Определение максимального безопасного щелевого зазора
Необходимость определения величины, называемой максимальным безопасным щелевым зазором или максимальным безопасным размером щели (МБРЩ), связана с обеспечением безопасности функционирования электрооборудования, установленного во взрывоопасных средах, содержащих горючие паровоздушные или газовые смеси.
В частности, при обсуждении условий эксплуатации электрооборудования во взрывоопасной атмосфере нужно учитывать, что горючие газы и пары могут попасть внутрь защитного кожуха, где размещено оборудование (если только внутри кожуха специально не поддерживается повышенное давление для исключения возможности затекания горючих газов). Поскольку искры, возникающие в процессе эксплуатации электродвигателей, как правило, имеют достаточную энергию для воспламенения горючей смеси, то защитные кожухи должны конструироваться - с таким расчетом, чтобы они были достаточно прочными и не разрушались при случайных взрывах внутри кожуха. Кроме того, эти кожухи должны иметь выпускные предохранительные щели, размер зазоров в которых должен быть настолько малым (меньше МБРЩ), чтобы возможное истечение горючих продуктов из кожуха во внешний объем не приводило к воспламенению смеси вокруг кожуха. Это явление поджигания смеси струей горячих продуктов, истекающих из области повышенного давления, совсем не похоже на процесс погасания пламени, описанный выше. В рас-
Рис. 1.26. Взрывная камера объемом 8 л (SMRE). Диаметр фланцев 25,4 мм, для фиксации сборки используется от четырех до шести струбцин.
сматриваемом случае горячие газообразные продукты сгорания истекают через щель с высокой скоростью за счет перепада давлений, причем критический размер щели, при котором во внешней горючей среде не произойдет воспламенения, для большинства углеводородо-воздушных смесей оказывается равным примерно половине гасящего расстояния.
Таким образом, для измерения максимального безопасного размера щели нужна специальная установка. В настоящее время для подобных измерений довольно интенсивно используются три сильно различающиеся установки: схематически показанная на рис. 1.25 бомба объемом 20 мл, 8-л бомба (рис. 1.26) и установка, описанная в работах [184, 15]. Во всех упомянутых установках имеется воспламенительная камера, соединяющаяся с внешним объемом посредством щели, длина и ширина которой постоянны, а высота щелевого зазора может меняться. Установки обладают высокой прочностью, чтобы исключить возможность изменения высоты щели под действием развивающегося в процессе опыта высокого внутреннего давления. Стрелоу [617] показал, что из-за различия конструкций трех установок характерное время истечения газов из воспламенительной камеры сильно зависит от размеров конкретной установкі© Вследствие малости объема воспламенительной полости в установке с 20-мл камерой полное время истечения продуктов сгорания смеси с нормальной скоростью горения 40 см/с по порядку величины равно 10 мс. Кроме того, в этой установке давление никогда не становилось вышё 0,2 МПа, что связано с тем, что площадь сечения щели сравнима с площадью внутренней поверхности камеры. В камере объемом 8 л соотношение между высотой щели и объемом камеры таково, что время истечения состав· ляло примерно 100 мс, а внутреннее давление повышалось до 0,3 ... 0,4 МПа. В камере объемом 28,315 л [15, 184] высота щели составляла всего лишь 10 мм *>, поэтому в этой камере внутреннее давление достигало почти того же уровня, который характерен для замкнутой бомбы того же объема, а время истечения приближалось к 1 с.
Столь существенные различия характерного времени истечения и внутреннего давления приводили к большим различиям в измеренных с помощью различных установок значениях максимального безопасного размера щели для нескольких углеводородо-кислородных смесей. Во всех случаях величина МБРЩ в установке третьего типа оказалась меньше, чем в камерах меньшего объема, что прежде всего связано с большим временем истечения и сравнительно маленьким объемом внешней камеры для установки с камерой объемом 28,315 л.
Во многих случаях проведение специальных дополнительных опытов в камере объемом 28,315 л позволило уменьшить расхождение с результатами, полученными в опытах с меньшими камерами, схемы которых показаны на рис. 1.25 и 1.26.В последние годы в Великобритании и ФРГ интенсивно исследовалась зависимость МБРЩ от объема камеры и длины щели [514, 415, 416, 383, 497—500]. По результатам этих работ в качестве международной стандартной методики измерения МБРЩ принята установка с объемом камеры 20 мл. В США в качестве стандартной по-прежнему используется установка с камерой объемом 28,315 л. Кроме того, в связи с необходимостью размещения электрооборудования в трубопроводах в США принято также исследовать вещества путем их поджигания на некотором расстоянии от исследуемого объема в трубе диаметром 25,4 мм. При этом может произойти переход в детонацию; в промышленности такой переход называется разгоном давления. В этом случае в области щели развивается более высокое динамическое давление, чем наблюдается в типичной бомбе со щелью. Использующийся в США метод определения МБРЩ предусматривает возможность турбулизации горючего газа внутри воспламенительной камеры, что приводит к дополнительному ускорению роста давления. Эти эффекты прини-
11 По-видимому, более точен размер зазора 0,1... 1 мм. — Прим. ред.
маются во внимание при разработке методов защиты электрооборудования.
В работах Филлипса [498—500] сформулирована теоретическая модель для расчета максимального безопасного размера предохранительной щели, которая дает довольно хорошее согласие с экспериментальными данными. Согласно экспериментальным данным, истечение горячих газов через щель не сопровождалось проскоком пламени в нее; вместо этого в щели на некотором расстоянии от ее выходного сечения происходило очень интенсивное турбулентное перемешивание горячих газов с внешним холодным горючим газом. При выполнении определенных условий (т. е. если размер щели достаточно велик) с некоторой временной задержкой в зоне интенсивного перемешивания происходил «взрыв», и пламя, возникающее в этой зоне, распространялось по остальному объему горючей смеси, заполняющей внешний объем.
Если же высота щели достаточно мала, то в этой турбулентной зоне происходило лишь монотонное снижение температуры с течением времени, а внешняя смесь не воспламенялась. Такое поведение системы довольно хорошо описывается моделью Филлипса. Интересно, что в соответствии с этой моделью процессы, протекающие в зоне турбулентного перемешивания, аналогичны процессам, протекающим в химических реакторах (см. рис. 1.3). Однако в отличие от реакторов критическим параметром становилась не концентрация реагентов, а определяющий размер (высота) щели, и потери тепла из системы определялись не теплоотдачей в стенку реактора, а поступлением холодной горючей смеси. Тем не менее и здесь также имеется период индукции «взрыва» (здесь — задержка возникновения пламени), а расчетная скорость повышения температуры в результате химических реакций согласуется с экспериментальной.. Согласно электротехническим национальным нормам США, горючие паровоздушные и газовые смеси по своей опасности делятся на четыре класса (А, В, C и D). Для смесей класса А эталоном является ацетилен, для класса В — водород, для класса C — диэтиловый эфир и для класса D — бензин. Например, если для какого-либо конкретного вещества максимально допустимый размер предохранительной щели оказался в интервале между значениями МБРТТТ для диэтилового эфира и бензина, то вещество относится к классу С, и в его атмосфере может использоваться только электрооборудование, которое соответствует именно классу С. Чтобы получить такую классификацию оборудования, необходимо проверить его работу в среде, содержащей диэтиловый эфир в качестве горючего компонентаФЕсли МБРЩ какого-либо вещества оказался выше, чем для бензина, то это вещество относится к классу D, и любое оборудование должно быть проверено (перед его промышленным использованием при наличии во внешней среде этого вещества) в атмосфере, содержаний пары бензина.
1.4.2.3.