特殊场所空调潜在的危险性之防爆空调的结构与设计

特殊场所空调潜在的危险性之防爆空调的结构与设计

　　关键词]防爆空调；结构；设计；防爆体系

　　[摘要]分析了普通空调在危险场所应用的潜在危险性，并对防爆空调的设计方法进行了探讨。

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　　在石油、化工等部门的企业中，在许多存在易燃易爆场所的操作室、生产车间、仓库需要恒温环境才能保证正常的生产和工作；另外，爆炸性气体环境中的工作人员也希望在一个温度适宜的环境下工作，以提高工作效率，保证产品质量。但是普通空调在这些有易燃易爆气体的危险场所使用，有发生爆炸的可能性，因此，在这类场所必须选用防爆型空调。

　　2、空调的结构

　　空调器的组成主要包括三大部分，分别为制冷系统、空气循环系统和控制系统。制冷系统和空气循环系统中包括的电气部分有：压缩机、摇摆电机、室内外风机电机、四通电磁换向阀、高低压保护开关等，另外冷暖双温式空调一般还有辅助电加热。机械部分包括冷凝器、蒸发器、毛细管、气液分离器(贮液罐)、干燥过滤器等部件。空调器控制系统的核心为微处理芯片，通过它的I/O口采集室内外机中温度传感器检测到的信号、电源电压的变化信号和各功能键的操作信号，并对这些信息进行处理，再通过I/O口驱动压缩机、风机电机、四通电磁换向阀、辅助电加热器及显示器。系统原理图如图一所示：

　　3、普通空调使用在爆炸危险场所的潜在危险性

　　由空调的结构可知，普通空调在具有爆炸性气体混合物存在的石油化工等危险场所，一旦发生易燃易爆气体泄漏，就有可能发生爆炸危险。具体可能发生爆炸的因素有以下几个方面：(1)元件、设备所产生的电火花、电弧等，如控制回路中的接触器、继电器。(2)设备运行当中产生的机械摩擦火花，如电动机轴承盖和转轴间、风机电机的风叶旋转部件与静止部件间。(3)空调塑料外壳表面可能积聚静电而产生静电火花。(4)设备外壳表面有可能产生危险温度，如压缩机、辅助电加热器等。(5)印刷电路板有发生短路、开路等故障释放能量引燃可燃性气体的可能。(6)普通空调的布线、电气安装不符合GB3836.15—2000《爆炸性气体环境用电气设备第15部分：危险场所电气安装(煤矿除外)》标准要求，也存在产生火花、电弧或高温的可能。因此，进行防爆空调机组的设计，主要从以上几方面入手。

　　4、防爆空调的系统设计

　　在进行防爆空调的设计前，首先根据防爆空调适用的爆炸性气体混合物场所，来确定本产品的防爆型式。由于空调机组中涉及的电气元件较多，因此，空调机组整机采用复合防爆型式。

　　4.1、零部件的防爆设计

　　压缩机是空调器制冷系统的心脏。房间空调器压缩机采用全封闭旋转式压缩机。压缩机外壳由钢板冲压焊接制成，且外壳至少能承受1.5MP、历时15min的压力不泄漏、电动机定转子和压缩机活塞共同密封在其中，外部只有一个密封接线柱和高低压侧连接管(与制冷系统连在一起)。电缆引入装置采用密封填料式结构，浇封剂包覆电缆长度不小于5mm，接线柱和浇封剂自由表面间的浇封剂层厚不小于3mm。浇封剂采用环氧树脂，具有足够的热稳定性能。压缩机通过连接管路和冷凝器、蒸发器、毛细管、贮液器、过滤器、电磁换向阀组成密闭的循环系统，满足GB3836.10—91要求，构成气密型防爆结构。室内外风扇电机、摇摆风机电机、四通电磁换向阀及高低压保护开关等可选用市场上已取得防爆合格证的隔爆型或浇封型电气设备，这里不再详细论述。控制系统是空调机的神经中枢。空调机主回路采用AC380V(或AC220V)供电电源，并经变压器降压、整流、滤波和限压、限流保护电路，变为低压直流电源供处理芯片、温度信号采集电路和显示、操作电路使用。由于该部分电路电压高、电流大，容易产生点燃火花，所以把该部分电路放置在隔爆盒内，作为本安电路的关联设备处理，而操作、显示、信号采集处理部分因电压低、电流小，故设计成本安电路，以便于安装、操作。隔爆盒的设计应符合GB3836.2的要求，电缆引入装置可采用弹性橡胶密封圈或密封填料来进行密封。电源变压器副边绕组向本安电路供电，因此变压器的结构设计应符合GB3836.4—2000标准中8.3.1条的要求，并能承受绝缘介电强度试验的考核。变压器的输入电路应符合GB3836.4—2000第7.3条规定的熔断器或适当规定值的断路器来保护。限压环节采用两只并联的稳压二极管双重保护，稳压二极管的额定功率应至少为齐纳状态下齐纳耗散功率的1.5倍，额定电流应大于正向导通状态下15倍最大可能的短路电流。限流环节采用薄膜型或绕线型电阻或晶体管非线性组件，限流电阻在正常工作时或本安端开路、短路时所承受的电压、电流、功率不得超过额定值的2/3。压缩机、风机、四通电磁换向阀、辅助电加热器的弱电控制信号与强电部分应采用光电耦合器、固态继电器进行安全隔离。隔离元件应能承受1500V历时1min的绝缘介电强度试验。本安电路中电容、电感应符合GB3836.4—2000附录A的要求。另外，印刷电路板导线的宽度应与在此温度组别下最大允许通过的电流相适应。裸露导电元件间的电气间隙、爬电距离也应符合标准要求。在所用电器元件都焊接完毕后，印刷线路板正反两面应均匀涂覆两遍绝缘清漆，以加强绝缘。空调机组及各电气设备的最高表面温度应不超过130℃，否则可能引燃爆炸性气体混合物，然而，在冬天气温较低时单靠热泵来制热满足不了人们的需要，空调都配有辅助电加热装置，电加热器表面温度很高，一般都超过了T4组允许的温度组别，若通过减少加热器功率来降低温度则制热效果又不理想，为了得到既制热量大，表面温度又低的双重效果，采用了热管技术，通过控制热管内传热介质的蒸发点及增大散热表面来降低加热器的最高表面温度。

　　4.2、整体防爆性能设计

　　由于电气线路在运行中受到自身和外界诸多条件的影响，容易发生过负荷、接地或断路等故障而产生电火花、弧光或危险温度，诱发易燃易爆物质的燃烧与爆炸事故，因此防爆空调机的布线、安装应符合GB.5—2000要求。在爆炸危险环境中所用的电缆、电线的芯线截面应较非危险场所所用电缆、电线的截面积留有较大的裕量，一般情况下应稍大一点，最多不大于导线截面的一个级别。空调机组和外部电源以及室内外机之间的连接电缆选用铜芯电缆，电缆芯线截面积应至少大于1.5mm2。在爆炸危险场所进出隔爆盒的电缆应选用致密填充物的护套电缆、橡套电缆，电缆直径应和密封圈相适应，确保电缆引入装置能夹紧电缆。电气设备的引入装置多余的通孔，应用堵棒封堵上。本安电路是通过限制能量使之即使发生断路、短路或接地故障时其能量也不会引起危险环境的点燃，所以为了保护本质安全电路的整体性能，免受其他电源的干扰，本安电路和其他电路应隔离。本安端子与非本安端子之间间距不小于50mm，本安导线与非本安导线分开扎捆走线。连接本质安全电路的插接件和连接非本质安全电路的插接件应不能互换。空调机组包含的所有电气设备及机组整体都应有可靠的内外接地，接地导线采用不小于4mm2铜芯导线。为防止静电放电引发火灾和爆炸事故，机体外壳选用表面绝缘电阻值不超过1Ω的材料。

　　5、防爆空调设计存在的问题

　　空调机辅助电加热装置是发热元件，特别是空间加热器元件，一般的情况下很难满足GB3836.3防爆标准的要求，即使在一定风量要求的条件下，加热器的最高表面温度还是相当的高。若减少加热器功率来降低表面温度，制热效果差，增加加热器加热管的数量，对于小机型空调机来说，受其内部空间的限制，的确是一个现实的问题。采用热管技术，体积大，寿命短，成本高，给空调机的安装带来了诸多的不便。我们在空调机用辅助电加热装置方面进行了大量的试验研究，积累了一定的试验数据，希望生产电加热管的供应商有兴趣共同开发防爆空调配用的电加热器，使防爆空调的设计更加完善。

　　6、结束语

　　防爆空调机组是一个整体防爆系统，其设计上除了要考虑所有电气元件的防爆性能外，还要考虑机组的整体防爆性能符合标准要求。防爆空调为爆炸危险场所的人们提供了舒适、安全的生产环境，然而安全的保障除了产品本身的性能外，还有赖于合理的选型、正确的使用和维护。愿大家都能远离危险，拥有安全。