Porrobbanás elleni védelem tervezési előírásainak összehasonlítása, síklapú készülékek teherviselő képességének vizsgálata
Készítette: Spisák Mária Konzulens: Dr. Siménfalvi Zoltán egyetemi docens
Tudományos Diákköri Konferencia 2011
Tartalom 1. BEVEZETÉS .................................................................................................. 4 2. A PORROBBANÁS ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE ................................................. 5 3. MAGYARORSZÁGON ELŐFORDULT PORROBBANÁSOK ÖSSZEFOGLALÁSA.... 8 3.1. Faiparban bekövetkezett esetek.................................................................................................8 3.2. Élelmiszeriparban bekövetkezett esetek .................................................................................. 10
4. PORROBBANÁS ELLENI VÉDEKEZÉS LEHETŐSÉGEI .................................... 12 4.1. Megelőzés .............................................................................................................................. 12 4.2. Lokalizálás ............................................................................................................................. 13 4.3. Robbanási károk mérséklése ................................................................................................... 13 4.4. Lefúvás .................................................................................................................................. 13 4.5. Nyomásterjedés zárt készülékek robbanásánál ........................................................................ 14
5. HASADÓ-NYÍLÓ FELÜLETEK TERVEZÉSE ÉS MÉRETEZÉSE ......................... 16 5.1. VDI 3673 előírás szerinti méretezés........................................................................................ 16 5.2. MSZ EN 14491 előírása a berendezésekre: ............................................................................. 18 5.3. MSZ EN 14491 szabvány csővezetékekre ............................................................................... 18 5.4. MSZ EN 14491 és NFPA 68 előírások összehasonlítása ......................................................... 19 5.4.1. Az MSZ EN 14491 és NFPA 68 szabványok összehasonlítása ............................................. 22 5.4.2. A szabványok összehasonlítása valós példán keresztül ..................................................... 27 5.5. MSZ EN 14491 és a VDI 3673 előírások szerinti méretezés kapcsolódása .............................. 28 5.6. NFPA 68 előírás szerinti méretezés összefoglalása ................................................................. 29
6. SÍKLAPÚ KÉSZÜLÉKEK TEHERVISELŐ KÉPESSÉGE ..................................... 29 6.1. Síklapú lemezek csoportosítása............................................................................................... 29 6.2.Vékony lemez kis lehajlása estén ............................................................................................. 30 6.3.Nagy hajlások esetében: .......................................................................................................... 32 6.4 Lineárisan rugalmas analízis .................................................................................................... 33
7. VÉGESELEMES SZÁMÍTÁSOK...................................................................... 34 7.1. A végeselemes módszer alapjai .............................................................................................. 34 7.2.Axis VM bemutatása ............................................................................................................... 36 7.3. Az Axis VM 9 program alkalmazása ...................................................................................... 37
8. MÉRÉSSEL VÉGZETT LEMEZVIZSGÁLAT .................................................... 39 8.1. A mérőberendezés .................................................................................................................. 39 8.2 A mérés menete....................................................................................................................... 40 8.3. A mérési eredmények kiértékelése statikus nyomás esetén ...................................................... 42 2
8.4. Következtetések a lineáris eset vonatkozásában ...................................................................... 43
9. ÖSSZEGZÉS ................................................................................................ 44 10. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS............................................................................ 45 11. FELHASZNÁLT IRODALOM ......................................................................... 45
3
1. BEVEZETÉS Számomra nagyon érdekesnek hatott a porrobbanás. Nyáron olvastam róla egy-két cikket és elhatároztam, hogy TDK dolgozatot írok a témával kapcsolatban. A vegyipar mindennapi életünkben jelen van. A vegyipari technológiák nagy részében a porrobbanás, mint veszélyforrás jelen van, egy-egy robbanás hatalmas anyagi kárral járhat, néhány esetben még emberáldozattal is. Néhány példával igazolni fogom, hogy a porrobbanás nagyon veszélyes. TDK dolgozatom első felében bemutatottam az előírásokat, amelyek a porrobbanásra vonatoznak. Ezek a következők a német VDI, az amerikai NFPA, és az európai MSZ EN. A felsorolt szabványokat összehasonlítottam. Az előírások között sok különbség van, de mégis mindegyik más és más. Különböző szempontokból, vizsgálják meg a védelmi berendezéseket. Viszont a lefúvó felületek pontos helyét egyik szabvány sem határozza meg. A dolgozatom második fele a síkfalú készülékekkel foglalkozik. A vegyipari készülékek nagy része síkfalú lemezekből készülnek. Alakjukat tekintve forgás felületekből es síklapokból állnak. Bár a gyakoriság szempontjából a síklemezek szerepe jelentéktelenebbnek látszik. A robbanási nyomás hatásara a síklemezek alakváltozást szenvednek, mely alakváltozásra jellemző lehajlási értek, általában meghaladja a lemez vastagságát. A vizsgálatokat lineáris esetben végeztem el. Laboratóriumi kísérleteket hajtottunk végre és azok eredményeit összehasonlítottuk, egy szimulációs szoftver eredményeivel, pontosabban az Axis VM9 es programmal.
4
2. A PORROBBANÁS ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE Az ipari termelés során, számos tűzeset és robbanás fordult elő. Ezen jelenségek okai a termelés során felhasznált anyagok és az alkalmazott technológia. Egy-egy tűzeste vagy robbanás hatalmas anyagi kárral járhat, rosszabb esetben még emberáldozattal is. Közülük kiemelt jelentőséggel a porrobbanások bírnak. Már a középkorban előfordultak porrobbanások. Éghető és robbanásra képes porok, gyakrabban előfordulnak, mint azt gondolnánk. Az alábbi termékek előállítása porrobbanással járhat: fa és rostanyagok, ételek, szén, dohány, takarmány stb.. Pornak nevezünk minden szerves vagy szervetlen vegyületet, anyagőrléssel, osztályozással, vagy más módon keletkezett frakcióinak az összessége. 0,004 mm-nél nem nagyobb szemcseméretet jelent. Számos munkafolyamatban előfordul a porzás (pl.: kemény anyagok aprításánál). A porokat a tüzeik alapján lefolytatott vizsgálatok során a következő csoportba soroljuk: Fa, faipari termék
32%
Papír
2%
Szén, tőzeg
9%
Élelmiszer, takarmány
25%
Műanyagok
13%
Fémek
13%
Egyéb
6% 2.1.
táblázat Éghető porok
Az esetek nagy része megmutatja, hogy a szerves porok éghetők. A porok egy része öngyulladásra hajlamos, míg a más részük könnyen gyullad. Porrobbanáshoz három dolog szükséges: Elegendő mennyiségű oxigén Elsősorban finom szemcseméretű éghetőpor legyen. A porfelhő koncentrációjának az alsó és felső robbanáshatár között kell lennie. gyújtóforrás (pl.: elektromos szikra) vagy forró felület
5
Gyújtóforrás
Levegő
Por
2.1.
ábra Porrobbanás feltételei
Normális esetben a három tényező egyidejűleg nagyon ritkán fordul elő. A rendszerből teljesen sohasem tudják a gyújtóforrásokat kizárni. A porrobbanás kialakulását elősegíti az üzemzavarok, a berendezések ki és bekapcsolása, valamint az emberi hibák. A porok robbanási tulajdonsága alapján három porrobbanási csoportba sorolhatók: Porrobbanási osztályok
Robbanás nyomásnövekedési sebessége [bar m/s]
1
0
2
200
3
Kst>300 2.2.táblázat Porrobbanási osztályzás
A porkoncentráció értékét felhasználva a meghatározott peremfeltételek mellett, 3673 VDI irányelvei alapján a nyomásterhelési felületeket a porrobbanást elszenvedő tartályon. Kísérletekből kiderül, ha adott porkoncentráció mellett a robbanótartályban a gyújtószerkezet kioldása szerint
6
mérjük a nyomást, ami 0,5 bar-ral nagyobb, mint a gyújtószerkezet nyomása, akkor esetlegesen a por porrobbanásra képes. Viszont ettől kisebb nyomásnál a por nem robbanás képes. A porok esetében fennáll a lerakódás esélye is. Tehát a porokat meg kell vizsgálnunk új szempontból is. A lerakódott por felkavaródhat. Kis mennyiségű por, ha felkavaródik, akkor porlevegő elegy keletkezik, amely robbanásveszélyessé válhat. Gyakran előfordul, hogy a felkavarodott porok és a nem teljesen elégett porok reakcióba lépnek, így láncreakciót is indíthatnak el. Az újonnan keletkezett reakciók, nagyobb erejű is lehet. Gyorsabban továbbterjedhet a robbanás más üzemrészekbe, így nagyobb anyagi kár is okozhat, szélsőséges esetben még emberáldozattal is.
2.2. ábra Porlerakódás
Porgyulladásnak nevezzük azt, amikor a por oxidációs vagy bomlási reakciójának, hőtermelési folyamatának mértéke nagyobb, mint környezetnek leadott hője. A robbanást befolyásolhatja a berendezések és a terek mérete, alakja. Ide tartozzanak a gyári-, üzemi berendezések, silók stb.. A terekben és a berendezésekben uralkodó nyomást nem tudják befolyásolni, ezért erősíti a robbanást. Leggyakrabban felrobbanó porok a következők: fa, takarmány, élelmiszeriparra jellemző porok, műanyagporok is egy-egy alkalommal. A porrobbanások előfordulnak silókban, őrlőgépekben
7
porelválasztókban. Gyújtóforrás esetén elsősorban a mechanikai felmelegedés, vagyis szikra a felelős.
2.3.ábra Porrobbanás Kaposfüreden
3. MAGYARORSZÁGON ELŐFORDULT PORROBBANÁSOK ÖSSZEFOGLALÁSA Ebben a fejezetben szeretném, néhány példán keresztül felvázolni, a Magyarországon történt porrobbanásokat. Nem gondolnánk, hogy hazánkban is évente előfordulnak a porrobbanások. Már említettem, hogy a faiparban, az élelmiszeriparban van a leggyakrabban, ilyen jellegű robbanások. A robbanásokból elsősorban megállapíthatóak, a berendezések robbanás veszélye. Az elemzés során fény derül az porrobbanás okaira, tehát az adatok felhasználásával csökkenteni lehet a bekövetkezett porrobbanások számát.
3.1. Faiparban bekövetkezett esetek A faiparban végezett tevékenység veszélyeit két szempontból lehet vizsgálni. A vizsgálatok eredményei a következők. Figyelembe veszik a famegmunkálás során keletkező hulladékok szemcseméretét, ami meghatározza a veszélyességét a munkálatoknak. Az elemzéseket követően osztályozzák a porok robbanóképességét. Az alábbi csoportok léteznek: Forgács Por és forgács elegye 8
túlnyomórészt por keletkezik A felsoroltak közül a legveszélyesebb a por, amely robbanóképességét az St 1-től St 3-ig sorolhatjuk be porrobbanási osztályozásban. Veszélye pornak számít minden 100μm alatti por, tehát ténylegesen ide tudjuk sorolni a fűrészport. A másik szempont a hulladék kezelésére vonatkozik. Ennek is meg van a veszélyességi osztályozása: helyi elszívás kis teljesítményű elszívó berendezések nagy teljesítményű központi elszívók A legnagyobb veszélyt a nagy teljesítményű és nagy anyagmennyiséget nagyon-nagy távolságon szállító elszívó berendezések.
1982-ben hazánkban egy bútorlap gyártó cégnél porrobbanás történt. Az üzemben három ember meghalt és egy életveszélyesen megsérült. A robbanás estélyén a dolgozók füstöt érzékeltek az üzemben. A füst a forgácsszárítóból szivárgott, nem tudták a hibát elhárítani. Végül úgy döntöttek, hogy a berendezésből a tisztítónyíláson keresztül a lerakódott port és a parázsló anyagot eltávolítják a szárítóból. Nagy erejű porrobbanás következett be. A robbanás hatására hatalmas anyagi kár keletkezett az épületben és a berendezésekben. Később a helyszíni vizsgálatokból kiderült, hogy öngyulladás hatására következett be a porrobbanás.
9
3.1. ábra Fűrésztelep
2008-ban robbanás történt egy faipari üzemben, Vásárosnaményban. A technológia rendszerben történt a robbanás. Kő vagy szög kerülhetett a már felőrölt és rendszerben szárított fűrészpor közé, ez idézhette elő a porrobbanást. A gyártási folyamat ismert volt. Először a rönkfákat feldarabolták és magas hőmérsékleten szárítják. A szállítás zárt rendszerben történik, el van benne helyezve egy mágnes, amely magához vonzza a fűrészporban lévő fémdarabokat. Mivel idegen anyag került a rendszerbe, ezért felmelegedett és a magas hőmérséklet hatására berobbant. Megállapították, hogy nem dolgozói mulasztás okozta, a robbanást, mert a zárt rendszerben a szűk csővezetékek miatt, nem lehet tüzet gyújtani. A robbanás során személyi sérülés nem történt, de a tűzoltás során egy víztömlő elszakadt és a nagy nyomás hatására a cső eltörte egy férfi kulcscsontját.
3.2. Élelmiszeriparban bekövetkezett esetek Az élelmiszeripar számos terméke liszt, (cukor, kakaó, fűszerek, kávé stb.), kisebb- nagyobb mértékben okozhatnak porrobbanást. Az évek során folyamatosan korszerűsödött az ipari berendezések és technológiák, ezek elősegítették a hatékonyabb termelést. Ebből viszont adódik, hogy megnőttek a tárolt és feldolgozásra váró termékek mennyisége is, ezzel egyenes arányban a porrobbanás veszélye is meg nőtt.
10
A két példa alapján bemutatom az élelmiszeriparban előforduló porrobbanásokat. Az első példa színhelye egy cukorgyár. A cukrot két elevátor szállított 13 emelet magasra. Az egyik elevátor leállították néhány napra, miután újra beindították, robbanás történt. A robbanás oka valószínűleg, az elevátorban felhalmozódott cukor mennyiség. Az elevátor nem tudta elviselni a túlzott igénybevételt. Az elevátorserleg neki ütközött a serlegvezetőnek, így a láncok egymásnak ütköztek. A fémek súrlódásából létrejövő hő, begyújtotta a cukrot. A porrobbanás hatalmas anyagi kárt okozott, több ezer zsák cukor ment tönkre. Ezen felül személyi sérülés is történt. A baleset emberi hiba miatt következett be.
3.2.
ábra Elevátorban történt robbanás
A másik példa egy terményszárítóban bekövetkezett porrobbanásról tesz említést. A terményszárító üzemeltetése közben, a pihentető tartály belsejében porrobbanás következett be. Ennek hatására a tartály kettéhasadt, és a kiömlő termény elárasztotta a helyiséget és a benne tartózkodó két munkás megfulladt. A vizsgálat végén kiderült, hogy az elektronikai berendezések hibátlanul működtek, így ezek nem okozhatták a balesetet. Valószínűleg elektrosztatikus szikra okozhatta a katasztrófát.
11
4. PORROBBANÁS ELLENI VÉDEKEZÉS LEHETŐSÉGEI Beláthatjuk, hogy a porrobbanás elleni védekezés nagyon fontos, mert egy-egy robbanás nagy anyagi kárt okozhat és a példákból okulva számos emberáldozattal is járt.
4.1. Megelőzés A legjobb védekezés a megelőzés. A lényege abban áll, hogy az egyik robbanási feltétel kizárjuk a rendszerből, tehát megakadályozzuk a por felhalmozódását. A készülékeket, elemeket, berendezéseket úgy kell kialakítani, hogy az éghető porok lerakódásának mértéke a legkisebb legyen. A következő intézkedéseket kell figyelembe venni: a porszállítókat és a porelválasztókat áramlásdinamikai elven kell megtervezni. a felületeknek, minél kisebbnek kell lennie (pl.: szerkezeti elemekben, ablakpárkányokban stb.) folyamatosan tisztítani kell a berendezéseket, (ipari porszívókkal lehet a legegyszerűbben) A rendszer oxigén tartalmát más gázok alkalmazásával lehet csökkenteni (nitrogén, széndioxid). Alkalmaznak, olyan technikát, amely kizárja a gyújtóforrást a rendszerből. Például alkalmazzunk, pneumatikus vagy hidraulikus meghajtást a gyújtó szikramentes áramkörök segítségével. Nagyon sokszor használják a gyógyszergyártásban a következő technikát. A robbanásra hajlamos porok reakcióját egy olyan zárt térrel korlátozzák, amely a robbanási nyomást el tudja viselni. A zárt térben megnő a nyomás, ebben a térben kialakulhat 8 bar-nál nagyobb nyomás is, amely általában meghaladja az épület terhelhetőségét is. A tervezetten beépített gyengített elemek, egy alacsonyabb nyomáson lehetővé teszik a gázok lefúvását, ezzel meg tudják akadályozni a robbanás tovább terjedését az épületben.
12
4.2. Lokalizálás A lokalizálás lényege az, hogy a porrobbanás a lehető legkisebb téren történjen. Ez történhet aktív zárral és passzív zárral.
4.1. ábra Aktív és passzív zár Az első képen látható a porrobbanási védelem aktív zárral történik, a második képen, pedig passzív zárral működik.
4.3. Robbanási károk mérséklése A károkat úgy lehet mérsékelni, hogy a robbanási lánggal átjárt térbe egy biztonsági berendezést szerelnek (lefúvószelepek, hasadó tárcsák stb.), amelyet időben nyitottá tesznek, így elkerülve a robbanási túlnyomást. A porrobbanás elleni védelem egyik leggyakrabban alkalmazott módja a lefúvás. A védett berendezés meghatározott helyén, egy méretezett nagyságú gyengített felületet alakítunk ki. ezen felület lényege, hogy a robbanási nyomás az előre beállított értéken nyitja és így a készülék tartalmának lefúvása megakadályozza a túlnyomást. Általában lefúvásra hasadótárcsákat vagy hasadópaneleket alkalmaznak. A hasadópanaelek négyszögletes, míg a hasadótárcsák kör alakúak. Bővebben a következő alfejezetben fejtem ki a lefúvásokat.
4.4. Lefúvás A következő fejezetben, részletesen bemutatom a lefúvásokat, mert ez a technológiát alkalmazzák a leggyakrabban az iparban.
13
A feltárt esetek és a porról szóló irodalmakból kiderült, hogy az épületek és berendezések tervezésénél és méretezésnél nem vették figyelembe a hasadó-nyílás felületeket, ez a szakszerűtlenség hatalmas veszélyt és kockázatot rejt magában. Hazánkban nagyon sokáig nem volt gáz és porrobbanás lefúvásos védelemre vonatkozó szabvány. Később megjelent az MSZ EN 14491, amely felépítése a német VDI 3673 és az amerikai NFPA 68 szabványok egyes fejezeteit felhasználva született meg. A gázrobbanásokra vonatkozó szabvány az MSZ EN 14994.
4.5. Nyomásterjedés zárt készülékek robbanásánál Zárt terű robbanásoknál az égis folyamat miatt nyomásnövekedés alakul ki. Akár 8 bar-nál nagyobb nyomás is kialakulhat zárt készülékben, ez a nyomás meghaladja az építmény terhelhetőségét. A készülékekbe szándékosan beépítenek gyengített elemeket, amelyek egy alacsonyabb nyomáson lehetővé teszik a gázok lefúvását. Ezzel a technikával megakadályozható, a robbanás tovább terjedését a rendszerben. A zárt terű robbanásokat két csoportba tudjuk be sorolni: Teljesen zárt robbanás A szerkezet képes ellenállni a teljes nyomásnövekedésnek. Ebben az esetben a robbanást követő maximális nyomás kialakulása függ a gázkeverék energiatartalmától, és teljesen független a tér térfogatától. A maximális nyomás közel azonos, a maximális nyomás eléréséhez szükséges idő nem állandó, ennek az oka a gázok égési sebessége eltér. Teljesen zárt robbanásnál csak a nyomás keletkezésének korai fázisában alakul ki tökéletesen zárt állapot. A következő fázisban már a szerkezet egy része kinyílik, vagy a lefúvásos védelem lép működésbe. Lefúvatott lezárt robbanások A robbanást a lefúvó szerkezet sérülése révén keletkezett felület vezeti le. A térfogat, geometria, lángsebesség befolyásolja a robbanási nyomás kialakulását. A lefúvásos védelem három fázisból áll: Kezdeti lezárt terű fázis Lefúvó nyílási fázis, amikor a nyitott felület kialakul Lefúvatási fázis A következő ábrán a lezárt lefúvásos robbanás egy idealizált lefutását mutatja be.
14
8. ábra Lefúvásos zárt robbanás
15
5. HASADÓ-NYÍLÓ FELÜLETEK TERVEZÉSE ÉS MÉRETEZÉSE A feldolgozott előírások méretezésre ajánlott összefüggései, nagyon eltérnek egymástól. Megfigyelhetőek, ezen eltérések a felépítésükben és tartalmi mondani valójukban is. Az összehasonlított a következők. Az amerikai NFPA 68, a német VDI 3673 és az európai MSZ EN 14491, a porrobbanásra vonatkozó előírásai.
5.1. VDI 3673 előírás szerinti méretezés VDI 3673 irányelvei meghatározza a szükséges lefúvó felületeket köbös edényeken, technológiai berendezésekre vonatkozóan. Magasság-átmérő viszony:
Ahol, Porrobbanás technikai jellemzője pr: redukált nyomás [bar] pn : nyitónyomás [bar] Vp : poros gáz térfogat [m3] Magasság-átmérő viszony:
Tehát a lefúvó felület szükséges keresztmetszete: Simpson eljárás a szállítószalagok, és rédlerek védelmére szolgál. A berendezések térfogatánál, nem vesszük figyelembe a belső térfogatukat. Berendezésekre alkalmazható szükséges lefúvó felületek.
16
Nem szabad figyelmen kívül hagyni a lángjelenségek és a nyomásváltozásokat sem. Ezeket a jelenségeket, az el nem égett keverékek külső elégése okozza. Ez a láng a nyitónyomással fordítottan arányos. Abban az esetben a védendő készülék zárt térben helyezkedik el, lefúvócsővel a szabadba irányítják levegőt. A lefúvócső nyomásveszteséget idéz elő, ha alkalmazzuk lefúvócsövet a redukált nyomás növekedni fog. Ez a nyomásnövekedés függvénye a lefúvócső hosszának.
5.1. ábra Redukált nyomás Tapasztalatok szerint a redukált nyomás kialakulást befolyásolja, a készülék és lefúvócső aránya, a lefúvócsőben elhelyezett íves részek és a könyökök is. Hattwig és Faber porrobbanási kísérleteket végeztek, majd ezeket alátámasztották elméleti képletekkel. A kísérletek megmutatták, hogy a lefúvásra jellemző reakcióerő növeli robbanást Különböző térfogatú tartályokat vizsgáltak meg, elfúvással majd nélküle. Rájöttek egy nagyon egyszerű összefüggésre. Statikus vonatkozásban a maximális reakcióerő egyenlő az edény belsejének nyomásával, illetve az atmoszférikus nyomás különbségével, amely meg van szorozva a lefúvó keresztmetszetével. Tehát az összefüggés a következő:
Ahol, FR: reakcióerő [N] A1: lefúvó keresztmetszet [m2] pred: redukált nyomás [bara] 17
patm : atmoszférikus nyomás [bara] A porrobbanás ellen, így lehet a legjobban védekezni. Persze a vegyiparban ritkán beszélünk egyetlen készülékről, inkább rendszerről. A robbanást követően a láng könnyen átterjed a következő a készülékbe. A tovább terjedést szakaszolással, lángzár használatával lehet megakadályozni.
5.2. MSZ EN 14491 előírása a berendezésekre: A szükséges lefúvás az MSZ EN 14491 szabvány előírásai szerint a következők:
Ahol, V : poros gáz térfogata [m3] pn : nyitónyomás [barg] pr : redukált nyomás [barg]
A=B Ezen összefüggések az alábbi feltételekkel érvényesek: berendezés térfogata: nyitónyomás: maximális robbanási nyomás:
berendezés hossz-átmérő arány: 1
5.3. MSZ EN 14491 szabvány csővezetékekre Egy
átmérőjű csővezeték esetén legfeljebb a pL teherviselésű egyenes
csőszakaszban bekövetkezett robbanásnál a csőszakasz maximális hossza, a következők lehetnek:
18
5.4. MSZ EN 14491 és NFPA 68 előírások összehasonlítása A silókban tárolt anyagok miatt, porfelhő alakulhat ki, ezek hatására robbanás veszélyes környezet is kialakulhat. A robbanást okozó anyagok közé tartozik a mezőgazdasági és élelmiszeripari termékeket (gabona, maláta, liszt, kukoricakeményítő, cukor, stb.) szintetikus organizmusok (műanyagok, pigmentek, növényvédő szerek, stb.), fémek (alumínium, magnézium, stb.) és szén (Eckhoff, 2003). Porrobbanás akkor következik be, ha finom szemcsék keverednek levegővel,(mint egy felhő), a felhő reakcióba lép az oxigénnel gyújtóforrás jelenlétében, ami exoterm láncreakciót okoz. Ha létrejön a robbanás, akkor gyors nyomásnövekedés jön éltre. Megelőző méréseknek kell tenni, a robbanások megelőzése érdekében, de rengeteg esetben nem elégséges a gyújtóforrások kivonása a térből. A mérések segítségével csökkenteni lehet robbanások által okozott károkat. Európában a silók tervezése és létesítése az ATEX direktívák betartása mellett lehetséges (ATEX 1999/92/EC, 1999; ATEX 94/9/EC,1994). Zárt edényekben védelmi rendszerek nélkül, a robbanás 7-10 bar-nál is nagyobb lehet. Mivel egy-egy robbanás hatalmas kár okozhat, ezért lefúvó felületeket kell alkalmazni, amit a szabvány ajánlásai alapján kell elhelyezni. Az európai szabvány az EN 14491 (2006) fogalmazza meg a lefúvások, porrobbanásra vonatkozó tervezési lépéseit és követelményeit. Ez a szabvány az első egy sorozatból, amely tartalmazza az EN 14797 (2006) és az EN 14460 (2006) szellőző gyártás és robbanás ellenálló képességét a szerkezeteknek. Ez a három szabvány együttesen alkotják a porrobbanás szabályait Európában. Az EN 14491 felhasználja a német VDI 3672 (2002) előírást. A 2007-ben adták ki az NFPA 68 (American National Fire Protection Assocoataion Standard 68), amely a robbanás megelőzésre a „lassú égésű szellőző”(deflagration venting) egy teljes revíziója az előző kiadásoknak. Az irányelveket szabvánnyá minősítették. Más szabványok és irányelvek is léteznek a témát illetően, mint például a német technikai jelentés a DIN-Facbericht 140 (2005). Egy összetett jelentés az eljárásokról, amelyek a szellőzők robbanás biztos tervezését segíti elő, ezek megtalálható Abbasi (2007) és Echoff (1990, 2003) munkáiban.
19
A szellőző területeknek elég nagynak kell lenni ahhoz, hogy megelőzzék a nyomástól bekövetkezett robbanásokat, de mégsem nagyon nagynak kell lennie, amelyeket már nem megvalósítani a valóságban. A lefúvófelület méretezése egy sarkalatos kérdés. Habár, a láng terjedése a külső és belső terekben nem igazán ismert, továbbá a folyamat tartalmaz számunkra nem ismert gyakorlati tényezőket is. Aguado, Tascón és Ruiz 2006-ban publikáltak egy számítógépes modellezést a robbanásokról, amely összehasonlította az NFPA 68 (2007) és az EN 14491 (2006). Az EN 14491 (2006) és a NFPA 68 (2007) összehasonlítása megtörtént. Továbbá, elsőként a német VDI 3673 (2002), másodsorban a 2002-es kiadású NFPA 68. A lefúvó felületek mindkét módszerrel ki lettek számítva. Az EN 14491 (2206) általános egyenleteket használ izolált belsőkre és redukált robbanási nyomás (pred) értékének kisebb, mint 1,5 bar nyomást alkalmaztak. Az NFPA esetén az egyenletek porra és hibrid keverékekre lettek kiszámolva, amelyek meghatározták az alacsony vagy közepes turbulens feltételeket. A hossz átmérő arány korrekcióját alkalmazni kell, ha az arány nagyobb 2-nél. A változók kiszámítása során az 5.1. táblázatban található eseteket vizsgálták, megállapították, hogy ha csökkentik lefúvó felület méretét, akkor csökkeni fog a „védelmi” költség.
Térfogat
1000m3
Hossz/ átmérő arány
1; 1,5; 2; 2,5 és 3
Redukált nyomás
0,12; 0,30; 0,50 és 1 bar
Statikus nyitónyomás
0,10; 0,05 bar
5.1. táblázat Számolási eredmények
A hengeres silók esetén, a térfogat az 1000m3 és az L/D viszony 1..3 között van. Mivel sík fenéklemezzel rendelkeznek és a tetejükön lefúvás van, ezért határozták meg a fenti összefüggésekkel az értéket. A lefúvás területe, 4 redukált robbanási nyomással (p red) lett kiszámolva, amelynél mindkét szabványt alkalmazták. A kisebbik p red lett kiválasztva, amely mindkét esetben 0,12 bar volt. Ezen érték létezik az EN 14491 (2006)-ban is, azonban az, még kisebb szabványos értékek: (
) az 5.2. táblázat alapján. 20
Adatok
MSZ EN 14491
NFPA 68
Edény térfogat (V) Statikus aktiváló nyomás (pstat)
de használnak
Redukált robbanási nyomás (pred)
Ajánlott érték:
akkor a Kst értéke 10 bar Maximális robbanási nyomás
estén a Kst értéke 10 bar
(pmax) akkor Kst=300bar-ral
Hossz/ átmérő arány L/D
felülzárt konténerek esetén Az atmoszférikus nyomás 80110 kPa között, akkora
Atmoszférikus feltételek
hőmérséklet -20 és 60 C° között mozog. A relatív növekedés 5-
Kezdeti nyomás egyenlő 1bar
85% térfogat frakció esetén. Az oxigén tartalom 20,9+/- 0,2% Az axiális és tangenciális
Turbulencia
sebesség <20m/s Nincs szellőző nyílás, közel
további feltételek
Nincs szellőző nyílás
inercia mentes állapot Panel inercia <40kg/m2
5.2.
táblázat Az MSZ EN 14491 és NFPA szabványok alkalmazási feltételei
A robbanási jellemzőit García, Querol, Ramírez, Aguado (2006) és Skjold és munkatársai (2005) által határozták meg.
21
A változók a következők: „lefúvó terület/siló térfogat”, az 1-es egyenlet lett alkalmazva, hogy meghatározzuk a teljes védelmi függvényt (a tároló térfogatára). Ez lehetővé teszi, hogy a robbanás védelmi függvényeket be lehet építeni, a silók tervezési folyamatába.
5.2 ábra Lefúvó felület NFPA 68 szerint
5.3. ábra Lefúvó felület MSZ EN 14491 szerint
Ebben az esetben a diagramok rajza, a ventilációs indexek 100-al szorozták meg. Av=100 azt mutatja meg, hogy mekkora lefúvó terület kell 100m3 tároló térfogathoz.
Ahol, A: teljes ventilációs területe a silónak [m2] V: silónak térfogata [m3]
5.4.1. Az MSZ EN 14491 és NFPA 68 szabványok összehasonlítása Az izolált terek ventilációs területének meghatározására szolgáló egyenletek, ezen egyenletrendszerek az EN 14491(2006) és a német VDI 3673 (2002) teljesen ugyanaz. A VDI 3673 0,2 bar-os, túlnyomással szemben az EN 14491 0,1 bar-t ajánl, és nem határozza meg a relatív páratartalmat vagy a hőmérséklet. Továbbá, az alternatív képlet a nem jelentek meg az EN szabványban. Ezek az alternatív formulák használhatók a pneumatikus termék szállítás meghatározására axiális vagy tangenciális szállítású silókban. A lefúvó területek összhangban számíthatók, ezekkel az alternatív egyenletekkel végzett számítások, amik jellemzően kisebbek, mint amelyek visszatérnek az eredeti összefüggésekben. 22
A kutatás követően megmutatta, hogy a por koncentráció, és a turbulencia az igazán nagy silókban sokkal kisebbek, mint a VDI 2263(1992) szerint kellene, hogy legyenek, amelyet az EN 14491 használ. A fő határa a VDI 3673-nak az alternatív számítási metódus szigorú peremfeltétele az előtolás, ha az anyag, jó és szabad, akkor forgószelep vagy csavaros adagolóról van szó. Más anyagok esetén is megvizsgálták (5.4. ábra) és az analógiák (mennyiségileg, eltérő, de minőségileg hasonló), is követik a trendet. A lefúvó felületek a por karakterisztikájától függ (Kst és Pmax): szükséges az elégési index (K st) vagy a maximális nyomás (Pmax), a lefúvó terület kiszámításához. Elsősorban tárolt termékek, anyagok esetén fontos.
5.4. ábra Lefúvási felület szükségességének összehasonlítása a mezőgazdasági termékekkel
Megadva a szükséges lefúvó felületeket, visszatérünk a különféle szabványokhoz. A lefúvás technikailag bonyolult lehet, néhány siló esetén gazdasági vonzata is van. Emlékeztetve arra, hogy a lefúvó felület nem haladhatja meg a siló átmérőjű (mint az NFPA 68 szabvány ismerteti): ez is alkalmazható silók által védett lefúvó berendezések telepítése közbena felső oldalfalnál. A gyakorlatban a rendelkezésre álló felület, kisebb, mint, a strukturális vagy technikai korlátok. Az NFPA 68-ban található összefüggés szerint, 4 konstans érték van: L/D=2, minden P red érték (ábra 1). Független abban az esetben, ha L/D arányok nagyobbal, akkor korrekciót kell alkalmazni. Viszont alacsonyabb Pred értékeknél nagyobb lefúvó felületet kell alkalmazni. Az En 14491 nagyobb lefúvó területeket számol, mint az NFPA 68, kivéve, ha L/D arány az 1. A különbség csak nagy L/D arányoknál növekszik, különösen akkor, ha Pred alacsony. 23
5.5.ábra rmax=0,12 bar nyomáson
5.6. ábra rmax=0,3 bar nyomáson
5.5 és 5.6-os ábra összehasonlítja a szabványokat, az alacsony maximális redukált túlnyomásokon 0,12 és 0,3 bar nyomásokon; ezek a legproblémásabb értékek, amikor a lefúvó felület nagy. Csak egy vonal látszik az EN elírás alapján. Szabvány szerint az egyenletek kiszámítására szellőző területeket érvényes statikus aktiváló túlnyomások 0,1 bar<=pstat<=1 bar. Amikor Pstat kisebb 0,1 bar-nál, az egyenleteknek, ezeket a minimum értékekeit kell alkalmazni. Továbbá, a görbék Pstat=0,05 bar és Pstat=0,1 bar esetén azonosak. Az NFPA 68 szabványnak nincs kisebb értéke, mint Pstat, de a redukálásban jellemzően Pstat=0,05 bar-t alkalmaznak.
5.7. ábra 2002 és 2007-es NFPA 68 összehasonlítása
A 5.7-es ábra összehasonlítja a 2002 és a 2007 verziókat, az NFPA 68 esetén. Van egy kis különbség a két verzió között a lefúvó felület L/D=2 fölött, míg a 2007-es verzió visszatér, csak egy kicsivel vesz fel, magasabb értéket. Mindkét dokumentum alkalmazza az L/D korrekciót, L/D>2. A 2007-es verzió visszatér az alacsonyabb Pstat értékekhez. E szabvány kisebb, mint korábban a karcsú, alacsony szilárdságú burkolatok. 24
5.8. ábra Árpa esetén
5.9.ábra Kukorica esetén
5.10. ábra Búza esetén
5.11. ábra Kukoricakeményítő esetén
5.8.-5.11. ábra megmutatja, hogy a lefúvást 4 anyagra vizsgálták. A lefúvó függvények a P red értékében térnek el egymástól, az NFPA 68 és az EN 14491 előírás. A függvények NFPA 68 esetén kisebbek, mint a kapcsolódó EN14491, kivéve, ha L / D arány 1. Amikor az NFPA 68 volt alkalmazva, akkor a minimuma a függvényeknek 1<=L/D<=2 közé esett. És konstans eredményt adtak, viszont, ha L/D=2 volt, függetlenül attól, hogy a silót, hogyan tervezték, a lefúvás állandó és fix térfogat volt (V=1000m3), EN 14491 L/D=1-nél adta a legkisebb értéket. Az L / D korrekció, ezért is befolyásolja a függvények értékét és ismerteti azokat a különböző viselkedését. Mindekét szabvány esetén a védelmi függvény növekedett, ahogy pred csökkent. Az EN 14491 szabvány egyenletei javasolják, számítási szellőzőterületek zárt teljesen kitöltve egy viharos porfelhő
25
optimális porkoncentráció. Habár, néhány különös szituációban, mint pl.: silóknál, különösen, ha egy szabadon eső vagy mechanikus etető működik benne, ezeket a vizsgálati eljárásokat alkalmazzák az európai szabvány. EN 14491 meghatározza, hogy a nem homogén porfelhők alacsony porkoncentráció körülmények között alacsonymérsékelten turbulencia jön létre, így csökkentett lefúvást is lehet használni. Viszont, nincs érték vagy alternatív formula arra, hogy hogyan határozzuk meg ezt az értéket. Inkább azt írja elő, hogyan határozza meg robbanás lefúvás vizsgálatát. (A VDI 3673 (2002), amely hasznosnak bizonyult.) Ezek az alternatív képlet kisebb nyílás felületekkel számolnak. Ez az 5.12. ábrán jól látható.
5.12. ábra Alternatív képlet alapján, a kukoricakeményítőre végzett számítások
Ezzel szemben a NFPA 68 (2007) egyenlet érvényes, átlagos axiális és tangenciális áramlási sebesség <20m/s számítására is. A nagy sebességű helyzetekben (amelyek az erős turbulencia), nagy turbulencia korrekciókat kell alkalmazni a számításokban.
26
5.13. ábra Fix L/D arány, az NFPA 68alapján
5.14. ábra Fix L/D arány, az MSZ EN 14491alapján
5.13ás 5.14-es ábra azt mutatja, hogyan befolyásolják a hajó mennyisége a lefúvási indexet. Az L / D arány adott, a szellőztető index kisebb lesz, mint a siló mennyisége, mert az nagyobb lesz. Ugyanakkor a légtelenítő területen szükséges, a vizsgált normák, mert mindig növekszik a térfogat, mivel egyre több gáz van a közegben. Ez emeli a különbségeket a nyílás területe és a légtelenítő index között.
5.4.2. A szabványok összehasonlítása valós példán keresztül A következő példában egy valós szituációt mutat be, ezzel illusztráljuk a robbanási lefúvó felületének költségének meghatározza az EN 14491(2006) és az NFPA 68 (2207) szerint. Az ár információt néhány spanyol cég marketingesétől szerezték meg. Az edény ebben a példában egy 1000m3-es acél siló, amely hullámos lemezből készült. (corrugated plates.) A siló tetejére szellőzőt szereltek, mert ez a siló, része egy komplexumnak. A tető gyakran kúpos formájú, amelyet trapéz acéllemezekből készítettek. A saválló acél lefúvó panelek 1492*450 mm (külső méretek), a lefúvó felület 0,5217m2/egység. Ezek, a panelek jól illeszkedik a lemezek a siló tetején. Az ára 230€ körül van egységenként, amiben benne van a keret, a csomagolási és a szállítási, de a szerelési díjakat nem tartalmazzák. Lényeges, hogy az ár a teljes megrendelt mennyiségtől függ. A m2-enkénti árnövekedés akár 50% is lehet a panelek számától és méretüktől függően.
27
Paraméterek
MSZ EN 14491
NFPA 68
Lefúvó felület
9.6
7.3
Lefúvó panelek száma
19
14
Lefúvási költség (€)
4370
3220
Acélszerkezet költség (€)
13100
13100
Teljes költség (€)
17470
16320
A siló árának növekedése a lefúvás kialakítása okán (%)
+33%
+25%
5.3 táblázat Robbanási költségek
A siló karakterisztikája és a por ebben az esetben a következő volt: Siló kapacitás: 1000m3 [V] L/D arány: 1,3 Tárolt anyag: kukorica [Pmax=7,5 bar; Kst=81 bar m/s] Redukált robbanási nyomás ( Pred ): 0,30 bar Nyitónyomás ( Pstat) : 0,05 bar.
Számított szükséges lefúvófelület: NFPA 68(2207) szerint 7,3 m2 EN 14491 (2006) szerint 9,6 m2
5.5. MSZ EN 14491 és a VDI 3673 előírások szerinti méretezés kapcsolódása Az MSZ EN 14491-ban szó esik az építmények porrobbanás elleni védelméről. Az előírás nem foglalkozik a lefúvófelület meghatározásával, csak a porrobbanást vizsgálja. Viszont a VDI 3673 előírás egyáltalán nem foglalkozik vele. Mindkét szabvány javaslatot tesz hibrid keverékekre, amelyben gáz és por vagy oldószer elegye van. Ha gáz vagy koncentrációjuk az alsó robbanási határ (LEL). Ha a határ 20% alatt van, akkor a por, robbanási tulajdonságai határozzák meg a keverék viselkedését. Másik esetben az alsó robbanási határ 20 % felett van, akkor a rendszer, több mint 5 térfogat% felett oldószert tartalmaz.
28
5.6. NFPA 68 előírás szerinti méretezés összefoglalása Az előírás nem alkalmazható hevesen égő gázokra, amelyek égési sebessége nagyobb, mint a propán égési sebességének 130%-a. Azokat a berendezéseket, amelyek teherviselő képessége
, azt alacsony
szilárdságú rendszernek nevezzük. A szükséges lefúvás nagysága:
Ahol, C: gáz tulajdonságaitól függő lefúvási állandó (5.4. táblázat) [-] AS: védett rendszer gázterének felülete [m2] pred: maximális nyomás a védett térben [bar] pn : nyitónyomás [bar]
Gáz
C [bar0,5]
metán
0,037
száraz ammónia
0,013
minden más gáz, aminek égési sebessége kisebb, mint a propán égési sebességének 130%-a
0,045
5.4. táblázat Egyes gázok lefúvási állandói
6. SÍKLAPÚ KÉSZÜLÉKEK TEHERVISELŐ KÉPESSÉGE A vegyipari készülékek nagy része vékonyfalú, lemezből készült edények. Alakjukat nézve síklapból, vagy forgásfelületből, vagy ezek kombinációjukból állítható össze.
6.1. Síklapú lemezek csoportosítása Egy síklemezt terheljünk a középfelületének a síkjában a peremén megoszló erőrendszerrel. A rugalmas alakváltozás tartományában létezik a lemeznek egy olyan egyensúlyi helyzete, amelynél a középfelület pontjainak a középfelületre merőleges elmozdulása zérus lesz (w=0). Viszont van olyan egyensúlyi alakja is, amelynél a középfelület valamilyen görbe felületté deformálódik, tehát a w=0. Ilyenkor a lemez kihajolt. A lemez vastagsága határozza meg a lemez hajlítása közbeni a viselkedését. 29
Háromféle lemezt különböztetünk meg: Vékonylemezek kis lehajlással A lemez középsíkja nem szenved alakváltozást. A középsíkra merőlegesen ható feszültségek elhanyagolhatók. A kihajlást követően a középsík normálisán maradnak az adott pontok. A függvények kielégítenek egy lineáris parciális differenciál egyenletet, amely meghatározza a kerületi feltételekkel együtt az elhajlást. Ez, tehát megadja a lemez bármely, tetszőleges pontjának feszültségét. Ebben az estben a nyíró erő elhanyagolható. Vékony lemezek nagy lehajlással A lemez differenciálegyenleteinek felírása során figyelembe kell venni a fellépő feszültségeket. Nem lineáris egyenleteket fogunk kapni. Különbséget kell tennünk a lemez síkjában szabadon elmozduló és rögzített peremek között, ezek befolyással vannak a lemez feszültségeire és lehajlására. A középsík görbültségének köszönhetően a húzófeszültség ellenkező hatást fejt ki, mint a lemez síkjára merőleges külső erő. A lemez, adott terhelés hatására lehajlik, és részben membránhatással viseli el. Vastag lemezek Ennél az esetben a vastag lemez elméletét kell alkalmazni. A módszer a lemezeket a rugalmasságtan háromdimenziós feladatai közé sorolja, ezért a feszültség elemzése bonyolultabbá válik.
6.2.Vékony lemez kis lehajlása estén
6.1. ábra MSZ EN 1993-1-7 leírás (lineáris esetben) Lemez lehajlása:
30
Ahol, kw : lemez lehajlására vonatkozó tényező pSd: alkalmazott terhelés esetén a tervezési érték [MPa] a: rövidebb oldal hossz [mm] E: rugalmassági modulus [MPa] t: lemez vastagság [mm] Lemezhajlító feszültségei:
Ahol, kσbx: σbx hajlítófeszültségre vonatkozó tényező kσby: σby hajlítófeszültségre vonatkozó tényező Lemez redukált feszültsége:
31
6.3.Nagy hajlások esetében:
6.2.. ábra MSZ EN 1993-1-7 leírás alapján (nem lineáris estben) Lemez lehajlás:
Ahol, kw: lemez lehajlására vonatkozó tényező, függvénye b/a-nak előzőektől eltérően a P értéknek is:
pSd: alkalmazott terhelés esetén a tervezési érték [MPa] a: rövidebb oldal hossz [mm] E: rugalmassági modulus [MPa] t: lemez vastagság [mm]
32
Lemez hajlítófeszültsége:
Lemez membrán feszültségei:
Ahol, kσmx: σmx hajlítófeszültségre vonatkozó tényező kσmy: σmy hajlítófeszültségre vonatkozó tényező A lemez terhelt felületén a feszültség alakulása:
A lemez terheletlen felületén a feszültség alakulása:
Lemez redukált feszültsége:
6.4 Lineárisan rugalmas analízis A tervezési modellek figyelembe veszik a lemezekre vonatkozó kis és nagy lehajlásokat. A, fent említett analízis mintázza meg a vékony lemezes szerkezetek viselkedését a hajlítási elmélet alapján, a sík tökéletes geometriájának összefüggésében. A lineárisan rugalmas test anyagtörvényen és a kis lehajlások elméleten alapszik. A feszültségek és erők a keresztirányú terheléssel lineárisan változnak Egy példa az lineárisan rugalmas analízisre a következő negyedrendű parciális differenciálegyenlet, amely egy izotróp vékony lemez egy p (x,y) keresztirányú terhelésére vonatkozik.
33
Ahol,
7. VÉGESELEMES SZÁMÍTÁSOK Ebben a fejezetben röviden bemutatom a Véges elemes modellezést (VEM). A kísérlet során felhasználtam az analízis elvégzéséhez az Axis VM 9.
7.1. A végeselemes módszer alapjai Ebben az
alfejezetben általánosan bemutatom
a
véges
elemes
modellezést.
A
felhasználhatóságának széleskörűségét, majd a működési elvéről is ejtek néhány szót. A programokat két főcsoportba sorolhatjuk be. Az egyik az önálló véges elemes szoftverek, a másik a CAD rendszerrel integrált programok. Mindkét program típusnak van hátránya. Az önálló véges elemes programok nehezen programozhatóak, míg a CAD alapú véges elemes szoftvereknek kevesebb a tudása, nem minden problémát tud megoldani. Mégis a két program fejlesztése párhuzamosan zajlik. A programok termodinamikai, mechanikai, áramlástani számítások elvégzésére is alkalmas. A véges elemes programok a numerikus matematikát alkalmazzák, tehát közelítő értéket kapunk a számítások elvégzése után. A programok hibáit a numerikus analízis segítségével oldják meg, és így kerekítési hibák jelentkeznek. Az elmozdulási mező ismeretében meghatározható az alakváltozási mező és a feszültségi mező. Alapként az energia minimum elvét használjuk, így a hibákat is energia szintjén vesszük figyelembe. A módszer alkalmazásakor a vizsgált tartományt véges kiterjedésű részekre, elemekre kell bontani. Véges elemnek nevezzük egy test véges számú felülettel határolt tartományát. Az elemek belsejében, felületén kiválasztott, véges számú pontok az ún. Csomópontok. Az egyes elemek egymással megfelelő dimenziójú részekkel kapcsolódnak. A csomópontokban erő- és nyomatékátadás valósul meg. A programok három fő részből épülnek fel: Elő feldolgozó program (preprocessor) Véges elemes megoldó és analizáló program Utófeldolgozó program (postprocessor) Az előfeldolgozó fázisban a vizsgálandó konstrukció modelljének létrehozása történik meg. Magába foglalja a geometriai méretet, anyagjellemzőket, terheléseket, megtámasztásokat és a véges elemes háló megadását. A hálózás lehet automatikus és manuális, ami nagy gyakorlatot igényel. A 34
hálózása beállítása nagy odafigyelést igényel, ugyanis a gépidőt feleslegesen növeli a túlzott hálózás, és a nem megfelelő helyen sűrű hálózás becslési hibákat okoz. A háló felbontása differenciálható tehát, azt a bizonyos részét, amit célszerűen sűrű hálózással kell ellátni, vizsgálat szempontjából irreleváns részeket pedig ritkább hálózással. Az anyagi jellemzőket is meglehet erőre határozni. A beépített modellek között lehetnek fémek, műanyagok, kerámiák, fluidumok is. A számítások elvégzése előtt létre kell hozni a modellt. A modellt vagy a végeselemes programban található rendszer teszi lehetővé, vagy újabban különféle CAD/CAE alkalmazásokban létrehozott alakzatot, véges elemes programba viszi át. A modellnek tartalmaznia kell az anyagi jellemzőket (pl.: sűrűség, Poisson-szám, rugalmassági modulus stb.). Az analizáló program a vizsgálatnak megfelelő eljárást beállítva kiszámolja azokat az értékeket, amikre kíváncsiak vagyunk, majd a posztprocesszálési szakaszban grafikusan ezt be is mutatja, akár olyan helyeken is, ahova egyébként nem nyerhetnénk betekintést.
7.1. ábra VEM programok működése A fenit képen a véges elemes program működésének elvi vázlata látható
35
7.2.Axis VM bemutatása Az Axis VM modellező program magas szintű, amely nagymértékben megkönnyíti a mérnöki munkát. A fejlett véges elemes szoftverek alkalmazása lehetőséget nyújt a mérnökök számára, mert gyorsabban elvégzik a számításokat. Integrált vizuális modellezés segítségével és egyszerűen és gyorsan fel tudják építeni a 3D-s modelleket. Az első Axis program 1992-ben jelenet meg, amely MS-DOS alatt futott. nagy sikert aratott azok a mérnökök körében, aki rendelkezett már számítógéppel. AZ elmúlt 19 évben folyamatosan fejlesztették a szoftvert, mivel a felhasználók igényeik folyamatosan nőt. Az Axis VM 9 program számos előnnyel bíró szoftver: programozható vizsgálni tud: térbeli keretet, tárcsafalakat, rugalmasan ágyazott gerendákat, rácsos tartókat stb. rendelkezik acél és vasbeton méretezési modullal egyszerűen lehet benne modellezni véges elemek méretező modulok a következők: MSZ, EC, DIN, SIA, STAS, NEN előírások szerint terhek (pontszerű, vonal menti, felületi, mozgó terhek, valamint feszítési terhek, hőmérsékleti terhek) a dokumentáció automatikusan frissül diagramban ábrázolja a nem lineáris számításnál, mindkét eredményt magas szintű grafikus munkafelület, használható 2D/3D CAD rendszer a statikai váz felépítéséhez
36
7.3. Az Axis VM 9 program alkalmazása Először kiválasztjuk azt, hogy milyen szabvány szerint akarunk dolgozni, milyen legyen a nézet, milyen legyen a mértékegység.
7.2 ábra Program kezdő képe A következő hogy meg kell rajzolni a test geometriáját. meghatározzuk a test anyagát, amelyet betölthetünk az anyagkatalógusból. Egy téglalap alakú lemezt vizsgáltam, terhelése az egész felületén megoszló nyomás volt, a peremeit befogottnak tekintettük. A következő lépés a végeselemes háló készítése. Miután felvettünk és beállítottunk mindent, mindössze egy gombnyomással a program elvégzi a statikai számításokat. Az adatok alapján megállapíthatjuk, hogy elmozdul, a felület igénybevételének, feszültségének, a vonal menti támaszoknak az értekeit.
37
7.3. ábra Elmozdulás alakulása
38
8. MÉRÉSSEL VÉGZETT LEMEZVIZSGÁLAT 8.1. A mérőberendezés A következőkben a szimulációs számításokkal kapott eredményeket a Vegyipari Gépek Tanszékének műhelyében elvégzett méréssel is összevetettem. A vizsgálatot egy 800 mm hosszú 400 mm széles és 1,5 mm vastagságú lemezen végeztük, amelyet egy két részből álló vizsgálóberendezésbe fogtunk be, sziloplaszt tömítést használva. A vizsgálóberendezés alsó része egy zárt keret, amelyet alulról egy robosztus kazánlemez borít, a felső rész pedig egy nyitott keret. Mindkét keret, és a vizsgált lemez peremein 80 furat készült, így a lemezt 80 darab M12-es csavarral lehet a keretek közé rögzíteni, ezzel biztosítva a lemez peremeinek fix megfogását. A mérés célja, hogy különböző előre meghatározott statikus nyomásterhelésnél megállapítsuk a lemez elmozdulásának nagyságát. A nyomásterhelést az alsó keret rövidebbik oldalánál, egy szeleppel működtetett beömlőnyíláson át tudjuk növelni, az átellenes oldalon pedig az, ahol a mérés után levesszük a terhelést, nyomástávadót helyezünk el. A lemez elmozdulását, a felső, nyitott keretre felszerelt elmozdulás távadókkal tudjuk mérni.
8.1. ábra A mérő berendezés Mivel a lemezre merőleges elmozdulások hosszanti és keresztirányban szimmetrikusak, ezért elegendő a lemez negyedére elhelyezni az elmozdulásmérőket. Mind a nyomástávadó, mind az elmozdulásmérők által küldött jelek egy adatgyűjtő egységen keresztül, számítógépen a Catman program segítségével nyomon követhetők voltak.
39
8.2 A mérés menete Miután elvégeztük az előző pontban ismertetett előkészületeket (a lemez keretekhez való rögzítése, távadók felszerelése és kalibrálása stb.), elindítottuk a programot, amely másodpercről másodpercre jelzi a nyomás és elmozdulás változásait.
8.2 ábra Nyomás változása az idő függvényében
8.3. ábra Az elmozdulás változása
40
A program elindítása után megnyitjuk a szelepet, majd állandó nyomásnövekedés mellett a kívánt értékig terheljük a lemezt (1. szakasz). Ha ezt az értéket elértük, elzárjuk a szelepet, és megvárjuk, amíg az elmozdulásmérők értékei állandósulnak (2.szakasz). Ezután levesszük a terhelést (3. szakasz). Ekkor, ha nem történt képlékeny alakváltozás, az elmozdulásmérők visszanyerik eredeti pozíciójukat, azaz a diagramon azt tapasztaljuk, hogy minden elmozdulás 0 értéket mutat.
41
8.3. A mérési eredmények kiértékelése statikus nyomás esetén Az előbb bemutatott mérési folyamatot tizenhárom nyomásértékre végeztük el, és ennek eredményeképp minden állandósult nyomáshoz tizenöt különböző pontban mért elmozdulást kaptunk.
ELMOZDULÁSOK [mm] nyomás [bar] 0,0078 0,0138 0,0222 0,0246 0,036 0,0444 0,0624 0,0768 0,0852 0,1002 0,1122 0,1446 0,2004 nyomás [bar] 0,0078 0,0138 0,0222 0,0246 0,036 0,0444 0,0624 0,0768 0,0852 0,1002 0,1122 0,1446 0,2004
0. helyen 1,05625 1,50313 1,92813 2,03438 2,45625 2,84063 3,15938 3,41875 3,59375 3,82188 3,96875 4,375 4,95313 8.helyen 0,60375 0,8775 1,13813 1,21063 1,48063 1,73938 1,9625 2,14625 2,27375 2,44125 2,54875 2,84875 3,2925
1. helyen 1,05938 1,48438 1,90938 1,99375 2,42813 2,80313 3,11563 3,36875 3,54063 3,76563 3,9125 4,30938 4,88125 9.helyen 0,59125 0,84938 1,105 1,16625 1,43375 1,68563 1,90188 2,07938 2,20125 2,36125 2,46813 2,7575 3,18438
2. helyen 3.helyen 4.helyen 5. helyen 6. helyen 7. helyen 0,85625 0,43125 0,94875 0,90313 0,75563 0,39063 1,23125 0,66125 1,36063 1,27938 1,09563 0,60125 1,6125 0,9025 1,7475 1,66063 1,44188 0,8175 1,69375 0,97 1,84875 1,73375 1,5175 0,885 2,0875 1,23125 2,23938 2,1225 1,88 1,12625 2,4375 1,4825 2,60063 2,46563 2,20688 1,36938 2,72813 1,69875 2,905 2,7525 2,48063 1,5775 2,9625 1,87375 3,15125 2,98313 2,70188 1,75 3,11875 1,99375 3,31813 3,14125 2,85188 1,86688 3,32188 2,14875 3,53813 3,33625 3,04438 2,02 3,45938 2,25125 3,6775 3,47625 3,175 2,12188 3,82188 2,53 4,06375 3,85125 3,52313 2,39688 4,34688 2,93375 4,62438 4,37563 4,02563 2,80188 10.helyen 11.helyen 12.helyen 13.helyen 14.helyen 0 0,25813 0,21688 0,20375 0,17375 -0,00313 0,40688 0,32063 0,3025 0,265 0,15563 0,56125 0,42125 0,39875 0,3575 0,27188 0,615 0,4525 0,42938 0,38313 0,46563 0,79438 0,56125 0,53438 0,48875 0,71313 0,98563 0,67313 0,64375 0,59438 0,92563 1,155 0,77188 0,74063 0,6875 1,10438 1,29625 0,85438 0,82375 0,76625 1,22625 1,39625 0,91375 0,88188 0,82188 1,3875 1,52563 0,99125 0,95875 0,89438 1,49625 1,6125 1,0425 1,01063 0,94375 1,77813 1,85125 1,18688 1,15375 1,07875 2,19 2,2075 1,41063 1,37688 1,28688
8.4. ábra Pontokban mért elmozdulások
42
8.4. Következtetések a lineáris eset vonatkozásában A 8.5. ábra a lineáris szimuláció és a mérési eredmények összehasonlítását mutatja be.
8.5. ábra A lineáris szimuláció és a mérési eredmények összehasonlítása
A lineáris analízissel végzett számításokkal kapcsolatos megfigyelések a következők: Amint a diagramon látszik, a lineáris analízissel kapott eredmények nem modellezik valósághűen a középpont elmozdulását, hiszen a számított eredmények nagymértékben eltérnek a mérési eredményektől A lineáris esetben kapott eredmények csak 1.5 mm-ig közelítik a mérési eredményeket. Ez megegyezik a lineáris analízis használatára vonatkozó korlátozással, azaz hogy a lemezvastagság nagyságát nem meghaladó behajlásig alkalmazható. Nagy lehajlásokra a lineáris szimuláció nem alkalmazható, későbbi kutatásaim során meg fogom vizsgálni a nemlineáris geometriai modellel történő modellezést, amely a tanszéki kutatási eredmények alapján már jó közelítéssel leírja a valós eseményeket.
43
9. ÖSSZEGZÉS Dolgozatomban a síkfalú porrobbanás veszélyes készülékeket vizsgáltam. Magába foglalja a porrobbanás ismertetését, a befolyásoló tényezőket, majd néhány esettanulmány alapján, választ kaptam arra, hogy hogyan tudunk védekezni a porrobbanás ellen. Összehasonlítottam a porrobbanással foglalkozó szabványokat, amelyek a következők voltak: a német VDI 3673, az amerikai NFPA 68 és az európai MSZ EN 14491. Mindhárom tartalmaz azonos elemeket, de mégis mind más és más. Viszont egyik előírás sem foglalkozik a lefúvó felületek pontos meghatározásával, így nem tudjuk biztosan, hogy milyen távolságra helyezzük el egymástól a lefúváskoat. A második fele a TDK dolgozatomnak a, síkfalú lemez vizsgálata volt. Összegezve nagy lehajlások esetén a lineáris számítások nem alkalmazhatóak, mert nem valósághű eredményt kaptunk. Mivel a mérési eredmények nem azonosak a számítások eredményeivel. A későbbiekben szeretném a kutatásaimat kiterjeszteni a nem lineáris geometriai modellre.
44
10. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Szeretném, megköszöni a TDK dolgozatom megírásához, esetleges hibák felderítéséhez és kijavításához, szakmai színvonal növeléséhez nyújtott segítséget a Vegyipari Gépek Tanszék oktatóinak és dolgozóinak. Külön köszönettel tartozom konzulensemnek Dr. Siménfalvi Zoltánnak, hasznos tanácsaiért, és türelméért.
11. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] Porrobbanás ME VGT [2] Dust explosion venting in silos: A comparison of standards NFPA 68 and EN 14491 [3] MSZ EN 14491: Szellőzőnyílásos porrobbanás-védelmi rendszerek [4] VDI 3673 Druckentlastung von Staubexplosionen [5] Axis VM 9 [6] Tobias Dahl Hansson: Risk analysis and a study of risk awareness and risk communication at LEAF Gävle concerning dust explosions, 2005 Lund [7] Páczelt István, Szabó Tamás, Baksa Attila: A végeselem módszer alapjai, 2007, Miskolc
45
