Конструирование низковольтной аппаратуры - Сетчатые огнепреградители

Сетчатые огнепреградители начали применять в шахтерских лампах (лампах Дэви) еще в начале прошлого века для предотвращения взрывов рудничного газа.
Известным преимуществом сетчатых огнепреградителей является доступность и малая стоимость сеток, а также простота конструкций. К недостаткам этих огнепреградителей относятся малая механическая прочность огнепреграждающего элемента, ограниченная эффективность при гашении пламени, а также возможность быстрого прогорания сеток.
Металлические сетки можно собирать в пакеты, и если ширина ячеек всех сеток одинакова, то такие пакеты становятся более эффективными огнепреградителями, чем одиночные сетки, однако пакеты, составленные из мелких и крупных сеток менее эффективны, чем пакеты, составленные только из мелких сеток. Недостатком пакетных сетчатых огнепреградителей является то, что в практических условиях трудно обеспечить хороший контакт между слоями сеток.
Так как эффективность металлических сетчатых огнепреградителей при гашении пламени ограничена, они непригодны в тех случаях, когда возможны сильные взрывы, но могут быть использованы при взрывах средней силы, даже если через них должен пройти большой объем продуктов сгорания, как, например, в случаях взрывов в картерах дизелей.
Использование сетчатых огнепреградителей в картерах двигателей внутреннего сгорания описано в работах [7.1, 7.2].
В работе [5.3] исследована эффективность применения сеток для предотвращения выброса пламени и горячих газов из предохранительных устройств при взрыве в картерах двигателей.

Рис. 7.1. Схема взрывной емкости (5,66 м³):
1, 2, 3  —  отверстия для введения штока с запальным устройством; 4  —  запальное устройство; 5  —  патрубок; 6  —  вентилятор для перемешивания горючей смеси.

Рис. 7.2. Схема соединения емкостей:
1 —  сосуд, емкостью 5,66 м³; 2, 4, 6  —  патрубки ф. 610 мм; 3  —  огнепреградитель; 5 — сосуд емкостью 1,87 м³; 7, 8, 9  —  положения запального устройства; 10  —  запальное устройство на штоке.

Опыты проводились в одном взрывном сосуде, изображенном на схеме рис. 7.1, или в двух взрывных сосудах, схема соединения которых представлена на рис. 7.2; в соединении между двумя сосудами устанавливали огнепреградитель. Сосуд емкостью 5,66 м³ на одном из днищ имел патрубок диаметром 610 мм и вдоль сосуда три патрубка в ряд диаметром 457 мм каждый. Сосуд 5 (рис. 7.2) емкостью 1,87 м³ имел два патрубка диаметром  610 мм каждый; один из них служит для присоединения к сосуду 1. Внутри сосуда 1 был помещен вентилятор.
Ниже приведены отношение сброса (м² /м³) для патрубков (в мм) сосудов (м³) 1 и 5:

Горючими смесями являлись смесь паров пентана с воздухом, а также масляник туман в воздухе, который подавался из генератора. Давление, возникающее при взрыве, измерялось с помощью пьезоэлектрического датчика и производилось фотографирование показаний; кроме того, регистрировались момент воспламенения и интервалы времени. Температура продуктов взрыва (после того, как они проходили через огнепреградитель) определялась с помощью термометра сопротивления.
Перед проведением каждого опыта сетки, испытываемые в качестве огнепреградителей, смачивали смазочным маслом, а затем хранили в горизонтальном положении.
Тепловую нагрузку на сетки варьировали, изменяя расположение источника поджигания. Поджигание вблизи сеток приводило к наиболее жестким условиям; при удалении источника поджигания от сеток часть горючей смеси выходила из сосуда несгоревшей, вследствие чего количество продуктов сгорания было меньше.
После каждого взрыва сетчатое устройство разбирали для контроля и заменяли поврежденные слои.
Для исследования применялись сетки с шириной ячейки 1,98; 0,83 и 0,40 мм. Сетки собирались в пакеты так, чтобы к взрывному сосуду примыкали сетки с наибольшим размером отверстий, а затем по убывающему размеру отверстий. Снаружи для обеспечения прочности пакета устанавливалась жесткая сетка с размером отверстий 12,7 мм. Весь пакет сжимался в раме болтами.

Опыты с одним сосудом

Опыты проводились в взрывном сосуде 1 емкостью 5,66 м³ [см. рис. 7.1]. Смеси паров пентана с воздухом готовили впрыскиванием навески жидкого пентана и последующим перемешиванием паров с воздухом с помощью вентилятора. Содержание пентана в воздухе составляло 2%, при поджигании происходили взрывы умеренной силы.
Пакеты из девяти слоев (3X1,98; 3X0,83; 3X0,40), устанавливаемые на патрубке 5, выдержали испытания при поджигании в центре, но расплавлялись при поджигании вблизи сеток, несмотря на то, что пламени не было видно и измеренные температуры газа были низкими.
Устройство с двенадцатью слоями сеток (4X1,98; 4X0,83; 4X0,4) до установки на взрывном сосуде зажимали между стальными крестовинами. Первое испытание такого устройства дало положительные результаты, но при втором опыте образовались три раскаленных докрасна участка местного перегрева, которые после окончания сброса не исчезали в течение одной минуты. Устойчивый характер раскаленных докрасна пятен в сетках указывал на возможность протекания экзотермических реакций на поверхности сеток, что приводило к их расплавлению.
Были проведены опыты с сетчатым устройством, имеющим меньшую площадь. Пакет сеток зажимался в обойме диаметром 229 мм. Обойма с помощью переходного устройства крепилась к патрубку сосуда 1 диаметром 610 мм. Опыты проводились как с сухими, так и с увлажненными сетками. Одиннадцать опытов провели с 12-слойными пакетами (4X 1,98; 4X0,83; 4x0,40). В каждом случае сетки расплавлялись и отлетали раскаленные частицы; это происходило как с сухими сетками, так и с сетками, смоченными водой или маслом. Для увеличения количества воды на сетках в воду вводили добавку, способствующую удержанию воды на сетках.

В опыте № 2 сетки разогревались менее сильно, появилось только неяркое красное пятно; в этом месте сетки не были повреждены.

При аналогичных опытах со стальными сетками, где появились области, нагретые до красного каления, сетки расплавлялись.
Полученные данные, по-видимому, указывают на то, что сетки из монель-металла имеют несколько большую устойчивость к расплавлению, чем сетки из малолегированной стали, однако эти данные не являются подтверждением надежности сеток из монель-металла.
Опыты с пентановоздушными смесями, а также с масляным туманом показали, что при отношении сброса, равном 0,053 м² /м³, испытанные в различных условиях сетчатые устройства, не являются достаточно надежными.
Следующая серия опытов была выполнена с сосудом 1, на котором сетчатые устройства присоединялись к патрубку диаметром 610 мм и к двум из трех патрубков диаметром 457 мм. Таким образом, общее отношение сброса было увеличено с 0,053 до 0,113 м² /м³. Номинальное содержание испарившегося масла было в пределах 80 — 200 г/м³.  Каждый из трех патрубков закрывался пакетом из 12 слоев стальных сеток (4X1,98; 4X0,83; 4х0,4), увлажненных маслом. Поджигание производили у сеток, закрывающих патрубок диаметром 610 мм. Только в одном опыте из пяти сетки были повреждены. Хотя пламени не наблюдалось, температура продуктов сгорания была высокой; температура сеток повышалась в течение 1 — 2 мин, однако не достигала красного каления. На этой стадии в одном из опытов произошло воспламенение масла на сетке, что в практических условиях могло бы представить значительную опасность.
Была проведена серия опытов в сосуде 5 емкостью 1,87 м³. Стальные сетки (4X1,98; 4X0,83; 4X0,4), увлажненные маслом, были установлены на патрубке диаметром 610 мм. При этом отношение сброса было еще больше и составляло 0,158 м² /м³. Номинальное содержание испарившегося масла 180 — 480 г/м³. Поджигание у сеток. Прохождения пламени через сетки не наблюдалось ни в одном из испытаний. Сетки не были повреждены, но значительно разогревались, хотя и не до красного каления.
Вслед за этими опытами были проведены опыты на установке, показанной на рис. 7.2.

Опыты со сдвоенными сосудами

Сетчатое устройство 3 скреплялось болтами между патрубками 2 и 4 диаметром 610 мм. В первой серии опытов патрубок 6 в сосуде 5 закрывали стальной заглушкой, в этом случае отношение сброса составляло 0,158 м² /м³. Во второй серии опытов патрубок 6 закрывали таким же сетчатым устройством, которое устанавливалось между сосудами, в этом случае отношение сброса этого сосуда составило 0,316 м² /м³. Оба сосуда заполняли масляным туманом, после чего поджигание производили в сосуде 5. Для обнаружения прохождения взрыва в сосуд 1 и для предотвращения его повреждения на патрубках сосуда 1 диаметром 457 мм устанавливали разрывные мембраны. После поджигания в сосуде 5 и остывания сеток, если мембраны не разрушались, производилось поджигание в сосуде 1 для того, чтобы убедиться, произошел ли проскок пламени.
Отсутствие пламени при поджигании смеси в сосуде 1 (после поджигания в сосуде 5) или вследствие дает настолько значительные вихревые токи в пластинах диодной решетки, что магнитное поле их вызывает появление электродинамических усилий, отталкивающих дугу от решетки. Дуга устойчиво горит между контактами.

Рис. 7.19. Дугогасительная система гашения дуги с током высокой частоты:
1  —  главные контакты; 2  —  дугогасительные контакты; 3  —  дугогасительная катушка

При частоте свыше 2000 Гц применяется специальное электромагнитное дутье: последовательная дугогасительная катушка находится в цепи дугогасительных контактов, включённых параллельно главным контактам (рис. 7.19). При включенном положении дугогасительная катушка зашунтирована главными контактами, через которые практически и протекает весь ток. В процессе выключения главные контакты размыкаются несколько раньше дугогасительных, остающихся некоторое время замкнутыми. Ток вынужден протекать по дугогасительной катушке. Возникает магнитное поле, в котором и гасится дуга, появляющаяся при размыкании дугогасительных контактов. Таким образом, магнитное поле возникает только в процессе гашения дуги и не вызывает нагрева дугогасительной и контактной систем во включенном положении. Однако значительное реактивное сопротивление дугогасительной катушки при токах высокой частоты даже в этом случае существенно снижает эффективность гашения дуги.
С целью улучшения гашения на высоких частотах применяются узкощелевые камеры и увеличенный раствор между контактами. Для частот свыше 10 000 Гц с целью использования около катодных процессов обычно применяются контактные системы с многократным разрывом, причем число разрывов нередко доходит до пяти. Целесообразно применение латунных контактов, так как величина мгновенно восстанавливающейся диэлектрической прочности у латуни наивысшая и практически не зависит от температуры. Значения мгновенно восстанавливающейся диэлектрической прочности для разных материалов при средних значениях токов (порядка 100-200 а) приведены в табл. 7.2. Очевидно, что для гашения дуги при первом же прохождении тока через нуль число последовательных разрывов контактной системы должно быть (7.33)
Таблица 7.2