Расширение возможностей вида взрывозащиты «Взрывонепроницаемая оболочка»

Расширение возможностей вида взрывозащиты «Взрывонепроницаемая оболочка»

Во взрывоопасных производствах ряда отраслей народного хозяйства (химические и газоперерабатывающие предприятия, при производстве минеральных удобрений и т.п.) и в угольных шахтах, опасных по газу и пыли, применяется взрывозащищенное электрооборудование (ВЗЭО), основу которого составляет вид взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка». К такому электрооборудованию предъявляют требования по взрывоустойчивости и взрывонепроницаемости.

Свойство взрывоустойчивости достигается за счет высокой механической прочности оболочки, а свойство взрывонепроницаемости за счет применения щелевых зазоров, когда отдельные узлы и части, в том числе крышки, соединяют так, чтобы выходящие через зазоры между фланцами частей оболочки продукты взрыва не могли воспламенить окружающую взрывоопасную атмосферу. Оба эти свойства в существенной мере определяются значениями развиваемых при взрыве в оболочке давлениея и температуры.

Стремление обеспечить высокую механическую прочность оболочки и взрывонепроницаемость приводят к тому, что трудоемкость изготовления ВЗЭО 3, 5 — 4 раза, а материалоемкость в 2,7 — 3 раза превышают соответствующие показатели электрооборудования в общепромышленном исполнении. Соответственно возрастает и его стоимость.

Поэтому понятны усилия, направленные на поиск путей снижения этих показателей. Снизить их возможно за счет уменьшения давления воспламенившейся взрывоопасной смеси, которое определяют по известной формуле:

Расширение возможностей вида взрывозащиты «Взрывонепроницаемая оболочка» 1

где

  • Ро — исходное давление внутри оболочки до момента поджигания;
  • Тг — температура во фронте пламени, К;
  • То — исходная температура смеси, К;
  • m — число молекул в оболочке после сгорания смеси;
  • n — число молекул до ее воспламенения.

Формула справедлива при условии, что горение начинается в центре сферической оболочки и продолжается до тех пор, пока фронт пламени не коснется ее стенок. При горении взрывоопасной смеси в воздухе, где на инертную компоненту — азот приходится около 79% от общего числа молекул, участвующих в процессе, отношение m/n=1, и формула упрощается, а давление определяется только отношением температур до воспламенения и по окончании горения.

Расчеты, выполненные по формуле (1), дают широкий разброс значений давления, поскольку не учитывают изменения температуры внутри оболочки за счет адиабатического сжатия. Это приводит к тому, что у специалистов нет общего мнения на этот счет.

В свою очередь:

  • В. Иост [1] оценивает превышение температуры продуктов сгорания над температурой горения смеси в 900 °С;
  • Б. Льюис и Г. Эльба [2] более чем в 700 °С;
  • А.И. Розловский [3] — 690 °С;
  • Я.Б. Зельдович и др. [4] — 800 °С.

Такой разброс в превышении температур вполне понятен, т.к. допущения, принятые при учете процессов сгорания, различны.

Воспользовавшись методикой [4], покажем, какую погрешность имеет расчет давления по формуле (1) по сравнению с методикой, учитывающей термодинамические особенности процесса горения в замкнутом объеме с допущениями, что теплоемкости при постоянном объеме СV и постоянном давлении СP в процессе сгорания не изменяются.

Предположим, что:

  • То=300К;
  • СV=5 кал/(моль град);
  • Ср=7 кал/(моль град);
  • Q а0 (Q — тепловой эффект реакции;
  • а0 — концентрация горючего вещества) составляет 14000 ккал/моль.

Температура горения при постоянном давлении:

Расширение возможностей вида взрывозащиты «Взрывонепроницаемая оболочка» 2

Избыточное давление при такой температуре составит 2300/300 =7,67 от исходного.

Температура горения при постоянном объеме:

Расширение возможностей вида взрывозащиты «Взрывонепроницаемая оболочка» 3

В свою очередь избыточное давление будет 3100/300 — 10.33 от исходного. Таким образом, температура с учетом адиабатического сжатия на 800° выше температуры фронта пламени, а давление на 35 % выше, чем полученное по формуле (1).

Необходимо отметить, что Твv — среднее значение температуры за период сгорания. В каждой точке сферического объема температура будет разной. Самая высокая температура при центральном поджигании наблюдается в центре оболочки, т.к. там в течение всего процесса горения имеют место адиабатическое сжатие. Наиболее низкая температура будет у стенок оболочки, но и она будет несколько выше Твр, если не учитывать теплопотоки в стенки оболочки на момент окончания горения.

В реальных взрывонепроницаемых оболочках температуры продуктов сгорания и давления будут несколько ниже, чем температура и давление в сферической бомбе, что объясняется большой внутренней поверхностью блоков и узлов внутри оболочки, формой оболочки и дросселированием газа через щелевые зазоры, а также скоростью горения смеси.

Экспериментально установлено [5], что при зазорах между фланцами в оболочки 0,2 мм и 0,5 мм перепад избыточного давления составляет 0,43 МПа и 0,2 Мпа, соответственно. Характер изменения максимальной температуры на входе в зазор между фланцами в близких условиях проведения экспериментов составил 1876 °С и 1630 °С [6].

Следовательно, перепад температуры при изменении давления на 0,23 МПа составляет 246 °С. В работе [6] зарегистрированы колебания температуры продуктов взрыва на входе в зазор между фланцами, что свидетельствует о неравномерном распределении температуры продуктов сгорания внутри оболочки. Скорость истечения продуктов сгорания через зазоры между фланцами в этих условиях оценивалась в 75÷100 м/с. При этом распределение температуры по длине фланцевого зазора носит экспоненциальный характер и снижается тем быстрее, чем меньше величина этого зазора.

В [7] нами было предложено в качестве одной из мер повышения безопасностных свойств взрывозащищенного электрооборудования вообще и электродвигателей в частности свести свободный объем оболочек до щелевых объемов. В асинхрон­ных электродвигателях, например, этот объем определяется зазором (щелью) между расточкой пакета статора и наружным диаметром ротора и между торцом ротора и подшипниковым щитом. Для некоторых типов ВЗЭО эти щелевые объемы могут быть больше, чем допустимый зазор между фланцами оболочки или БЭМЗ (безопасный экспериментальный максимальный зазор).

В замкнутом объеме щелевой формы процесс горения взрывоопасной смеси носит иной характер, чем в замкнутом объеме сферической формы. Прежде всего необходимо отметить, что при определенном значении щелевого зазора, распространение пламени вообще невозможно [2]. Такие зазоры носят название критических.

Так, для метана критический зазор составляет 2 мм. При увеличении зазоров больше критического значения, горение происходит при небольшом избыточном давлении, которое возрастает с увеличением зазора почти линейно до определенного его значения. Снижение давления в распределенных объемах щелевой формы объясняется значительными потерями тепла в стенки камеры в отличии от сосредоточенных объемов, где теплоотдача наблюдается только после касания фронта пламени стенок камеры. Зависимость давления от значения щелевого зазора для метановоздушных смесей можно представить в виде при Δ>WKp:

Расширение возможностей вида взрывозащиты «Взрывонепроницаемая оболочка» 4

где

  • Δ — величина щелевого зазора;
  • WKp — критический зазор;
  • А — коэффициент, зависящий от скорости распространения пламени.

Обработка осциллограмм показала, что при центральном поджигании в герметичной камере щелевого типа характер развития давления во времени можно описать параболической зависимостью:

Расширение возможностей вида взрывозащиты «Взрывонепроницаемая оболочка» 5

где а0 и в0 — коэффициенты, зависящие от физикохимических свойств смеси и геометрических размеров камеры. Так, для 10%-ой метановоздушной смеси и размеров камеры D(диаметр)=0,21 м, Н (высота)=7*103 м коэффициенты составят: а0=52,4 МПа1 /с2; в0=0,719 МПа/с2.

Необходимо отметить, что в сферической камере характер развития давления описывается кубическим уравнением.

При наличии дросселирования в камере с рассредоточенным объемом давление будет еще ниже, а скорость истечения продуктов сгорания составит несколько метров в секунду. Это будет способствовать более интенсивному охлаждению истекающих продуктов сгорания и позволит снизить массогабаритные показатели взрывонепроницаемой оболочки. Кроме этого, появляется возможность увеличить значение взрывонепроницаемого зазора во фланцевых соединениях оболочки. Особенно это важно при изготовлении взрывозащищенного электрооборудования для сред НС, т.к. при сосредоточенных объемах в данном случае необходимо иметь величину зазора 0,1 мм на значительной длине, что технологически сложно и дорого.

Список литературы

  1. Иост В. Взрывы и горение в газах. — М.: Издатинлит, 1952.
  2. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. — М.: Мир, 1968.
  3. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. — М.: Наука, 1980, 478 с.
  4. Розловский А.И. Основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. 2-е изд., перераб. — М.: Химия, 1980, 376 с.
  5. Ихно А.Г. Научные основы конструирования и испытания взрывобезопасных оболочек рудничного электрооборудования. Вопросы горной механики. Тр. МакНИИ, т.1Х, вып. 2. -М. : Углетехиздат, 1959, с. 29-71.
  6. Каймаков А.А., Бауэр А.Н. О характере снижения температуры продуктов взрыва метановоздушной смеси в сопряжениях оболочек взрывобезопасного электрооборудования. Сб. Вопросы безопасности в угольных шахтах. Т.7. — М.: Недра, 1966, с. 215-220.
  7. Разгилъдеев Г.И., Баранов С.Д. Взрывозащищенные рудничные электродвигатели: эксплуатация и ремонт. Справочное пособие. — М.: Недра, 1991, 180 с.

Источник: Расширение возможностей вида взрывозащиты «Взрывонепроницаемая оболочка» / Г.И. Разгильдеев, С.Д. Баранов // Вестник КузГТУ. — 2005. — №4.1. — C. 11-13.

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org