Zasada działania

1. Czym jest przewietrzanie i utrzymywanie nadciśnienia?
2. Które normy są ważne?
3. Podstawowe funkcje w zakresie atmosfer zawierających niebezpieczne gazy, pyły lub ich mieszaninę
4. Czego używa się do przewietrzania i utrzymywania nadciśnienia?
5. Jakie są wymogi w zakresie przewietrzania?
6. Jakie są wymogi w zakresie utrzymywania nadciśnienia?
7. Jakie rodzaje urządzeń można zabezpieczyć?

Przewietrzanie i utrzymywanie nadciśnienia (ochrona typu Ex p) to metoda, w której wykorzystuje się sprężone powietrze lub gaz obojętny do usunięcia z obudowy niebezpiecznych substancji, takich jak gaz, pył lub ich połączenie, aby nie dopuścić do ich szkodliwego oddziaływania na znajdujące się wewnątrz urządzenia elektroniczne. 

NFPA 496 to norma odnosząca się do obszarów Class/Division, natomiast norma IEC 60079-2 dotyczy obszarów Zone. Są to jednak normy dotyczące przewietrzania i utrzymywania nadciśnienia, a wiec stanowiące jedynie wycinek obrazu. Należy uwzględnić także temperaturęokablowania oraz materiał, z którego wykonana jest obudowa i znajdujące się w niej urządzenia. Przykładowo okablowanie biegnące do obudowy i wychodzące z niej nie jest częścią systemu przewietrzania i wymaga zabezpieczenia. Od klasyfikacji obszaru zależy, jakich urządzeń można użyć i jakich norm należy przestrzegać.
  

W obecności wybuchowych gazów:  

Wymagane jest przewietrzanie, które usunie z obudowy wszystkie łatwopalne gazy. Uzyskanie bezpieczeństwa wymaga dostarczenia określonej objętości gazu ochronnego na pustą objętość obudowy. Norma NFPA 496 wymaga czterokrotnej wymiany objętości, natomiast norma IEC60079-2 — pięciokrotnej wymiany. Aby zapewnić całkowite przewietrzenie obudowy, prędkość przepływu podlega pomiarowi lub certyfikacji.

Po przewietrzeniu obudowy ochronnej konieczne jest utrzymanie w niej odpowiedniego ciśnienia. W tym celu wprowadza się niewielki przepływ gazu ochronnego, aby utrzymać ciśnienie w obudowie powyżej bezpiecznej wartości minimalnej. Wartość ta jest zgodna z normą NFPA 496 lub IEC60079-2. Większość obudów przepuszcza gaz przez drzwiczki, okienka, kanały i dławiki kablowe itp., dlatego też w celu utrzymania ciśnienia wymagany jest stały przepływ gazu ochronnego.

W obecności wybuchowych pyłów:

Niebezpieczny pył należy mechanicznie usunąć poza obudowę. Następnie można ją uszczelnić i wytworzyć w niej odpowiednie ciśnienie. Wytwarzanie ciśnienia polega zazwyczaj na wygenerowaniu niewielkiego przepływu gazu ochronnego, który utrzymuje ciśnienie w obudowie powyżej bezpiecznej wartości minimalnej (wartość jest zgodna z normą NFPA 496 lub IEC60079-2). Większość obudów przepuszcza gaz przez drzwiczki, okienka, kanały i dławiki kablowe itp., dlatego też wymagany jest stały przepływ gazu ochronnego. Nie wykonuje się przewietrzania, ponieważ odpowietrzniki nadciśnieniowe wymagają zazwyczaj chwytacza iskier, przez który nie można usunąć cząstek pyłu.

W obecności wybuchowych pyłów i gazów:

Z obudów należy w pierwszej kolejności usunąć łatwopalny pył, a następnie przewietrzyć je w celu usunięcia łatwopalnego gazu. Sam proces utrzymywania nadciśnienia pozostaje bez zmian, jednak poziom minimalnego bezpiecznego ciśnienia może być inny. W przypadku obecności wybuchowych pyłów poziom bezpiecznego ciśnienia w obudowie jest zazwyczaj wyższy, co zależy od normy, zgodnie z którą przeprowadzany jest proces.

Po pomyślnym przewietrzeniu i oczyszczeniu obudowy oraz wytworzeniu w niej ciśnienia urządzenia mogą być bezpiecznie eksploatowane. Spadek ciśnienia poniżej bezpiecznego limitu wymaga odpowiedniej reakcji. W zależności od stosowanej norny i klasyfikacji strefy może to być natychmiastowe lub opóźnione o ustalony czas odłączenie zasilania od obudowy ochronnej (w przypadku stosowania procedur wyłączania) albo uruchomienie alarmu wizualnego lub dźwiękowego, który będzie dla operatora sygnałem do podjęcia działania, ale nie spowoduje automatycznego odcięcia zasilania obudowy.

Wszystkie systemy muszą być wyposażone w odpowietrznik nadciśnieniowy, który umożliwia obniżenie ciśnienia gazu w obudowie. W środowiskach, gdzie występuje jedynie zapylenie, urządzenia nadciśnieniowe również są wymagane, ponieważ w przypadku awarii regulatora do obudowy może zostać doprowadzona nadmierna ilość gazu.

Do przewietrzania obudów i utrzymywania w nich nadciśnienia używa się gazu ochronnego. W większości instalacji rolę tę pełni sprężone powietrze. W niektórych zastosowaniach używa się powietrza w butlach, a w innych gazu obojętnego, na przykład azotu. Przy wyborze źródła gazu ochronnego należy uwzględnić szereg parametrów:

• Źródło gazu musi być czyste. W celu określenia, jaki rodzaj powietrza jest wymagany, należy zapoznać się z normami i parametrami systemu dostarczającego gaz ochronny. W celu utrzymania jakości należy zawsze stosowaćregulator i filtr.
• Należy stosować regulator, który przy wytwarzaniu ciśnienia zapewni stałą prędkość przepływu. Może być również niezbędne określenie wymiany objętości w obudowie, która jest przewietrzana. Źródła pozbawione możliwości regulacji mogą powodować ogromne zmiany ciśnienia. Spadek ciśnienia poniżej dolnego limitu może spowodować przerwy w działaniu systemu oraz wyłączenia. Zbyt wysokie ciśnienie może powodować deformację lub uszkodzenie okienek, uszczelnień oraz dławików kablowych w obudowie.
• Należy sprawdzić, czy wydajność źródła gazu ochronnego będzie wystarczająca, aby sprostaćmaksymalnej prędkości przepływu w systemie. 
• Przewody źródła gazu zasilające obudowę ochronną muszą mieć przekrój wystarczający do zapewnienia maksymalnego przepływu, który jest zazwyczaj wykorzystywany przy przewietrzaniu.
   

Przyjmuje się, że podczas rozruchu systemu w obudowie znajduje się łatwopalny gaz, którego stężenie będzie podczas eksploatacji urządzeń stwarzać groźbę pożaru.

Sposobem na usunięcie całego łatwopalnego gazu z obudowy jest przewietrzanie, które pozwala obniżyć jego stężenie do wartości poniżejdolnej granicy wybuchowości (lower explosive limit, LEL). Na czas, jakiego potrzeba do zabezpieczenia obudowy, wpływa kilka zmiennych, w tym wielkość przepływu gazu do obudowy i z niej, rozmiar obudowy, liczba wymaganych wymian objętości, architektura zawartości obudowy oraz wytrzymałość obudowy. W przypadku obudów ochronnych podzielonych na komory może pojawić się konieczność umieszczenia przewodu doprowadzającego gaz ochronny w takich miejscach, które zapewnią przedmuchiwanie wszystkich „martwych punktów”. Czas przewietrzania zależy od stosowanej normy, ale zazwyczaj wynosi:

• przy normie NFPA 496: 4 wymiany objętości / 10 wymian objętości w przypadku silników 

Do przewietrzania zazwyczaj wymagane jest doprowadzenie do obudowy kontrolowanego przepływu ochronnego gazu oraz zastosowanie odpowiednio dużego odpowietrznika nadciśnieniowego. Jeżeli wybuchowy gaz jest cięższy od powietrza, dobrą praktyką jest umieszczanie odpowietrznika u dołu obudowy, a wlotu gazu w jej górnej części. Ważniejsze jest jednak zapewnienie wymiany gazuw całej objętości obudowy. Organ certyfikujący obudowy może wymagać testu, który potwierdzi, że deklarowany czas jest wystarczający. Należy być przygotowanym na zadanie organowi pytania, czy test jest wymagany.

Przewietrzanie dużych obudów może być problemem z powodu podwyższonego ciśnienia otwarcia odpowietrznika zabezpieczającego obudowę. Ciśnieniezależy od powierzchni, więc większa powierzchnia oznacza większą siłę:

• Rozmiar obudowy = 3 x 5 x 1,5 st. = 22,5 st. sześc.
• Rozmiar drzwiczek obudowy = 2 x 4 st.
• Prędkość przepływu przy ciśnieniu w obudowie = 30 standardowych stóp sześciennych na min. przy 4 in wc (27,6 in wc = 1 psi)
• Prędkość przepływu przy ciśnieniu w obudowie = 12 standardowych stóp sześciennych na min. przy 2 in wc (27,6 in wc = 1 psi)
• Liczba wymian objętości = 4 in wc. Przy przeliczeniu na psi = 4/27,6 = 0,1445 psi

Przy przepływie przewietrzania 30 scfm ciśnienie w obudowie wyniesie ok. 4 in wc lub 0,1445 psi.

• Siła wywierana na drzwiczki wyniesie 8 (st. kw.) x 0,1445 (funtów/cal kw.) x 144 (cali kw./st. kw.) = 166 funtów.
  Czas przewietrzania = 4 wymiany objętości x 22,5 st. kw. / 30 scfm = 3 min

Przy przepływie przewietrzania 12 scfm ciśnienie w obudowie wyniesie ok. 2 in wc lub 0,0725 psi.

• Siła wywierana na drzwiczki wyniesie 8 (st. kw.) x 0,0725 (funtów/cal kw.) x 144 (cali kw./st. kw.) = 83 funtów.
  Czas przewietrzania = 4 wymiany objętości x 22,5 st. kw. / 12 scfm = 7,5 min.

Większe obudowy są niekiedy wzmacniane w celu zapewnienia odporności na wyższe ciśnienie.

Wytworzenie nadciśnienia w obudowie odbywa się po jej przewietrzeniu lub usunięciu z niej pyłu. Nadciśnienie nie pozwala, aby niebezpieczny gaz powrócił do wnętrza obudowy. Stały dopływgazu ochronnego do wnętrza obudowy jest niezbędny, aby zniwelować efekt przecieków przez drzwiczki, okienka, kanały i dławiki kablowe itp. Przepływ jest zazwyczaj mniejszy niż przy przewietrzaniu i nie powoduje przekroczenia ciśnienia otwarcia odpowietrznika. W niektórych przypadkach wymagany jest jednak przepływ powodujący otwarcie odpowietrznika i dochodzi wtedy do schłodzenia obudowy.

Przy ustalaniu ciśnienia, jakie ma panować w obudowie, należy wybrać wartość wyższą niż minimalne bezpieczne ciśnienie systemu i niższą niż ciśnienie otwarcia odpowietrznika nadciśnieniowego. Przykładowo jeśli minimalne bezpieczne ciśnienie wynosi 0,25 in wc, a ciśnienie zadziałania odpowietrznika nadciśnieniowego to 1,0 in wc, w obudowie należy utrzymywać ciśnienie 0,5 in wc. Nieco wyższa wartość zwiększa szansę, że spadki ciśnienia zasilania nie spowodują włączenia alarmu ani wyłączenia systemu. 

Zabezpieczyć można większość urządzeń elektronicznych, jednak wcześniej mogą być wymagane niewielkie modyfikacje. Zamknięte w obudowie urządzenia, które nie są przeznaczone do pracy w atmosferach wybuchowych, stają się częścią systemu przewietrzania i utrzymywania nadciśnienia. Wszystkie urządzenia zamknięte we własnych szczelnych obudowach muszą zostać otwarte, aby umożliwić przepływ przewietrzającego gazu. Należy zapoznać się z obowiązującymi standardamiminimalnych rozmiarów otworów. W przypadku podzespołów elektronicznych, takich jak układy scalone, tranzystory, kondensatory itp., wentylowanie nie zawsze jest wymagane. Jeżeli dostosowanie elementu do tych wymogów systemu przewietrzania i utrzymywania nadciśnienia wymaga wprowadzenia w nim modyfikacji, należy zawsze skontaktować się z producentem w celu sprawdzenia, czy takie działanie nie spowoduje utraty gwarancji i nie wpłynie na bezpieczeństwo eksploatacji danego elementu.