porrobbanás elleni védelem tervezési előírásainak ...2011/11/03 · a porkoncentráció...
TRANSCRIPT
Porrobbanás elleni védelem tervezési
előírásainak összehasonlítása, síklapú
készülékek teherviselő képességének vizsgálata
Készítette: Spisák Mária
Konzulens: Dr. Siménfalvi Zoltán
egyetemi docens
Tudományos Diákköri Konferencia
2011
2
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
3
8.4. Következtetések a lineáris eset vonatkozásában ...................................................................... 43
9. ÖSSZEGZÉS ................................................................................................ 44
10. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS............................................................................ 45
11. FELHASZNÁLT IRODALOM ......................................................................... 45
4
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.
5
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
6
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 <Kst<200
2 200<Kst<300
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
Levegő Gyújtóforrás
Por
7
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 por-
levegő 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
8
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
9
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.
10
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.
11
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.
12
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, szén-
dioxid).
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.
13
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.
14
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.
15
8. ábra Lefúvásos zárt robbanás
16
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.
17
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]
18
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:
19
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.
20
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 (pred) lett kiszámolva, amelynél mindkét
szabványt alkalmazták. A kisebbik pred 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.
21
Adatok MSZ EN 14491 NFPA 68
Edény térfogat (V)
Statikus aktiváló nyomás (pstat)
de
használnak
Redukált robbanási nyomás
(pred)
Ajánlott érték:
Maximális robbanási nyomás
(pmax)
akkor a Kst értéke 10 bar
akkor Kst=300bar-ral
estén a Kst értéke 10 bar
Hossz/ átmérő arány L/D
felülzárt konténerek esetén
Atmoszférikus feltételek
Az atmoszférikus nyomás 80-
110 kPa között, akkora
hőmérséklet -20 és 60 C° között
mozog. A relatív növekedés 5-
85% térfogat frakció esetén. Az
oxigén tartalom 20,9+/- 0,2%
Kezdeti nyomás egyenlő 1bar
Turbulencia Az axiális és tangenciális
sebesség <20m/s
további feltételek
Nincs szellőző nyílás, közel
inercia mentes állapot
Nincs szellőző nyílás
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.
22
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.
23
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 (Kst)
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.
24
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.
25
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 Pred
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
26
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.
27
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.
28
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.
29
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.
30
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:
31
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:
32
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]
33
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.
34
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
35
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
36
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
37
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.
38
7.3. ábra Elmozdulás alakulása
39
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.
40
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
41
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.
42
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.
8.4. ábra Pontokban mért elmozdulások
nyomás [bar] 0. helyen 1. helyen 2. helyen 3.helyen 4.helyen 5. helyen 6. helyen 7. helyen
0,0078 1,05625 1,05938 0,85625 0,43125 0,94875 0,90313 0,75563 0,39063
0,0138 1,50313 1,48438 1,23125 0,66125 1,36063 1,27938 1,09563 0,60125
0,0222 1,92813 1,90938 1,6125 0,9025 1,7475 1,66063 1,44188 0,8175
0,0246 2,03438 1,99375 1,69375 0,97 1,84875 1,73375 1,5175 0,885
0,036 2,45625 2,42813 2,0875 1,23125 2,23938 2,1225 1,88 1,12625
0,0444 2,84063 2,80313 2,4375 1,4825 2,60063 2,46563 2,20688 1,36938
0,0624 3,15938 3,11563 2,72813 1,69875 2,905 2,7525 2,48063 1,5775
0,0768 3,41875 3,36875 2,9625 1,87375 3,15125 2,98313 2,70188 1,75
0,0852 3,59375 3,54063 3,11875 1,99375 3,31813 3,14125 2,85188 1,86688
0,1002 3,82188 3,76563 3,32188 2,14875 3,53813 3,33625 3,04438 2,02
0,1122 3,96875 3,9125 3,45938 2,25125 3,6775 3,47625 3,175 2,12188
0,1446 4,375 4,30938 3,82188 2,53 4,06375 3,85125 3,52313 2,39688
0,2004 4,95313 4,88125 4,34688 2,93375 4,62438 4,37563 4,02563 2,80188
nyomás [bar] 8.helyen 9.helyen 10.helyen 11.helyen 12.helyen 13.helyen 14.helyen
0,0078 0,60375 0,59125 0 0,25813 0,21688 0,20375 0,17375
0,0138 0,8775 0,84938 -0,00313 0,40688 0,32063 0,3025 0,265
0,0222 1,13813 1,105 0,15563 0,56125 0,42125 0,39875 0,3575
0,0246 1,21063 1,16625 0,27188 0,615 0,4525 0,42938 0,38313
0,036 1,48063 1,43375 0,46563 0,79438 0,56125 0,53438 0,48875
0,0444 1,73938 1,68563 0,71313 0,98563 0,67313 0,64375 0,59438
0,0624 1,9625 1,90188 0,92563 1,155 0,77188 0,74063 0,6875
0,0768 2,14625 2,07938 1,10438 1,29625 0,85438 0,82375 0,76625
0,0852 2,27375 2,20125 1,22625 1,39625 0,91375 0,88188 0,82188
0,1002 2,44125 2,36125 1,3875 1,52563 0,99125 0,95875 0,89438
0,1122 2,54875 2,46813 1,49625 1,6125 1,0425 1,01063 0,94375
0,1446 2,84875 2,7575 1,77813 1,85125 1,18688 1,15375 1,07875
0,2004 3,2925 3,18438 2,19 2,2075 1,41063 1,37688 1,28688
ELMOZDULÁSOK [mm]
43
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.
44
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.
45
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