特殊場所空調潛在的危險性之防爆空調的結構與設計
關鍵詞]防爆空調；結構；設計；防爆體系
[摘要]分析了普通空調在危險場所應用的潛在危險性，并對防爆空調的設計方法進行了探討。
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在石油、化工等部門的企業中，在許多存在易燃易爆場所的操作室、生產車間、倉庫需要恒溫環境才能保證正常的生產和工作；另外，爆炸性氣體環境中的工作人員也希望在一個溫度適宜的環境下工作，以提高工作效率，保證產品質量。但是普通空調在這些有易燃易爆氣體的危險場所使用，有發生爆炸的可能性，因此，在這類場所必須選用防爆型空調。
2、空調的結構
空調器的組成主要包括三大部分，分別為制冷系統、空氣循環系統和控制系統。制冷系統和空氣循環系統中包括的電氣部分有：壓縮機、搖擺電機、室內外風機電機、四通電磁換向閥、高低壓保護開關等，另外冷暖雙溫式空調一般還有輔助電加熱。機械部分包括冷凝器、蒸發器、毛細管、氣液分離器(貯液罐)、干燥過濾器等部件。空調器控制系統的核心為微處理芯片，通過它的I/O口采集室內外機中溫度傳感器檢測到的信號、電源電壓的變化信號和各功能鍵的操作信號，并對這些信息進行處理，再通過I/O口驅動壓縮機、風機電機、四通電磁換向閥、輔助電加熱器及顯示器。系統原理圖如圖一所示：
3、普通空調使用在爆炸危險場所的潛在危險性
由空調的結構可知，普通空調在具有爆炸性氣體混合物存在的石油化工等危險場所，一旦發生易燃易爆氣體泄漏，就有可能發生爆炸危險。具體可能發生爆炸的因素有以下幾個方面：(1)元件、設備所產生的電火花、電弧等，如控制回路中的接觸器、繼電器。(2)設備運行當中產生的機械摩擦火花，如電動機軸承蓋和轉軸間、風機電機的風葉旋轉部件與靜止部件間。(3)空調塑料外殼表面可能積聚靜電而產生靜電火花。(4)設備外殼表面有可能產生危險溫度，如壓縮機、輔助電加熱器等。(5)印刷電路板有發生短路、開路等故障釋放能量引燃可燃性氣體的可能。(6)普通空調的布線、電氣安裝不符合GB3836.15—2000《爆炸性氣體環境用電氣設備第15部分：危險場所電氣安裝(煤礦除外)》標準要求，也存在產生火花、電弧或高溫的可能。因此，進行防爆空調機組的設計，主要從以上幾方面入手。
4、防爆空調的系統設計
在進行防爆空調的設計前，首先根據防爆空調適用的爆炸性氣體混合物場所，來確定本產品的防爆型式。由于空調機組中涉及的電氣元件較多，因此，空調機組整機采用復合防爆型式。
4.1、零部件的防爆設計
壓縮機是空調器制冷系統的心臟。房間空調器壓縮機采用全封閉旋轉式壓縮機。壓縮機外殼由鋼板沖壓焊接制成，且外殼至少能承受1.5MP、歷時15min的壓力不泄漏、電動機定轉子和壓縮機活塞共同密封在其中，外部只有一個密封接線柱和高低壓側連接管(與制冷系統連在一起)。電纜引入裝置采用密封填料式結構，澆封劑包覆電纜長度不小于5mm，接線柱和澆封劑自由表面間的澆封劑層厚不小于3mm。澆封劑采用環氧樹脂，具有足夠的熱穩定性能。壓縮機通過連接管路和冷凝器、蒸發器、毛細管、貯液器、過濾器、電磁換向閥組成密閉的循環系統，滿足GB3836.10—91要求，構成氣密型防爆結構。室內外風扇電機、搖擺風機電機、四通電磁換向閥及高低壓保護開關等可選用市場上已取得防爆合格證的隔爆型或澆封型電氣設備，這里不再詳細論述。控制系統是空調機的神經中樞。空調機主回路采用AC380V(或AC220V)供電電源，并經變壓器降壓、整流、濾波和限壓、限流保護電路，變為低壓直流電源供處理芯片、溫度信號采集電路和顯示、操作電路使用。由于該部分電路電壓高、電流大，容易產生點燃火花，所以把該部分電路放置在隔爆盒內，作為本安電路的關聯設備處理，而操作、顯示、信號采集處理部分因電壓低、電流小，故設計成本安電路，以便于安裝、操作。隔爆盒的設計應符合GB3836.2的要求，電纜引入裝置可采用彈性橡膠密封圈或密封填料來進行密封。電源變壓器副邊繞組向本安電路供電，因此變壓器的結構設計應符合GB3836.4—2000標準中8.3.1條的要求，并能承受絕緣介電強度試驗的考核。變壓器的輸入電路應符合GB3836.4—2000第7.3條規定的熔斷器或適當規定值的斷路器來保護。限壓環節采用兩只并聯的穩壓二極管雙重保護，穩壓二極管的額定功率應至少為齊納狀態下齊納耗散功率的1.5倍，額定電流應大于正向導通狀態下15倍最大可能的短路電流。限流環節采用薄膜型或繞線型電阻或晶體管非線性組件，限流電阻在正常工作時或本安端開路、短路時所承受的電壓、電流、功率不得超過額定值的2/3。壓縮機、風機、四通電磁換向閥、輔助電加熱器的弱電控制信號與強電部分應采用光電耦合器、固態繼電器進行安全隔離。隔離元件應能承受1500V歷時1min的絕緣介電強度試驗。本安電路中電容、電感應符合GB3836.4—2000附錄A的要求。另外，印刷電路板導線的寬度應與在此溫度組別下最大允許通過的電流相適應。裸露導電元件間的電氣間隙、爬電距離也應符合標準要求。在所用電器元件都焊接完畢后，印刷線路板正反兩面應均勻涂覆兩遍絕緣清漆，以加強絕緣。空調機組及各電氣設備的最高表面溫度應不超過130℃，否則可能引燃爆炸性氣體混合物，然而，在冬天氣溫較低時單靠熱泵來制熱滿足不了人們的需要，空調都配有輔助電加熱裝置，電加熱器表面溫度很高，一般都超過了T4組允許的溫度組別，若通過減少加熱器功率來降低溫度則制熱效果又不理想，為了得到既制熱量大，表面溫度又低的雙重效果，采用了熱管技術，通過控制熱管內傳熱介質的蒸發點及增大散熱表面來降低加熱器的最高表面溫度。
4.2、整體防爆性能設計
由于電氣線路在運行中受到自身和外界諸多條件的影響，容易發生過負荷、接地或斷路等故障而產生電火花、弧光或危險溫度，誘發易燃易爆物質的燃燒與爆炸事故，因此防爆空調機的布線、安裝應符合GB.5—2000要求。在爆炸危險環境中所用的電纜、電線的芯線截面應較非危險場所所用電纜、電線的截面積留有較大的裕量，一般情況下應稍大一點，最多不大于導線截面的一個級別。空調機組和外部電源以及室內外機之間的連接電纜選用銅芯電纜，電纜芯線截面積應至少大于1.5mm2。在爆炸危險場所進出隔爆盒的電纜應選用致密填充物的護套電纜、橡套電纜，電纜直徑應和密封圈相適應，確保電纜引入裝置能夾緊電纜。電氣設備的引入裝置多余的通孔，應用堵棒封堵上。本安電路是通過限制能量使之即使發生斷路、短路或接地故障時其能量也不會引起危險環境的點燃，所以為了保護本質安全電路的整體性能，免受其他電源的干擾，本安電路和其他電路應隔離。本安端子與非本安端子之間間距不小于50mm，本安導線與非本安導線分開扎捆走線。連接本質安全電路的插接件和連接非本質安全電路的插接件應不能互換。空調機組包含的所有電氣設備及機組整體都應有可靠的內外接地，接地導線采用不小于4mm2銅芯導線。為防止靜電放電引發火災和爆炸事故，機體外殼選用表面絕緣電阻值不超過1Ω的材料。
5、防爆空調設計存在的問題
空調機輔助電加熱裝置是發熱元件，特別是空間加熱器元件，一般的情況下很難滿足GB3836.3防爆標準的要求，即使在一定風量要求的條件下，加熱器的最高表面溫度還是相當的高。若減少加熱器功率來降低表面溫度，制熱效果差，增加加熱器加熱管的數量，對于小機型空調機來說，受其內部空間的限制，的確是一個現實的問題。采用熱管技術，體積大，壽命短，成本高，給空調機的安裝帶來了諸多的不便。我們在空調機用輔助電加熱裝置方面進行了大量的試驗研究，積累了一定的試驗數據，希望生產電加熱管的供應商有興趣共同開發防爆空調配用的電加熱器，使防爆空調的設計更加完善。
6、結束語
防爆空調機組是一個整體防爆系統，其設計上除了要考慮所有電氣元件的防爆性能外，還要考慮機組的整體防爆性能符合標準要求。防爆空調為爆炸危險場所的人們提供了舒適、安全的生產環境，然而安全的保障除了產品本身的性能外，還有賴于合理的選型、正確的使用和維護。愿大家都能遠離危險，擁有安全。
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