7 abr. 2012

ATMÓSFERAS EXPLOSIVAS

ATMÓSFERAS EXPLOSIVAS

Definiciones
Se define como "una mezcla con el aire de gases, vapores, nieblas, polvos o fibras inflamables, en condiciones atmosféricas, en las que después de la ignición, la combustión se propaga a través de toda la mezcla no consumida".
 
·         Para que la atmósfera se convierta en explosiva, la concentración de los elementos antes citados deben estar dentro de un rango. Por encima o por debajo del mismo no se puede considerar como tal. El rango lo determinan los límites de explosividad:
              Límite Inferior de Explosividad (LIE): Es la concentración mínima de gases, vapores o nieblas inflamables en aire por debajo de la cual, la mezcla no es explosiva.
 
              Límite Superior de Explosividad (LSE): Es la concentración máxima de gases, vapores o nieblas inflamables en aire por arriba de la cual, la mezcla no es explosiva.
·         Temperatura de inflamación o punto de destello.  Es la temperatura a la que el desprendimiento de vapores es suficiente para que se produzca la inflamación por aportación de energía de un foco externo.
 
·         Temperatura de ignición o de autoignición.  A esta temperatura la mezcla entra en combustión espontánea. No precisa una fuente de energía externa para que se produzca la ignición.
 
·         Temperatura máxima superficial.  Temperatura máxima que puede alcanzar un material sin convertirse en un foco de ignición para a atmósfera que lo roda.
 
·         Energía mínima de inflamación. Es la energía que debemos aportar a una atmósfera explosiva para que se produzca la ignición.

 

Parámetros básicos sobre atmósferas explosivas debido a la presencia de polvos combustibles

 

·         Concentración mínima de explosión.  Equivale al límite inferior de explosividad de los gases.
 
·         Temperatura mínima de ignición a nube (TIN). Equivale al punto de destello.
 
·         Temperatura mínima de ignición en capa (TIC). Equivale a la temperatura máxima superficial.
 
·         Energía mínima de ignición (EMI).  Equivale a la energía mínima de inflamación.
 
·         Concentración máxima de oxígeno permitida para prevenir la ignición.  Es la máxima concentración de oxígeno a la que no se produce explosión del polvo combustible.
 
·         Presión máxima de explosión.  Máxima presión que se alcanza durante la explosión.
 
·         Gradiente máximo de presión.  Velocidad de crecimiento de la presión. Nos da idea de la virulencia de la explosión.

Clasificación de Zonas Peligrosas
Según el tipo de sustancia peligrosa se clasifican en:
 
Clase I : Lugares con presencia de gases o vapores inflamables.
 
En estos es posible la formación en cualquier momento de atmósferas explosivas, por ejemplo están zonas de trasvase de líquidos explosivos, cabinas de pintura, almacenes de disolventes, etc.
 
Se subdividen a su vez en función de la probabilidad de presencia de la atmósfera explosiva en:
 
      Zona 0: presencia permanente o durante largos periodos de tiempo.
 
      Zona 1: susceptible de formarse en condiciones normales de trabajo.
 
      Zona 2: presencia poco probable y por cortos periodos.
 
 
Los principios de seguridad a considerar serán:

      Las zonas de riesgo de explosión serán lo más reducidas posible.
 
      Los presencia de equipos eléctricos se minimizará y serán de protección acorde a la zona.

Clase II: polvo combustible.
 
Como ejemplo podemos citar silos de cereales, molinos, plantas de tratamiento de carbón, plantas de fertilizantes, etc.
 
Dentro de esta clase se distingue:
 
      Zona Z: Nubes de polvo. Es aquella en la que hay o puede haber polvo combustible durante las operaciones normales de funcionamiento, puesta en marcha o limpieza, en cantidad suficiente para producir una atmósfera explosiva. Ejemplo: en molinos pulverizadores.
 
      Zona Y: Capas de polvo. Es aquella que no está clasificada como zona Z, pero en la cual pueden aparecer acumulaciones de capas de polvo combustible que pueden producir atmósferas explosivas.

Los principios de seguridad a considerar serán:

      Se evitará en lo posible la ventilación y con ello el levantamiento de polvo.
 
      Mantenimiento de limpieza y recogida del polvo generado de forma periódica.
 
      Los equipos eléctricos estarán protegidos contra la entrada de polvo en el grado requerido:

          IP5x. Protección contra la entrada perjudicial de polvo.
 
          IP6x. Protección total contra la entrada de polvo.
          Las temperaturas superficiales máximas de trabajo de los equipos se limitará a 2/3 de la TIN o a 745ºC menos de la TIC para capas de 3 mm. Si son superiores se deberá disminuir dicha temperatura.
Clase III: Fibras volátiles.
 
Son aquellas zonas en las que el riesgo se debe a fibras o materiales volátiles fácilmente inflamables, pero habitualmente en cantidades insuficientes como para poder producir atmósferas explosivas. Ejemplos: plantas textiles, almacenamiento de rayón, algodón, estopa, fibras sintéticas, etc.
 
Los principios de seguridad a considerar serán:
 
      Se evitará en lo posible la ventilación
 
      Mantenimiento de limpieza y recogida del polvo generado de forma periódica


CONDICIONES DE ALMACENAMIENTO Y PROCESO
Definidas los diferentes zonas, la clasificación de las mismas dependerá de la concentración de la sustancia inflamable, por ello de las características de la fuente y de la duración de la concentración de la sustancia en la zona, es decir la ventilación.
 
Características de las Substancias.
Los emplazamientos deberán ser clasificados siempre que su volumen en relación con la presencia de sustancias inflamables sobrepase los valores fijados en la norma UNE 20.322.
  
Fuentes de Escape
 
Son los puntos desde los que se puede producir vertido de gases, vapores o polvo inflamable a la atmósfera. Hay tres grados a considerar según la norma UNE:
  • Grado continuo: El escape es continuo, durante largos periodos de tiempo o cortos pero frecuentes. (10% o más del tiempo de proceso, almacenamiento)Ejemplo: venteos libres a la atmósfera, etc.
  • Grado primario: Los escapes se producen de forma periódica u ocasional. Ejemplo: Sello de bombas, drenaje de recipientes, trasvases.
  • Grado secundario: No se prevén escapes en funcionamiento normal y si se producen son por cortos espacios de tiempo (<0.1% del tiempo del proceso o almacenamiento). Ejemplo: bridas.

 

Ventilación  
Es el tercer  factor básico en el estudio de estas atmósferas, ya que en conjunto con las características de la atmósfera y el tipo de fuente de escape nos determinará la zona y concentración de la atmósfera explosiva.
 
Se basa en la dilución de la atmósfera para reducir la concentración de los contaminantes y conseguir mantenerla por debajo de los LIE.
 
Los tipos de ventilación son:
  • Ventilación general.  Puede ser natural o forzada.
  • Ventilación general forzada.  Se aporta el caudal necesario por medio de ventiladores, colocando puntos de extracción e impulsión.
 
Los caudales de ventilación para ambos tipos se  puede calcular por la fórmula:
donde:
Q:
Caudal de aire en m3 por hora.
ρ r: :
Densidad relativa del líquido inflamable
V:
Velocidad de evaporación del líquido, en litros por hora
M:
Peso molecular de la sustancia
LIE:
Límite Inferior de Explosividad expresado en %.
Fs :
Factor de seguridad que depende del porcentaje del LlE .Para fuentes de escape continuas o primarias bien ventiladas podría ser adecuado un valor de 4, para fuentes de escape secundarias bien ventiladas este factor podría pasar a valer entre 10 y 12, y en fuentes de escape continuas, primarias o secundarias deficientemente ventiladas pueden ser necesarios valores de Fs más elevados.
B:
Constante que tiene en cuenta el hecho de que el LIE de vapores en aire disminuye a temperaturas elevadas, se tomará igual a 1 hasta 120 ºC y 0,7 para temperaturas superiores.

Ventilación natural.  Se da en instalaciones al aire libre o en edificios con grandes aberturas. En ella influye la ventilación debida al viento y la debida al efecto térmico.
El caudal de aire debido al viento se calcula con la fórmula:
Qv = Cv A v
donde:
QV
Caudal en m3 por minuto.
A
Área de la abertura
v
Velocidad del viento.
CV
Coeficiente de efectividad de la abertura. Desde 0,5 hasta 0,6 para una dirección del viento perpendicular a la abertura y desde 0,25 hasta 0,35 para direcciones inclinadas
 
La ventilación debida al efecto térmico puede ser calculada por la ecuación siguiente:

donde:
QT
Caudal en m3 por minuto.
A
Área libre, de las aberturas de entrada y salida (supuestamente iguales), en m2.
C
Constante de proporcionalidad que toma el valor 6,963 incluyendo un 65 % de efectividad de la abertura y que debería reducirse a un 50 % (C = 5,356) si las condiciones no son favorables
h
Distancia entre las aberturas de entrada y salida, en m.
Ti
Temperatura promedio en la altura h del aire del interior, en K
T0
Temperatura exterior del aire, en K
 
Si las aperturas de entrada y salida no fueran iguales se corregirá por los datos obtenidos de la curva siguiente:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ambas componentes de la ventilación natural actúan conjuntamente y el caudal resultante se obtiene corrigiendo el valor de Q T con el factor K que se obtiene mediante la figura

 








Ventilación localizada.  Se realiza directamente sobre el foco d generación de contaminación o muy cerca del mismo.

 

Zonificación. Extensión de las Zonas
Tras la determinación del grado de la fuente de escape y del tipo de zona, hay que obtener la extensión y configuración de la zona, para ello habría que determinar la cuantía del escape así como otros factores influyentes.
 
Los factores a considerar son además de los ya expuestos:
 
·         Cuantía del escape: A mayor cuantía de escape, mayor extensión de la zona
 
·         Concentración de la sustancia inflamable en una mezcla derramada: La extensión aumentaría con la concentración, puesto que se generaría mayor cantidad de vapores inflamables.
 
·         Obstáculos: Si estos dificultan la ventilación, generarán una mayor extensión de la zona, pero si limitan la propagación de la atmósfera explosiva provocarán una disminución de la zona.
 
·         Temperatura del líquido inflamable: Para temperaturas de proceso o almacenamiento de sustancias inflamables mayores, aumentará la extensión de la zona siempre y cuando se este por encima del punto de destello de la sustancia.
 
Un cálculo aproximado de la extensión de las zonas es la determinación del volumen alrededor de la fuente donde se sobrepasa el LIE. A este luego se aplican factores de seguridad.
 
Las magnitudes que se emplean son:
VZ (m3)
Volumen de la zona clasificada
V (m3)
Volumen del local donde esta situada la fuente de escape
v0 (m/seg)
Velocidad del aire donde esta situado el equipo
Q0 (m3/seg)
Caudal de ventilación, que se supone se distribuye uniformemente en todos los puntos del local.
c (cambios/seg)
Número de cambios o renovaciones de la atmósfera en el local por unidad de tiempo, siendo igual a la relación entre el caudal de ventilación y el volumen del local.
QME (kg/seg)
Caudal másico de escape, que se puede obtener a partir del caudal volumétrico de escape, considerando los gases o vapores como gases ideales.
 
P
Presión en atmósferas
M
Peso molecular de la sustancia inflamable en kg/mol.
R
Constante de los gases perfectos, 0,082 atm. l/mol k.
T
Temperatura en grados kelvin.
LlEM (kg/m3)
Límite inferior de explosividad expresado en unidades de masa
El aporte mínimo de aire o caudal de ventilación debe ser:
Este caudal mínimo de ventilación puede ser expresado en términos de renovaciones por unidad de tiempo:
Qmin=cVz
El volumen de la zona clasificada:
En esta expresión se deberían introducir los factores de seguridad Fs y B:
  
Equipos Aptos para Zonas Explosivas
 
Los equipos destinados a trabajos en estos tipos de atmósferas se agrupan según:
1)   Aparatos  Grupo I: Para trabajos en minas o en las instalaciones exteriores donde se puedan producir atmósferas explosivas.

a.      Categoría M 1: Nivel de protección muy alto.
 
b.      Categoría M2: Nivel de protección alto
2)   Aparatos Grupo II: Destinados al uso en otros lugares en los que puede haber peligro de formación de atmósferas explosivas.

a.      Categoría 1: Nivel de protección muy alto. Aún  fallando un medio de protección, existe otro que sigue manteniendo el nivel de protección.
 
b.      Categoría 2: Alto nivel de protección.
 
c.      Categoría 3: Nivel normal de protección.
Equipos eléctricos aptos para zonas explosivas
 
Un equipo eléctrico solo será apto para zonas explosivas, si está construido con arreglo a uno de los siguientes modos de protección:
 
      d = envolvente antideflagrante. El equipo eléctrico está encerrado en el interior de una envolvente capaz de resistir la explosión y de no transmitir la inflamación al ambiente circundante, ni por sus juntas de unión, ni por otras comunicaciones.
      e = seguridad aumentada. Se basa en asegurar la no formación de arcos, chispas o sobrecalentamientos en aparatos, tomando: un coeficiente de seguridad elevado, bornes especiales inaflojables, aislantes de alta calidad y con un IP54 mínimo.
 
      i = seguridad intrínseca. Un aparato o circuito es intrínsecamente seguro cuando no sea capaz de producir chispas o efectos térmicos suficientes para provocar la inflamación de una atmósfera de gas determinada. Está indicado para instrumentación, ya que consiste en diseñar circuitos en baja tensión y reducir la intensidad tomando, además, en consideración los posibles defectos que puedan producirse y los almacenamientos de energía en condensadores, cables e inductancias.
      p = sobrepresión interna. Las máquinas o materiales eléctricos están provistos de una envolvente o instalados en una sala en la que se impide la entrada de los gases o vapores inflamables, manteniendo en su interior aire o un gas no inflamable, a una presión superior a la atmosférica exterior.
 
      = inmersión en aceite. Se realiza de manera que no puedan inflamarse los gases o vapores inflamables que se hallen por encima del nivel de aceite y en el exterior de la envolvente.
 
      q = aislante pulverulento. Las partes bajo tensión del material eléctrico están completamente sumergidas en una masa de aislante pulverulento.
 
      m = encapsulado. Los elementos a proteger están encerrados en una resina, de tal manera que una atmósfera explosiva no pueda ser inflamada ni por chispas, ni por contacto partes calientes internas al encapsulado.
      Un conductor activo y neutro
 
La causa más frecuente que provoca el cortocircuito, es el defecto de aislamiento o el defecto del aislante.
 
Un circuito eléctrico está dimensionado para una potencia determinada, con unos receptores concretos y, además, se puede tener en cuenta en su diseño una ampliación de potencia. Si ese circuito alimenta más receptores de los inicialmente previstos, y por consiguiente, la demanda es superior a la de diseño, se dice que el circuito está sobrecargado. Esto origina una sobre intensidad en el mismo.
 
También se originan sobrecargas cuando la potencia solicitada por una máquina es superior a la potencia que puede suministrar el motor que la mueve.
Por otra parte, se provocan sobrecargas ante perturbaciones o aumentos de tensión de alimentación de la red, originadas por diversas circunstancias. La sobrecarga lleva consigo una sobre intensidad que excede de la intensidad de servicio, pero que no llega a ser tan elevada como la intensidad de cortocircuito.
 
Un circuito eléctrico está constituido por unos hilos conductores revestidos por una o varias vainas aislantes de materiales tales como cloruro de polivinilo, PVC, polietileno reticulado (XLPE), etileno propileno (EPR), goma, goma butílica, etc. Las características de estos materiales vienen definidas por las temperaturas de servicio permanente y temperatura máxima de cortocircuito:
 
      Temperatura de servicio permanente: se pretende que el conductor trabaje con una intensidad de corriente que origine una temperatura, cuyo valor no exceda a la temperatura de servicio permanente, para evitar, que en el transcurso del tiempo afecte a las características del aislante.
 
      Temperatura máxima de cortocircuito: el objetivo es que ante un cortocircuito la temperatura que alcance el conductor, como consecuencia de una sobreintensidad, no exceda de la temperatura máxima de cortocircuito en un tiempo inferior a 5 segundos, para no provocar la inflamación del material aislante.
 
El Interruptor Magnetotérmico
 
Al proyectar la instalación se debe prever algún sistema de protección contra sobreintensidades. El elemento más utilizado es el interruptor magnetotérmico, el cual está diseñado para que permita el paso de una determinada intensidad máxima; el interruptor magnetotérmico está preparado para interrumpir el paso de la corriente según dos tipos de disparo:
 
      Disparo térmico: originado por una sobreintensidad que provoca un calentamiento. El tiempo de disparo es función de la intensidad que circula por el interruptor.
 
      Disparo magnético: se produce a partir de "n veces" el valor de la intensidad nominal. El tiempo de disparo oscila entre décimas de segundo y milisegundos.

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