CC BY
29
82
В.Г. Каширских, С.С. Переверзев
1995. - 232 с.
2. Моделирование асинхронных электроприводов с тиристорным управлением / Л.П. Петров, В.А. Ладензон, Р.Г. Подзолов, А.В. Яковлев. - М.: Энергия, 1977. - 200 с.
3. Бандурин А.Н. Моделирование динамики рабочего органа скребкового конвейера //Вестн. КузГТУ. -1999. - №2. - С.46-49.
4. Патент РФ № 2235410 МПК Н 02 Р 1/26. Способ пуска асинхронного электродвигателя / Е.К. Ещин, И.А. Соколов, В.Л. Иванов, В.Г. Каширских, Заявл. 04.01.03, № 2003100098. Опубл. 27.08.04. Бюл. №24.
□ Авторы статьи:
Каширских Вениамин Георгиевич -канд.техн. наук, зав. каф. электропривода и автоматизации
УДК 621.31-213.34
Переверзев Сергей Сергеевич ■ аспирант каф. электропривода и автоматизации
С.Д. Баранов
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ СМЕСЕЙ В ОТДЕЛЕНИИ СТАТОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СО СПЕЦИАЛЬНЫМ ВИДОМ ВЗРЫВОЗАЩИТЫ
Источниками воспламенения взрывоопасных смесей внутри оболочки взрывозащищенного электрооборудования могут быть электрическая дуга, электрическая искра, искры трения и соударения элементов конструкции движущихся частей взрывозащищенного электрооборудования или значительный нагрев отдельных частей внутри оболочки. В предложенных вариантах конструкций взрывозащищенных электродвигателей со специальным видом взрывозащиты [1, 2]
внутренний объем отделения статора представлен в виде узких щелевых зазоров. Оставшееся свободное пространство по лобовым частям заполнено диэлектрическим компаундом, а между подшипниковым щитом и торцевой частью гладкого ротора заполнено установкой специальных втулок. При такой конструкции электрической
взрывозащищенной машины источником теплового воспламенения взрывоопасной смеси может служить только ротор.
Действующие в настоящее время стандарты на взрывозащищенное электрооборудование регламентируют температуру нагрева отдельных частей конструкции, размещенных
внутри оболочки. Стандарт ГОСТ Р 51330.5-99, соответствующий стандарту МЭК 600794-75, классифицирует взрывоопасные смеси на шесть температурных групп по температуре самовоспламенения. Необходимо отметить, что методика определения температуры самовоспламенения рекомендует вводить взрывоопасную смесь в предварительно нагретую колбу, изготовленную из боросиликатного стекла, имеющую объем 200 см3. При таких испытаниях, полученная температура самовоспламенения взрывоопасной смеси не является физикохимической константой, а зависит от аппаратурных условий, т.е. если изменить конфигурацию колбы или изготовить её из другого материала, то результаты могут существенно отличаться один от другого.
В предложенных конструкциях электродвигателей со специальным видом взрывозащиты свободный объем получается в виде узких щелевых зазоров (для двигателей малой и средней мощности величина зазора составит порядка десяти миллиметров), следовательно, процесс теплового воспламенения в таких объемах будет отличаться от того, который имеет место
при стандартной методике, а температура воспламенения будет выше. Из тепловой теории воспламенения [3] было получено соотношение, связывающее температуру воспламенения от нагретой поверхности с параметрами смеси и геометрией сосуда, в котором происходит воспламенение:
12 ( ^
ОЕІ-
хят
-Хгхр
Е
ЯГ,
I
= соті.
(1)
где Q - калорийность смеси, Дж/кг-моль; Е - энергия активации, Дж/кг-моль; I - характерный размер сосуда, м; X -теплопроводность смеси,
Вт/(м-К); Я - газовая постоянная, 8,31441 Дж/(моль-К); Т; -температура воспламенения, К, Z - предэкспонентный множитель.
Данное соотношение показывает, что температура воспламенения при определенных условиях существенно зависит от геометрических размеров сосуда, в котором происходит воспламенение смеси при прочих равных условиях.
Температуру воспламенения для сосуда цилиндрической формы можно найти из решения трансцендентного уравнения:
Электротехнические комплексы и системы
83
Рис. 1. Температура воспламенения кислородно-водородной смеси в зависимости от диаметра сосуда
Рис. 2. Зависимость температуры воспламенения смесей природного газа с воздухом нагретыми полосками от концентрации горючего
кр ’ (2)
где г - радиус цилиндра.
В случае плоскопараллельного сосуда ¿кр = 0,88, в выражение (2) необходимо подставить, вместо г, величину Ы2 и формула (2) примет вид:
бЕ-1е ~Е'КТ = ¿кр = 0,88
Я 4ЯТ2 кр
(3)
где Ь - величина зазора.
Здесь не учитывается эффект выгорания горючего компонента за время разогрева. С учетом выгорания характеристический параметр можно определить по формуле:
(4)
¿о =
'кр
2/3
1- 2Н В J
где т - порядок реакции; В -безмерный температурный параметр, который в ряде случаев определяется из выражения
Е б
В =
ЯТ02 Ср
(5)
где Ср - теплоемкость при постоянном давлении.
В случае, если в формуле
(4) знаменатель обращается в нуль, воспламенение невозможно.
На рис. 1 представлена зависимость температуры воспламенения от изменения диаметра цилиндрического сосуда [3].
Из графика видно, что чем меньше диаметр испытательного сосуда, тем выше температура воспламенения. Характерно, что в щели размером 6-10 мм наблюдается резкое увеличение температуры воспламенения.
Стационарная теория теплового взрыва Д. А. Франк-Каменского позволяет рассчитать геометрические параметры реакционного сосуда из условия постоянства температуры окружающей среды и стенок реактора.
В работе [4] описаны опыты по воспламенению взрывоопасных смесей от нагретых пластинок размером 1х12,7х100 мм из никеля и платины. В случае применения материала, обладающего каталитическим свойством (платина), температура поджигания оказывалась выше, чем материала, не обладающего каталитическим свойством (никель), но и в том и другом случаях она была выше 1270 К, для смесей природного газа с воздухом (93,2 % метана, 3,3 % этана, высшие углеводороды и 1,5 % азота). Данные эксперимента приведены на рис. 2.
Для определения возможности воспламенения взрывоопасных смесей в щелевых зазорах электродвигателей со специальным видом взрывозащиты нами были проведены эксперименты на установке, которая содержала две стальные пластины размером 125х210х5 мм с нагревательными элементами. Между пластинами устанавливался щелевой зазор, величина которого зависела от калиброванных параллелепипедов, устанавливаемых по бокам большего размера пластин. Исследуемые зазоры имели величину 1,9; 3,2; 4,8; 5,8 и 7,6 мм. Температура поверхности пластин контролировалась термопарами в пяти точках в центре и по краям.
В качестве взрывоопасной смеси использовалась смесь ди-этилового эфира с воздухом при концентрациях 2,5; 3,4; 4,5 процента, потому, что температура самовоспламенения таких смесей весьма низкая и составляет 437 К по стандартной методике.
В первом случае прокачивалась заранее приготовленная смесь через щелевые зазоры при определенной фиксированной температуре пластин.
Исследования показали, что при температуре пластин 423 К и выше начинается выделение дыма, интенсивность которого возрастает с увеличение темпе-
84
С.Д. Баранов
ратуры. Случаев воспламенения смеси при данных аппаратурных условиях эксперимента не наблюдалось до температуры 673 К, что на 236 ° выше температуры самовоспламенения. Количество прокачиваемой смеси в 50 - 100 раз больше объема камеры, в которой изучалось воспламенение. Данное количество смеси прокачивалось через камеру в течение 315 с. Это регулировалось за счет изменения площади проходного сечения подводящего взрывоопасную смесь устройства.
Во втором случае проводились опыты по воспламенению смеси в узких зазорах по методике, несколько отличной от описанной выше. Смесь приготовлялась в специальной емкости, а вход и выход щелевого зазора соединялись шлангами с данной емкостью через перекачивающее устройство. После многократного прокачивания смеси через щелевой зазор в холодном состоянии, нагревательные элементы подключались к регулятору напряжения и осуществлялся нагрев стенок
щелевого зазора при скорости нарастания температуры 3 - 4 К/с. Случаев воспламенения смеси не наблюдалось до температуры 673 К (более высокие температуры в обоих случаях не исследовались в виду ограниченной мощности нагревательных элементов).
В результате этих экспериментов установлено, что воспламенение в щелевых зазорах отличается от воспламенения в сосредоточенных объемах, в которых эта температура определяется по стандартной методике.
Основное отличие заключается в том, что по общепринятой методики при впуске смеси в реакционную колбу сопровождается её нагрев от стенок и одновременно идет химическая реакция с выделением тепла, в результате чего смесь саморазо-гревается, и в конечном итоге, происходит её воспламенение. Этому способствует более высокая температура в центре колбы (она выше температуры стенок) и то, что смесь еще не вся прореагировала.
В щелевых зазорах температура смеси, практически, не отличается от температуры стенок, поскольку выделяющееся при химической реакции тепло сразу отбирается стенками зазора. Это подтверждается и исследованиями [4] при искровом воспламенении, когда при критических зазорах и ниже воспламенение смеси невозможно, хотя температура искрового канала не зависит от мощности искры и составляет 10000 -20000 К.
Приведенные результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать заключение о том, что температура поджигания взрывоопасных смесей от нагретых поверхностей достаточно высока, а в случае щелевых зазоров величиной до 10 мм еще более увеличивается. Это условие позволяет существенно повысить взрывобезопасность при создании конструкции электродвигателей со специальным видом взрывозащиты со свободным объемом внутри оболочки в виде щелевых зазоров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Разгильдеев Г. И., Баранов С. Д. Взрывозащищенные рудничные электродвигатели: эксплуатация и ремонт. Справочное пособие. М.: Недра, 1991, 180 с.
2. А. С. № 1468367, 1988.
3. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. - М. : Наука, 1967, 491 с.
4. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. - М. : Мир, 1968.
□ Автор статьи:
Баранов Сергей Денисович - канд. техн. наук доц. каф. электроснабжения горных и промышленных предприятий
УДК 621.311:622.33:537.811 Г.И. Разгильдеев, А.А. Шевченко О ВОЗМОЖНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ В ЗАБОЯХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
В последние 15 - 20 лет в нашей стране произошли важные изменения при подземной добыче угля, результатом кото-
рых стал существенный рост производительности труда и уровня добычи полезного ископаемого из одного забоя. На
шахтах Кузбасса в 2004 г. более 1 млн. т было добыто из 27 забоев.
Такие результаты достигну-
