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Métodos de ensayo para aparatos eléctricos instalados en un ambiente pulverulento con riesgo de explosión

por E. Querol Aragón, J. García Torrent y A. Ramos Millán

Introducción

El polvo en la industria suele presentarse depositado o formando nubes y, a pesar de tomar precauciones, se producen accidentes al aparecer en el proceso fuentes de ignición capaces de originar una explosión. Después de revisar los métodos de ensayo actualmente existentes, se desarrollan tres nuevos vinculados con los riesgos más usuales de este tipo en la industria: acumulaciones de polvo, nubes de polvo y capas. Por último se ha realizado una ronda de ensayos en tres laboratorios europeos. 

Es bien sabido que las chispas y arcos eléctricos son capaces de inflamar nubes de polvo. La energía mínima requerida varía con las propiedades del polvo, con las características de la chispa, como su distribución espacial y temporal de energía, con la geometría del electrodo, su tamaño y forma, así como con el mecanismo de descarga. Las descargas de chispas electrostáticas son capacitivas y la energía teórica de la chispa, despreciando las pérdidas en el circuito externo, viene dada por ½ CV2 , donde C es la capacidad y V la tensión aplicada. Las chispas y arcos generados cuando se interrumpe una corriente circulante son chispas inductivas transitorias y su energía teórica viene dada por ½ L i2 , donde L es la inductancia del circuito e i la intensidad de corriente. Las descargas desde componentes con una inductancia o resistencia significativa normalmente tienen una duración superior que las descargas puramente capacitivas, resultando que es posible la ignición de un determinado polvo con una menor energía total. Esto fue comprobado ya por Boyle y Llewellyn [2] que observaron cómo al incluir una resistencia en serie de 104 – 105 ohmios la energía necesaria para inflamar ciertos polvos se reducía sustancialmente. Igualmente, Smielkow y Rutkowski [3] aumentaron la duración de la descarga mediante una elevada resistencia en el circuito, observando que la energía teórica necesaria procedente de la descarga de un condensador se reducía en un factor de 10. Las mediciones realizadas por Parker [4] mostraron que para algunos polvos había una región diferenciada donde la duración de la descarga producía las menores energías de ignición. Sin embargo, para otros polvos no aparecía tal región. La distancia entre electrodos tiene también un notable efecto sobre la energía de ignición, como demostró Ballal [5] al comprobar para polvos metálicos que hay una separación óptima entre electrodos para cada polvo y que aumenta al aumentar la energía de ignición. Las medidas realizadas por Norberg, Zu y Zhang [6] mostraron que la distancia óptima para la separación de los

electrodos estaba en 6-8 mm para chispas capacitivas de corta duración. El empleo del dispositivo experimental basado en el aparato de ensayo de chispas, consistente en un disco giratorio y un electrodo, fue ya presentado por Harper, Plain, Wilston y Gibson [7] y posteriormente modificado por Lunn, Rowland y Tolson [8], demostrando su aplicabilidad a la determinación de corrientes mínimas de ignición. Las normas europeas elaboradas de acuerdo con la directiva europea 94/9/CE [9] deben proporcionar métodos de prevención y protección contra explosiones. Como apoyo a dicha elaboración, es imperativo el desarrollo de aparatos y procedimientos de ensayo que proporcionen datos cuantitativos que permitan clasificar los productos y determinar sus propiedades de inflamación y explosividad. Con este fin se encargó a tres laboratorios europeos (Health and Safety Laboratory, HSL, en el Reino Unido; Laboratorio Oficial J. M. Madariaga, LOM, en España y Deutsche Montan Technologie, DMT, en Alemania) la realización de un proyecto de investigación. El objetivo de este proyecto, parcialmente financiado por la Unión Europea en su programa sobre Normas, Medidas y Ensayos [10], ha sido estudiar la ignición de nubes, acumulaciones y capas de polvo para proporcionar métodos de ensayo y datos del comportamiento de las sustancias, reproducibles, y válidos para la clasificación y tratamiento de los diferentes equipos eléctricos, de acuerdo al riesgo de inflamación y explosión de las sustancias. Esta investigación se ha estructurado en varias etapas: consultas a casas especializadas, revisión de bibliografía y experimentación. La experimentación requirió la realización de prototipos de equipos de ensayo, el desarrollo de metodologías de ensayo y una ronda de ensayos interlaboratorios, todo ello para comprobar la validez de ambos.

  1. Ignición mediante equipo eléctrico de nubes de polvo

A. Equipo y procedimiento de ensayo El prototipo desarrollado por el equipo británico HSL (Fig. 1) es una combinación de dos aparatos de ensayo: el tubo vertical tipo Hartmann, para cálculo de la energía mínima de ignición (EMI), y el aparato de ensayo para circuitos de seguridad intrínseca en gases [11]. El objetivo de este diseño es proporcionar a esta nueva técnica la base experimental de los especialistas en cada uno de los ensayos anteriores. Un sistema de dispersión (Fig. 2) situado en el fondo del tubo vertical, dispersa el polvo dentro del tubo mediante impulsos de aire seco a una presión de 3 bar, mientras un disco giratorio con hilos de wolframio provoca chispas al contacto con un disco de cadmio. Este disco está montado conforme a la norma europea de circuitos de seguridad intrínseca en gases [11], al que se han realizado ciertas modificaciones según el proyecto europeo SMT4-CT98-2217 [12] para ensayar circuitos con intensidades de hasta 20 A.

El sistema cuenta con un detector de ignición basado en la presión negativa posterior a la misma, y también con un sistema de entrada de mezcla gas/aire para calibrar el equipo. Se define (Fig. 3) un tamaño de muestra máximo de 63 Pm y un secado a 105 ºC durante 1 hora. Se prescindirá de la etapa de secado en el caso de que dicho proceso diminuya la sensibilidad a la ignición del producto. Debe analizarse un amplio rango de concentraciones para asegurar que se ensaya la concentración óptima de ignición. La experiencia marca que dicho óptimo suele encontrarse en el rango de concentraciones de 250 g/m3 a 1000 g/m3. La calibración del equipo, anterior a los ensayos, se realiza en dos fases:

- Una calibración del mecanismo de chispa con metano al 8,3 % utilizando el procedimiento de la norma EN 50020 [11]: Tensión 24 V d.c., intensidad 110 mA, inductancia 95 mH.

- Una calibración del conjunto del aparato utilizando polvo de licopodio, 24 V y 10 A, estando estipulado el número de vueltas que debe dar el disco para producirse la ignición

B. Probabilidad de ignición Tras limpiar el aparato de ensayo, se conecta el circuito eléctrico que se va a ensayar, utilizando 2,5 g de producto para la dispersión. El ensayo se desarrolla durante 400 vueltas del disco de cadmio si no hay ignición, pero se detiene antes de la realización de todas las vueltas si se produce la ignición. Se repite el proceso de ensayo con 5,0 g, 7,5 g, 10,0 g, 12,5 g, 15,0 g, 17,5 g de polvo.

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Para determinar la probabilidad de ignición del sistema, se realiza la cuenta de las vueltas que da el sistema antes de que se produzca la ignición, y se repiten los ensayos 7 veces, con las mismas condiciones de tensión y variando la intensidad. Posteriormente se utiliza (1) para determinar la probabilidad de ignición de esa tanda de ensayos.

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siendo

P: probabilidad

Cv: número de vueltas hasta la ignición en el ensayo

i: número de ensayo

Por último se grafica la relación de probabilidad frente a la corriente y, mediante una aproximación polinómica, se determina el valor de la corriente que daría la probabilidad de 10-3. Para obtener otro punto a diferente tensión se modifica la tensión y se vuelve a realizar un barrido en corriente, determinando la nueva corriente que, con la tensión aplicada, tiene una probabilidad de 10-3 de provocar una chispa eléctrica lo suficientemente energética para provocar la ignición de la nube de polvo en suspensión

C. Problemática de los discos de cadmio e hilos de wolframio La problemática que se tiene con los discos de cadmio y los hilos de wolframio es que, al utilizar corrientes elevadas, se hace imposible funcionar con hilos de 0,2 mm de diámetro ya que se funden y, por lo tanto, es necesario incrementar el diámetro de los hilos. Al aumentar el diámetro de los hilos, disminuye la flexibilidad del mismo, con lo que el hilo de wolframio, en vez de pasar por la superficie del disco, lo raya. De esta forma se pierde la adaptación necesaria del disco de cadmio, debido a la oxidación de las nuevas partes expuestas del disco de cadmio. El problema se ve agravando a cada vuelta que da el portahilos; ya que, debido a la poca flexibilidad del hilo de wolframio, el trazo que sigue este sobre el disco es prácticamente el mismo, lo cual va provocando un surco cada vez más grande en el disco de cadmio y una des-adaptación cada vez mayor. Ello exige calibraciones cada vez más frecuentes, llegando a la sustitución del disco de cadmio de forma frecuente.

D. Resultados Se ensayaron tres productos: azufre, estearato de calcio y licopodio. Los datos obtenidos en las calibraciones (Fig. 4) y en los ensayos (Fig. 5) se han comparado con los obtenidos a partir de la norma EN50020 (1995) [11], verificándose una gran correlación entre ambos.

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Se obtuvieron resultados ligeramente por encima del grupo I (metano) al calibrar, bastante por encima con el estearato de calcio y el licopodio, y, sin embargo, valores cercanos a la curva IIB (gases) con el azufre.

A. Equipo y procedimiento de ensayo

El objetivo del ensayo es simular lo que ocurre cuando en una instalación de procesamiento de sólidos pulverulentos un cierto equipo eléctrico (caja de conexiones, botonera, cables, etc.) queda totalmente cubierto por el polvo. Al estar recorrido ese elemento eléctrico por una corriente, genera calor que se disipa, pero si está cubierto por polvo, la capacidad de evacuación disminuye, y el calor se puede acumular elevando la temperatura del equipo eléctrico con el riesgo de llegar a inflamar el polvo depositado sobre él. El estudio del Laboratorio Español LOM empezó con unos ensayos preliminares, en los cuales se utilizaba una caja eléctrica inmersa en un recipiente relleno de polvo. Las cantidades de polvo y los tiempos necesarios para el ensayo resultaron excesivos. Además, la observación de las condiciones reales encontradas en distintas instalaciones industriales llevó a modificar la forma geométrica del montón de sólido pulverulento depositado sobre el elemento eléctrico. Así se desarrolló un aparato y procedimiento de ensayo con menores requisitos de cantidad de muestra y tiempo de ensayo (Fig. 6).

Mediante el uso de un embudo (Fig. 7), situado a 140 mm de una superficie rectangular calentada eléctricamente con corriente continua, se depositaron 4 litros de muestra de forma simétrica, añadiendo más en caso necesario hasta asegurar una altura mínima de 50 mm de polvo por encima de la superficie caliente del bloque calefactor que simula al equipo eléctrico ensayado. Las dimensiones finales del bloque calefactor fueron: 200 mm x 100 mm x 50 mm, habiéndose realizado ensayos anteriormente con un bloque de 100 mm x 50 mm x 25 mm. Se escogió la forma rectangular por facilidad constructiva, aunque sería mucho más conveniente una forma cuadrada o incluso cilíndrica, más compacta, tanto para el bloque calefactor como para la bandeja de contención, para facilitar la simetría del montón de polvo en futuros prototipos.

B. Resultados

Se ha observado que la potencia decrece ligeramente (1 %) al subir la temperatura y la resistencia del bloque calefactor en los momentos iniciales, despreciándose este efecto a favor de los valores de ensayo finales.

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La temperatura del bloque depende de la potencia eléctrica consumida, pero también del producto que se ensaye, ya que cada producto aporta una resistencia térmica diferente que dificulta la disipación del calor generado, incrementando la temperatura del bloque con respecto al valor obtenido sin muestra. En los ensayos realizados (Tabla I) se analizaron 3 productos (Fig. 8 y Fig. 9): serrín, carbón y café.

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El ensayo se prolonga durante 8 horas, o hasta que se observen señales de ignición (llamas o incandescencia). Para la propuesta final del método de ensayo se podrían cambiar las condiciones de final de ensayo por otras más flexibles, como puede ser cuando se alcance la temperatura máxima, o cuando se estabilice la temperatura durante 1 hora. A partir de los resultados obtenidos, se observa que cuanto mayor es la superficie calefactora y mayor la cantidad de polvo, menor es la temperatura de ignición.

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Se ha observado que la potencia mínima de ignición depende de la temperatura ambiente y de la velocidad del aire, por lo que hay que anotar dichos valores al inicio del ensayo. 

Conclusiones

Se ha obtenido un resultado global muy positivo en el desarrollo de tres métodos requeridos por fabricantes, instaladores y usuarios. Los resultados obtenidos entre los diferentes laboratorios son razonablemente similares lo que facilitará la normalización de los distintos ensayos y métodos. Estos métodos contribuirán a la mejora de la seguridad en atmósferas explosivas de polvo, gracias a la clasificación de riesgos de las distintas sustancias en las tres vertientes más usuales en la industria: capas, acumulaciones, y nubes. Resulta especialmente destacable que mediante el empleo de un dispositivo experimental similar al utilizado en los circuitos de seguridad intrínseca en gases, ha permitido comprobar que algunas atmósferas explosivas por polvo presentan energías de inflamación del mismo orden de magnitud que las de los gases inflamables. Esto representa un paso importante hacia la mejora de las condiciones de seguridad en las industrias de procesamiento de sólidos al advertir sobre la necesidad de vigilar algunas fuentes de ignición despreciadas en el pasado.