Przyczyny wzrostu ciśnienia wybuchu mieszaniny gazowej we

Transkrypt

Kałuża G. Przyczyny wzrostu ciśnienia wybuchu mieszaniny gazowej we wnętrzu osłony ognioszczelnej.
Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe – wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. Główny Instytut Górnictwa, Katowice 2013, (s. 24 - 41)
Gerard Kałuża
Przyczyny wzrostu ciśnienia wybuchu mieszaniny gazowej
we wnętrzu osłony ognioszczelnej
Causes of pressure increase of gas-air mixtures explosion
inside the flameproof enclosure
Streszczenie:
Dla pewnej grupy osłon ognioszczelnych można zaobserwować występowanie pików ciśnienia w trakcie wybuchu w
ich wnętrzu mieszaniny gazów lub par cieczy palnych z powietrzem. Istnieje szereg przyczyn będących źródłem tego
zjawiska. W niniejszym artykule omówiono wpływ kształtu osłony ognioszczelnej na wartość i przebieg ciśnienia
wybuchu. Przedstawiono również przykłady uzyskanych wyników pomiaru ciśnień wybuchu w osłonach o nieregularnym kształcie. Artykuł omawia również wpływ wewnętrznych zwarć łukowych na wartości ciśnienia wybuchu we
wnętrzu osłony ognioszczelnej.
Abstract:
For a group of flameproof enclosures, the peaks pressure can be observed, during the explosion in the inside of the
enclosures, mixture of gases or vapours with air. There are several reasons as the source for this phenomenon. This
article discusses influence of the shape of flameproof enclosure on the course and value of explosion pressure. It also presented examples of the results of measurement of explosion pressures inside flameproof enclosures with irregularly shape. The article also discusses the influence of the internal short circuit on the explosion pressure inside
flameproof enclosure.
Słowa kluczowe: osłona ognioszczelna, ciśnienie, piki ciśnienia, zapłon, mieszanina, zwarcie.
Keywords: flameproof enclosure, pressure, pressure pilling, ignition, mixture, short circuit.
————————————
1. WPROWADZENIE
Zasady stosowania urządzeń w przestrzeni zagrożonej
wybuchem w Unii Europejskiej, podaje dyrektywa
1999/92/WE (tzw. ATEX USER). W dokumencie tym
stwierdzono jednoznacznie, że w przestrzeni zagrożonej
wybuchem mogą pracować wyłącznie urządzenia w wykonaniu przeciwwybuchowym. Są to urządzenia specjalnie skonstruowane do tego typu środowiska pracy. Wymagania związane z konstrukcją urządzeń i systemów
ochronnych przeznaczonych do pracy w przestrzeni zagrożonej wybuchem ujęto w dyrektywie 94/9/WE (tzw.
ATEX). Dokument ten podaje wymagania ogólne.
Szczegółowe wymagania konstrukcyjne zawarte są w
normach zharmonizowanych z ww. dyrektywą.
Jednym z rodzajów wykonania przeciwwybuchowego,
przedstawionym w normach zharmonizowanych, jest
osłona ognioszczelna. Stosowana jest zarówno do zabezpieczania urządzeń elektrycznych, jak i nieelektrycznych.
Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe urządzeń w osłonie
ognioszczelnej bazuje na zdolności zatrzymania wybuchu
mieszaniny gazów względnie par cieczy palnych z powietrzem we wnętrzu osłony. Taką właściwość konstrukcji
zapewniono przez:
• odpowiednią wytrzymałość mechaniczną,
• zastosowanie złączy ognioszczelnych,
• zastosowanie złączy spajanych.
Zapewnienie ognioszczelności osłony pozwala na występowanie w jej wnętrzu (we wnętrzu urządzenia), podczas
normalnej pracy, efektywnych źródeł zapłonu, czyli takich, które w kontakcie z mieszaniną wybuchową w sposób pewny inicjują zapłon. Ze względu na swoje właściwości eksploatacyjne osłona ognioszczelna jest jednym z
najpowszechniej stosowanych rodzajów wykonania przeciwwybuchowego. Urządzenia elektryczne jak i nieelektryczne, posiadające tego rodzaju zabezpieczenie przeciwwybuchowe, pracują zarówno w przemyśle chemicznym, jak i kopalniach węgla kamiennego.
2. WARUNKI
POWSTANIA
WYBUCHU
MIESZANINY GAZU WZGLĘDNIE PARY
CIECZY PALNEJ Z POWIETRZEM WE
WNĘTRZU OSŁONY OGNIOSZCZELNEJ
Zapłon/wybuch może zaistnieć wyłącznie, gdy jednocześnie wystąpią trzy czynniki: paliwo, tlen (utleniacz) oraz
efektywne źródło zapłonu [4, 6, 12]. Paliwo musi zostać
wymieszane z utleniaczem. Analizuje się tzw. trójkąt pal-
Sympozjum naukowo-techniczne
„Bezpieczeństwo techniczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.” EpsilonX 2013
Główny Instytut Górnictwa, Katowice
ności/wybuchowości (rys. 1), w obszarze którego uzyskuje się różne parametry spalania/wybuchu mieszaniny
substancji palnej z utleniaczem.
Rys. 1. Warunki powstania zapłonu/wybuchu
Zapłon w przestrzeni otwartej może skutkować spokojnym
spalaniem
deflagracyjnym
względnie
w sprzyjających warunkach terenowych (przeszkody
w postaci drzew, budynków itp.) może przekształcić się
nawet w detonację [11]. Zapłon gazowej mieszaniny wybuchowej we wnętrzu osłony ognioszczelnej skutkuje
praktycznie zawsze wybuchem, któremu towarzyszy wyraźny wzrost ciśnienia. Czas uzyskiwania maksimum ciśnienia wybuchu waha się w granicach od kilku do kilkunastu milisekund.
Należy podkreślić, że wymagania dyrektywy 94/9/WE
dotyczą urządzeń przeznaczonych do pracy w atmosferze
mieszanin substancji palnych z powietrzem gdzie utleniaczem jest tlen atmosferyczny.
Właściwości mieszaniny gazu względnie pary cieczy palnej z powietrzem opisują następujące parametry [14, 19]:
• granice wybuchowości (DGW, GGW); zakres stężeń
w, obszarze którego może wystąpić zapłon mieszaniny wybuchowej,
• graniczne stężenie tlenu (GST); najwyższe stężenie
tlenu w mieszaninie, przy którym nie wystąpi zapłon,
• minimalna energia zapłonu; najniższa wartość energii
zdolna do zapłonu mieszaniny,
• minimalna temperatura samozapłonu atmosfery wybuchowej; minimalna wartość temperatury ścianek
naczynia badawczego, powodująca zapłon mieszaniny,
• maksymalne ciśnienie wybuchu (Pmax),
• maksymalna szybkość narastania ciśnienia wybuchu
{(dp/dt)max},
• maksymalny doświadczalny bezpieczny prześwit
(MESG); maksymalny prześwit złącza o długości 25
mm, który zapobiega przeniesieniu się wybuchu.
Należy wyraźnie podkreślić, że powyższe parametry wyznaczane są metodami znormalizowanymi zgodnie z
przyjętymi procedurami badawczymi. Różnice wartości
występujące w literaturze wynikają z trudności precyzyjnego zachowania warunków odtwarzalności badań i przyjętych kryteriów oceny.
W tabeli 1, przedstawiono niektóre parametry charakteryzujące właściwości mieszaniny metanu, propanu, etylenu, wodoru i acetylenu z powietrzem. Są to gazy reprezentatywne, stosowane do badań osłon ognioszczelnych.
Tabela 1. Przykładowe parametry gazów według ICSC*
Rodzaj gazu Metan Propan Etylen Wodór Acetylen
CH4
C 3H 8
C 2H 4
H2
C 2H 2
Temperatura
samozapłonu
595
470
440
560
305
[°C]
MESG [mm]
1,14
0,92
0,65
0,29
0,37
DGW
4,4
1,7
2,4
4
2,3
obj.-%
g/m3
29
31
29
3,4
24
GGW
17
10,8
32,6
77
83
obj.-%
[100%
g/m3
113
202
388
65
rozpad]
Pmax [MPa]
0,81
0,94
0,97
0,83
1,11
* ICSC – international chemical safety cards.
Mieszanina gazu względnie pary cieczy palnej
z powietrzem może zostać zapalona wyłącznie przy spełnieniu poniższych warunków:
a. Stężenie substancji palnej zawarte jest pomiędzy dolną
(DGW) a górną (GGW) granicą wybuchowości,
b. w mieszaninie spełniającej podpunkt „a” wystąpi
efektywne źródło zapłonu.
Mimo że osłona ognioszczelna jest przestrzenią zamkniętą, mieszanina wybuchowa może wnikać do jej wnętrza.
Wynika to z podstawowych właściwości konstrukcji, które przedstawiono w normie dotyczącej tego typu wykonania przeciwwybuchowego [15]. Osłona ognioszczelna
nie jest równocześnie osłoną gazoszczelną. W wyniku
nagrzewania i stygnięcia w trakcie pracy ujawnia się zjawisko rozszerzalności termicznej gazu, co prowadzi do
wymiany gazowej z otoczeniem. Zachodzące procesy
termiczne, występujące w trakcie pracy urządzenia, mają
przebieg wolnozmienny, dlatego można przyjąć, że we
wnętrzu osłony utrzymywane jest ciśnienie otoczenia. Jak
wcześniej wspomniano, we wnętrzu osłony ognioszczelnej, w stanie normalnej pracy, może znajdować się efektywne źródło zapłonu. Najczęściej przybiera ono postać
rozgrzanego elementu względnie łuku bądź iskry elektrycznej.
Wyznaczone w warunkach laboratoryjnych maksymalne
ciśnienia wybuchu charakterystycznych mieszanin gazowych stosowanych do badań osłon ognioszczelnych nie
przekraczają 1,11 MPa. Ciśnienia te wyznaczane są w
zbiornikach badawczych o regularnych kształtach (kula),
w uspokojonych mieszaninach wybuchowych, z zastosowaniem minimalnej energii zapłonu. Osłona ognioszczelna urządzenia w większości przypadków nie jest regularną bryłą. W jej wnętrzu mogą znajdować się elementy
powodujące powstanie turbulencji (wentylatory chłodzące, przeszkody w postaci wyposażenia). Efektywne źró-
dła zapłonu mogą posiadać energię wielokrotnie przekraczającą minimalną energię zapłonu. Z uwagi na powyższe, rzeczywiste przebiegi i wartości maksymalne ciśnień
uzyskiwanych w trakcie badań osłon ognioszczelnych
różnią się w sposób znaczny od laboratoryjnego wzorca.
3. ŹRÓDŁO POWSTAWANIA PIKÓW
CIŚNIENIA
Wybuch uspokojonej mieszaniny we wnętrzu osłony
ognioszczelnej, w przypadku braku źródeł turbulencji,
prowadzi do powstania regularnego przebiegu ciśnienia.
Przykład przebiegu krzywej ciśnienia dla tego typu wybuchu przedstawia rysunek 2.
Pomiar ciśnienia wykonano wykorzystując cztery czujniki
ciśnienia rozmieszczone w czterech różnych punktach
osłony. Jak można zauważyć, zarejestrowane przebiegi
(cztery różne kolory) nakładają się wzajemnie na siebie,
co potwierdza spokojny przebieg wybuchu.
Podstawową przyczyną takiego zjawiska jest sprężanie
oraz zapalanie mieszaniny przez przewężenia. Prowadzone badania [2, 3, 4, 5, 13] wykazały, że w takim przypadku może ujawnić się zjawisko powstawania tzw. pików
ciśnienia nazywane powszechnie „pressure piling”.
W celu jego przeanalizowania przyjmijmy połączenie
dwóch cylindrycznych zbiorników przez przewężenie w
postaci kanału o przekroju kołowym (rys. 4). Oba zbiorniki zostają wypełnione mieszaniną wybuchową. Przebieg
zjawiska powstawania pików ciśnienia przedstawia rysunek 5.
W przypadku zapalenia mieszaniny w zbiorniku V1 następuje wzrost ciśnienia zgodnie z warunkami spalania
laminarnego; przebieg procesu przedstawia krzywa 1.
Jednocześnie, na skutek połączenia, wzrasta ciśnienie w
zbiorniku V2 – krzywa 2. Z uwagi na fakt połączenia
zbiorników przez znaczne przewężenie,występuje zjawisko „wtrysku” z dużą prędkością mieszaniny niespalonej.
Jest to powodem powstania dużych turbulencji w zbiorniku V2. W chwili t1 do zbiornika V2 dobiega płomień i
jako tzw. jet zapala turbulentną mieszaninę o podwyższonym ciśnieniu początkowym P1.
V1
dc
Lc
V2
D2
Z
Rys. 2. Przebieg ciśnienia wybuchu w regularnym naczyniu prostopadłościennym o objętości około 600 dm3; mieszanina: 9,8% CH4 +
powietrze, ciśnienie atmosferyczne
Sytuacja zmienia się radykalnie, gdy do wnętrza osłony
wprowadzi się elementy będące źródłem turbulencji. Są
to przeszkody w postaci wyposażenia mocowanego na
blachach wsporczych oraz wentylatory służące do poprawy warunków chłodzenia elementów elektronicznych.
Wyposażenie wewnętrzne może stanowić przegrody tworzące nadmierne przewężenia i dzielić wnętrze osłony na
kilka „wydzielonych” objętości. Skutkiem takiej sytuacji
może być radykalna zmiana przebiegu i parametrów wybuchu (rys. 3).
D1
Rys. 4. Przykład połączenia zbiorników przez przewężenie
Następuje gwałtowny wybuch połączony z nagłym wzrostem ciśnienia – krzywa 2. Z uwagi na zaistniałe warunki
spalania ciśnienie Pk znacznie przekracza ciśnienie Pm.
W praktyce rejestrowane przebiegi mogą nawet
w znacznym stopniu odbiegać kształtem od przedstawionego przykładu. Powodem tego są różne właściwości
mieszanin wybuchowych oraz znaczny wpływ geometrii
układu na przebieg wybuchu. Na geometrię układu składa się:
stosunek objętości zbiornika V1 do zbiornika V2,
•
• przekrój i długość kanału łączącego – dc oraz Lc,
• wymiary i kształt zbiorników,
• miejsce zapłonu.
Rys. 3. Przebieg ciśnienia wybuchu w regularnym naczyniu prostopadłościennym o objętości około 900 dm3 z zaburzającym wyposażeniem; mieszanina: 9,8% CH4 + powietrze, ciśnienie atmosferyczne
Stosunek pomiędzy τR oraz τe został zdefiniowany jako
wartość charakterystyczna procesu i nazwany „piling
number” (PIL).
PIL =
L1c0
S u (E ′ − 1)V2
1
3
(4)
W celu wyznaczenia wartości P1 korzysta się z następującej zależności
P1 = a(PIL )
2
Rys. 5. Ilustracja zjawiska powstawania pików ciśnienia
Analizując zjawisko powstawania pików ciśnienia nasuwa
się podstawowe pytanie – w jaki sposób wyznaczyć wartość ciśnienia Pk? Jak można zauważyć na wartość Pk
istotny wpływ mają dwie podstawowe wielkości: wartość
ciśnienia P1 oraz stopień turbulencji mieszaniny wybuchowej. Badania w tym zakresie doprowadziły do wyznaczenia zależności pozwalających w pewnych warunkach
określić P1 oraz Pk [2, 13].
Singh [13] zaproponował, w oparciu o badania eksperymentalne, sposób obliczania Pk. Wyznaczona zależność
nie uwzględnia jednak wpływu turbulencji.
⎛
2,31 d c2 ⎞
⎟
Pk = P1 ⎜⎜ η −
S u V2 ⎟⎠
⎝
(5)
Parametr a jest stałą wynoszącą a = 2,37⋅10-5 bar, uzyskaną w oparciu o około 200 wyników eksperymentalnych.
Należy podkreślić, że przedstawione zależności wyznaczono dla zakresu zmienności PIL 100–500 przy zmienności objętości zbiornika V1 pomiędzy 1,5 i 6,8 dm3.
W oparciu o badania, których wyniki są dostępne w literaturze, można stwierdzić, że próby obliczeń wartości ciśnień w przypadku wystąpienia pików ciśnienia prowadzono wyłącznie dla przypadków połączenia przez przewężenie pojedynczych komór. Są to modelowe warunki
powstawania spiętrzeń. Wnętrze osłony ognioszczelnej
rzeczywistego urządzenia może „posiadać” kilka wydzielonych przestrzeni z wielopoziomowymi połączeniami
tworzącymi swoisty labirynt (rys. 6–7).
(1)
Kluczową rolę w powyższej zależności odgrywa P1.
W oparciu o wyniki uzyskane przez Singh’a w pracy [2]
przedstawiono sposób obliczania ciśnienia P1 dla mieszaniny stechiometrycznej metanu z powietrzem.
W tym celu zaproponowano uwzględnienie dwóch parametrów: czasu reakcji τR oraz czasu wypływu τe. Parametr
τR jest to czas „wędrówki” płomienia od źródła zapłonu
w zbiorniku V1 do punktu wejścia do zbiornika V2, natomiast parametr τe jest czasem reprezentującym wzrost
ciśnienia w zbiorniku V2 pod wpływem strumienia masy
wtłaczanej ze zbiornika V1.
τR =
LI
S u (E ′ − 1)
τe =
V2
1
c0
(2)
3
(3)
Rys. 6. Wyposażone wnętrze komory obwodów silnoprądowych urządzenia z osłoną ognioszczelną
Istnieje silna zależność ciśnienia P1 od prędkości wtłaczania strumienia masy z zbiornika V1 do zbiornika V2.
Szybki strumień masy jest również powodem powstawania znacznych turbulencji.
W większości przypadków osłona ognioszczelna silnika
elektrycznego składa się z trzech połączonych ze sobą
przedziałów:
• przedziału od strony napędowej,
• przedziału od strony przeciwnapędowej,
• przedziału pod komorą przyłączową.
Rys. 7. Wyposażone wnętrze komory obwodów sterowniczych urządzenia z osłoną ognioszczelną
4. PRZYKŁADY WYNIKÓW UZYSKANYCH W
TRAKCIE
BADAŃ
OSŁON
OGNIOSZCZELNYCH DAJĄCYCH EFEKT
PIKÓW CIŚNIENIA
Do wyznaczania maksymalnego ciśnienia wybuchu stosowane są następujące reprezentatywne mieszaniny:
• dla urządzeń elektrycznych grupy I (9,8 ±0,5) % metanu,
• dla urządzeń elektrycznych podgrupy IIA (4,6 ±0,3)
% propanu,
• dla urządzeń elektrycznych podgrupy IIB (8 ±0,5) %
etylenu
• dla urządzeń elektrycznych podgrupy IIC (14 ±1) %
acetylenu oraz (31 ±1) % wodoru
Przewężenie stanowi zarówno kanał prowadzący do zacisków pod komorą przyłączową, jak i szczelina magnetyczna między stojanem i wirnikiem.
Parametry wybuchu zależą od rodzaju mieszaniny wybuchowej. Jak pokazuje praktyka, w osłonach ognioszczelnych o nieregularnym kształcie, piki ciśnienia częściej generują gazy zaliczane do podgrupy IIC oraz IIB. Gazy
podgrupy IIA tworzą w tym zakresie najbardziej „spokojne” mieszaniny.
Poniższe wykresy przedstawiają wyniki uzyskane w trakcie badań osłon ognioszczelnych, będących źródłem
spiętrzeń ciśnienia.
Rys. 9. Spiętrzenie ciśnienia w silniku; mieszanina etylenu z powietrzem, ciśnienie maksymalne 22 bar
Jak pokazuje doświadczenie najbardziej „podatną” na
powstawanie pików ciśnienia jest osłona ognioszczelna
silnika elektrycznego. Dzieje się tak z racji bardzo nieregularnego kształtu oraz wirujących w trakcie pracy czół
wirnika, stanowiących swego rodzaju wentylator. Przykładowy widok wnętrza osłony ognioszczelnej silnika
klatkowego przedstawia rysunek 8.
Rys. 10. Spiętrzenie ciśnienia w silniku; mieszanina etylenu z powietrzem, ciśnienie maksymalne 16,2 bar
Rys. 8. Wnętrze silnika klatkowego
samej osłonie o temperaturze początkowej 22°C uzyskano ciśnienie maksymalne 6,2 bar (rys. 13).
Rys. 11. Spiętrzenie ciśnienia w bloku aparatury elektrycznej; mieszanina metanu z powietrzem, ciśnienie maksymalne 18,2 bar
Wyznaczanie maksymalnego ciśnienia wybuchu we wnętrzu osłony ognioszczelnej jest konieczne i niezwykle
istotne ze względów praktycznych. Ciśnienie to stanowi
podstawę do określenia wartości ciśnienia do próby wyrobu. Jak wynika z dotychczasowych rozważań wartość
ciśnienia zmierzonego w trakcie badań zależy zarówno
od miejsca zapłonu mieszaniny wybuchowej, jak i od
miejsca pomiaru ciśnienia. Nasuwa się wniosek, że w
osłonach o nieregularnym kształcie, pomiar ciśnienia
powinien zostać wykonany jednocześnie w kilku punktach. Ze względu na pomiar wartości dynamicznych
istotna jest również, w przypadku układów cyfrowych,
prędkość przetwarzania sygnału pomiarowego. Prawidłowy sposób rozmieszczenia czujników ciśnienia jest
podstawowym zadaniem laboratorium badawczego. Wymaga to kompetencji i dużego doświadczenia personelu
badawczego.
Norma określająca główne założenia procesu pomiaru
ciśnienia odniesienia [15], w celu wygładzenia rejestrowanego przebiegu, zaleca stosowanie w torze pomiaru filtra
dolnoprzepustowego z punktem 3 dB tłumienia dla częstotliwości 5 kHz. W praktyce zastosowanie takiego filtra
nie wpływa znacząco na wynik rejestracji pików ciśnienia,
gdyż ich częstotliwość zawiera się w granicach 1–10 kHz
[9].
Wyznaczając ciśnienie odniesienia należy pamiętać
o zachowaniu w trakcie całego procesu badawczego stałej temperatury. Dotyczy to nie tylko temperatury pomieszczenia laboratoryjnego, ale przede wszystkim temperatury osłony ognioszczelnej (mieszaniny wybuchowej
w jej wnętrzu). W trakcie podgrzewania osłony ognioszczelnej, a jest to skutek wewnętrznych wybuchów, rośnie
temperatura mieszaniny wybuchowej, będącej w jej wnętrzu. Osłona ognioszczelna nie jest osłoną gazoszczelną,
dlatego wewnętrzne ciśnienie gazu nie ulega zmianie, maleje natomiast jego gęstość. Skutkiem tego jest spadek ciśnienia wybuchu.
Rysunek 12 przedstawia przykład uzyskanego przebiegu
ciśnienia wybuchu w osłonie ognioszczelnej z mieszaniną
metanu z powietrzem podgrzaną do temperatury 104°C.
Zmierzona, maksymalna wartość ciśnienia wynosi 4,13
bar. Dla porównania w trakcie wybuchu mieszaninyw tej
Rys. 12. Przebieg ciśnienia wybuchu w osłonie prostopadłościennej o
objętości 60 dm3 podgrzanej do temperatury 104°C – mieszanina:
9,8% CH4 + powietrze
Rys. 13. Przebieg ciśnienia wybuchu w osłonie prostopadłościennej o
objętości 60 dm3 o temperaturze początkowej 22°C – mieszanina:
9,8% CH4 + powietrze
5. ZWARCIE JAKO ŹRÓDŁO CIŚNIENIA W
OSŁONIE OGNIOSZCZELNEJ
Równie niebezpiecznym zjawiskiem powodującym
wzrost ciśnienia we wnętrzu osłony ognioszczelnej jest
zwarcie łukowe w obwodzie elektrycznym. Oczywiste
jest, że nie każde zwarcie jest niebezpieczne, pomimo że
wpływa na wartość i przebieg ciśnienia wybuchu [8].
Rys. 14. Przebieg prądu w obwodzie zwarciowym 6 kV
(oś Y: 10A/V, oś X:100 ms/działkę)
Przebieg (rys. 14) przedstawia kształt prądu zwarcia jednofazowego w obwodzie o napięciu 6 kV natomiast
przebieg (rys. 15) odpowiadający mu kształt ciśnienia
wybuchu w osłonie ognioszczelnej o objętości 60 dm3
„zniekształconego” energią zwarcia.
Wg = mcv (T − T0 )
(8)
czyli
d Wg
= mcv
dt
dT
dt
(9)
jednocześnie
dWg
= PL k g
(10)
dp Ri PL k g
=
cVcv
dt
(11)
dt
oraz
dm3,
Rys. 15 Przebieg ciśnienia w komorze o objętości 60
mieszanina 9,8% CH4+powietrze (oś Y: 0,1 MPa/V, oś X: 100
ms/działkę)
Jak można zauważyć, w powyższym doświadczeniu uzyskano wzrost ciśnienia, będący efektem zwarcia, mniejszy niż 0,1 MPa co nie stanowi żadnego niebezpieczeństwa dla zabezpieczenia przeciwwybuchowego w postaci
osłony ognioszczelnej.
W praktyce niebezpieczne zjawiska rejestrowane są w
osłonach ognioszczelnych urządzeń średniego napięcia.
W polskim górnictwie oznacza to urządzenia o napięciu
zasilania 3,3 i 6 kV, dla których prąd zwarcia osiąga wartość kilku kA.
Źródłem wzrostu ciśnienia we wnętrzu osłony ognioszczelnej w trakcie zwarcia jest wydzielona energia z obwodu elektrycznego; zależy ona od rodzaju zwarcia. Stosując
uproszczenie, można przyjąć, że średnią moc zwarciową i
energię zwarcia określają wzory [10]:
PL = k LU L I L
(6)
WL = PLt z
(7)
W trakcie oddziaływania łuku we wnętrzu osłony
ognioszczelnej wzrasta ciśnienie. Wartość spodziewanego
przyrostu ciśnienia można wyliczyć w oparciu o równanie
stanu gazu, czyniąc pewne dodatkowe założenia:
• w trakcie zwarcia nie występuje zmiana masy
i objętości gazu,
• stała gazowa jest wielkością stałą, niezależną od temperatury,
• znana jest zależność ciepła właściwego od temperatury.
W oparciu o równanie stanu gazu otrzymuje się
dp mRi dT
=
dt
V dt
natomiast energia potrzebna do podgrzania gazu
(7)
wiedząc, że indywidualna stała gazowa zależy od masy
molowej oraz pamiętając, że nie zawsze cała objętość gazu w komorze ulega podgrzaniu uzyskuje się
dp RPL k g
=
dt McVcv
(12)
gdzie c jest współczynnikiem korekcji podgrzanej objętości, natomiast kg współczynnikiem korekcji mocy zwarcia
wykorzystanej na podgrzanie gazu i zwiększenie jego
energii wewnętrznej.
Powyższa zależność pozostaje słuszna dla gazu jednorodnego.
Powietrze
jest
mieszaniną
gazów.
W przypadku mieszaniny gazów indywidualna stała gazowa może być obliczona w następujący sposób
Ri =
∑
R
M n zn
(13)
n
W efekcie uzyskuje się końcową zależność
dp
=
dt ⎛
⎜⎜
⎝
RPL k g
∑M z
n n
n
⎞
⎟⎟cVcv
⎠
(14)
Korzystanie w praktyce z powyższej zależności jest
utrudnione ze względu na konieczność wyznaczenia
współczynników c oraz kg.
Wzrost ciśnienia podczas zwarcia jest niebezpieczny nie
tylko ze względu na możliwość utraty wykonania przeciwwybuchowego
przez
osłonę
ognioszczelną.
W zależności od wartości ciśnienia, wytrzymałości mechanicznej osłony oraz jej szczelności można obserwować różne skutki zwarcia wewnętrznego:
• osłona pozostaje nienaruszona i obserwowany jest
nieznaczny wydmuch gazów na zewnątrz,
• osłona pozostaje nienaruszona ale po „uniesieniu”
pokryw (w granicach sprężystości śrub) wydmuch gazów na zewnątrz jest znaczący,
• następuje częściowe uszkodzenie śrub i odkształcenie
osłony co powoduje bardzo intensywne wyrzucenie
gazów i cząsteczek roztopionego metalu,
• następuje rozerwanie osłony, mogą powstawać
odłamki poruszające się z dużą prędkością.
Jak pokazuje praktyka, ciśnienie podczas zwarcia wewnątrz osłony ognioszczelnej może osiągać wartości do
kilku megapaskali. Takie wartości ciśnień rejestrowane są
nawet bez obecności mieszaniny wybuchowej. Ciśnienie
podczas zwarcia zwiększa się również istotnie w przypadku oddziaływania łuku na materiały izolacyjne, takie
jak bakelit, PTFE, poliwęglan [1].
Na wykresach (rys. 16–17) przedstawiono przykładowe
ciśnienie zarejestrowane w trakcie zwarcia we wnętrzu
badanych osłon ognioszczelnych. Badania wykonano bez
obecności mieszaniny wybuchowej.
Osłona nr 1
• objętość: 100 dm3,
• napięcie zasilania: 6 kV,
• prąd zwarcia: 10 kA,
• czas zwarcia: 100 ms,
• uzyskane maksymalne ciśnienie: 12,55 bar.
Rys. 16. Przebieg ciśnienia w trakcie zwarcia w osłonie nr 1
Oznaczenia:
- oś ciśnienia Y: 0,1 MPa/V,
- oś czasu X: 100 ms/działkę.
Osłona nr 2
• objętość: 35 dm3,
• napięcie zasilania: 6 kV,
• prąd zwarcia: 10 kA,
• czas zwarcia: 100 ms,
• uzyskane maksymalne ciśnienie: 25,34 bar.
Rys. 17. Przebieg ciśnienia w trakcie zwarcia w osłonie nr 2
Oznaczenia:
- oś ciśnienia Y: 0,1 MPa/V,
- oś czasu X: 100 ms/działkę.
Większość osłon ognioszczelnych o konstrukcji spawanej
projektowana jest, aby zachować integralność wykonania
przeciwwybuchowego po próbie wytrzymałości wykonanej ciśnieniem statycznym bądź dynamicznym o wartości
0,9–1,5 MPa. Wynika z tego, że takie osłony ognioszczelne mogą ulec uszkodzeniu podczas zwarcia wewnętrznego o parametrach jak przedstawione powyżej.
Istotne jest również, że powyższe ciśnienia odnotowano
bez obecności mieszaniny wybuchowej. W przypadku
wystąpienia zwarcia w osłonie wypełnionej mieszaniną
wybuchową uzyskane ciśnienia mogą przekroczyć wartość, będącą sumą algebraiczną ciśnień składowych. Jest
to sytuacja niezwykle niekorzystna.
Analizując uzyskane wyniki, można zauważyć, że wyższe
ciśnienia, przy tych samych parametrach zwarcia, uzyskuje się w osłonach o mniejszej objętości. Wynika z tego, że
zwarcie w komorze przyłączowej urządzenia, czyli małej
objętości, jest niezwykle niebezpieczne. Oznacza to, że
należy dołożyć wszelkich starań, aby zminimalizować/wykluczyć możliwość powstania zwarcia międzyfazowego w takiej komorze. Można to uzyskać przez zastosowanie:
• odpowiednich przegród pomiędzy zaciskami fazowymi,
• konstrukcję zacisków przyłączowych umożliwiającą
wykonanie pewnych połączeń, posiadających skuteczne zabezpieczenie przed samo luzowaniem,
• zastosowanie kabli z żyłami ekranowanymi, zachowując ekran na żyłach w komorze przyłączowej.
6. PODSUMOWANIE
¾ Do badań osłon ognioszczelnych stosowane są
znormalizowane mieszaniny wybuchowe reprezentatywne dla danej podgrupy IIA, IIB lub IIC.
¾ Na wartość i przebieg ciśnienia wybuchu we wnętrzu osłony ognioszczelnej wpływa zarówno rodzaj
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
użytego gazu palnego jak i skład procentowy mieszaniny wybuchowej. Dodatkowo na ciśnienie wybuchu wpływa temperatura i ciśnienie mieszaniny
wybuchowej.
Źródłem pików ciśnienia w trakcie wybuchu mieszaniny we wnętrzu osłony ognioszczelnej są przewężenia i wszelkie elementy wprowadzające turbulencje.
Ze względu na ilość czynników wpływających na
wartość ciśnień maksymalnych, uzyskiwanych w
trakcie powstania pików, oraz ich wzajemną korelację nie jest możliwe w praktyce obliczenie ich wartości w układach rzeczywistych.
Wykonanie prawidłowej analizy wpływu kształtu
osłony ognioszczelnej na uzyskiwane ciśnienia wybuchu wymaga zastosowania wielokanałowych
układów pomiarowych ciśnienia wybuchu.
Zwarcie we wnętrzu osłony ognioszczelnej jest zjawiskiem zbliżonym do wybuchu mieszaniny gazowej.
Ciśnienia rejestrowane w trakcie zwarcia we wnętrzu
osłony ognioszczelnej w obwodach średniego napięcia osiągają wartość przekraczającą ciśnienia wybuchu mieszanin gazowych
Ze względu na charakter zachodzących zjawisk wynikowe ciśnienie wybuchu mieszaniny gazowej we
wnętrzu osłony ognioszczelnej inicjowane powstaniem zwarcia łukowego może przekraczać sumą algebraiczną ciśnień składowych.
Zjawisko zwarcia we wnętrzu osłony ognioszczelnej
urządzenia średniego napięcia stanowi zagrożenie ze
względu na:
− możliwość utraty wykonania przeciwwybuchowego,
− brak zachowania łukochronności względnie mechaniczną destrukcję obudowy.
Zastosowane oznaczenia
E’ – stopień rozprężania,
LI – odległość pomiędzy punktem zapłonu mieszaniny
w
V1 a wejściem do zbiornikaV2,
M – masa molowa,
Mn – masa molowa n-tego składnika,
Su – prędkość laminarnego spalania,
R – uniwersalna stała gazowa,
Ri – indywidualna stała gazowa,
Wg – energia dostarczona,
c–
współczynnik określający ilościowy udział podgrzewanego gazu,
c0 – prędkość dźwięku w ośrodku,
kg – współczynnik uwzględniającym udział mocy zwarcia wykorzystanej na podgrzanie gazu i zwiększenie jego energii wewnętrznej,
η–
zn –
stosunek pomiędzy temperaturą adiabatycznego
spalania a temperaturą zapłonu,
udział molowy n-tego składnika.
Zastosowane pojęcia [17, 18, 19 ]
• Dolna granica wybuchowości (palności)
DGW (DGP)
Ułamek objętościowy palnego gazu lub pary w powietrzu, poniżej którego nie może powstać gazowa atmosfera wybuchowa, wyrażany w procentach (patrz
IEC 60079-20).
• Górna granica wybuchowości (palności)
GGW (GGP)
Ułamek objętościowy palnego gazu lub pary w powietrzu, powyżej którego nie może powstać gazowa atmosfera.
wybuchowa, wyrażany w procentach (patrz IEC
60079-20).
• Maksymalny doświadczalny prześwit bezpieczny
(dla mieszaniny wybuchowej) MESG
Maksymalny prześwit złącza o długości 25 mm, który
zapobiega przeniesieniu się wybuchu w trakcie 10
prób przeprowadzonych w warunkach określonych w
IEC 60079-1-1.
• Maksymalna szybkość narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)max
Maksymalna wartość szybkości narastania ciśnienia
wybuchu, uzyskana w wyniku zmieniania zawartości
gazu palnego w mieszaninie.
• Maksymalne ciśnienie wybuchu Pmax
Maksymalna wartość ciśnienia wybuchu, zmierzona w
badaniach przeprowadzonych przy różnej zawartości
gazu palnego w mieszaninie.
• Graniczne stężenie tlenu GST
Maksymalne stężenie tlenu w mieszaninie substancji
palnej, powietrza i gazu obojętnego w której nie dojdzie do wybuchu w określonych warunkach badania.
• Minimalna temperatura samozapłonu
Minimalna temperatura ogrzanej powierzchni, przy
której w określonych warunkach badania może nastąpić zapalenie substancji palnej w postaci mieszaniny
gazu lub pary z powietrzem.
• Minimalna energia zapłonu
Najmniejsza energia, która jest wystarczająca do spowodowania zapłonu najłatwiej zapalnej atmosfery
wybuchowej w określonych warunkach badania.
• Deflagracja
Wybuch rozprzestrzeniający się z prędkością poddźwiękową.
• Detonacja
Wybuch rozprzestrzeniający się z prędkością naddźwiękową, któremu towarzyszy fala uderzeniowa.
• Łukochronność
Skuteczność konstrukcji chroniącej osoby w przypadku wystąpienia łuku wewnętrznego związana z rodzajem dostępu; zdolność osłony do ograniczenia skutków łuku wewnętrznego w osłonie w stopniu niezagrażającym osobom mającym dostęp do urządzenia,
oraz zapewnienie bezpieczeństwa technicznego,
sprawdzana metodami znormalizowanymi; w normie
PN-EN 62271-1-2009 [20] podano szczegółowo 5
kryteriów dotyczących oceny skuteczność konstrukcji
chroniącej osoby w przypadku wystąpienia łuku wewnętrznego.
Literatura
1. Byers K.: Arc Containment in Underground Flameproof Enclosures, Safety in Mines Testing and Research Station; SIMTRANS.
2. Di Benedetto A., Salzano E., Russo G.: Predicting
pressure piling by semi-empirical correlations. Fire
Safety Journal, ELSEVIER 2005.
3. Domina R., Oancea D., Chirila F., Ionesco N.I.:
„Transmission of an explosion between linked Vessels”; Fire Safety Journal, ELSEVIER 2003.
4. Magison E.: „Electrical Instruments in Hazardous
Locations”; 4-th Edition ISA 1998.
5. Förster H., Steen H.: „Untersuchungen zum Ablauf
turbulenter Gasexplosionen“; Bericht W-32, PTB
Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig, 1986.
6. Groh H.: Explosion Protection. ELSEWIER, 2004,
7. Górny M.: Ciśnienie wybuchu we wnętrzu ognioszczelnych silników indukcyjnych w niskich temperaturach. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne
Nr 80/2008.
8. Kałuża G., Surowy Ł.: Określenie zdolności zainicjowania zwarcia łukowego wybuchem metanu w
osłonach ognioszczelnych grupy I, urządzeń elektrycznych o napięciu zasilania 3,3 kV i 6 kV. Praca
GIG: 120 1028 8-240 (2008).
9. Kempka A.: Analiza porównawcza i ocena skuteczności metod eliminacji zakłóceń wysokoczęstotliwościowych towarzyszących zjawisku spiętrzenia ciśnienia w pomiarach ciśnienia wybuchu mieszaniny
gazowej w osłonach ognioszczelnych typu „d”. Praca GIG: 112 4022 2-240 (2012).
10. Partyka R.: Badanie skutków zwarć łukowych w
rozdzielnicach osłoniętych. Gdańsk, Wydaw. Politechniki Gdańskiej 2006.
11. Pofit-Szczepańska M.: Wybrane zagadnienia z fizykochemii wybuchu. Warszawa, SGSP 2005.
12. Ryng M.: Bezpieczeństwo techniczne w przemyśle
chemicznym. Poradnik. Warszawa, WNT, 1985.
13. Singh J.: Gas explosions in inter-connected vessels:
pressure piling. Trans IChemE 1994.
14. PN-EN 1127-1:2011 Atmosfery wybuchowe – Zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem
– Część 1: Pojęcia podstawowe i metodyka.
15. PN-EN 60079-1:2010 Atmosfery wybuchowe –
Część 1: Zabezpieczenie urządzeń za pomocą osłon
ognioszczelnych „d”.
16. IEC 60079-1-1:2002 Electrical apparatus for explosive gas atmospheres – Part 1-1: Flameproof enclosures „d” – Method of test for ascertainment of
maximum experimental safe gap.
17. PN-EN60079-29-1:2010 Atmosfery wybuchowe –
Część 29-1: Detektory gazu – Wymagania metrologiczne i funkcjonalne detektorów gazów palnych.
18. PN-EN 15967:2013 Oznaczanie maksymalnego ciśnienia wybuchu i maksymalnej szybkości narastania
ciśnienia wybuchu gazów i par.
19. PN-EN 13237:2005 Przestrzenie zagrożone wybuchem – Terminy i definicje dotyczące urządzeń i
systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w
przestrzeniach zagrożonych wybuchem.
20. PN-EN 62271-1:2009 Wysokonapięciowa aparatura
rozdzielcza i sterownicza – Część 1: Postanowienia
wspólne.
Informacje dodatkowe o autorze.
dr inż. Gerard Kałuża
Kierownik Laboratorium Systemów i Zabezpieczeń
Przeciwwybuchowych oraz Eksplozymetrii Zakładu
Bezpieczeństwa Przeciwwybuchowego Kopalni Doświadczalnej „BARBARA”
ul. Podleska 72
43-190 Mikołów
tel. (32) 3246 556
email: [email protected] www.kdbex.eu
* K O N I E C *

Przyczyny wzrostu ciśnienia wybuchu mieszaniny gazowej we

Transkrypt

Podobne dokumenty

osłona tarczycy - kryza ochronna rtg - ochrona

Obchody 77. Rocznicy wybuchu II wojny światowej

Zagrożenie wybuchowe - definicje

SUP-BAS

klasa I edycja 1 Termin oddania prac: 01.12.2016 r.

Generuj PDF - Komenda Powiatowa Policji w Wieruszowie

Związek a mieszanina - LOGIM.EDU.GORZOW.PL :: Strona Główna