(18,25)
2,4 
(24)
250
88
3160
12162×5622×7660
39108

КЕ-25-24-350С (ТЧЗМ) 
00.8002.641
25 
(18,25)
2,4 
(24)
350
85
3243
12162×5622×7660
35539

КЕ-25-39-440С (ТЧМ-
антрацит) 00.8002.661
25 
(18,25)
3,9 
(39)
440
87
4210
11500×5970×7660
4

1. Расчёт (проектирование) и выбор предохранительных клапанов

В табл. 1.3 даны технические характеристики паровых котлов, наиболее 
часто применяемых в производственно-отопительных котельных, 
причём состояние пара на выходе из котла – перегретый пар.
В табл. 1.4 приведены более общие сведения о паровых котлах в зависимости 
от схемы движения рабочей среды – воды и пара.
При этом состояние пара на выходе – насыщенный пар, перегретый 
пар. Если в табл. 1.4 сообщается, что пар насыщенный, то его температура 
должна быть равна температуре кипения при абсолютном давлении 
в котле. Если приведена температура пара, то пар перегретый, 
т. е. имеющий температуру более высокую, чем температура кипения 
при давлении в котле.

Таблица 1.4

Основные параметры паровых котлов

Тип 
котла
Паропроизводительность, 
т/ч

Абсолютное 
давление 
пара, МПа

Состояние 
или температура 
пара, °С

Температура 
пара промежуточного 

перегрева, °С

Температура 
питательной 
воды, °С

Пр

0,16; 0,2; 0,25; 0,4; 
0,7; 1,0
0,9
Насыщенный
–
50*; (90); 
100; (105)

160; 220
9,8
540
–
215

210; 320; 420; 500; 
820
13,8
560
–
230

П
1,6; 2,5
0,9
Насыщенный
–
50*; 100

Е

0,2; 0,25; 0,4; 
(0,65); 0,7; (0,8); 
1,0; (1,3); 1,6; 
(2,0); 2,5; (3,2)

0,9
Насыщенный 
(или 220; 
250; 300)
–
50*; (90); 
100; (120)

(4,0); (6,5); (8,0); 
(10); (12); (16); (25)
–
–
–
(90); 100; 
(120)

(1,6); (3,2); (6,5); 
(8); (10); (12); (25); 
(40); (64)
(1,25)
(Насыщенный 
или 220; 
250; 300)
–
(105; 145)

2,5
1,4
Насыщенный 
(или 220; 
250; 300; 350)
–
(90); 100; 
(105); (120); 
145**