Неледва Анна Валерьевна
Тема выпускной работы магистра:
"Исследования математических моделей зажигания взрывоопасных газовых смесей от электрической искры в искробезопасных цепях"
Руководитель работы: доцент, к. т. н. кафедры "ЭПГ" Бершадский Илья Адольфович
АВТОРЕФЕРАТ РАБОТЫ МАГИСТРА
АКТУАЛЬНОСТЬ
ПРОБЛЕМЫ
Одним из направлений решения задачи безопасности
является широкое применение искробезопасных систем передачи и использования
электроэнергии. Электрические цепи таких систем безопасны по своей природе и не
нуждаются в дополнительной защите, безопасность их не может быть нарушена по
ошибке или небрежности в процессе эксплуатации.
Опыт эксплуатации искробезопасных электрических систем показал, что затраты на аппаратуру и средства автоматизации при этом снижаются на 25-30% по сравнению с затратами на такую же аппаратуру, взрывобезопасность которой обеспечена другими способами (заполнение оболочек инертными средами, интенсивный продув чистым воздухом и т.д.). Однако, до настоящего времени не создана достаточно стройная и непротиворечивая теория процесса электрического зажигания взрывоопасных газовых смесей. Например, основные методы оценки искробезопасность основаны на предположении о постоянстве для данной газовой смеси времени формирования ядра пламени, а корректность такого предположения для реальных условии не доказана, отношение диаметра минимального ядра к ширине фронта пламени по данным различных аналитических исследований отличается почти на порядок и т.д.
Следствием такого положения является чрезмерная трудоемкость расчетных и экспериментальных методов оценки искробезопасности электрических цепей, использование которых сопряжено с применением корректирующих коэффициентов, поправочных кривых и т.п., что существенно затрудняет выбор оптимальных вариантов искробезопасной аппаратуры, максимально удовлетворяющих как технологическим требованиям, так и требованиям безопасности.
Таким образом, одной из актуальных задач является совершенствование методов оценки искробезопасности, электрических цепей на базе более четких представлений о характере развития ядра пламени при электрическом зажигании в газовой среде.
ЦЕЛЬ
РАБОТЫ
Установление закономерностей
электрического зажигания в газовой среде для определения соотношений между
параметрами электрического разряда, обеспечивающего заданную вероятность
взрыва, позволяющих повысить безопасность производства за счет
совершенствования методов оценки искробезопасности электрических цепей.
ИДЕЯ
РАБОТЫ
Определение соотношений между
параметрами электрического разряда, обеспечивающего заданную вероятность
взрыва, методами математического и физического моделирования.
ПРЕДПОЛОГАЕМАЯ
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Математическая
модель электрического зажигания в газовой среде (представляющая собой систему
уравнений, описывающих процессы теплопроводности и движения электродов, а также
методику решения этой системы уравнений на ЭВМ), отличающаяся тем, что впервые
для решения задач электрического зажигания газовой смеси обеспечивает учет
зависимости теплотехнических свойств среды от температуры (включая тепловое
расширение очага зажигания), а также материалы, формы и скорости движения коммутирующих
электродов; модель позволяет исследовать развитие ядра
пламени практически при любых реальных условиях комутации и может быть
использована для непосредственной оценки искробезопасности конкретных
электрических цепей; расчетный и электроизмерительный методы оценки
искробезопасных электрических цепей, основанные на определении воспламеняющей
способности разряда во всем диапазоне его длительностей реализуемых при
испытаниях во взрывной камере, что обеспечивает повышение надежности получаемых
результатов.
ОБЗОР
СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК
Значительное распространение средств
автоматизации, сигнализации и связи на взры-воопасных
производствах требует расширенного применения искробезопасных электриче-ских
систем. Их использование для управления электрооборудованием, опережающего от-ключения электроэнергии, контроля состояния атмосферы и
др. является мощным способом предотвращения аварий, могущих повлечь опасность
для жизни человека.
Искробезопасная электрическая цепь
определяется как цепь, в которой разряды или термическое действие, возникающее
в нормальном и аварийном режимах работы электро-оборудования
не вызывает зажигание метано-воздушной смеси (МВС).
В рамках тепловой теории
воспламенения её строгая математическая формулировка должна базироваться на
одновременном учете явлений теплопроводности и диффузии при наличии
экзотермической химической реакции окисления МВС [1]:
Для разработки модели электрического
зажигания газовой смеси система (1) модифи-цируется к
более удобному для численных решений виду:
Температура пламени, характеризующая
опасный и безопасный процесс искрообразо-вания,
просчитывается с использованием рассмотренной выше модели.
Характер распространения очага
пламени при медленно расходящихся электродах, т.е. в условиях, когда их
воздействие значительно, меняется (см. рис. 1). Это объясняется усиле-нием факторов, препятствующих воспламенению:
увеличение потерь энергии в результате роста кривизны пламени и потери энергии
в контактах; частичное "экранирование" контактами поступления свежей
горючей смеси в очаг зажигания; несовпадение во времени максимального
воспламеняющего значения мощности и расхождения контактов на достаточное
расстояние, при котором их влияние умень-шается.
Рисунок1 - Изолинии температуры при зажигании МВС с
электродом (слева - "тонкий электрод", справа - "толстый
электрод")
СОБСТВЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
С
помощью пакета MathCad создана программа, реализующая на ЭВМ модель зажигания
метаново-воздушной смеси от маломощного искрового разряда.
Результаты
данной программы представлены на рис.2, на котором представлены кривые
распределения температуры по радиусу искры от величины m*Δ, где m
изменяется от 0 до М, М - это количество точек на графике, Δ = 1/M, для
моментов времени 0; 100; 200 и 500 мс. Мощность разряда составляет 5 Вт.
Рис. 2 -
Анимированный график зависимостей температуры от радиуса распределения искры
для моментов времени 0; 100; 200 и 500 мс.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В моей магистерской работе будет
представлена программа, созданная в пакете MathCad, с помощью которой можно
будет определять соотношение между параметрами электрического разряда,
обеспечивающего заданную вероятность взрыва и параметрами электрической цепи.
Это значительно облегчит расчет оценки искробезопасности электрических цепей, а
также выбор оптимальных вариантов искробезопасной аппаратуры. На данный момент
это будет наиболее точная математическая модель электрического зажигания в
газовой среде, обеспечивающая учет зависимости теплотехнических свойств среды от температуры, материалы, формы и скорости
движения коммутирующих электродов и позволяющая исследовать развитие ядра
пламени практически при любых реальных условиях комутации.
ВЫВОДЫ
1. Предложена математическая модель электрического зажигания МВС от источника постоянной мощности, которая основываясь на решении нестационарного уравнения теплопроводности и диффузии для заданных параметров электрического разряда, искрообразующего механизма и взрывоопасной смеси, может быть использована в дальнейшей расчетной оценке искробезопасности электрических цепей.
2. Для определенного искрообразующего механизма существует такая мощность источника, при уменьшении которой возникновение взрыва невозможно независимо от времени существования этого источника.
3. При увеличении диаметра электродов и уменьшения межконтактного расстояния при одном и том же времени существования разряда (100 мкс) возрастает минимальная энергия зажигания.
4. Разработанная модель имеет преимущества перед известными, так как обладает устойчивостью за счет применения неявной нелинейной разностной схемы, большей точностью и не требует предварительного подбора коэффициентов модели при изменении расчетных условий.
Литература.
1. Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. М.: МГУ,
1957. - 444 с.
2. Серов В.И.
Воспламеняющая способность сложных индуктивных цепей. М.: Наука, 1966. - 95 с
3. Фурманов
Б.М. Научные основы, методы оценки и обеспечения искробезопасности горного
слаботочного электрооборудования. М.: Недра, 1970. - 150 с.