Шевкуненко Владислав Александрович

Электротехнический факультет

Кафедра горнозаводского транспорта и логистики

«Специальность «Электромеханическое оборудование энергоемких производств»»

Обоснование параметров и разработка рекомендаций по усовершенствованию взрывозащищенного электрооборудования

Научный руководитель: Старший преподаватель кафедры ГЗТиЛ, зам. директора экспериментального завода УкрНИИВЭ Ткачук Александр Николаевич

Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Введение:

На сегодняшний день угольная отрасль Украины является одной из наиболее сложной в отношении обеспечения безопасности труда.
Для исключения вероятности возникновения аварийных ситуаций все электрооборудование, применяемое в шахтах, должно быть взрывозащищенным [1].

Актуальность темы

Анализ конструкций взрывозащищенного электрооборудования показал, что наибольшее распространение в настоящее время получила концепция взрывозащиты – взрывозащищенная оболочка.

Анимированный рисунок, выполненный в gif animator,
количество кадров–8, количество повторений–3, объем 121 КБ

Взрыв внутри взрывонепроницаемой оболочки

Данная концепция подразумевает, что электрооборудование помещено в специальную оболочку с имеющимися в ней щелями определённых параметров, для охлаждения газов при взрыве. При этом не исключается контакт электрических цепей с взрывоопасной смесью и возможность ее воспламенения, но при этом гарантируется, что оболочка сдерживает возникшее в результате взрыва избыточное давление, т.е. вспышка не выходит за пределы ограничений взрывонепроницаемой оболочки.
Однако данный вид взрывозащиты ведет к увеличению массы и габаритов электрооборудования, ухудшению температурного режима работы[1,2,3].
Актуальной задачей является разработка рекомендаций по усовершенствованию взрывозащищенного электрооборудования.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является разработка рекомендаций по улучшению потребительских свойств взрывозащищенного электрооборудования, таких как надежность, удобство эксплуатации и т.д.
Для достижения вышеуказанной цели поставлены следующие основные задачи:

1. Выполнить обзор и анализ конструкций применяемого взрывозащищенного электрооборудования.
2. Выполнить анализ требований, предъявленных к конструкциям применяемого взрывозащищенного электрооборудования.
3. Разработать математическую модель взрыва внутри взрывонепроницаемой оболочки .
4. Уточнить существующую методику расчёта взрывонепроницаемых оболочек.

Основные результаты

Для построения математической модели взрыв целесообразно разбить на 3 этапа:
1 этап — инициализация взрыва. Мгновенное выделение энергии от точечного источника. Источником может служить:
а) искра от электрического разряда.
б) химическая реакция в газовой смеси, начавшаяся в результате наличия катализатора.
При этом, количества энергии, выделяемого источником должно хватить, для увеличения скорости движения молекул (температуры смеси) до уровня, достаточного для начала химической реакции. Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих элементов. Если концентрации достаточно, то скорость химической реакции может быть настолько высока, что реакция протекает в виде взрыва. Происходит резкое увеличение объема газа, что объясняет снижение температуры, выявленное при экспериментах.[4,5]

2 этап — движение взрывной волны.
Возникновение сферической волны, образованной реагирующими с выделением тепла молекулами газовой смеси. Фронт волны движется от источника, выполняя роль поршня, сжимающего газ перед собой. Энергия химической реакции в волне расходуется на выполнение работы по сжатию газа в оболочке и на сообщение кинетической энергии молекулам газа перед фронтом волны.

где р2— давление газа после взрыва; V1—объем оболочки; V2—объем смеси после сжатия; v—скорость движения волны;
На втором этапе взрыва газ внутри оболочки можно считать идеальным

Процесс уменьшения температуры в полярных координатах примет вид:

где r—расстояние от центра сферы.
Т.е. избыток тепла между теплом, вошедшим через внутреннюю часть сферы и вышедшим через внешнюю поверхность элементарного концентрического слоя, равен теплу, накопленному в элементе рис.1

Рис.1. Процесс распределения тепла.

Если смесь горючая, то процесс охлаждения замедляется вследствие выделения дополнительного тепла за счёт развития химической реакции. Когда температура упадёт до Тг — температура горения смеси, дальнейшее понижение температуры прекратится из–за компенсации тепла, отводимого в окружающие слои смеси, теплом, выделяющимся при сгорании. Т.е. создаётся сферический фронт пламени, который состоит из зоны предварительного разогрева и зоны химической реакции (рис.2).

Рис.2 Модель взрыва горючей смеси.

В зоне предварительного разогрева, составляющей основную часть фронта пламени, свежая смесь получает тепло, необходимое для ее нагревания до температуры горения Тг. Это тепло за счёт теплопроводности поступает из зоны, в которой протекает химическая реакция. Чем меньше радиус начального ядра горящего газа, тем больше отношение количества тепла, покидающего сферический объем (оно пропорционально квадрату радиуса), к количеству тепла, возникающего в этом объеме (оно пропорционально кубу радиуса)[6,7].

Таким образом, критические условия воспламенения искрой сводятся к нагреванию газовой сферы, радиус которой почти вчетверо превышает ширину зоны ламинарного пламени в рассматриваемой горючей смеси, до температуры пламени за счёт тепловой энергии разряда. При этом условии близлежащие слои горючей смеси успеют воспламениться прежде, чем остынет нагретый искрой объем. Силы, действующие на молекулы газа, на втором этапе взрыва являются центральными (рис.3). То есть:

где F — сила действующая на элемент газа со стороны источника взрыва; р — плотность газа внутри оболочки; mi —масса молекулы газа; Е — внутренняя энергия газа в оболочке; То есть, поток сил, действующих на молекулы газа со стороны источника взрыва, через любую замкнутую поверхность пропорционален массе горючей смеси, заключенной в объеме, ограниченном данной поверхностью и не зависит от её формы.

Рис.3 Модель взрыва горючей смеси.

3 этап — гашение взрывной волны.
Встреча волны с поверхностью оболочки, задача которой поглотить энергию химической реакции и не допустить проникновения взрыва в окружающую среду. При этом должно выполняться условие:

где: Eхим — энергия химической реакции; p2 — давление в оболочке после взрыва; V1 — объем оболочки; m — масса газа внутри оболочки; v — скорость фронта волны; Eразр — энергия разрушения оболочки;

Таким образом, с помощью уравнений можно получить систему для определения скорости, давления, плотности и температуры газа на границе с оболочкой.

Заключение

Изучение механизма воспламенения горючей смеси показало, что в настоящее время существует два подхода при моделировании этого процесса тепловой и электрический. При тепловом подходе существуют различия в формулировке условий возникновения взрыва. При электрическом подходе экспериментально зафиксирован эффект снижения температуры в момент взрыва, что противоречит тепловой теории.
В данной работе, предложена модель взрыва, учитывающая противоречия между тепловой и электрической теорией. Силы, действующие на молекулы газа при взрыве, являются центральными, а поток сил действующих через любую замкнутую поверхность не зависит от её формы. Полученная математическая модель взрыва горючей смеси внутри оболочки позволяет получить систему уравнений для определения параметров взрыва и уточнения расчёта конструкции оболочки, что и является направлением дальнейших исследований. Правильность предложенной методики, была подтверждена испытаниями, проведёнными в экспертно–техническом центре института УкрНИИВЭ.