11

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшегопрофессионального образования

«Тульский государственный университет»

КАФЕДРА АЭРОЛОГИИ, ОХРАНЫ ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Производственная безопасность

Лабораторная работа № 14

Исследование взрывозащиты электрооборудования взрывонепроницаемого исполнения

Методические указания для студентов

направления 280100 “Безопасность жизнедеятельности”

специальности 280102 "Безопасность

технологических процессов и производств"

Форма обучения - очная

Тула 2005

1. Цель и задачи работы

Цель работы: исследовать процесс тушения в зазоре оболочки электрооборудования во взрывозащищенном исполнении.

Задачи работы: расчетом и экспериментально определить величину тушащего зазора для заданной горючей паровоздушной смеси, определить категорию горючей смеси.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Взрывобезопасное оборудование применяется не только в горной, но и других отраслях промышленности, где используются или перерабатываются вещества, способные с кислородом воздуха образовывать газо-, паро- или пылевоздушные взрывоопасные смеси.

Рудничное взрывобезопасное (РВ) исполнение достигается путем заключения электрооборудования в массивную (металлическую) оболочку, способную без повреждений и остаточных деформаций выдерживать максимальное давление при взрыве и имеющую такое сопряжение отдельных деталей, при котором продукты воспламенения внутри оболочки, а также электрические искры и пламя, проходя через зазоры в сопряжениях, охлаждаются настолько, что, выходя наружу, не способны вызвать воспламенение взрывчатой атмосферы помещения.

Схематически взрывонепроницаемая оболочка показана на рисунке 1,а. Чтобы щелевая защита эффективно выполняла свою роль, в местах соединений и стыков, а также в местах прохода валов должны быть предусмотрены фланцы определенной ширины и зазор между фланцами должен быть соответствующего размера (рисунок 1,б и 1, в).

Тушение пламени в зазоре осуществляется за счет передачи теплоты от нагретого газа к стенкам. При уменьшении величины зазора теплоотвод увеличивается и наступает такой момент, когда приход теплоты от нагретых продуктов реакции становится меньше отвода теплоты в стенки и окружающее пространство. Распространение пламени становится невозможным. Такой зазор называется тушащим.

Его величина ориентировочно определяется по формуле:

Где- величина текущего зазора, м;

Р_е – критерий Пекле;

- теплопроводность горючей смеси, Дж/(мсК);

U – скорость распространения пламени, м/с;

с – удельная теплоемкость горючей смеси, Дж/(кгК);

- плотность горючей смеси, кг/м³.

Для некоторых видов горючих веществ параметры, входящие в формулу (1), приведены в таблице 1.

На пределах гашения пламени критерий Пекле постоянен и равен 65. Поэтому, приняв Р_е = 65, можно рассчитать величину текущего зазора .

Точное значение величины тушащего зазора для заданной горючей смеси может быть определено только экспериментальным путем.

В зависимости от величины «безопасного экспериментального максимального зазора» между плоскими фланцами у стандартной оболочки все взрывоопасные смеси горючих газов, паров и пыли разделены на категории (таблица 2). Кроме этого, взрывоопасные смеси подразделяются на группы в зависимости от температуры самовоспламенения (таблица 3). Распределение некоторых взрывоопасных веществ по категориям и группам приведено в таблице 4.

Конструктивное исполнение оболочки электрооборудования должно обеспечивать зазоры в соединениях в несколько раз меньше величины.

Рисунок 1 - Схемы взрывонепроницаемой оболочки (а)

и тушащих зазоров (б, в, г)

Таблица 1 – Характеристика горючих веществ

Наименование	Метан	Этиловый спирт	Ацетон
Химическая формула	СН4	С2Н6О	СН3СОСН3
Масса моля вещества, г	16	46	58
Температура кипения, оС	-161	78	56
Температура самовоспламенения, оС	537	423	465
Скорость распространения пламени, м/с			1,17
Удельная теплоемкость горючей смеси, Дж/(кгК)	1000	1050	1059
Теплопроводность горючей смеси, Дж/(мсК)	0,02	0,02	0,02
Плотность горючей смеси, кг/м3	1,2	1,36	1,36

Таблица 2 - Категории взрывоопасных смесей (по ГОСТ 12.1.011-78)

Категория взрывоопасной смеси	Зазор между плоскими поверхностями длиной 25 мм, при котором частота передачи взрывов составляет 50% при объеме оболочки 2,5 л, , мм
1	Более 1,0
2	От 0,65 до 1,0
3	От 0,35 до 0,65
4	Меньше 0,35

Таблица 3 - Группы взрывоопасных смесей (по ПИВРЭ)

Группа взрывоопасной смеси	Температура самовоспламенения, оС
Т1	Более 450
Т2	От 300 до 400
Т3	От 200 до 300
Т4	От 135 до 200
Т5	От 100 до 135

Таблица 4 - Распределение взрывоопасных веществ по категориям и группам

Категория взрывоопасной смеси	Вещества, образующие взрывоопасную смесь с воздухом, по группам
	Т1	Т2	Т3	Т4
1	Аммиак, метан, растворители Р-4, Р-5, РС-1	Растворители №646-649, РС-2, Р-40 и т.д.	Растворитель №651, топливо печное «А», уайт-спирит	Тетраметилдиаминометан
2	Ацетон, окись углерода, пропан	Бензин Б-95, бутан, спирт этиловый	Бензин А-66, А-72, Б-70. сероводород	Эфир
3	Этилен	Окись этилена
4	Водород	Ацетилен	Трихлорсилан	Сероуглерод

Таблица 5 - Параметры взрывонепроницаемых соединений электрооборудования 1, 2, 3-й категории по ПИВРЭ

Вид взрывонепроницаемого соединения	Свободный объем оболочки, см3	1 категория		2 категория		3 категория
		Длина щели L, мм	Величина зазора , мм	Длина щели L, мм	Величина зазора , мм	Длина щели L, мм	Величина зазора , мм
Неподвижные (рисунок 1, б, в)	До 200	5	0,5	5	0,3	5	0,2
	Св. 200 до 500	8	0,5	8	0,3	8	0,2
	Св. 500 до 2000	15	0,5	15	0,3	15	0,2
	Свыше 2000	25	0,5	25	0,3	25	0,2
Подвижные сопряжения (рисунок 1, г)	Свыше 500	15	0,5	15	0,4	15	0,3
	До 2000	25	0,6	25	0,4	25	0,3
	Свыше 2000	40	0,75	40	0,5	40	0,4

Таблица 6

Горючее вещество	Объемная доля горючего вещества в газо- или паровоздушной смеси, %, при пределах воспламенения
	Сниж	Сверх
Ацетилен	2,5	81,0
Ацетон	2,55	12,8
Водород	4,0	75,0
Метан	5,0	15,0
Пропан	2,37	9,5
Этиловый спирт	3,28	19,0

Таблица 7 - Показатели пожаро- и взрывобезопасности горючих пылей

Вещество	Взвешенная пыль
	Нижний предел взрываемости, г/м3	Температура самовоспламенения, оС
Алюминий	40	550
Мука древесная	11,2	430
Мука пшеничная	45,6	410
Пыль каменного угля	31,0	720

В процессе эксплуатации электрооборудования величина зазора (щели) во взрывонепроницаемой оболочке в доступных для контроля местах должна измеряться калиброванными пластинами (щупом). Величина зазора должна быть не более указанной в инструкции завода-изготовителя, а при отсутствии инструкции должна соответствовать данным, приведенным в таблице 5.

Взрыв горючих смесей происходит не при любых соотношениях горючего вещества и окислителя, существуют нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения смеси. При концентрации ниже нижнего концентрационного предела С_нижсмесь не способна воспламеняться из-за недостатка горючего, а при концентрации выше С _верхсмесь не способна воспламеняться из-за недостатка кислорода (см. таблицу 6 и таблицу 7).

Наибольшая вероятность взрыва и ее мощность отмечаются тогда, когда в горючей смеси реагируют все молекулы горючего и окислителя (согласно химической формулы окисления). Такая концентрация горючей смеси называется стехиометрической.

Стехиометрическая концентрациярассчитывается по формуле:

где - стехиометрические коэффициенты горючего, кислорода и азота соответственно.

Стехиометрические коэффициенты определяются из уравнения окисления (горения) веществ. Например, для метана СН₄ уравнение имеет вид:

где - коэффициенты продуктов окисления.

Если в воздухе находится 21 % кислорода и 78 % азота, то отношение кбудет:

/=78/21=3,76. (4)

Это отношение называется кислородным эквивалентом.

Вуравнении (3) на две молекулы кислорода приходится 7,52 частей молекул азота, поэтому для метана уравнение (3) имеет вид:

где стехиометрические коэффициенты m_r = 1, =2,=7,52.

Стехиометрическая концентрация для метана:

Аналогичным образом может быть рассчитана стехиометрическая концентрация для паров легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ). Например, для ацетона СН₃СОСН₃ уравнение (3) имеет вид:

стехиометрическая концентрация:

Если легковоспламеняющаяся жидкость испаряется в замкнутом объеме (закрытом помещении, сосуде и т.п.), то можно рассчитать концентрацию паров по формуле:

где С – концентрация паров легковоспламеняющейся жидкости, %;

–объем горючей жидкости, испаряющейся в помещении, сосуде, мл;

–объем моля горючей жидкости (при температуре 20 ^оС и давлении 0,1 МПа объем моля равен 24 л);

- плотность горючей жидкости, кг/л;

–масса моля горючей жидкости, г;

–объем помещения, сосуда и т.п., где испаряется горючая жидкость и происходит взрыв, л.

При достижении стехиометрической концентрации паров ЛВЖ смесь становится очень взрывоопасной. Избыточное давление взрыва в закрытом помещении или сосуде может быть определено как произведение начального давления горючей смеси на отношение действительной температуры горения к начальной температуре смеси, взятых по шкале Кельвина.