Gáz és porrobbanás; robbanási határkoncentrációk mérési lehetőségei

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Környezetmérnöki Szak Környezettechnológiai szakirány Környezetvédelmi analitika és technológia c. tárgy

Gáz – és porrobbanás; robbanási határkoncentrációk mérési lehetőségei

Témavezető: Dr. Kőmíves József

Sallai Tibor Beöthy Eszter Gelányi Renáta Szabó Csaba Kellner Viktória Zách Attila Budapest, 2012, április 1

Tartalomjegyzék

• Bevezetés, feladat megfogalmazása, alapfogalmak ismertetése, robbanásveszélyes anyagok.....................3.oldal /Sallai Tibor/

• Érdekes robbanások és azok okának bemutatása példákon keresztül.........................................................16.oldal /Beöthy Eszter/

• Robbanási határok meghatározási lehetőségei …...................................................................................23.oldal /Gelányi Renáta/

• ARH riasztás alkalmas érzékelők I. …...................................................................30.oldal /Szabó Csaba/

• ARH riasztás alkalmas érzékelők II. ….................................................................44.oldal /Kellner Viktória/

• Porrobbanás veszélyének előrejelzése ….......................................58. oldal /Zách Attila/

2

Bevezetés, feladat megfogalmazása, alapfogalmak ismertetése, robbanásveszélyes anyagok, porrobbanás -Sallai Tibor-

Bevezetés, feladat megfogalmazása: Bevezetésként a robbanásvédelem műszaki fejlődésével1 kezdenénk, ugyanis ez alapozta meg a korszerű gáz- és porkoncentrációt mérő berendezések kialakulását, elősegítve a veszély kialakulásának előrejelzését. A 19. században villamos készülékek sorát vezették be az ipar különböző területein és a háztartásokban. Ezután a metán és a szénpor jelenléte a szénbányákban azonnal a robbanásvédelem műszaki fejlesztésére sarkallt. A villamosság előnyei olyan jelentősek voltak, hogy nagyon intenzív munka kezdődött, hogy megtalálják a robbanásveszélyes atmoszféra és a villamos készülék használatából adódóan meglévő gyújtóforrás biztonságos elválasztásának a módját, így megelőzve a robbanást. Napjainkban, szerencsére, a villamos gyújtóforrások okozta balesetek számossága alacsony. A fejlesztésbe és gyártásba befektetett összegek és a törvényszerű szabályozás sikeresnek bizonyult, és a gyakran feltett „megérte a hatalmas befektetést“ kérdésre igennel kell feleljünk. Bármi ilyen hanyagság egyenlő mértékű a büntetendő nemtörődömséggel. Sajnos még mindig előfordulnak olyan robbanások, amelyek demonstrálják a robbanás pusztító hatását, mind az embereken, mind az üzemekben. Ilyen esetekről később még részletesen beszélünk. A gyújtóforrásokkal kapcsolatos megoldásokat többnyire másodlagos robbanásvédelemnek szokták emlegetni és a prioritást azok a megoldások kapják, melyeket elsődleges robbanásvédelemnek nevezünk, mint például: a nem gyúlékony anyagokra történő figyelemfelkeltés, amelynek nem tudnak robbanásveszélyes elegyet képezni. Azonban, nem mindig lehetséges a robbanásveszélyes anyagok kizárása, mint a metán vagy szénpor a bányák esetén, vagy a benzin – illetve a jövőben talán - hidrogén a gépjárművekben. Ilyen esetekben a védelmet és a biztonságot olyan készülékek biztosítják, amelyek megbízhatóan védettek a robbanás ellen. Ilyen típusú berendezésekről is szó fog esni a későbbiekben.

3

A bányászati alkalmazások voltak a legelsők. A földgáz és az ásványi olaj bányászata és feldolgozása széles tárházat biztosít a robbanásbiztos készülékek alkalmazása számára. A szerves vegyipar, a festékgyártás és a gyógyszergyártás mindegyike robbanásveszélyes folyadékokkal és gázokkal dolgozik. A biogáz termelése és feldolgozása, és a szeméttelepek ökológiai felhasználása miatt az új alkalmazások folyamatos fejlődésben vannak. A hidrogén felhasználása egyre többször beszédtéma, kísérletek folynak, és a szakkiállításokon is jelen van. Feladatunk összefoglalva az, hogy ismertessük a témához kapcsolódó definíciókat, tisztázzuk az alapfogalmakat, bemutassunk azokat a készülékeket, amivel a robbanási határok megbízhatóan kimérhetők, valamint olyan készülékeket, amelyek a jelzik egy térség robbanóanyag koncentrációját, valamint riasztásra képesek egy bizonyos szint elérésekor. Emellett bemutatjuk a porrobbanás előrejelzésére szolgáló készülékek néhány tagját, és megismertetünk néhány közel múltban történt robbanási balesetet.

Alapfogalmak ismertetése:

Az égés legáltalánosabb értelemben oxidáció (tűzvédelmi szempontból a levegő oxigénjével történő egyesülés). Az éghető anyag és az oxigén hőfejlődéssel járó (exoterm) reakciója, melyet füst- és/vagy lángképződés kísér. Az égés feltételei: Az égéshez három alapfeltétel együttes megléte szükséges:

4

•

éghető anyag,

•

oxidálószer (pl.: a levegő oxigénje) és

•

a gyújtóforrás.

Éghető anyag: gáz, gőz, folyadék, szilárd anyag vagy ezek keveréke, amely gyulladás esetén exoterm reakcióba léphet a levegővel, vagy éghető gáz, gőz vagy köd létrehozására képes. Másképp megfogalmazva: azok az anyagok, amelyek oxigénnel hőfejlődés mellett egyesülnek. Nem vonható éles határ az éghető anyagok, illetve a jól vagy nehezen éghetők között. – Általában éghetőek azok az anyagok, amelyek tűz vagy hő hatására lángra lobbannak, parázslanak, szenesednek és a tűzforrás eltávolítása után a fenti jelenségek tovább fennmaradnak. – Nehezen éghetőnek nevezzük az anyagokat, ha azok tűz vagy hő hatására lángra lobbannak, parázslanak vagy szenesednek, de a hőforrás eltávolítása után a jelenségek megszűnnek. – Nem éghetőnek nevezzük az anyagok azon körét, amelyek tűz vagy hő hatására nem lobbannak lángra, nem parázslanak és nem szenesednek. 4 Gyulladás (MSZ 595/1): az égési folyamat megindulása külső gyújtóforrás hatására, vagy anélkül. Gyulladási hőmérséklet (éghető gázé vagy éghető folyadéké) (MSZ EN 1127-1): a forró felület előírt vizsgálati körülmények között meghatározott legkisebb hőmérséklete, amelynél az éghető anyag, úgymint gáz-levegő vagy gőz-levegő keverék gyulladása bekövetkezik. Gyulladáspont (gyulladási hőmérséklet) (MSZ 595/1): az a legalacsonyabb hőmérséklet, amelynél meghatározott vizsgálati körülmények között az anyagból felszabaduló gőzök és gázok meggyulladnak.

Az égés nem jöhet létre, ha nem egy időben van jelen a három alapfeltétel, továbbá a gyújtóforrásnak kellő ideig jelen kell lennie, hogy az éghető anyag elérje gyulladáspontját.

5

Az égési folyamat maga kategorizálható az égés sebessége 2 alapján. Így megkülönböztethetünk: •

lassú égést: mm/másodperc sebességű lineáris terjedési sebesség (pl. izzás), valamint a rothadás, bomlás is egy lassú égési folyamat.

•

normális égést: cm/másodperc sebességű

•

gyors égést: dm/másodperc sebességű (pl. tűzveszélyes folyadék égése)

•

robbanás: 100–12 000 m/másodperc sebességű, melyen belül lehet • explózió: 100–1 000 m/másodperc (pl.: lőpor) • detonáció: > 1 000 m/másodperc (pl.: brizáns robbanóanyagok, pl.: TNT)

A robbanás fogalma más oldali megközelítésben: lökésszerű oxidációs vagy bomlási reakció a hőmérséklet, a nyomás vagy egyidejűleg mindkettő megemelkedésével. A robbanási ötszög kibővíti az égési háromszöget, és figyelembe veszi az éghető anyag és az oxidálószer elkeveredését, valamint a keverék bezártságát. Az utóbbi szempontok azt jelzik, hogy a műszaki körülményeket is figyelembe kell venni a biztonság tervezésekor.

3

Robbanás esetén a következő alapfogalmakat kell tisztáznunk: Robbanási tartomány: az éghető anyag azon koncentrációtartománya a levegőben, amelyben felléphet a robbanás. Robbanási határok: a robbanási tartomány határai. (Alsó és felső robbanási határ.) 6

Alsó robbanási határ: a robbanási tartomány alsó határa, az éghető gáznak vagy gőznek azon koncentrációja levegőben, amely alatt a gázközeg nem robbanóképes. Felső robbanási határ: a robbanási tartomány felső határa, az éghető gáznak vagy gőznek azon koncentrációja levegőben, amely fölött a gázközeg nem robbanóképes. Robbanási pontok: alsó és felső robbanási pont. Alsó robbanási pont: az éghető folyadék azon hőmérséklete, amelyen a telített gőz koncentrációja a levegőben az alsó robbanási határral azonos. Felső robbanási pont: az éghető folyadék azon hőmérséklete, amelyen a telített gőz koncentrációja a levegőben a felső robbanási határral azonos.

Robbanásveszélyes anyagok: Robbanásveszélyes állapot: az ,,A'' vagy ,,B'' tűzveszélyességi osztályba tartozó anyag olyan mennyiségben való jelenléte, valamint előfordulási módja, állapota, mely esetén az égés, robbanás feltételei közül legalább még az oxigénkoncentráció vagy a gyújtási energiai adott. Robbanásveszélyes tér: robbanásveszélyesnek minősül az olyan időleges vagy tartós robbanásveszélyes tér, ahol a helyi és az üzemi adottságok miatt veszélyes mennyiségű, robbanásra képes gőz-levegő elegy keletkezhet, illetve ilyen környezet alakulhat ki. Robbanásveszélyes térség: az a térség, amely a helyi és az üzemi körülmények miatt robbanóképes lehet. Robbanóképes gázközeg: gáz- vagy gőzállapotú éghető anyag levegővel alkotott keveréke normál légköri viszonyok között, amelyben a gyújtást követően az égés végigterjed a teljes keveréken. Robbanóképes közeg: légköri körülmények között levegőből és éghető gázokból, gőzökből, ködökből vagy porokból álló keverék, amelyben az égési folyamat a sikeres gyújtás után az egész nem égő keverékre.

7

Robbanóképes közeg legkisebb gyulladási hőmérséklete: az éghető gáz vagy az éghető folyadék gőzének gyulladási hőmérséklete vagy a porfelhő legkisebb gyulladási hőmérséklete, a mindenkori előírt vizsgálati körülmények között. Robbanásálló: tartályok és üzemi eszközök azon tulajdonsága, hogy vagy a robbanási nyomásnak, vagy a robbanási nyomáshullámnak ellenálló kivitelűek. A robbanáshoz köthető definíciókon kívül tisztázni szeretnénk az robbanási határok érzékeléséhez használt szerkezetek, a gázérzékelők5 meghatározását is, valamint a jelenlegi jogszabályokat arról, hogy milyen értékeknél milyen riasztási fokozatot szükséges jelezniük. Gázérzékelő: a levegőben az alsó robbanási határ adott, meghatározott koncentrációjú éghető gáz (gőz) jelzésére és a gázvédelmi rendszer beavatkozó szerveinek vezérlésére alkalmas készülék. A tűzvédelem területén a gázérzékelők alapvető feladata nem a tűzjelzés, hanem a tűzés robbanásveszély jelzése. Gőzök, gázok meghatározott térfogatszázalék tartományban képesek égésre, robbanásra. A jelenlegi szabályozások az ARH (alsó robbanási határérték) 20%-ánál riasztási, 40%-nál beavatkozási kötelezettséget írnak elő. A gázérzékelők lehetnek adott helyre telepítettek, beépítettek és lehetnek hordozható kézi eszközök. A gázrobbanás alapjainak meghatározása után néhány éghető gáz alsó és felső robbanási határát szeretnénk bemutatni, térfogatszázalékban kifejezve. 6 A legegyszerűbb éghető gázok azok a szerves vegyületek, amelyeket szénhidrogénként ismerünk, és amelyek a nyers kőolaj túlnyomó részét képviselik (pl. metán, hexán stb.). Néhány éghető gáz alsó és felső robbanási határa, térfogatszázalékban kifejezve. gáz Aceton Acetilén

ARH 2.6 2.5

FRH 13.0 100.0

gáz Heptán Hexán 8

ARH 1.1 1.2

FRH 6.7 7.4

Akrilnitril Allén Ammónia Benzol 1,3-butadién Bután n-butanol α-butilén Cisz-2-butén Transz-2-butén Butil-acetát Szén-monoxid Karbonil-szulfid Politetrafluoretilén Kumol Dicián Ciklohexán Ciklopropán Deutérium Diborán Diklór-szilán Dietil-benzol 1,1-difluoro-1-klór-

3.0 1.5 15.0 1.3 2.0 1.8 1.7 1.6 1.7 1.7 1.4 12.5 12.0 8.4 0.9 6.6 1.3 2.4 4.9 0.8 4.1 0.8 9.0

17 11.5 28.0 7.9 12.0 8.4 12.0 10.0 9.7 9.7 8.0 74.0 29.0 38.7 6.5 32.0 7.8 10.4 75.0 88.0 98.8 – 14.8

Hidrogén Hidrogén-cianid Hidrogén-szulfid Izobután Izobutilén Izopropanol Metán Metanol Metilacetilén Metil-bromid 3-metil-1-butilén Metoxi-etanol Metilklorid Metil-etil-keton Metil-merkaptán Metil-viniléter Monoetil-amin Monometil-amin Nikkel-karbonil Pentán Piridin Propán Propilén

4.0 5.6 4.0 1.8 1.8 2.2 5.0 6.7 1.7 10.0 1.5 2.5 7.0 1.9 3.9 2.6 3.5 4.9 2.0 1.4 1.4 2.1 2.4

75.0 40.0 44.0 8.4 9.6 – 15.0 36.0 11.7 15.0 9.1 20.0 17.4 10.0 21.8 39.0 14.0 20.7 – 7.8 – 9.5 11.0

etán 1,1-Difluoretán 1,1-Difluoretilén Dimetil-amin Dimetil-éter 2,2-dimetilpropán Etán Etanol Etil-acetát Etilbenzol Etil-klorid Etilén Etilén-oxid Benzin

5.1 5.5 2.8 3.4 1.4 3.0 3.3 2.2 1.0 3.8 2.7 3.6 1.2

17.1 21.3 14.4 27.0 7.5 12.4 19.0 11.0 6.7 15.4 36.0 100.0 7.1

Propilén-oxid Sztirol Tetrafluor-etilén Tetrahidrofurán Toluol Triklór-etilén Trimetil-amin Turpentine Vinil-acetát Vinil-bromid Vinil-klorid Vinil-fluorid Xilol

2.8 1.1 4.0 2.0 1.2 12.0 2.0 0.7 2.6 9.0 4.0 2.6 1.1

37.0 – 43.0 – 7.1 40.0 12.0 – – 14.0 22.0 21.7 6.6

Porrobbanás: Az oxidációra hajlamos, éghető anyagok por alakban könnyen gyulladnak, sőt bizonyos körülmények között robbanásveszélyesek.

9

Por (MSZ 21460/3): por alatt a pordiszperzió, a porhalmaz vagy a porszemcse fogalmak valamelyikét értjük. Pordiszperzió (MSZ 21460/3): gáz halmazállapotú közegben jelentkező, egymástól független porszemcsék összessége. Porszemcse (MSZ 21460/3): valamely porhalmaz vagy pordiszperzió egyedi részecskéje, amely

halmazállapotát

tekintve

szilárd.

Megjegyzés: a gyakorlatban porszemcséknek csak azok a szemcsék tekinthetők, amelyek nyugvó gázban rövid gyorsulási szakasz után közel állandó esési sebességet érnek el. Porfinomság: a por aprítottsági fokának (diszpergáltsági fokának) kifejezése. A finomság jellemzői: a szemcseméret, az esési sebesség és a fajlagos felület. Szemcseméret (MSZ 2146/3): jele: d; mértékegysége: μm. A szemcse jellemző adata, amely megadható az ekvivalens gömb átmérővel vagy pl. a szitalyuk méretével. Szemcsenagyság fokozat (frakció) (MSZ 214600/3): két meghatározott méret által határolt tartomány. Esési sebesség (MSZ 21460/3): jele: We; mértékegysége: m/s. A porszemcséknek az az állandó sebessége, amely a meghatározott állapotú áramlásmentes gázban, vagy folyadékban rövid útszakaszon át tartó gyorsulás után a felhajtó erővel csökkentett nehézségi erő és a közegellenállás hatására kialakul. Fajlagos felület (MSZ 21460/3): jele: Af; mértékegysége: m2/m3, m2/g. A por térfogat vagy tömegegységre vonatkoztatott felülete. Porhalmaz (MSZ 21460/3): Gáz halmazállapotú közegben egymással érintkezésben lévő porszemcsék együttese. Porminta (MSZ 21460/3): porkoncentráció mérésekor vagy porvizsgálathoz összegyűjtött por. Előkészített porminta: porvizsgálatokra alkalmas meghatározott nedvességtartalmú és szemcseméretű porminta. 10

Portartalom (porkoncentráció) (MSZ 21460/3): mértékegysége: g/m 3; db/cm3; db/m3. Egységnyi térfogatú gázban lévő por tömege, illetve szemcseszáma. Por-levegő elegy (porfelhő): porszemcsékből és az ezeket körülvevő levegőből álló heterogén rendszer. (A porszemcsék többnyire egymáshoz képest relatív mozgásban vannak.) Jellemzője a térfogategységben lévő porszemcsék tömege. Lerakódott por: valamilyen felületen (vagy készülékben) elhelyezkedő nyugvó por, amelynek szemcséi egymással érintkeznek és egymáshoz képest relatív nyugalomban vannak. Porrobbanás (MSZ 21460/3): robbanási koncentrációjú reakcióképes por-gáz keverék külső gyújtás

vagy

megfelelő

hőmérsékletemelkedés

esetén

bekövetkező

gyors

égése.

Megjegyzés: a gyakorlatban elterjedt égés, puffanás, robbanás, detonáció kifejezéseket az égési sebesség és a kialakuló nyomás szerint alkalmazzák. A por- és gázrobbanás között nagy a hasonlóság. A por égésének, robbanásának reakciósebessége annál nagyobb, minél finomabbak a szemcsék. Porrobbanás szempontjából általában a 100 μm-nél kisebb frakciók a veszélyesek. Éghető por begyulladásához alapvetően a következő feltételek teljesülése szükséges: megfelelő por és oxigén koncentráció a diszperz rendszerben, gyújtási energia felszabadulása. Az alsó gyúlási határ az a porkoncentráció, amelynél kevesebb por jelenléte esetén még nem gyújtható be az aeroszol. A felső gyúlási határnál nagyobb koncentrációjú keverék pedig az oxigén hiánya miatt nem képes égni. Robbanás szempontjából az égési reakciók egyenleteiből számítható - a sztöchiometrikushoz közeli - koncentráció a legveszélyesebb. Minden éghető anyag pora porrobbanás veszélyes! A nem éghető anyagok közül azoknak a porai robbanóképesek, amelyek hő, vagy egyéb energiaközlés hatására oxidációra képesek. Az oxidáció hevessége több körülménytől függ, ezek: • szemcseméret (szabad felület), • nedvesség (páratartalom), 11

• oxigénkoncentráció, • környezeti hőmérséklet, • gyújtóforrás energiája. Természetesen itt csak lebegő porok esetében beszélhetünk a porrobbanás veszélyről. Ha az égéstermékek elvezetése nem jöhet létre, akkor a hőmérséklet emelkedése és a nyomás hirtelen növekedése több nagyságrenddel meggyorsítja a folyamatokat, ez vezet robbanáshoz, ill. súlyos esetben detonációhoz. A gyújtási energiát külső hőforrás, elektromos szikra vagy a por öngyulladása biztosíthatja. Elektromos gyújtást rövidzárlat vagy dörzselektromosság idézhet elő. Gyulladási hőmérséklet (MSZ 21460/3): jele: tg, mértékegysége: °C. Egy felületnek az a legalacsonyabb hőmérséklete, amelyen 5 mm száraz porréteg még éppen meggyullad. A por begyulladásának megelőzése érdekében lehetőleg kicsi por és oxigén koncentrációt kell biztosítani, vagy meg kell előzni az öngyulladást. Gyújtási hőmérséklet (MSZ 21460/3): jele: tgy; mértékegysége: °C. Hevített felületnek az a legalacsonyabb hőmérséklete, amelyen a gyúlékony por-levegő keverék még éppen robban (meggyullad). Vonatkozhat száraz és 90% relatív nedvességű porra. Idegen anyagok jelenléte megváltoztathatja az égés, ill. robbanás körülményeit. Az anyag nagy nedvességtartalma a víz jelentős párolgáshője következtében csökkenti az égési sebességet. Kisebb mennyiségű víz azonban katalizáló hatást fejthet ki. Nyugvó porok gyújthatósága: mértékegysége: °C. Olyan vizsgálati sorozat, amelynek során a porok különböző hőforrásokkal szembeni termikus viselkedését (bomlás, folyamatos égés, önkioltó égés, stb.) elemzik. Porlerakódás izzási hőmérséklete: mértékegysége: °C. Az a legalacsonyabb hőmérséklet, amelyen 5 mm vastag porréteg – a levegőn lángjelenség nélkül izzani kezd. Svélpont: mértékegysége: °C. Szerves poroknak azon hőmérséklete, amelynél az adott anyagból már annyi éghető gáz, gőz keletezik, hogy az oxigénnel elegyedve villamos szikrával ellobbantható (elrobbantható). 12

Legnagyobb robbanási nyomás: jele: pmax; mértékegysége: bar. Ideális koncentrációjú por-levegő elegy robbanásakor fellépő legnagyobb nyomása zárt tartályban mérve. Legnagyobb robbanási nyomásemelkedési sebesség: jele:

dp bar ; mértékegysége: . Idedt max s

ális koncentrációjú por-levegő elegy robbanásakor keletkező nyomás emelkedésének az időegységre vonatkoztatott legnagyobb értéke. Alsó robbanási határkoncentráció (MSZ21460/3): jele: kra, mértékegysége: mg/m3. Reakcióképes por egységnyi térfogatú és meghatározott állapotú levegőben mérhető legkisebb mennyisége, amelynél külső gyújtás, vagy meghatározott hőmérséklet emelkedés hatására a keverék már felrobban. Felső robbanási határkoncentráció (MSZ 21460/3): jele: krf; mértékegysége: mg/m3. Reakcióképes por egységnyi térfogatú és meghatározott állapotú levegőben mérhető legnagyobb mennyisége, amelynél külső gyújtás, vagy meghatározott hőmérséklet emelkedés hatására a keverék már nem robban fel. Dörzsérzékenység: poroknak súlyterheléssel és egyidejű dörzsöléssel történő vizsgálata során a súlyterhelés azon értéke, amelynél a vizsgált porban már fizikai-kémiai változás (égés, robbanás, bomlás, stb.) következik be. Elektrosztatikus töltés (MSZ 16040/1): jele: Q; mértékegysége: C (coulumb). Elektrosztatikus az a villamos töltés, amely azonos vagy különböző anyagok mechanikus érintkezése majd szétválása következtében a vezető vagy szigetelő anyagon felhalmozódik. Elektrosztatikus szikra (MSZ 16040/1): elektrosztatikus szikra a villamos töltés gyors kisülése levegőn keresztül, két test között, amelyek nincsenek egymással vezető érintkezésben. Gyújtóképes szikra (MSZ 16040/1): gyújtóképes az a szikra, amelynek elegendő energiája van ahhoz, hogy gyúlékony közeget meggyújtson, tüzet vagy robbanást okozva. Nem gyújtóképes szikra nem okoz gyújtást még akkor sem, ha gyúlékony közegben keletkezik.

13

Teljes szikraenergia (MSZ 16040/1): jele: Wsz; mértékegysége: J (joule). Teljes szikraenergia az az energia, amely a feltöltött testek kisülésénél szabaddá válhat. Vezetőknél, illetve vezetőrendszereknél ez a töltés energiával azonos. Minimális gyulladás energia (MSZ 16040/1): jele: Wgy; mértékegysége: J. Minimális gyulladási energia a kisütőáramkör töltésének, kapacitásának és a szikraközt képező elektródák alakjának illetve távolságának változásával meghatározható az a legkisebb felszabaduló teljes szikraenergiája, amely a 98,07 kPa túlnyomású, 20 °C hőmérsékletű, leggyúlékonyabb gáz-, gőz-, por-levegő elegyet még éppen meggyújtja. Néhány por alsó robbanási határa g/m3-ban kifejezve! 7 Anyag neve alumínium magnézium cink cellulóz-acetát metil-akrilamid poliamid polisztirol karbamid kakaópor kávé kukoricakeményítő liszt paradicsompor cukor adipinsav szénpor szennyvíziszap foszfor élesztő

ARH (g/m3) 60 30 250 30 30 125 400 125 60 60 30 125 125 100 60 60 250 280 60

14

Irodalomjegyzék

•

http://www.bartec.de/Ungarn/images/Ex_Protection_HU_310709.pdf

•

Az égési és robbanási definíciók a http://www.tuzinfo.hu/?oldal=szakszotar weboldalról származnak.

•

http://hu.wikipedia.org/wiki/%C3%89g%C3%A9s_(t%C5%B1zv%C3%A9delem)

•

http://dokutar.omikk.bme.hu/collections/mgi_fulltext/munkavedelem/2004/06/0606.p df

•

http://kalaszituzi.uw.hu/egeselmelet.pdf

•

http://vagyonorujsag.hu/vagyonorujsag/pdf/tuzvedelem.PDF

•

http://www.mathesongas.com/pdfs/products/Lower-(LEL)-&-Upper-(UEL)-Explosive-Limits-.pdf

•

http://www.dustexplosion.info/dust%20explosions%20-%20the%20basics.htm

15

Érdekes robbanások és azok okának bemutatása példákon keresztül -Beöthy EszterAz ipari forradalom óta megszaporodtak a por- és gázrobbanások, különösen az ipar területén. A rengeteg anyagot feldolgozó, átdolgozó gyártási műveletek, illetve a veszélyes, gyúlékony anyagokkal való munka elterjedése ezt könnyen magyarázza. Amikor ipari robbanásról beszélünk, a tájékozottabbaknak biztosan eszébe jut az 1921-es az oppaui műtrágya gyárban történt robbanás. Azóta, bár a robbanások természete nem nagyon változott, a kiváltó okok, elkövetett hibák, hiányosságok igen. Azért, hogy az olvasó inkább a napjainkban történt por-, illetve gázrobbanásokat ismerhesse meg, az alábbiakban két porrobbanást és egy gázrobbanást mutatunk be, melyek mind 2000 után történtek. Az iparban nagyjából kétszer annyi a porrobbanás, mint a gázrobbanás, ezért az elemzések ilyen aránya. 1. West Pharmaceutical Services (North Carolina) Körülmények: 2003. január 29-én egy hatalmas robbanás történt egy amerikai gyárban, ami többek között gumiból készült orvosi eszközöket gyártott. A nyers gumi feldolgozása során a belőle készült szalagokat görgősoron keresztül egy oldattal teli kádon vezették át. Ennek a célja elsősorban az volt, hogy meggátolják a rétegek egymáshoz tapadását. A fürdő vízből, és finomszemcsésre porított poli-etilénből állt. A következő szakasz a szalagok szárítása volt, amit a görgősor mögé helyezett ventilátorokkal valósítottak meg. Ahogy a gumi száradt, a poli-etilén por a levegőbe került, és a munkások számára láthatatlan felhőként a szellőztető rendszeren keresztül az álmennyezet rejtett terébe került, ahol az évek során felhalmozódott, helyenként elérte a 4 cm vastagságot is. A végzetes napon, kb 1óra 28 perckor egy kisebb fajta tűz, vagy robbanás történt a gyártási sor közelében. Ez föllazította a mennyezet fölött felgyülemlett porréteget, így kialakult egy sűrű porfelhő, ami begyulladt, egy sokkal nagyobb, másodlagos robbanást okozva, közvetlenül a dolgozó munkások feje fölött. Egyesek úgy írták le a jelenséget, mintha villámlást láttak volna, amint a robbanás átszakította a födémet, majd széttépte az épületet. A baleset 6 ember életét követelte, és további 38-at megsebesített.

16

Okok: Az elsődleges ok, amiért ez a robbanás megtörténhetett, az a felhalmozódott porréteg volt az álmennyezet fölött. Ezt el lehetett volna kerülni, ha megfelelő szigeteléssel megakadályozzák, hogy a még ilyen finom por se juthasson be ebbe a térbe, vagy, ha egyáltalán, eltekintenek az álmennyezettől. Továbbá, a munkások nem voltak tudatában a poli-etilén por robbanékony természetének. Ez egy olyan tulajdonság, amit fel kellett volna tüntetni az anyaghoz tartozó biztonsági kártyán. A munkafolyamat során a poli-etilén oldat formájában volt jelen, senki nem gondolt arra, hogy a gyártás természeténél fogva, a szárítás folyamatában porként a levegőbe került, így ennek a veszélyével a tervezéskor, biztonsági intézkedéskor nem is számoltak. A munkát nagyon tiszta körülmények között végezték, a munkások mindig odafigyeltek a rendszeres takarításra, portalanításra. Egyesek annak is tudatában voltak, hogy ott van a fejük fölött ez a fölgyülemlett por, de mivel nem tudták, hogy ez milyen veszélyeket hordoz magában, nem tájékoztatták a vezetőséget. Amikor a helyi tűzoltóság, ill. biztosítótársaság emberei a robbanást megelőzően rutin ellenőrzést tartottak az épületben, egyikük sem találta, hogy fenn áll a veszélye egy esetleges porrobbanásnak. Ezen kívül, az álmennyezet fölött található elektronikus berendezések, vezetékek sem voltak olyan osztályba sorolva, ami megengedné, hogy robbanékony közegben legyenek üzembe helyezve.

17

2. CTA Acoustic (Kentucky) Körülmények: Kevesebb mint egy hónappal a West Pharmaceutical gyárában történt robbanás után, egy újabb robbanás rázta meg a köztudatot. A baleset 2003. február 20-án, történ egy gyárban, ami üvegszálas hangszigetelési technikát gyártott autók részére. 7 halálos áldozatot követelt, és további 37 sebesültet hagyott maga után. Négy gyártási sor volt a gyár déli szárnyának a közepén, egy légtérben, de bizonyos helyekre ún. tűzfalakat telepítettek, hogy egy esetleges tűz terjedését megakadályozzák, az oltást koordinálhatóvá tegyék. Azonban az egyik ilyen tűzfal sort, 2002 végén lebontották, azt a munkálatot egy ellenőrző bizottság jóvá is hagyta. A 405-ös gyártósoron az üvegszálakat futószalagra juttatták, hogy hálót alkossanak belőle. Ezután por állagú, gyúlékony fenolgyantát öntöttek az üvegszálakra, majd ezt levegőátszívatással oszlatták el a szálak között. A leszakadó szálak és a por négy függőleges csövön keresztül az épület tetején elhelyezett, zsákos porszűrő berendezésbe került, ahol a hosszú zsákok falán rohamosan összegyűltek. Miután így elkészült a gyantával impregnált vékony szőnyeg, két műanyag réteg került mindkét oldalára, majd belépett egy gáztüzelésű kemence légterébe, ahol a magas hőmérséklet miatt térhálósodás indult be. Itt apró részek szakadhattak le, kerültek a kemence tűzterébe, gyakran kisebb tüzeket okozva. A kemence oldalán 4 ajtó üzemelt, ezeken keresztül oltották el a munkások az így keletkezett tüzeket. Minden műszak alatt egyszer leállították a gyártási sort tisztítás céljából. A tetőn, sűrített levegőt használva a porszűrőhöz vezető csövekben lerakódott porréteget visszafújták a gyártási területre, ahol zsákokba gyűjtötték. Szintén sűrített levegő, ill. seprűk segítségével takarították a padlót ebben a térségben. Ez a takarítás elősegítette, hogy az eddig meghatározott, kezelhető felületeken összegyűlt por a levegőből elérhetetlen, vízszintes, lapos felületeken letelepedjen. A falra szerelt ventilátoroknak az volt a feladata, hogy a takarító munkásoktól folyamatosan elfújja a porfelhőt, így a por sokkal távolabbi, sokkal nagyobb területeken tudott újra leülepedni. Mindeközben a kemence fűtését, habár a futószalag nem üzemelt, nem állították le, mert nagyon sok időbe tellett volna, míg visszamelegszik a kívánt hőmérsékletre, de az ajtók azért rendszerint csukva voltak.

18

2003 februárjában a CTA Acoustic megbízott egy céget a szellőztetési, levegőtisztaség védelmi rendszer felülvizsgálatára, azonban ez a vizsgálat egyáltalán nem volt kihegyezve a gyúlékony porok biztonságtechnikájára. A jelentés több, nyugtalanító megállapítást tett. A szellőző tetők nyílásain lévő szűrők nem voltak rendszeresen és megfelelően takarítva, így rontva az elszívás hatásfokát, a porszűrő berendezés a tervezett kapacitás kb. 35%-át fedezte. Ezt a ventilátorok rossz állapotával, a szívócsövek esetleges eldugulásával, illetve a porzsákok eltömődésével magyarázták. Továbbá megállapították, hogy a kérdéses területen a többihez viszonyítva sokkal vastagabb porréteg gyűlik össze egységnyi idő alatt. Mindezen megállapítások fényében módosításokat javasoltak a gyár szellőztető rendszerének módosítására. Február 20-ára – a robbanás napjára – volt kiírva az átalakítások kivitelezésének kezdete, amely során lecserélték volna a zsákos porszűrő berendezést egy nagyobb teljesítményűre, módosították volna a szellőző nyílások szűrő filterét, hogy gyorsabb ütemben tudják megszűrni a tisztítandó levegőt, és beszereltek volna négy, kézi vezérlésű szellőző egységet, ami biztosította volna a friss levegő bejutását a gyártási térbe. A baleset napján több tényező is közrejátszott tehát, hogy a katasztrófa bekövetkezhessen. Az éjszakai műszak jelentette, hogy a 405-ös gyártási sor zsákos porszűrője nem működik megfelelően, az elszívás csökkent, és többlet por maradt a levegőben, ezért a porszűrőt kikapcsolták tisztítás céljából. A nappali műszak vezetője megállapította, hogy a négy, függőlegesen a porszűrőbe vezető cső közül az egyik el van dugulva, ezért néhány munkás felment a tetőre, hogy sűrített levegő visszafújásával kipucolják a csövet. A dugulást okozó anyag és a felgyülemlett por így visszakerült a gyártási területre. Ez, és egyéb tisztítási eljárások egy porfelhőt eredményeztek a 405-ös gyártósor körül. Ezen kívül a 405-ös sor kemencéjének a termosztátja napok óta rossz volt, a tűztérben a szükségesnél magasabb hőmérséklet uralkodott, ezért a dolgozók nyitva hagyták az egyik ajtót. Kezdeti robbanás a 405-ös gyártósor mentén Az első lángok a zsákos porszűrőből csaptak elő, megsebesítve a tetőn dolgozó két munkást. A lángok forrása az egy emelettel lejjebb történő porrobbanás volt. A korábban említett takarítás miatt keletkezett porfelhőt a ventilátorok a nyitott ajtajú kemence felé terelték, ahol már égett egy kisebb, megszokott tűz, amit a felhalmozódott, gyúlékony törmelék táplált. A tűz lángja berobbantotta a porfelhőt, ami egy nyomáshullám kíséretében, tűzgolyó formájában to19

vábbterjedt a soron, folyamatos tápot kapva a gyúlékony gyantától. A nyomáshullám ledöntött néhány tűzfalat, a tűz megsebesített számos dolgozót, közülük páran később belehaltak sérüléseikbe. A robbanás erejétől megrázkódó épület lapos felületeiről az évek során felhalmozott por meglazult, a levegőbe került, mégnagyobb porsűrűséget okozva. A terjedő tűz ezt is begyújtotta, így következett be egy másodlagos porrobbanás a 405-ös sor végén. A ledőlt tűzfalak, megrongálódott berendezés már nem akadályozta a tűz terjedését, így az lassan, kisebb robbanásokkal kísérve átterjedt az összes párhuzamos gyártósorra, míg a legtávolabbi végében egy harmadik porrobbanás nem történt. A pusztítás hihetetlen nagy anyagi kárt okozott, számos alkalmazottat megsebesítettek, voltak akik a helyszínen lelték halálukat, voltak akik hosszas kórházi kezelésre szorultak, és azt sem mindig élték túl.

3. Gázrobbanás egy benzinkútban (West Virginia) 2007. január 30-án West Virginia államban, Amerikában egy propán gázrobbanás történt egy út menti benzinkútban, négy halálos áldozatot követelve, és megsebesítve további 6 embert, az épületet teljes mértékben lerombolta, elpusztított egy mentőautót és egyéb járműveket. Körülmények: A benzinkút faszerkezetes épülete egy kisebb üzlethelyiségnek adott otthon, ami vegyesboltként, kávézóként, pizzériaként is üzemelt, propán által fűtött sütő berendezéseket használva. A bolt háta mögött, közvetlenül a fal tövében állt a tartály, amiből a gázt bevezették felhasználásra. 2005-ben a cég gázszolgáltatót váltott, akik egy új, korszerűbb tartályra tervezték cserélni a régit. A baleset napján ennek az új gázszolgáltató társaságnak egy fiatal gyakornoka készült átvezetni folyékony halmazállapotú propánt egy flexibilis csövön keresztül a meglévő tartályból az általuk telepíteni készült újba. 20

A gáz átszállításához ilyenkor a technikusnak először ki kell csavarnia egy biztonsági dugót a kivezető csonk szájából. Ennek a dugónak az oldalában van egy kis nyílás, amin a gáz elkezd kiszivárogni, ha túl nagy a nyomás a tartályban. Ilyen módon a propán megjelenése egy figyelmeztető jel, hogy ha teljesen kicsavarják a dugót, akkor jelentős, veszélyes szivárgás fog bekövetkezni, tehát a csapot vissza kell zárni. Ha nem figyelhető meg propán szivárgás, akkor a dugó teljesen kicsavarható a helyéről, és egy, a nyílásban lévő biztonsági szelepet nyitó csap illeszthető a kivezető csonkra, így a propán átáramlik a szelepen, a csapon, majd nyitáskor a rugalmas csövön keresztül átvezethető a másik tartályba. A baleset napján sok tényező közrejátszott a tragédia bekövetkezéséhez. Két technikus érkezett a helyszínre, de kettőjük közül csak a tapasztalatlan, fiatal gyakornok maradt ott, hogy az átállást levezényelje. Amikor elkezdte kicsavarni a dugót, gázszivárgás lépett föl, de ő nem volt kiképezve arra, hogy ezt figyelmeztető jelnek vegye, és teljesen kicsavarta a dugót, mire a propán hatalmas sugárban ömleni kezdett a levegőbe. Mint a későbbi vizsgálatok kiderítették, a biztonsági szelep megragadt a nyitott pozícióban, így engedve át a gázt. Egy fehér felhő gyűlt össze a gyúlékony propánból, közvetlenül a bolt háta mögött, majd a fal mentén, az épület szellőztető rendszerén keresztül bekerült a helyiségbe. A fiatal technikus felhívta a főnökét, hogy tanácsot kérjen tőle, majd az általános segélyhívót, a 911-et. A szivárgás kezdetét követő fél órában a négy bolti alkalmazott és a technikus is a helyén maradt, semmilyen evakuálási intézkedés nem történt. Amikor a helyi önkéntes tűzoltó elsőként megérkezett a helyszínre, elrendelte a kút bezárását, azonban a dolgozók még mindig bent maradtak a helyiségben. Sorban érkeztek a helyszínre a mentők, még egy önkéntes tűzöltó, és egy tapasztaltabb technikus a gázszolgáltató társaságtól. Épp elkezdték volna az épület kiürítését, amikor a gáz talált egy azonosítatlan gyújtó forrást, és felrobbant, a földdel eggyé téve a kis épületet.

21

Irodalomjegyzék

•

US Chemical Safety and Hazard Investigation Board: ◦ Investigation Report – Little General Store – Propane Explosion ◦ Investigation Report – Combustible Dust Fire and Explosions

•

http://www.csb.gov/ - Safety videos and reports

22

Robbanási határok meghatározási lehetőségei -Gelányi RenátaA éghető gázok, folyadékok és porok sok esetben jelenthetnek veszélyt, amit komolyan figyelembe kell venni. Ezért ezen anyagokat biztonsági paraméterekkel látunk el, melynek ismeretében a veszélyhelyzetek kiküszöbölhetők, illetve csökkenthetők. A gáz keverékek, szemcsék és porok gyújtási és robbanási tulajdonságainak meghatározására vizsgálati laboratóriumokban standard teszteket végeznek. Néhány standardizált teszt • Robbanási/ Gyulladási teszt • Robbanási nyomás fejlesztés • Alsó robbanási határ (ARH) • Porfelhők legkisebb gyújtási energiája (MIE) • Porfelhők minimális gyulladási hőmérséklete (MITdc) • Porrétegek minimális gyulladási hőmérséklete (MITdl) • Korlátozó oxigénkoncentráció (LOC) • Porok öngyulladási hőmérséklete (SIT/AIT) • Porréteg térfogati ellenállása Gáz keverék esetén, a gyulladási határérték meghatározására, az alábbi berendezéseket használják. Ismerni kell a pontos keverék összetételét, a gázok mennyiségét. A gázok a palackokból egy nyomásszabályzón át pneumatikus szelepek segítségével jutnak a gáztérbe, az egyik csatornán át. Az áramlási arányok nagyon kicsik ezért egy keverő készüléket is működtetnek (1. ábra 3. kép), ami a felső peremhez került beillesztésre. Két ellentétesen működő membránból áll, mint egy membrán kompresszor. Néhány tíz Hz-es frekvencián egy motor mozgatja a dugatytyúkat, amivel egy teljesen rétegzett keveréket át lehet keverni néhány percen belül. A keveréket a parciális nyomások alapján számolják. Az ürített tartályba a reagenseket bevezetik az előírt nyomáson. Ezen nyomások ellenőrzésére egy speciális készüléket használnak (piezorezisztív jelátalakító - Kistler). Továbbá a tartályból mintavételező segítségével figyelik az oxigén tartalmát (paramágneses O2 elemző – Servomex). A készülékek kellő pontosságot biztosítanak (oxigéntartalom +/- 0,01%, gáz koncentráció +/- 0.1%-on belül).

23

1. ábra Gázbevezetés A keverék befecskendezése után 30 másodpercig keverik. 10 másodperccel azután, hogy a keverő kikapcsolt a gyújtóforrás aktiválódik. Az adatokat egy adatgyűjtő program kezeli, mivel 13 jelet kell kellő pontossággal rögzíteni. A rögzített jelek a következők: • két nyomásjel átalakító • hat termoelem • gyújtóáram • gyújtási feszültség • gyors működésű szelep állapota • a gyújtási rendszer állapota és • további eszközök állapota (pl. gáz kromatográf vagy láng spektroszkópia) A két nyomásmérő közül az egyik a belső a másik külső robbanási nyomásérzékelő. Azért használnak kettőt, mert eltérnek egymástól. Az alábbi képen három különböző adatsort látunk, hidrogén keverékekre. Az ábrán látható, hogy a szegény 16 v/v%-os keverék esetén a két jel elfedi egymást. Egy kis eltérés mutatkozik a dús keveréknél (60 v/v%), ahol megjelenik egy P csúcs a nyomás emelkedésénél. Jelentősen különböznek a jelek, és egy hatalmas P csúcs jelenik meg a 45v/v%-os keverék esetén, ami a legreaktívabb (akár 130 bar). Tehát ha a keverékünk igen reaktív, akkor számíthatunk egy belső robbanásra, amikor az átlagos nyomás eléri a 30 bar-t (jobb oldali skála). A nyomás végig terjed a csövön, a végső nyomás elérheti a 150 bar-t.

24

2. ábra Higrogén keverék nyomás diagramjai A láng dinamikai vizsgálatára két technikát vezettek be. A láng megfigyelésére egy léghűtéses endoszkópot használnak, ami egy nagysebességű kamerával van telepítve. A láng pályájának pontosabb mérésére pedig ionizációs mérőeszközöket használnak, amiket egy rúdra rögzítve jutatnak a térbe. Ez az eszköz képes rögzíteni a robbanási jelenségek átmeneteit. Gyújtóforrások Robbanó gyújtó vezeték: A gyújtóforrást a tartály közepén helyezik el. Ez a készülék a gyújtást egy elektromos ív által generálja, ami két fém rúd között jön létre. Szikragyújtású: Két elektróda között létrejövő egy vagy több indukciós szikra is használatos gyújtóforrásként. Az elektródák rozsdamentes acélból vannak, amiket a robbanótartály közepén helyeznek el (3. ábra sárgán jelölt elektródák). A szikra kisülési ideje 0,2-0,5 másodpercre igazítható. A szikra ereje függ a keveréktől és a nyomástól. Atmoszférikus körülmények között teljesítményének kb. 10W-nak kell lennie.

25

Forró pontgyújtó: A megfelelő választás, ha tűzveszélyességi határértéket akarunk megállapítani. Egy fém pontot forrósítanak fel gyújtóforrásnak. Pirotechnikai gyufa: Ez az alternatíva, egy kis mennyiségű pirotechnikai keveréket tartalmaz, amit egy kis fűtött ellenállás gyújt be. A felszabaduló energia körülbelül 60 J. De ennek egy részét elnyelhetik a gyújtó szilárd alkotóelemei.

. ábra Különböző méretű berendezések Porrobbanás Cél az, hogy a berendezéseket a gyakorlatban a robbanási határoknak megfelelően méretezzük. Ezért többek között a jelzőszámok1 maximális értékeihez tartozó porkoncentrációt állapítjuk meg robbantási kísérletekkel (pl. jelzőszámok lefúvató keresztmetszetek meghatározására). Az átszámításokra alkalmas jelzőszámokat 1 m3-es űrtartalmú zárt készülékben határozzuk meg. Egy vizsgálóberendezés sémáját mutatja az alábbi ábra. A robbantó-kamra hengeres készülék, melynek átmérő-hossz aránya közel 1:1 arányú. Egy 5,4 l űrtartalmú, 20 bar levegő-nyomás alatt álló tartályban van a vizsgálandó por, amihez egy gyutaccsal működtetett elzáró szelep csatlakozik. A készüléken belül egy csőszerű félgyűrű helyezkedik el, amin 4-6 mm átmérőjű furatok vannak.

1 Robbanástechnikai jelzőszámok ismerete szükséges, hogy a védelmi módszereket megfelelően méretezzék. 26

1. Portartály 2. Gyutaccsal működtetett szelep 3. Porbeporlasztó cső 4. Gyújtás 5. Ellenőrző feszmérő 6. Piezo-elektromos nyomás távadók 7. Égéstermék elvezető 8. Perforált félgyűrű 9. Gázcsatlakozás 10. Levegőcsatlakozás A kamrába nagy nyomással beporlasztott port rövid késleltetési idő eltelte után (0,6 s) meggyújtják. Ekkor van az elegy a legturbulensebb állapotában, és e feltételek mellett várható a legnagyobb robbanási végnyomás. A növekvő turbulencia-fok növeli, a csökkenő pedig csökkenti a robbanás hevességét. A jelzőszámok nagyságát befolyásolja a mindenkori porkoncentráció. További befolyásoló tényezők: • szemcseméret eloszlás. A finomabb porok hevesebben reagálnak, mint a durvák. A pormintát úgy kell előkészíteni, hogy 63 µm szemcsenagyság alatt legyen. Általában 400 µm feletti szemcseméret esetén porrobbanással már nem kell számolni. Viszont a szemcsék egymáshoz súrlódva robbanóképes finom-durva porelegyé válhat. • a por nedvességtartalma. • a por-levegő elegy kiindulási nyomása. • a robbantó kamra térfogata.

27

• a minimális gyulladási energia. A kutatók megállapították, hogy ha a gyakorlatban is felhasználható robbanástechnikai jelzőszámokat szeretnénk megállapítani, akkor az erre használt készülék minimális űrtartalma 20 l. (A lefúvató keresztmetszetek méretezésénél ma is 1 m3-es készüléket használnak.) Kedvezőtlen a felület-köbtartalom aránya, de értékei különböző energiájú gyújtások esetén is megegyeznek.

Alsó robbanási határkoncentráció A vizsgálatot egy ún. módosított üveg-Hartmann készülékben végzik, ami 1,2 l térfogatú függőleges üvegcső (Pyrex). Alsó harmadában szikragenerátorhoz csatlakozó változtatható szikraközű elektródák vannak beépítve, amik a gyújtóforrást biztosítják. A fém alján egy perforált porlasztófejen keresztül fúvatják be a levegőt (7,0 bar nyomáson 50 ml-t). Ezzel történik az egyenletesen elhelyezett minta felkavarása a belső légtérben. A készülék tetején lévő műanyag karimába méretre vágott szűrőpapírt kell befogatni, aminek a közepére 1 cm átmérőjű lyukat kell vágni, hogy a levegőimpulzus ne szakítsa át. A sérült szűrőpapírt cserélni kell, hogy a legjobb homogenitást és turbulencia fokot érhessük el. Általában először a 100 g/m3 koncentrációjú elegy robbanthatóságát vizsgálják. Analitikai mérlegen 0,1 mg pontossággal lemérnek 0,12 g anyagot, amit a perforált rész köré öntenek, egyenletesen elosztva. A fémaljhoz rögzítik az üvegrészt ún. békazárral, majd az elektródákat is csatlakoztatják a szikragenerátorhoz. Kompresszorral 7 bar nyomású levegővel feltöltik az 50 ml térfogatú levegőimpulzust adó munkahengert. A töltéskapcsolót bekapcsolják és beállítják a 10 J-hoz szükséges töltőfeszültséget. Miután ezt elérte a töltést kikapcsolják, majd a késleltetés szabályzót ellenőrzik (ált. 40 ms) és beindítják a folyamatot. Pozitív a próba, ha a szikrakisülést láng vagy detonáció kíséri. Ilyenkor a szűrőpapír elreped esetleg meg is gyullad. A bemérést csökkentik 5-5 g/m 3-rel, amíg legalább 5 negatív eredményt nem kapnak egy bizonyos koncentrációnál. Ha az első próba negatív, akkor 50 g/m3-rel növelik a bemérést, és a pozitív próbától visszafelé haladva pontosítják az eredményt.

28

Kiértékeléskor az alsó robbanási határkoncentráció az a legkisebb koncentráció, aminél még a 10 J energiájú szikra hatására lángjelenség vagy detonáció jön létre a felkavart porban. Irányelvek ATEX irányelvei. Az 1999/92/EK irányelv megkívánja a munkaadótól, hogy ha robbanásveszélyes légkör merül fel a technológiai folyamat során, akkor végezzen kockázatelemzést. Az elemzési dokumentumban benne kell lennie többek között: • a robbanás kockázatának becslése • a szükséges intézkedések és vállalt óvintézkedések • terület veszélyességi besorozása Ágazatok, melyek érintettek: gyógyszeripari, kémiai, élelmiszeripari, kohászati, fafeldolgozó. A 94/9/EK irányelv a készülékgyártók számára előírja, hogy biztosítson olyan dokumentumot, ami kimondja, hogy a berendezés nem jelent robbanásveszélyt, ha olyan területen használják, ahol robbanásveszélyes por vagy gáz létezhet. Ez vonatkozik az elektromos és a nem elektromos berendezésekre egyaránt. Dokumentálnia kell az is, hogy ezek a készülékek, úgy lettek méretezve, hogy csökkentsék a robbanás hatásait. Vagyis a fentiek mellett, ezért is fontos és szükséges meghatározni a robbanási határokat.

Irodalomjegyzék •

Dr. Farkas Jenő: Porrobbanás. A védekezés lehetőségei. Budapest, 1989.

•

Report on the experimentally determined explosion limits, explosion pressures and rates of explossion pressure rise: http://www.morechemistry.com/SAFEKINEX/deliverables/44.Del.%20No.%208.pdf

•

Gexcon cég honlapja: http://www.gexcon.com/dustexplosiontesting

29

ARH – riasztás: alkalmas érzékelők I. -Szabó CsabaInfravörös gázérzékelők Az infravörös (IR) gázérzékelő egy jól kifejlesztett mérő technológia, melynél a mérés oxigénmentes közegben is végrehajtható; szilikonok, nehézfém vegyületek, halogének vagy kénvegyületek nem szennyezik az érzékelőt; a mérendő gáz nedvességtartalma nem befolyásolja a mérést; kimagaslóan jó nullpont-tartás; és a mérgező gázok és hűtőközegek mérésekor lehetővé teszi akár a 3 ppm-es riasztási szint beállítását is. Viszont drága, és az újrakalibrálás nehézkes. A kimutatható gázok gyakran maróak és reaktívak. A legtöbb típusú érzékelőnél, maga az érzékelő közvetlenül ki van téve a gáznak, gyakran okozva az érzékelőnek károsodást vagy idő előtti végleges meghibásodást. A fő előnye az IR eszközöknek, hogy az érzékelő közvetlenül nem lép kapcsolatba a kimutatható gázzal vagy gázokkal. Detektálás elve Mikor az infravörös sugárzás kölcsönhatásba kerül gázmolekulával, az energia egy részének ugyanolyan a frekvenciája, mint a gáz molekulának a természetes frekvenciája, és ez elnyelődik, amíg a maradék sugárzás transzmittálódik. Mivel a gáz molekulák elnyelik ezt a sugárzást, a molekulák energiát nyernek, és erőteljesebben vibrálnak. Ezen rezgés következtében a gázmolekulák hőmérséklete emelkedik. A hőmérséklet arányosan növekszik a gáz koncentrációjával, és ezt érzékeli a detektor. Kulcskomponensek az elemzéshez Ahhoz, hogy a gázelemzéshez hasznos jelet kapjunk, sok különböző komponenst és részt használhatunk manapság a tervezés során. Azonban a kiválasztásukra nincs konkrét szabály, az eszköz konfigurációja attól függ, hogy mit kell elérni, és hogy látja jónak a tervező. A következőkben a fő komponensek leírása található.

30

1. Detektor: Az infravörös detektorok az elektromágneses sugárzás energiáját illetve hőmérséklet-változását átalakítják elektromos jelekké. Sok típusú infravörös detektor létezik, és mindegyik detektortípus a teljesítményjellemzők széles skáláját kínálja. Néhány típus rövid ismertetése: 

Termoelektromos: a detektor átalakítja a hőmérsékletet elektromos jellé, közismert nevén termoelem. A különböző fémek találkozási pontja hozza létre a potenciálfeszültséget, amely egyenesen arányos a hő-

1. ábra - Termoelem

mérséklettel. Ez a csomópont lehet többszörös csomóponttáalakítani az érzékeny javítása érdekében. Az ilyen konfigurációt nevezik hőelemnek Alkalmazott technikaként használja a félvezető ipar, ahol több csomópontot sorba kötnek az eszköz kimenetének megsokszorozására, de a detektor csomag mégis miniatürizált és kompakt marad. Az eszköz mérete és tömege fontos szerepet játszik a készülék válaszidejének és egyéb jellemzőinek meghatározásában. Ez a detektor viszonylag lassú válaszidővel rendelkezik, de DC-stabilitás előnyeit ajánlja, amely nem igényel előfeszültséget(requiring no bias), és reagál minden hullámhosszra. Ez a legegyszerűbb módja a fényenergia elektromos jellé való átalakításának. 

Termisztor Bolométer: a bolométer változtatja az ellenállást, amikor infravörös sugárzás kölcsönhatásba lép a detektorral. Ez a hőérzékeny félvezető fém-oxidból készül.



Piroelektromos detektor: a piroelektromos anyagok kristályok, mint a lítium tantalát, amely spontán polarizációt mutat, vagy egy koncentrált elektromos töltést, ami hőmérsékletfüggő. Mivel infravörös sugárzás éri a detektor felületét, a hőmérséklet-változás hatására az áram megindul. Ez az áram arányos a sugárzás erősségével. Ez az érzékelő jó érzékeny31

2. ábra - Piroelektromos detektor

séget és válaszidőt mutat széles hullámhossz-tartományon, és hűtést sem igényel. Ez a leggyakrabban használt detektor gáz monitorozására. 

Luft detektor: a "luft" német szó, jelentése "levegő", és az eredeti luft detektorokat Németországban hozták létre. A luft detektor két kamrából áll, melyeket mikro-flow érzékelő vagy diafragma köti össze.

A kamrák ala-

csony nyomású gázzal vannak feltöltve. IR áttetsző ablakok zárják le a kamrákat és azonos intenzitású pulzáló infravörös sugárzást kap mindkét kamra, ha nincs jelen gáz. Mikor az alacsony nyomású gázt tartalmazó minta átáramlik a kamrán, sugárzási energiacsökkenést érzékel az érzékelő kamra, amely hőmérséklet és nyomáscsökkenést okoz. A hőmérséklet és nyomáscsökkenés egyenes arányban van a gáz koncentrációjával. Összeköttetésben álló kam-

3. ábra - Luft detektor

rák esetén a nyomáskülönbség a két kamra között kimutatható áramlást idéz elő, amelyet jelként érzékel a készülék. Abban az esetben, ha membrán választja el a két kamrát, a membrán mozgása okoz mérhető feszültségváltozást. Ennek az érzékelőnek sok hasznos felhasználási területe van, mint mérőberendezés és jó lehetőségeket kínál további fejlesztésre. 

Fotoakusztikus detektor: Ez az érzékelő hasonló a luft detektorhoz, kivéve, hogy a nyomásváltozást kondenzátor mikrofon méri. A mintagáz megadott időintervallumon belül halad keresztül a kamrán, majd annak adott mennyisége lezárja a kamrát. Egy infravörösen áttetsző ablakon keresztül adott hullámhosszú infravörös sugárzás pulzál a kamrába . A pulzáló nyomásváltozást a mikrofon méri mint frekvencia változást amely a jelet állítja elő.

32

2. Infravörös forrás: Egy hagyományos izzó jó infravörös forrás. Az izzó fémszál, hasonlóan a zseblámpákban találhatóakhoz, elegendő energiát sugároz az 1-5 mikronos tartományban a legtöbb szénhidrogén, szénmonoxid, széndioxid észleléséhez. Ez az egyszerű és olcsó fényforrás hosszú távú megbízhatóságot és élettartamot kínál. Minden fényforrás használható a mintagáz észleléséhez, amely elegendő sugárzást képes generálni a megfelelő hullámhosszon. Sokféle fényforrás elérhető, a különlegesen tervezett izzószálaktól egészen az elektromosan gerjesztett forrásokig. A fény modulálása: A detektor fajtájától függően szükséges lehet a fényforrás modulálása, ki és bekapcsolása bizonyos frekvencián, hogy a detektor és a hozzátartozó áramkör megfelelően működjön. Rendszerint ez a fény vágópengén való átvezetésével érhető el, amely ventillátorpengékhez hasonlít. A penge megszakítja a fényt, pulzáló frekvenciát hozva létre. A frekvenciát a motor sebessége és a pengék elrendezése határozza meg. A fényvágó előnye, hogy egyszerű és magas vágási frekvenciát biztosít, olyat amely másképpen elérhetetlen lenne pulzáló ízzószál fényforrással. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az ízzószál egy hevített drót és korlátozott a lehűlés és felmelegedés sebességében. Habár a fényvágóknak megvannak az előnyei, a nagy méretük és a motor összeszerelése teher lehet az olyan alkalmazások számára, amelyek egyszerű, robosztus beépítést igényelnek zord viszonyokban Ezen okból kifolyólag amikor csak lehet a pulzáló izzószálakat használják. A pulzáló izzószálak tipikusan a 2-5 mikronos tartományú hullámhosszt szolgáltatnak, függően a szál hőmérsékletétől és az izzó házának anyagától. Sokféle fényforrás és modulációs technológia érhető el. 3. Optikai filter: Két alapvető változata van a gázérzékelőknek, a diszperzív és a nem-diszperzív. A kettő közötti különbség a megfelelő hullámhossz kivonásának módja az infravörös forrásból. A dziszperzív típus optikai eszközt alkalmaz, mint például rácsot vagy prizmát, hogy szétterítse a fény spektrumát egy területen, amely a keresett hullámhosszt tartalmazza. A nem diszperzív típusok diszkrét optikai sáváteresztőket alkalmaznak, hasonlóakat a napszemüvegekhez, amelyek a nemkívánatos UV sugárzás kiszűrésével védik a szemet. Erre az összeállításra általánosan nem diszperzív infravörösként hivatkoznak (NDIR). Majdnem minden IR eszköz nem diszperzív típusú. A diszperzív típusokat tipikusan speciális igé33

nyeknél használják. A sáváteresztő szűrő az egyik legfontosabb elem a célgázhoz és az analizáláshoz történő tervezéskor. A szűrőket általában speciális optikai gyártó állítja elő. A metán szűrő tipikus feltételeit a 4. ábra mutatja.

4. ábra - metán szűrő feltételei

Százalékos áteresztés határozza meg az arányt az áteresztett sugárzás és a kísérő sugárzás között. A sávszélesség a hullámhosszok azon tartománya, amelyek áthaladnak a szűrőn az áteresztési pont csúcsának felénél. A hullámhossz határozza meg a szűrő szelektivitását és ezáltal az eszköz szelektivitását is. A központi hullámhossz határozza meg az észlelni kívánt gázt. Vannak bizonyos kialakítások ahol különböző hullámhosszú szűrők vannak elhelyezve körkörös alakban. Azáltal hogy a gázkeverők különböző szűrőknek van kitéve, különböző gázokat lehet beazonosítani a keverékből. 4. Gáz cella / fény út: A gáz cellákat gyakran úgy tervezik, hogy engedjék a fényt reakcióba lépni a minta gázzal. Általában ez úgy történik, hogy egy csövet alkalmaznak, amely engedi, hogy a fény az egyik végén be-, míg a másikon ki tudjon lépni, ahol a detek5. ábra - Ön-mintavevő gázcella

34

torral találkozik.”belépési” és „kilépési” csatlakozók vannak, amelyek engedik a minta gázt keringeni a csőben. Az úthosszt, vagy más néven a távolságot, melyet a fény megtesz a gázon keresztül, a gáz cella hosszának nevezzük. Ez a hossz egyenes arányban van az elnyelt sugárzás mennyiségével; vagyis, minél hosszabb az út, annál több sugárzás nyelődik el. Egy hosszabb úthossz nagyobb jelet eredményez ugyanakkora mennyiségű sugárzás felhasználásával. Mivel a gáz cellák direkt kapcsolatban vannak a gáz mintával, elvárható, hogy kémiailag inert anyagból készüljenek, biztosítva a hosszú távú stabilitását és megbízhatóságát az eszköznek. Konfiguráció Számos módja van a különböző IR eszközök elhelyezésének a gáz analizátor készítésekor. A dizájn lehet akár relatíve egyszerű, vagy nagyon összetett, számos különböző optikai eszköz felhasználásával, az analizálási feladattól függően. Azoknál az eszközöknél, melyek magas fokú érzékenységet, szelektivitást és stabilitást igényelnek, az analizátor összetettebb. Olyan eszközöknél, ahol a szelektivitás és érzékenység kompromisszumot kell, hogy kössön a megbízhatósággal egy barátságtalan, ipari környezetben, az egyszerűbb kialakítás kerülhet beépítésre. A 6os, 7-es és 8-as ábrák az IR analizátorok alapvető jellemzőit illusztrálják.

6. ábra - IR analizátor alapvető elrendezése

A 6-os ábra az alapvető elrendezést mutatja be: (1) IR forrás, (2) sáváteresztő szűrő és (3) interakció a gáz cellával és a detektorral. A használt detektor fajtájától függően, a sáváteresztő szűrőt el lehet helyezni a fényforrás előtt, ahelyett hogy a detektor elé kerülne. A 7-es ábra egy hasonló elrendezést mutat be, kivéve, hogy két detektor van használatban. Modulált IR források vannak visszatükrözve a detektorokra. Az aktív detektoron egy szűrő van a célgázhoz, míg a referencia detektor egy más hullámhosszú szűrővel van felszerelve. Más szóval az aktív detektor a célgáz észlelésére, míg a referencia detektor annak mellőzésére szolgál. A tényleges működés során a referencia detektor bázispont vagy zéró értéket

7. ábra - Két detektoros elrendezés

szolgáltat, míg az aktív detektor szolgáltatja a jelet; a két detektor eredményei közötti különbség biztosítja az aktuális időtartam különbséget az eszköz számára. Ez az elrendezés 35

kínálja a lehetőséget a változások kompenzációjára, amelyek a detektor érzékenységekor jelentkezhetnek az idő elteltével. Például az fényforrás intenzitása változhat idővel a beszennyeződés miatt., amely nullponteltolódást okozhat. A két-detektoros elrendezés minimalizálja ezt az eltolódást. Ugyancsak emiatt az elrendezés miatt, az úthossz megduplázódik, amely nagyobb jelerősséghez vezet. A 8-as ábra egy másik népszerű elrendezést mutat be. Ez a megoldás két csövet vagy cellát alkalmaz. Az egyik a referencia cella, amely tömény cél vagy referenciagázzal van töltve, míg a másik a mintavételező cella, amelyen a minta gáz halad keresztül. Ennél a konfigurációnál fényvágót alkalmaznak, amely alapjában véve egy tárcsa számos nyílással. Ahogy a fényvágó forog, alternálva engedi át a fényt a minta és referenciacellákon. Egyetlen detektor kapja a bázis értéket a referencia cellából, hasonlóan a referencia detektorhoz a 7-es ábrán. A gáz jelet a minta cellából nyeri.

8. ábra - Két csöves elrendezés

Karakterisztikák 

Hőmérséklet: Egy IR detektor alapjában véve egy hőmérséklet szenzor, és ezáltal potenciálisan nagyon érzékeny a környező hőmérséklet változásaira. Mégis a megfelelően megtervezett detektor -40 C és 60 C között képes üzemelni anélkül, hogy érzékelné a környezeti hőmérsékletben bekövetkező ingadozásokat. A legtöbb detektor nem megfelelően reagál a hírtelen hőmérsékletváltozásokra. Az eszköznek általában 10-20 percre van szüksége, hogy elérje a hőmérsékleti egyensúlyt. Kültéri használatnál ez általában nem okoz problémát, mivel a külső hőmérséklet csak lassan változik. Általában a detektor egységet kicsivel a külső hőmérséklet felett üzemeltetik, hogy megakadályozzák a páralecsapódást. A vízpára lecsapódása az optikára és/vagy a detektorra jelentős mértékben kihathat az analizátor teljesítményére.

36



Páratartalom: Normál környezeti körülmények között kicsi a jelentősége. Mégis a magas páratartalom korrózióhoz és szennyeződésekhez vezethet, amely az analizátor meghibásodását okozhatja. A magas páratartalom egy még nagyobb veszélyt is hordoz magában korrozív gázok jelenlétében. A hullám útja (a minta kamrában) bármely anyagból előállítható, amely nem nyeli el az IR fényt. A leggyakrabban felhasznált anyagok a rozsdamentes acél, alumínium, vagy réz, korrózióálló bevonattal ellátva. Különösen nedves eszközökben, mint például zárt térben, nedvesség tárolók, vagy lecsapódó páraelvezetők esetén a nedves mintát előszárítani kell a detektorral történő vizsgálat előtt.



Érzékenység: Az IR energia elnyelése egyenesen arányos a szénhidrogén molekuláris struktúrájával (a szénhidrogén koncentráció jelenléte mellett). Például a detektor a legkevésbé érzékeny a metánra (CH4) az egyszerű, egyszeres kötése miatt. A propán (C3H8) és a bután (C4H10) esetében viszont az érzékenység drasztikusan megemelkedik. Egy példa a drasztikus különbségre a különböző szénhidrogének érzékenysége között azon tény által válik világossá, hogy az IR detektor kalibrálható 100% metánra, de csupán néhány térfogatszázalék propán és bután már telíti a rendszert. Alacsonyabb robbanási százalékú (%LEL), vagy alacsonyabb gyúlékonysági értékű (LFL) felhasználás esetén, a térfogat a 100%-os LFL, vagy LEL érték eléréséhez különböző, és a válaszgörbék nem lineárisak; ezért minden szénhidrogén saját görbéjét a rendszerbe kell programozni. A katalitikus szenzortól eltérően, amelynek közel lineáris a válasza az LFL tartományban, az IR egységben bizonyos módon linearizálni kell a kimenetet.



Várható élettartam: Az IR detektor egy félvezető eszköz, amely egy szabványos elektronikai csomagban van lezárva egy zafír szűrőablakkal. Hosszú a várható élettartama, hasonlóan a legtöbb elektronikai eszközhöz. Az IR fényforrás általánosan 3tól 5 éves élettartammal rendelkezik. Ez az élettartam nagymértékben meghosszabbítható az eszköz tervezettnél alacsonyabb energiaszinten történő működtetésével. Vagylagosan, az IR forrást úgy is megtervezhető, hogy egyszerűen cserélhető legyen, szükség esetén.

37

Alkalmazás Ahogyan a 9. ábra is mutatja, az IR detektor azáltal reagál a sugárzásra, hogy konstans jelet generál, amely a forrás „zéró” pontjának tekinthető. Amint a zéró pont létrejött és fenntartható, az időtartam kalibrációja automatikusan megtörténik. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a gáz sugárzáselnyelése mindig azonos mértékű, függetlenül a kezdeti forrás intenzitásától. Ezáltal amíg fenntartható a zéró pont értéke, a detektor pontossága változatlan marad. Ez az IR technológia

9. ábra - Jel - Gáz koncentráció összefüggés

egyik legnagyobb előnye. Mégis egy rutinszerű kalibrációs ellenőrzés felbecsülhetetlen jelentőségű biztonsági ellenőrzésnek minősül és egyetlen időszakos karbantartásból sem hagyható ki. Gáz megfigyelő alkalmazások esetén az egység kialakításának viszonylag kompaktnak kell lennie. A mintavételezésnek diffúzió során kell történnie. A kivonásos típusú folyamatok, amelyek egy pumpát igényelnek a minta detektorba szállításához, problémásabbak a limitált motor-élettartam miatt és a pumpa karbantartását igénylik. Az IR eszközök, amelyeket erre a megfigyelési módra alkalmaznak jellemzően limitáltak a magasabb szénhidrogén és szénmonoxid koncentrációkra (1% és afölött). A széndioxid erőteljesen nyeli az IR sugárzást, és sok detektor érhető el amely érzékeli a széndioxidot a 0,1%-os és afölötti tartományokban. Egy filter használatával a %LEL éghető gázok mérésére, a központi hullámhossz jellemzően 3,4 mikron. Ez a hullámhossza a legtöbb szénhidrogénnek és ugyancsak itt erős a legtöbb származtatott szénhidrogén elnyelő képessége. Az alábbiakban egy lista a detektor által észlelhető leggyakoribb gázokról: 1. Alkánok vagy telített szénhidrogének, mint például a metán, etán, propán, bután, pentán, hexán és heptán, stb. 2. Cikloalkánok, például a ciklopropán, ciklohexán, metil-ciklohexán, stb. 3. Alkének és telítetlen szénhidrogének, például az etilén, propilén, butén, pentén, hexén, oktén, stb. Az acetilén elnyelőképessége 3.1 mikron, amely nem észlelhető. 4. Cikloalkének, például a ciklohexén és a pinén. 5. Aromások, például a benzén, toluén és a xylén. 38

6. Alkoholok, például a metanol, etanol, propanol és az allyl alkohol. 7. Aminok, például a dimetil amin, trimetil amin, butamin, cikloprpanamin és a piridin. 8. Éterek, mint például a dimetil éter, etil éter, n-propil éter, metilvinil éter, vinil éter, etilén oxid, tetrahidrofurán, furán és az 1,4-dioxán. 9. Ketonok, például az aceton, metil etil keton, pentaton, metil izobutil keton és a heptaton. 10. Aldehidek, amelyeknek a központi hullámhossza többnyire a 3,55 mikronos régióban található és általában egy 3,4 mikronos gyenge észlelhetőségi jellel rendelkeznek. Összefoglalás A szénhidrogének észlelésére szolgáló IR detektorok már jó néhány éve elérhetőek. Viszont a széleskörű kialakítási változatok, jellemzők és technológiai megvalósítások miatt gyártónként eltérőek. Mindazonáltal, az IR detektorok széles körben elfogadottak sok iparágban, beleértve a petrokémiai ipart is. A területi levegőminőség és biztonsági alkalmazásra, valamint az éghető gázok érzékelésére szolgáló IR detektorok és katalitikus gömb érzékelők összehasonlítása az alábbiakban olvasható: 

Mérgezés: Ez a legfőbb probléma a katalitikus szenzorokkal. Számos kémiai alkotóelem, mint például a kén hidrogén, szilícium részecskék és a klór- vagy fluorrészecskék, továbbiak mellett szennyezhetik a katalizátort a szenzorban és a szenzor érzékenységvesztését okozhatják. Az IR detektorok nem szenvednek ettől a problémától.



Kiégés: A magas gázkoncentrációnak kitett katalitikus szenzorok kiéghetnek. Újból, az IR detektorokkal nem áll fenn ez a probléma.



Várható élettartam: A katalitikus szenzorok élettartama 1-2 év között mozog, míg a tranzisztoros érzékelők jellemzően több mint 10 évig használhatók. Egy jól-tervezett IR detektor élettartama is eléri a 10 évet.



Kalibráció: Mindegyik szenzoron időközönkénti beállítást szükséges végezni. Viszont, az IR egységek, amíg a zéró értéket megtartják, pontosnak és időben precíznek tekinthetők. Emiatt a karakterisztika miatt az IR szenzorok abnormális működése könnyen kiszűrhető.

39



Folyamatos expozíció a gázzal szemben: Olyan alkalmazásoknál, ahol a detektort folyamatos gázáramnak szükséges kitenni, a szénhidrogének megfigyelése céljából, a katalitikus és tranzisztoros szenzorok élettartama lerövidül. ha folyamatosan ki van téve a gáznak, az visszafordíthatatlanul megváltoztatja a szenzor karakterisztikáját és végleges sérüléshez vezet. Mégis, az IR eszközöknél a funkcionális elemeket az optikai egységek védik, amelyek lényegében inertek a legtöbb kémiai anyaggal szemben. egyedül az IR sugárzás lép reakcióba a gázzal; ezéltal, amíg a gáz minták szárazak és nem korrózívak, az IR eszközök hosszabb időtartamú gázmegfigyelésre is használhatóak.

A három elérhető szenzor-technológia közül (IR, tranzisztoros és katalítikus) egyet kiválasztva lényegében bármely szénhidrogén észlelésének a feladatára van megoldás. Vonali gázérzékelő A vonali gázérzékelő az észlelendő mérgező gáz „spektrális ujjlenyomatát” elemzi. A villanócsöves adó egység nagy energiájú, rövid, néhány msec-os UV pulzus sorozatokat bocsát ki a 200 - 300 nm közötti sávban, melyeket az 1– 100 m-re elhelyezett érzékelő egység több hullámhossz tartományban elemez. Két sáv figyeli az adott gázra jellemző „csillapítási” hullámhosszakat, míg egy harmadik ún. „referencia sáv” egy ettől eltérő tartományt. A három sáv kiértékelése révén az érzékelő megbízhatóan és pontosan képes a sugár hosszában levő mérgező gáz mennyiségét jelezni, még a zavaró környezeti hatások (eső, jég, köd, por, rezgés, alacsony vagy magas hőmérséklet stb.) ellenére is. A referencia sáv figyelés révén észlelhető a sugár eltakarása és kompenzálható a változó páratartalom, az optikai felületek szennyeződése vagy a villanócső öregedése miatti lassú érzékenység változás is. Az érzékelőbe épített hőérzékelő a teljes működési hőmérséklet tartományban. Az érzékelők egyszerűen csatlakoztathatók a szokásos gázjelző központokhoz vagy vezérlő/ellenőrző egységekhez a relé, 4-20 mA-es áram illetve az RS485 soros interfészeiken keresztül. Mind az adó, mind az érzékelő egység egyegy robusztus, ATEX tanúsított (EExd) alumínium vagy rozsdamentes acél tokozatban helyezkedik el. Az üzembe helyezést és a karbantartást különböző hasznos kiegészítő egységek segítik. Az igen nagy érzékenységű vonali gázérzékelőkkel korán és gyorsan észlelhető a veszélyes mértékű gázszivárgás, így megfelelő időben elvégezhetők a szükséges beavatkozások.

40

Működési elv: Szabad téren a gázszivárgás észlelése pontszerű érzékelőkkel igen körülményes, hiszen az érzékelők csak a közvetlen környezetükben levő gázt képesek jelezni. A szél, a légáramlás azonban könnyen felhígíthatja, elfújhatja a keletkezett gázfelhőt a szivárgás helyétől, így előfordulhat, még sűrűn telepített érzékelők esetén is, hogy egyik sem fogja észlelni a veszélyt (ld. 1. ábra). A vonali gázérzékelő működése (és persze a pontszerű optikai gázérzé11. ábra - A mért érték értelmezése

kelők működése is) azon alapul,

hogy a gázok bizonyos hullámhosszúságú fénysugarakat erősen csillapítanak (az UV, a látható fény és az IR tartományban). A csillapított hullámhosszak, a „spektrális ujjlenyomat” az adott gázra jellemzőek. Minél nagyobb a gáz koncentrációja, annál nagyobb a csillapítás. Ha egy adó egységből kibocsátott sugárzást

10. ábra - Vonali gázérzékelés elve

egy vele szemben elhelyezett érzékelő egységgel figyeljük, akkor a kérdéses hullámhosszakon tapasztalt energia csökkenés révén megtudhatjuk az adó és a vevő egységek közötti gáz „összmennyiségét”. Nem véletlen, hogy „összmennyiséget” és nem koncentrációt említünk, hiszen kisebb méretű, de nagy koncentrációjú gázfelhő összességében ugyanakkora csillapítást okoz, mint egy, az adó és az érzékelő egység között homogén módon eloszló, alacsony koncentrációjú. Az érzékelő tehát integráló jellegű, kimeneti jele a gázfelhő sugárirányban mért hosszának és koncentrációjának szorzatával arányos. Hogy a külső körülmények (pára, szennyeződés, jég stb.) ne befolyásolják a mérést, az érzékelők egy ún. referencia hullámhosszt is figyelnek, mely sávra az adott gáz nincs hatással. A referencia sáv használatával megbízhatóvá tehető a jelzés, kompenzálhatók a rövid és hosszú távú zavaró környezeti körülmények, hoszszú távon szinten tartható az érzékelő érzékenysége. Mérgező gázoknál a koncentrációt általában ppm-ben (part per million) milliomod rész) fejezik ki. A vonali gázérzékelőknél ez a mértékegység nem használható, hiszen a koncentrációt nem egyes pontokban, hanem csak a sugár teljes hosszában ismerjük. Az ennek megfelelő mértékegység a ppm..m lehet. Ez az érték kicsit becsapós, hiszen egy 1 m ármérőjű 400 ppm koncentrációjú gázfelhő ugyanazt a 400 41

ppm.m értéket adja, mint egy 20 m átmérőjű, ellenben csak 20 ppm koncentrációjú felhő (ld. 2. ábra). A ppm.m-ben kifejezett érték tehát az adó és az érzékelő közötti térben tapasztalt összkoncentráció, 1 m-es távolságra meghatározott vagy redukált értéke. A vonali gázérzékelők elhelyezése kevésbé kritikus, mint pontszerű társaiké, hiszen már alacsonyabb koncentrációjú, felhígult gázfelhő esetén is képesek megfelelően jelezni, azon kívül arra sincs szükség, hogy a gáz szivárgási pontjának a közvetlen közelében legyenek. Természetesen az adó és érzékelő egységnek szabadon kell látniuk egymást, és lehetőleg rezgésmentes felületre kell szerelni őket. Az optikai elven működő vonali gázérzékelők a teljes koncentráció tartományban képesek jelezni, működésükhöz nincs szükség a levegő oxigénjére, mint a katalitikus elven működő érzékelőknek, s az érzékelőket a folyamatosan magas gázkoncentráció vagy más gázok jelenléte nem rontja. A pontszerű és vonali gázérzékelők összehasonlítása Pontszerű gázérzékelők Vonali gázérzékelők előny hátrány előny hátrány • Az érzékelő a köz- • A teljes területen • Gyorsan, 1-10 má- • Egy átlag koncentvetlen környezetéuralkodó gázkoncent- sodpercen belül rea- rációt mutat, nem egy ben levő gázkoncent- rációról nem ad ingál a koncentráció adott pont közelében rá-ciót mutatja formációt változásra levőt • Jól használható bel- • Meghibásodását • 5-30-szor gyorsabb • Az adó és az érzétéren, zárt terekben nem képes jelezni (!) a kelő • Közepesen drága, • Gyakori a nagy pontszerűeknél egység között nem gyakran használt, jól keresztérzékenység • Nagy terület védel- lehet zavaró tárgy ismert a szakemberek (más gázok jelenléte mére képes • Bizonyos típusokelőtt esetén is jelezhet) • Nagy területen jónál a • Az érzékelő elem • A gáznak el kell ér- val környezeti UV sugárcseréje viszonylag nie az érzékelőt (ez gazdaságosa ban források (napfény, egyszerű gond lehet, rosszul használható a ponttüzek, hegesztés) téelhelye-zett vagy túl szerű érzékelőknél ves kevés érzékelő ese• Egyszerű karbantar- jelzést okozhatnak(a tén) tás, nincs mérgezés villanócsöves típu• Lassú, a gáz felhí• A magas háttér gáz- soknál nem) gu-lása esetén nem koncentráció nem be- • A sugár 90%-os eljelez (légáramlás, folyásolja takarása ehetetlenné szél, szabad tér stb.) • A környezeti zavateszi az érzékelést • Gyakori karbantar- rok mint pára, hó, (pl. erős köd) tást, újrakalibrálást eső, alacsony vagy igényel magas hőmérséklet • Nagy területen több nem zavarja a műköérzékelőre van szük- dését ség

42

Irodalomjegyzék 

http://www.intlsensor.com/pdf/infrared.pdf letöltve: 2012.03.28.



http://epa.oszk.hu/00000/00025/00002/torok.html letöltve: 2012.03.28.



http://promatt.victorinet.hu/fileadmin/pdf/ADATLAP/GAZ/AL_SafEye_400.pdf letöltve: 2012.04.05.

43

ARH – riasztás: alkalmas érzékelők II. -Kellner ViktóriaBevezetés: Miért van szükség erre? Érzékelőket kell felszerelni valamennyi olyan térségben, ahol veszélyes gázkoncentráció alakulhat ki. Egy helyhez kötött gázérzékelő rendszert olyan módon kell kialakítani, hogy felügyelni lehessen a létesítménynek azon részeit vagy térségeit, amelyekben veszélyes gázok gyűlhetnek fel, és ekképpen egészségi kockázat vagy veszélyhelyzet áll elő. A rendszernek képesnek kell lennie arra, hogy hallható, illetve látható (vagy mindkét) riasztó jelet szolgáltasson a gáz felgyülemlésének úgy jelenlétéről, mint elhelyezkedéséről oly módon, hogy automatikus üzemben a következő intézkedéseket lehessen megtenni: a szellőztetés vezérlése, illetve az érintett térségek biztonságos kiürítése. A gázok koncentrációjának mérése: A gázok egymástól jelentősen eltérő tulajdonságai miatt sokféle mérési eljárást vezettek be, elsősorban a félvezetőipar fejlődése és a fizikai kutatások eredményeként. Ennek köszönhetően ma már széles választékban állnak rendelkezésre mérőeszközök úgy mérési tartományukat, mint mérési elvüket és kivitelüket illetően. A különböző mérési feladatokban a gázok általában más-más koncentrációban vannak jelen, ezért az alkalmazott műszerek mérési tartománya, érzékenysége és a gáz fajtájától függően a mérés elve is más. A méréshez villamos mérőműszereket alkalmaznak. A koncentrációmérésnél használt érzékelőknek az a feladata, hogy a koncentrációval arányos villamos jelet szolgáltassanak, amelyet egy kiértékelő műszer fogad és leolvasható jelzéssé alakít, s adott esetben hang és fényjelzés kísér. Gázérzékelő típusok: • katalitikus elégetés elvén működő érzékelő • hővezetés elvén működő érzékelő • elektrokémiai elven működő érzékelő • fényelnyelés elvén működő érzékelő • fémoxid érzékelők 44

• fotoionizációs elven működő érzékelő • infravörös fotóakusztikus mérési elvén működő érzékelő Néhány eljárás már ötven éves, a kutatás és a fejlesztés területén állandó erőfeszítések történnek a gázérzékelő műszerek teljesítőképességének fokozására. Néhány esetben csak közelítő eredményt nyújtó meghatározás szükséges, más esetben nagyon pontos méréseket kell végezni. A jól kiválasztott érzékelő, egy hozzáillesztett elektronikával megfelelő védelmet nyújthat a veszélyes gázokkal szemben. A fenn említett gázérzékelők alapvető tulajdonságainak összehasonlítása az „Elektronikus Periodika Adatbázisa „szerint szemléltetésképp: Az érzékelők tulajdonságai, rangsorolva a következő besorolások szerint történik -

gyenge 

-

megfelelő 

-

jó 

-

nagyon jó 

-

kiváló 

Az érzékelők tulajdonságainak meghatározása, mely szerint a jellemzés történik: 11. méréshatár: mérési tartomány, ppb/ppm szint a mérgező gázokra, ARH % tartomány az éghető gázokra, térf % tartomány az oxigén mérésénél 12. élettartam: várható élettartam; < 3 hónap , < 1 év , < 2 év , < 5 év , > 5 év  13. üresjárási időtartam: néhány érzékelő esetében megfelelő száraz, hűvös helyen történő tárolás esetében lényegében korlátlan (, de egyes érzékelők esetén 6 hónap () 14. meghatározott gázok: meghatározott gázokra történő kalibrálhatóságuk szerint is besorolhatók 15. megszólalási idő: amíg az üzemkész állapotban lévő érzékelő eléri a mért érték 90 %át

45

16. energia felhasználás: teljesítményfelvételi igény, különösen fontos a hordozható műszerek esetében a korlátozott akkumulátorteljesítmény miatt 17. ismétlőképesség: egymást követő kalibrálások között 18. stabilitás/nullpont-eltolódás: néhány érzékelő esetében lassú nullpont-eltolódás észlelhető, Ez az ún. „drift”, amely meghatározza a nulla és érzékenység kalibrálás gyakoriságát. 19. kalibráció időközök: kalibrálás gyakorisága egy hiteles anyagmintával 20. hőmérsékleti tartomány: különböző érzékelő, különböző hőmérsékleten működőképes; -40 °C alatt is működőképes , mások csak 0 °C fölött képesek megfelelően működni  21. nedvesség hatása: rövididejű nem kondenzálódó nedvesség hatása 22. ár: beruházást meghatározó tényező

46

Gázérzékelők elektroanalitikai módszerének ismertetése Az elektroanalitikai módszerek a vizsgálandó anyag elektrokémiai tulajdonságainak mérésén alapuló,

mennyiségi

meghatározásra

alkalmas

eljárások.

Gázok érzékelésekkor hővezetést, ellenállást, elektromos áramot mérhetünk gázkoncentrációkkal arányosan. Az elektroanalitikai módszerek : • katalitikus elégetés elvén működő érzékelők • hővezetés elvén működő érzékelők • elektrokémiai elven működő érzékelők Katalitikus elégetés elvén működő érzékelők ismertetése Működés

alapelve

Az éghető gáz/gőz érzékelők jelentős része ezen az alapelven működik. Működési elve az éghető gáznak egy elektromosan fűtött katalitikus elem felületén történő elégetésén alapul. Ezt az érzékeny elemet beadnek (gyöngy) vagy pellisztornak nevezzük. Gyúlékony gázkomponensek nem robbanak, míg el nem érik a gyulladási hőmérsékletet. Viszont, speciális kémiai anyagok felületén alacsonyabb hőmérsékleten is meggyulladhat, ezek a speciális anyagok a gázkatalizátorok. A legtöbb fémoxid és keverékei biztosítják ezt a katalitikus hatást (pl. vulkanikus kőzetek). Szokták kandallókba is rakni, mert elősegíti a jobb, tisztább és hatékonyabb égést. Ezért hívják katalitikus gázszenzornak, mert a benne lévő folyamat végmenetelét gyorsítja. /Katalitikus bead (gyöngy) szenzor/

Előzmény A szenzor felületén alacsonyabb hőmérsékleten oxidálódik a gáz molekula, mint a gyulladási hőmérséklete. Minden elektromos vezető megváltoztatja vezetőképességét, ha változik a hőmérséklet.

Vezetőket

jellemezhetjük

egy

állandóval:

hőellenállási

együtthatóval.

Platinumnak ez az értéke nagyobb, mint a többi fémnek, sőt lineáris 500-1000 °C között. A szenzor ebben a hőmérséklettartományban működik. Az egyenes arányosság miatt, a gáz koncentráció és az elektromos jel között is fennáll az arányosság, ez egyszerűsíti a mérést. Sőt kiváló mechanikai tulajdonságai miatt vékony kábel húzható belőle, ami könnyen belehelyezhe47

tő egy kis szerkezetbe, melyet buboréknak vagy pellisztornak hívunk. Továbbá korrózióálló és magas hőmérsékleten hosszú ideig működtethetem anélkül, hogy fizikai tulajdonságai megváltoznának. Érzékelő

szerkezete

Az elektromos áramkör, amit használnak „Wheatstone-hídnak” neveznek, melyet egy angol fizikus Samuel Hunter Christie talált fel,majd Charles Wheatstone továbbfejlesztett. Ez az áramköri

elrendezés

nagy

ellenállások

mérésére

alkalmas.

Tehát az érzékelő két spirális platina fűtőszálból áll (referencia és aktív elektród), melyek mindegyike kerámiaréteggel (alumínium-oxid) van bevonva, és ezek elektromosan hídban kapcsolódnak egymáshoz. A gyöngyök vagy pellisztorok egyikének bevonata speciális platina vagy palládium katalizátort tartalmaz, amely elősegíti az oxidációt /Wheatstone - híd / (aktív), míg a másik nincs kezelve (referencia). A pellisztor egy igen pici, nagy felületű szivacsként képzelhető el. Az áram keresztülhalad a spirálokon, és így lehetővé teszi azon hőmérséklet elérését, amelyen a gáz oxidációja végbemegy (mintegy 500°C) láng nélküli égés formájában. Amikor az éghető gáz elég az érzékelőben, a felületkezelt pellisztor hőmérséklete megnő. A nem kezelt pellisztor hőmérséklete ugyanakkor nem változik, és ennek következtében a hídáramkör egyensúlya felbillen (ellenállásváltozás alakul ki). Ezt az áramváltozást könnyen és pontosan lehet mérni, mivel az áramváltozás a gázkoncentrációval gyakorlatilag lineárisan arányos. RB=elektródokon kialakuló ellenállás R1= megszakitó ellenállás, egyensúly fenntartásához Szenzor fejlődése: Kezdetben a szenzor egy összetett alakzatot biztosító platinum tekercs volt, mely biztosította a hatékony fűtést, de szénhidrogénekre nem volt olyan jó katalizátor. Ahhoz, hogy végbemenjen a reakció 900 -1000 °C-osnak kellett lennie a szenzornak, / Pt tekercs / Egyik probléma volt, hogy ezen a hőmérsékleten a platina el kezd párologni és a párolgás gyorsul, ha a szénhidrogén gázokkal is reakcióba lép és nagymértékben emeli a szenzor hőmérsékletét. Ez a tekercs elvékonyodásához vezet,kisebb lesz a keresztmetszet,tehát nagy mértékben nő az ellenállás és mérési hibát ill. zéró jelet ad.

48

Megoldást adott, hogy a referencia tekercset sokkal alacsonyabb hőmérsékleten kell tartani, hogy ne oxidáljon szénhidrogén gázok jelenlétében illetve kezelve van nem katalitikus fémbevonattal (arannyal), hogy csökkentse a platinum katalizáló hatását a referencián. Másik probléma, hogy a platinum tekercs 1000 °C-on lágyul és elveszti a tekercs stabil formáját és a hőellenállási együttható kevésbé lesz lineáris a hőmérséklet emelkedésével. Stabilitás növelése érdekében ideális fémoxidokkal kell bevonni a platinum kábelt. Végső lépésként ezt a szenzort kezeled a katalizátorral - platinummal, palládiummal, thóriummal. A megfelelő szenzor: Összegezve a pellisztor felépítése ma: a buborékon belül található a a platinum tekercs szál, ami fémoxid köpennyel van körbevéve,biztosítva az alacsonyabb 400-600 °C-os stabilitást. Ezt a felületet kezelik az aktív elektródnál katalizátorral, hogy gyorsítja a szénhidrogén gázok reakcióját. Ezen felül más kemikáliákkal is kezelhetik, pl. káliummal,mely gátolja a további gázreakciókat. Érdekességképpen megemlítendő, hogy a mai korszerű gyártástechnológiának köszönhetően már 4000 m2/g fajlagos felületű pellisztort is gyártanak. /Katalitikus bead-szenzor szerkezete/

Karakterisztikája a szenzornak: A

kimenő

jel

az

oxidáció

mértékével

egyenes

arányban

van.

Ha elméleti égési reakció menne végbe (sztöchiometrikus arányban vannak a gázok) az lenne a maximális kimenete a jelnek.

49

Metán elméleti égési reakció: CH4 + 2 O2 + 8 N2  CO2 + 2 H2O + 8 N2 Tehát elméleti égéskor 20 % oxigént és 80 % nitrogént feltételezünk, ez reagál 1 mól metánnal. 1/11 rész a metán koncentráció a levegőben, ami 9 %. A metán gáz koncentráció a kimenő jel függvényében: /Szenzor kimenő jele-metánkoncentráció/

A diagrammot vizsgálva - ahhoz, hogy a szenzor metánt észleljen, 0-5 %-os metán tartalomnál lineáris a jel - közeledve a 9 %- os sztöchiometriai arányhoz a jel gyorsan nő és 10%- nál lokális maximum helye van - utána a jel lassan csökkenni kezd 20 %- ig - 20 %-ot elérve meredeken esik 100% koncentrációig (itt már nincs jel) Az alsó robbanás határ, a robbanási tartomány alsó határa, az éghető gáznak vagy gőznek azon koncentrációja a levegőben , amely alatt a gázközeg nem robbanóképes. Ettől az értéktől a

felső

robbanási

határig

képesek

égésre,

robbanásra.

A diagramon látható az alsó robbanáshatárig lineáris a jel, majd felette megugrik. A jelenlegi szabályozások értelmében az alsó robbanási határérték 20 %-ánál riasztási, 40 %-nál beavatkozási kötelezettséget írnak elő. Propán elméleti égési reakció: C3H5 + 5 O2 + 20 N2 = 3 CO2 + 4 H2O + 20 N2

50

Propán esetén 1/26 része elméleti égéskor a levegőnek, tehát 2,1% - nál van az alsó robbanási határ, ez az érték közel a metán értékének fele. A levegőben feltételeznünk kell propán is lehet, ezért használni kell a biztonság érdekében egy kétszeres biztonsági faktor szorzót. Működési körülmények Különböző tényezők befolyásolhatják a szenzor működését. • Katalizátor mérgek: A katalizátorméreg tartós érzékenység-csökkenést okozhat, sőt, az érzékelőt teljesen tönkre is teheti. Ezek közé tartoznak a szilikonvegyületek, fémtartalmú etilezett benzin és a pigmenttartalmú festékek. • Inhibitor (gátló ) anyagok: A gátló anyagok olyan vegyületek, amelyek az érzékelő átmeneti érzékenységvesztését okozzák. Az érzékenység részlegesen vagy teljes mértékben visszaállítható friss levegőn történő hosszabb-rövidebb üzemeltetéssel. A legismertebb gátló anyagok közül megemlíthetjük a H 2S-t, a klórt, a klórtartalmú szénhidrogéneket és általában a halogénes vegyületeket. • Szenzor törés: Ha felső robbanás határ feletti koncentrációban van jelen a gáz, nagyon nagy hő keletkezhet, mely különböző további oxidációs folyamatokat indíthat el a szenzor felületén, így elveszíti érzékenységét. A külső környezeti hatások, úgymint a hőmérséklet, páratartalom és nyomás változásai mind a két "gyöngyöt" (a szenzort és a referenciaelemet) egyaránt érik, ezáltal a hídban nem lesz kiegyenlítetlenség. Ez kölcsönzi ennek az érzékelőtípusnak azt a tulajdonságot, hogy pontos mérést tegyen lehetővé nagyon szélsőséges környezeti körülmények között is. Kalibráció Leggyakrabban metánra vannak kalibrálva: 0-100 % ARH-i g (levegőben 5% gázkoncentrációt jelent). Azért a metánt használják elsődleges kalibrációhoz, mert ezzel a szén – hidrogén arány érhető el a legnagyobb égéshő(tökéletes égés játszódik le) . A leadott hő,nagy hőmérsékletváltozást okoz a buborékon, és a legnagyobb mértékben változik a két pont között az ellenállás és ehhez mérten adjuk meg a használni kívánt ellenállás tartományt. Ezenfelül kezelése is könnyű.

51

Korrekciós tényező értelmezése Korrekciós faktorokat adnak a gyártók, hogy más szénhidrogének is értelmezhetőek legyenek. Mivel a metán alsó robbanás határig van kalibrálva,ez a 100 %, de ha pl. csak probán gázom van a levegőben és a műszer 100 % -ot jelez, akkor a táblázat alapján tudjuk,hogy a propán ARH-nak

a

60

%-nál

vagyok.

Hexán tartalmú levegőnél ,ha a műszer 100%-ot jelez - valójában csak 45 %- a a hexán ARH-nak. Ezek a faktorok szenzoronként változhat, sőt a működési élettartam alatt is változhatnak, kalibrálni kell. Működése során folyamatosan veszít egy keveset érzékenységéből, jellegzetesen 10-20%-ot évente. Ezért ellenőrizendő és újra beállítandó 6-12 havi időszakos karbantartással. Normál üzemi körülmények között azonban a pellisztoros érzékelő sok éven át működik (akár 5 éven túl is). Mindebből következik, hogy nem szelektív módszerről beszélünk , mivel 100%-os metán jelre van kalibrálva, de más gyúlékony szénhidrogénre is jelez. Válaszidő: A katalitikus érzékelő az éghető gázok széles körének mérésére alkalmas az alsó robbanási határig terjedő koncentráció mellett, tekintve, hogy karakterisztikája 10-100% ARH között lineáris. A válaszidő a mérendő gáz fajtájától függ: minél nagyobb a gáz molekula súlya vagy mérete, annál hosszabb a válaszidő. A gyártók jellemző adatként minden érzékelőhöz megadják annak T90-es értékét. Ez arra utal, hogy az érzékelő hány másodperc elteltével jelzi a tényleges koncentráció 90%-át. Előnyei a katalitikus gázérzékelőnek: • egyszerű működi elv • egyszerű telepítés, kalibrálás és használat • hosszú élettartam és alacsony költségek ezalatt • bevált technológia: megbizható és kiszámítható értékelések • rugalmas alkalmazási terület

52

Hátrányai a katalitikus gázérzékelőknek: • szennyezők hatására inaktívvá válhat • katalizátor mérgek miatt szükségszerű az időszakos újrakalibrálás, hogy megfelelő érzékenységet mutasson • detektáláshoz oxigén szükséges • hosszabb ideig fennálló magas koncentrációjú éghető gáz ronthatja szenzor működését • nem szelektív, az éghető szénhidrogén gázok kimutatására alkalmas Hővezetés elvén működő érzékelő: A hővezetéses elvén működő érzékelőket néhány éve használják az éghető gázok mérésére szolgáló műszerekben az ARH% feletti méréstartományban és gázszivárgás keresésre. Érzékelő szerkezete és működés elve: Az érzékelő két elemből áll, mindkettő egy tekercselt fémszál - néhány esetben a tekercset bevonják. Az érzékelő elemhez (detektor) bejut a környezetben lévő gázelegy. Ezzel szemben a másik elem (kompenzátor) légmentesen záródó térben van, amelyben pl. nitrogén van. Ez az elem egyenlíti ki a környezeti hőmérsékletváltozás hatását. Az elemeket körülbelül 250 °C hőmérsékletre fűtik. Az elemen (detektorszál) keletkező hőt a környező gáz elvezeti. Az elvezetett hőmennyiség függ a gáz hővezető-képességétől, amely egy anyagra jellemző érték. A hőelvezetés miatt az érzékelő elem hőmérséklete megváltozik, és ez a változás mérhető egy hídáramkörrel. Előnye: A hővezetéses elven működő érzékelő leglényegesebb előnye, hogy működéséhez nem szükséges oxigén, és az érzékelő nem érzékeny a mérgezésre. Hátránya: Nem lehet mérni vele olyan gázokat, amelyek hővezető-képessége szempontjából hasonlítanak a referencia gázra (azaz a nitrogénre). A hővezetéses elven működő érzékelőket elsősorban szivárgáskeresőkben, vagy 100 térf %-ig történő koncentrációmérésre alkalmas hordozható műszerekben használják. A gázveszély-jelző készülékek gyártásában nagy tapasztalattal, és fejlett gyártástechnológiával rendelkező

53

cégek a hővezetés elvén és katalizátoros égetés elvén működő érzékelők együttesét használják, amellyel ki lehet küszöbölni a mérendő gáz változó oxigén tartalmából adódó hibát. Kitérő – mérgező gázok érzékelése Elektrokémiai elven működő érzékelők Az elektrokémiai elven működő érzékelőket széles körben használják mérgező gázok érzékelésére, mérési tartományuk néhány ppm-től kezdődik, az oxigént térfogatszázalék tartományban tudnak mérni. Az elektrokémiai elven működő érzékelők különböző mérgező gázok mérésére használhatók, beleértve a szén-monoxidot, a kén-hidrogént, a kéndioxidot, a nitrogéndioxidot. Az érzékelőt egy adott gáz mérésére készítik, ennek ellenére az gyakran mutat keresztérzékenységet más, a légkörben lévő gázzal vagy gázokkal szemben. Érzékelő szerkezete és működési elve: Alapelemei: az érzékelő elektród, az ellenelektród, valamint általában egy összehasonlító (referencia) elektród Az elektródokat zárt, elektrolittal töltött házban helyezik el. A gáz diffúziós membránon keresztül jut az érzékelőelektródra. Ha a gáz az elektródra,vagy az elektrolitba, ezt követően a mérőelektródra jut, és kémiai reakció - oxidáció vagy redukció - játszódik le. A reakció típusa a mérni kívánt gáztól függ. A szén-monoxid pl. szén-dioxiddá alakul, (oxidáció) az oxigénből pedig víz képződik (redukció). A reakció következtében áram keletkezik, a kimeneti jel a gáz koncentrációjával egyenesen arányos. Előnye: • Az elektrokémiai reakción alapuló érzékelők kisméretűek, energia igényük szintén kicsi, így hordozható műszerekben is használhatók. • Az érzékelők hőmérsékleti tartománya széles (-20 °C...+50 °C), mert a jelfeldolgozó áramkörbe hőmérséklet-kiegyenlítő (kompenzáló) elemeket építenek be. • Az ilyen érzékelőknek igen kicsiny feszültségre van szükségük, és lineárisak, pontosak, szelektívek. A gyakorlatban az elektródok alkalmas megválasztásával minden mérgező gázhoz egyedi érzékelőt gyártanak.

54

• Képesek detektálni igen kicsiny, milliomod nagyságú értéket is általában 30-60 másodperc válaszidő mellett. Hátrány: • Alacsony hőmérséklet vagy páratartalom csökkentheti a detektor érzékenységét. • Az élettartam függ a mérendő gáz koncentrációjától, miután az elektródot vagy az elektrolitot a fent említett kémiai reakció elfogyasztja.

/ Elektrokémiai elven működő érzékelő /

Befejezés: Az érzékelők elhelyezése, beállítás Az ellenőrzött területen az érzékelők térbeli elrendezését a szellőztető berendezés befújó és elszívó nyílásainak helye, az építészeti kialakítás és a várható járműforgalom határozza meg. Az eredményes működés érdekében ezért az érzékelőket nem szabad szellőzőnyílások közelében, közvetlenül a parkolóhelyek mögött vagy közvetlenül a fő közlekedési utak fölött elhelyezni. Riasztáskor fényjelzőket (villogó feliratú táblák) és esetenként eldöntendően hangjelzőket kell működtetni. A fényjelzőket a garázs területén legfeljebb 400 m2-enként, a fő közlekedési utak fölött

55

vagy falfelületen, de bárhonnan jól láthatóan, a hangjelzőket a hallhatóság szem előtt tartásával (járó motorú gépkocsiban ember is tartózkodhat) kell elhelyezni. Kerüljük a különösen poros, szennyezett területen történő telepítést. Ne telepítsünk gázérzékelőt olyan helyekre, ahol a gázérzékelő korróziónak lehet kitéve ill. egyéb, az érzékelőt károsító hatás várható. Érzékelők vizsgálata, karbantartás A berendezés időszakos ellenőrzésére és beállítására nagy gondot kell fordítani. Ez a művelet alapvető fontosságú a rendszer megbízhatóságának megőrzése érdekében. Az ellenőrzést valamennyi érzékelőnél hiteles koncentrációjú mintagázzal végezzük. Hagyjunk mindig megfelelő hosszúságú időt a jelzések megjelenésének, a vezérlés létrejöttének. A rendszer jellemzőivel, sajátosságaival, az alkatrészek élettartamával stb. kapcsolatos észrevételeket gondosan jegyezzük le. Tilos és káros - ezért kerülni kell azt a gyakorlatot, amelyben az érzékelők működőképességéről cigarettafüsttel vagy pl. öngyújtóból kiáramló gázzal kívánnak meggyőződni. Ennek a teljesen szakszerűtlen beavatkozásnak eredményeként szinte biztosan számíthatunk az érzékelők használhatatlanná válására. Nem éri meg próbálkozással kockára tenni az érzékelők épségét! Gondoljunk arra, hogy a szén-monoxidérzékelő milliomod résznyi koncentrációt kell érzékeljen. Újonnan telepített rendszer üzembe helyezését követően az ellenőrzést, szükség esetén a beállítást a legtöbb gyártmány esetében nagyobb gyakorisággal kell végrehajtani. Katalitikus érzékelőknél a kezdeti időszakban 2-3 hetes időközökben szükséges a nullpontot ellenőrizni. Egy-egy üzemi periódus két ellenőrzés között pedig ne legyen 6 hónapnál hosszabb. Az az időintervallum, mely szerint az ellenőrzést el kell végezni, különböző tényezőktől függ, beleértve az alkalmazott érzékelési technikát, az üzemeltetés alatt fennálló környezeti körülményeket. Általános gyakorlat és a gyártók előírása szerint az újra beállítás gyakorisága 6 hónap. A korszerű érzékelőkben működő mikroprocesszor viszont folyamatos önellenőrzést (nullpontállítás, linearizálás), valamint digitális szűrést (analóg értékek integrálása) hajt végre, ezért ezeknél utánállítás nem szükséges, de egyeseknél nem is lehetséges. A vizsgálat ekkor csupán a jelzési szintek ellenőrzésére kell korlátozódjon.

56

Irodalomjegyzék

•

www.intlsensor.com/pdf/catalyticbead.pdf

•

epa.oszk.hu/00000/00025/00002/torok.html

•

Pokol György, Sztatisz Janisz (szerk.): Analitikai kémia I., Műegyetemi Kiadó

57

Porrobbanás veszélyének előrejelzése -Zách AttilaMint ahogy azt már az első fejezetben láthattuk, porrobbanás bekövetkeztéhez három feltétel egyidejű megléte szükséges. Az első az éghető részecskék felhője, ahol a porkoncentráció akkora, hogy porrobbanás következzen be, valamint elegendően kicsi az egyes részecskék mérete, ezáltal nagy fajlagos felületű halmaz jön létre, az oxidáció intenzitása nagy lesz, egy láncreakció indul be. A második az elegendő mennyiségű oxigén, a harmadik feltétel a megfelelő gyújtóforrás, ami lehet például forró felület vagy elektromos szikra. Azért, hogy előre tudjuk jelezni a porrobbanás veszélyét, különféle műszereket használhatunk, attól függően, hogy a fenti három paraméter közül melyiket vizsgáljuk. Mérhetjük az oxigén koncentrációját (8 tf% alatti O2 koncentráció esetén mondhatjuk védettnek a vizsgálandó területet), valamint alkalmazhatunk ún. szikraoltó rendszereket, amelyek a keletkező gyújtóforrást észlelik és hatástalanítják. A harmadik megoldás lenne a porkoncentráció mérése, azonban a porrobbanás területén nem találkozhatunk olyan műszerekkel, amik a porkoncentráció méréséből jeleznék közvetlenül az esetlegesen kialakuló porrobbanás veszélyét. Ennek okai valószínűleg a következők: nincs olyan műszer, ami robbanás szempontjából kritikus porkoncentrációt biztonsággal tudna mérni, valamint nem tudhatjuk biztosan, hogy mely területen alakul ki kritikus koncentráció a robbanáshoz. Például egy esztergagép mellett nagyobb koncentráció alakul ki, mint máshol az adott térrészben, itt lehetőség lenne a porkoncentráció mérésére, azonban semmi sem zárhatja ki azt, hogy máshol a térben nem alakul ki kritikus koncentrációjú halmaz, tehát sok esetben nem homogén az eloszlás. Valamint a robbanás kialakulását nagymértékben befolyásolja a porok szemcsemérete is. Érzékeny porkoncentráció mérésére van lehetőség, például fényszórásos elven működő műszerekkel - a szilárd részecskék az őket megvilágított fényt szétszórják, a szóródás mértéke koncentráció-függő. Egy sugárforrás megvilágítja a mintát –jellemzően infravörös sugárzást alkalmazva-, a fény a gázban lévő szilárd részecskék miatt szétszóródik, egy érzékeny detektor méri ezt a szórt fényt, majd elektromos jellé alakítja, erősíti, végül pedig kijelzi. A sugárforrás legtöbbször lézerdióda, lehetőség van az előre sugárzott szórt fény mérésére, valamint a visszavert szórt fény mérésére is.

58

Azonban nem találkoztam olyan esettel, ahol ezt közvetlenül felhasználnák a porrobbanás veszélyének azonnali jelzésére. Az alábbiakban a fent említetteket szeretném bővebben kifejteni, és olyan műszereket bemutatni, amelyek egymástól eltérően működnek a porrobbanás előrejelzése területén. A CDEM (coal dust explosibility meter) nevű műszert a bányászat számára fejlesztették ki az ott dolgozó bányászok védelme érdekében. Ez egy hordozható kézi műszer, aminek működése a sötétebb szénpor, és a világosabb kőpor eltérő fényvisszaverődésén alapszik. Éppen ezért ez kizárólag bányákban alkalmazható porrobbanás veszélyének előrejelzése érdekében. Egy szénpor-kőpor elegyben a kőpor hűtőtestként viselkedik, tehát inertizálja ebben az esetben a rendszert. Minél nagyobb mennyiségben van jelen a kőpor, annál kisebb az esély a porrobbanásra. Használata előtt kalibrálni kell a műszert tiszta szénporral és tiszta kőporral. A mintavétel a következő módon történik: egy kefével mintát vesznek egy tálcára (pl. falról, padlóról), majd ezt egy szitán átszitálják, hogy a 2 mm-nél nagyobb szemcséjű részecskéket kiszűrjék. A tálcát kicsit összerázzák, hogy homogenizálják a rendszert, majd a műszer mintavevő csövével - ami félig töltve van molekuláris szitával -, mintát vesznek a tálcáról. Ezt a mintavevő csövet legalább egy percig rázzák, így a molekuláris szita segítségével eltávolítják az esetlegesen jelenlévő nedvességet. Ez szükséges, mert ellenkező esetben meghamisítaná a mérési eredményt. A nedvességet eltávolítva a cső végére egy csészét illesztenek, ami 850 mikrométeres szitát is tartalmaz. A csőből a csészébe rázzák a mintát, a szitán keresztül a minta bejut a csészébe, míg a csőben lévő molekuláris szitát nem engedi át. Ezt a csészét ezután beillesztik a műszerbe, és a műszer elemzi az adott mintát. Ez úgy történik, hogy egy fénysugárzó dióda infravöröshöz közeli sugárzást bocsát ki, ami visszaverődik a porszemcsék felületéről, és ezt a visszavert sugárzást egy szilikon fotodióda érzékeli. A fény eltérő mértékben verődik vissza a szénporról és a kőporról, és ezt az egymáshoz való eltérést dolgozza fel a műszer. Az LCD kijelzőn ZÖLD jelenik meg, ha nincs veszély, PIROS, ha alacsony a kőpor mennyisége, nagy a veszély a porrobbanás kialakulására, és SÁRGA, ha veszély közeli állapot van jelen, de még nem túlságosan kritikus. A műszer nagy előnye, hogy azonnali visszajelzést szolgáltat a bánya állapotáról porrobbanás veszélyét tekintve, nem kell várni a laboratóriumi eredmények megérkeztéig.

59

Azonban nem ad teljesen biztos eredményt, hiszen a nedvességtartalmat nem veszi figyelembe, mivel azt eltávolítják a minta előkészítése során.

•

Kép a műszerről: Forrás: http://sensidyne.com/library/cdem/360-0149-01rA_CDEM-1000_Operation-Manual.pdf

Míg a porkoncentráció folyamatos monitorozása nehéz ebben az esetben, az oxigén monitorozása könnyebben megoldható. Az égéshez oxigénre van szükség, tehát az égés szempontjából meghatározó gáz, az oxigén koncentrációját mérjük. Bizonyos esetekben azonban nem pusztán por/levegő keverékkel van dolgunk, hanem ún. hibrid-keverékekkel, amikor is a rendszer valamilyen éghető gázt vagy gőzt is tartalmaz a por mellett. Ez nagyon veszélyes tud lenni, mivel a gyulladást a gyújtásra sokkal érzékenyebb gáz/gőz keverék kezdi, és a keletkező energia képes begyújtani a porkeveréket. Akár még a leülepedett por is berobbanhat, komoly másodlagos robbanást előidézve. Ilyen keletkező gáz például a metán vagy a szén-monoxid. Tehát oxigén mellett néha szükség van egyéb gáz mérésére is. Az alábbiakban a Steuma által kifejlesztett Monox1000-et szeretném bemutatni, amit oxigén monitorozására használnak silókban, illetve tartályokban, ahol porrobbanás előfordulhat. Az alábbi ábrán látható az elrendezés:

60

Forrás: http://www.steuma.com/infinitedata/monox/monox%20pdf/ApplicationNote-monox1000-inert.pdf

Az elemzendő minta diffúzióval áramlik a mérőműszerbe, nem alkalmaznak szivatytyús mintavételt. Ez azért előnyös, mert a por a mintavevő rendszer bizonyos részeit elzárhatná, megnövelve a rendszer karbantartás-igényét. A mérőműszer a siló tetején lévő karimához van rögzítve. A karima rozsdamentes acélból készült, benne található egy szűrő, ami megakadályozza, hogy a por a mérőműszerbe jusson. A gáz tehát bediffundál a műszerbe, itt történik az oxigén mérése. A Monox1000 elektrokémiai elven működő oxigénelemző. Az itt használt analizátor mérési elve a következő: az analizátor egy ezüst katódból, ólom anódból és kálium-hidroxid oldatból álló galváncella. Az oxigén diffúzióval eléri a katódot, itt hidroxil-ionok keletkeznek, amik az elektrolit oldaton keresztül elérik az anódot, anódoxidációt eredményezve. Így depolarizációs áram keletkezik; ami arányos az oxigén koncentrációjával. Az oxigén koncentrációját egy digitális LCD kijelző mutatja a szenzoron.

Forrás: http://www.steuma.com/infinitedata/monox/monox%20pdf/ApplicationNote-monox1000-inert.pdf

61

Ha az oxigénkoncentráció nagyon megnő, akkor jelet küld a műszer egy hozzá kapcsolt, automatikusan működő vészinertizáló rendszernek. Az inertizáló gáz legtöbbször nitrogén, vagy szén-dioxid, a Monox1000 esetében nitrogén. A rendszer elárasztja inert gázzal a területet, lecsökkentve az oxigén koncentrációját, így megakadályozva a robbanás létrejöttét. Ahhoz, hogy megbizonyosodjunk róla, hogy az oxigént a megfelelő határok között tartjuk, szükséges a nitrogén adagolás monitorozása és kontrollálása is, ahogy az ábrán is látható. Sok esetben alkalmaznak cirkónium-dioxid cellás mérőműszert in-situ méréseknél. A cirkónium-oxid kerámiacső belső és külső oldalán platina gázelektród található. A mérőműszerben található egy belső mérőelektród és egy külső referenciaelektród. A mérőelektród mellett a mérendő gázminta áramlik, a referenciaelektródot pedig atmoszférikus levegő veszi körül (20,9 V/V% O2). A műszer 650-900 C között üzemel, mivel ekkor a cirkónium szerkezete porózussá válik és az oxigén ionok vezetésére lesz képes. Így lehetővé teszi az oxigén parciális nyomáskülönbségének megfelelően, hogy az oxigén ionok a magasabb koncentrációjú helyről az alacsonyabb koncentrációjú hely felé áramoljanak, potenciálkülönbséget létrehozva. A mérő- és referenciaelektród feszültségkülönbségéből határozza meg a mérőműszer az oxigén-koncentrációt. A műszertől függően lehetséges a belső vagy a külső elektródot is használni referenciaelektródként. Az alábbi ábrán látható elrendezésen a belső elektródot használják referenciaelektródként.

Forrás: http://www.google.hu/imgres? q=zirconium+dioxide+sensor&um=1&hl=hu&sa=N&biw=1024&bih=598&tbm=isch&tbnid=mGdoLmS37KN5XM:&imgrefurl=http://m.eb.com/assembly/265&docid=5zatcGtot7uXlM&imgurl=http://media.web.britannica.com/eb-media/92/1592-004-D96A672B.gif&w=430&h=300&ei=9JpxT8_2Aof2sgaE0j6DQ&zoom=1&iact=hc&vpx=96&vpy=151&dur=177&hovh=187&hovw=269&tx=105&ty=99&sig=103034450 031316924567&page=1&tbnh=126&tbnw=181&start=0&ndsp=18&ved=1t:429,r:0,s:0

62

Ezt a fajta szenzort alkalmazzák például cementgyárakban szénportüzelés esetén porrobbanás veszélyének jelzésére. Ekkor a szénporsilóban kell mérni az oxigén és a szén-monoxid koncentrációját, valamint a szénmalom előtt és után oxigént. Szénporsilóban az oxigént az előbb említett módon mérik, a szén-monoxidot pedig szintén in-situ módon, infravörös fotometrián alapuló elven. Megfelelő hullámhosszú infravörös fénnyel megvilágítják és mérik a fénysugár abszorpcióját. Az abszorpció arányos a szén-monoxid koncentrációjával. Ha kritikussá válik az állapot, akkor a Monox1000hez hasonló inertgázas elárasztás történik, csak itt nitrogén helyett szén-dioxiddal. Lehetőség van paramágneses elven működő műszereket használni oxigén elemzésére, ez az oxigénmérés referenciamódszere, azonban ez drágább, bonyolultabb, főleg emissziós méréseknél alkalmazzák. Erre nem térek ki részletesebben. Vannak olyan berendezések, amelyek a gyújtóforrást észlelik. Ez lehet például szikra, de magas hőmérsékletű részecske is, ami elegendő energiával rendelkezik, hogy robbanás történhessen. Használatuk ott indokolt, ahol nagyenergiájú szikra, szikracsoport vagy más magas hőmérsékletű részecske keletkezhet, begyújtva ezzel por/gáz rendszert. Főbb elemei a ezeknek a rendszereknek a detektor, a kioltó rendszer és a központi feldolgozó egység.. A detektorok érzékelik a szikrák és más forró felületek által kibocsátott infravörös sugarakat, még porrétegen keresztül is. A detektorok jelzéseit a központ veszi, feldolgozza, és ha szükséges, akkor működésbe hozza az oltórendszert, ami nagy nyomású vizet vagy vízködöt permetez ki, kioltva ezzel a gyújtóforrást. Vannak technológiák, ahol nem lehet vizet alkalmazni kioltó közegként, ekkor megoldás lehet inertgázas elárasztás, például nitrogénnel vagy szén-dioxiddal. Ilyen rendszert forgalmaznak például a Prodetec, ExploGuard vagy a GreCon cégek, az alábbi ábrán látható egy ilyen rendszer elrendezése.

63

Forrás: http://www.exploguard.com/explo_spark_main.php

A képen látszik, hogy két egymással szemben elhelyezkedő detektor (2) található a minél biztosabb detektálás érdekében, és a detektoroktól kicsit lejjebb található az oltórendszer (3). A központ (1) a másodperc törtrésze alatt képes a kioltó rendszer működtetésére. Ezt alkalmazhatják malmoknál, bútoriparban, gabonaiparban. Például egy ilyen rendszert telepítve az elszívó rendszerhez, a keletkező gyújtóforrást észleli, hatástalanítja, és így az azt követő helyen, porszűrőnél, porleválasztónál, vagy más védendő berendezésnél már nem történik robbanás. Ha a technológia miatt nem lehet alkalmazni kioltó rendszert, akkor alkalmazhatnak lezáró eszközöket és kapukat (ún. csappantyúkat) az anyagáramlás megszakítására.

64

Irodalomjegyzék

•

http://www.cdc.gov/niosh/mining/pubs/pdfs/tdotc.pdf

•

http://sensidyne.com/library/cdem/Coal%20Dust%20Meter%20Field%20Test%2008040_9-by-NIOSH-MSHA.pdf

•

http://www.neomonitors.com/technology/dust-monitor/

•

http://www.steuma.com/infinitedata/monox/monox%20pdf/ApplicationNote-monox1000-inert.pdf

•

http://www.messer.hu/Infotar/Ipari_Gazok_Katalogusa/1_a_gazokrol_altalaban/1_7_f ejezet.pdf

•

http://www.hitech-inst.co.uk/pdfs/technical/oxygen_sensors.pdf

•

http://www.vedelem.hu/letoltes/tanulmany/tan144.pdf

•

http://www.prodetec.com.au/dust_explosion_detection.htm

•

http://www.exploguard.com/explo_spark_main.php

•

http://www.grecon-us.com/html/spark_detection.htm

•

Személyes beszélgetés a Controflex Kft. munkatársával

65